發(fā)酵工藝的最新技術(shù)進(jìn)展使得生物塑料再次成為關(guān)注焦點。根據(jù)PreScouter發(fā)布的一份新報告指出，發(fā)酵化學(xué)品在綠色化學(xué)革命中正展現(xiàn)出成為下一代顛覆性技術(shù)的潛力。隨著市場趨勢的推動，發(fā)酵化學(xué)品正經(jīng)歷穩(wěn)定的市場增長。今年6月，BASF研究了如何生產(chǎn)碳中和的生物基富馬酸酯，這也是其2023年已獲得許可的生物BDO技術(shù)Genomatica的前期研究之一。

“發(fā)酵化學(xué)品”這一術(shù)語指的是通過使用細(xì)菌、酵母、真菌和微藻等微生物對生物質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵過程而生產(chǎn)的化學(xué)品。它們是生物基化學(xué)品的一個子集。

生物基之爭：發(fā)酵法 vs 植物基

生物基材料并不自動意味著碳中和或可生物降解。為了準(zhǔn)確評估可持續(xù)性，除了溫室氣體排放外，還必須考慮土地使用變化、生物多樣性影響和社會因素等問題。

植物基解決方案通常被認(rèn)為比化石基合成材料更具可持續(xù)性，但其碳中和問題仍存在疑問。碳足跡估算、排放測量以及土地使用變化等問題使得確認(rèn)其真正的環(huán)境影響變得困難。

發(fā)酵化學(xué)品則提供了一種具有獨特優(yōu)勢的互補(bǔ)方法：

? 允許高度定制化的產(chǎn)品和工藝。

? 可以通過利用生物廢料、二氧化碳或甲烷作為原料實現(xiàn)負(fù)碳排放。

? 過程可以被嚴(yán)格控制和優(yōu)化，確保效率和一致性。

? 不受季節(jié)限制，不與糧食供應(yīng)競爭，也不受原材料供應(yīng)的制約。根據(jù)所用原料的不同，它對土地和水資源的影響也可能較小。

? 過程可以是對映選擇性的，并可以根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行定制，提供精確且理想的結(jié)果。

PLA和PHA：生物塑料聚合物的領(lǐng)跑者

PLA（聚乳酸）是由玉米和甘蔗等可再生植物基原料制成的。這些有機(jī)來源提供了碳水化合物，經(jīng)過細(xì)菌發(fā)酵生成乳酸，然后將乳酸聚合成PLA。PLA以其透明性和強(qiáng)度而聞名，適用于各種包裝應(yīng)用。

另一方面，PHA（聚羥基脂肪酸酯）是由像Ralstonia eutropha和假單胞菌等微生物合成的。這些細(xì)菌在營養(yǎng)有限的條件下利用有機(jī)廢料和副產(chǎn)品作為碳源，并將PHA作為能量儲備。PHA的多功能性，包括其可生物降解性和生物相容性，使其成為傳統(tǒng)塑料的有吸引力的替代品。

PLA和PHA在未來有很大的潛力顛覆傳統(tǒng)塑料市場，其材料特性有助于減少溫室氣體排放和對化石燃料基塑料的依賴。例如從城市固體廢物中生產(chǎn)PLA，每噸可實現(xiàn)73公斤二氧化碳的凈減少。PHA則可以幫助減少95%的化石能源消耗和200%的溫室氣體排放。

2023年全球PLA市場估值約為15億美元，預(yù)計到2030年將增長到45億美元，年復(fù)合增長率為17%。同樣，2023年P(guān)HA市場估值為9300萬美元，預(yù)計到2030年將增至2.619億美元，年復(fù)合增長率為15.9%。這種增長也受到了各行業(yè)對環(huán)保材料需求增加的推動。

由于PLA進(jìn)入市場較早，生產(chǎn)成本較低，應(yīng)用范圍更廣，從而已經(jīng)占據(jù)更大的市場份額。相比之下，PHA市場雖然在增長，但由于生產(chǎn)成本較高、規(guī)模化挑戰(zhàn)以及應(yīng)用較為專業(yè)，市場規(guī)模仍較小。然而發(fā)酵技術(shù)的不斷進(jìn)步有望克服目前PHA的許多限制。通過降低成本、提高產(chǎn)量、擴(kuò)大原料種類和改善材料特性，這些進(jìn)展可能使PHA成為更具競爭力和吸引力的生物塑料，適用于更廣泛的應(yīng)用。

降低PHA生產(chǎn)成本的一個努力是使用更具成本效益的原料，如木質(zhì)纖維素生物質(zhì)和有機(jī)廢料，后者目前占PHA生產(chǎn)成本的50%以上。此外，采用開放式和混合培養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)可以減少對無菌環(huán)境的需求，從而降低運營成本。

生物塑料的價格正逐漸接近化石基塑料的價格。目前化石基塑料的成本約為每公斤1.2美元，而PLA的成本為每公斤2.4美元，PHA的成本則在每公斤2.4美元到5.5美元之間。

生產(chǎn)和適應(yīng)的挑戰(zhàn)

盡管生物塑料前景廣闊，但其生產(chǎn)面臨諸多挑戰(zhàn)，主要是由于高昂的成本。發(fā)酵工藝比傳統(tǒng)化學(xué)生產(chǎn)更昂貴，這使得生物塑料難以與化石基塑料競爭。缺乏成熟的生物基替代品供應(yīng)鏈?zhǔn)橇硪粋€障礙。法規(guī)問題也發(fā)揮了重要作用，尤其是涉及生產(chǎn)中使用的轉(zhuǎn)基因生物（GMOs）時。在轉(zhuǎn)基因生物監(jiān)管嚴(yán)格的地區(qū)，發(fā)酵衍生產(chǎn)品的市場進(jìn)入可能受到阻礙。此外，大規(guī)模發(fā)酵需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制以防止污染，這為生產(chǎn)增加了另一層復(fù)雜性。

領(lǐng)先的創(chuàng)新者與未來方向

該報告介紹了9種通過發(fā)酵生產(chǎn)的生物產(chǎn)品可作為化學(xué)替代品。其中兩個突出的例子包括NatureWorks和Danimer Scientific。展望未來，PLA和PHA生產(chǎn)的可擴(kuò)展性將取決于技術(shù)進(jìn)步和市場需求。發(fā)酵技術(shù)的創(chuàng)新，如精確基因組編輯和先進(jìn)的代謝工程，可能進(jìn)一步提高這些生物聚合物的經(jīng)濟(jì)可行性。類似于推動生物乙醇的政策，監(jiān)管支持也可以加速生物基產(chǎn)品的采用。

從更廣泛的角度來看，發(fā)酵化學(xué)品是滿足綠色化學(xué)解決方案日益增長需求的有吸引力的戰(zhàn)略選擇。這些生物塑料為可持續(xù)塑料生產(chǎn)提供了一個有前景的途徑，結(jié)合了環(huán)境效益與日益增長的市場需求。然而，盡管它們在減少環(huán)境影響方面的潛力巨大，克服生產(chǎn)成本和監(jiān)管挑戰(zhàn)仍然是實現(xiàn)廣泛采用和成功的關(guān)鍵。

Reference:

https://packagingeurope.com/comment/fermentation-chemicals-a-green-revolution-in-bioplastics/11850.article

作者簡介：

Seattle，美國食品工程碩士，Certified Food Scientist, 海外食品行業(yè)從業(yè)6年，曾供職于美國知名嬰幼兒食品企業(yè)，現(xiàn)今從事食品包裝研發(fā)工作。