PHA行业发展历程

PHA的产业化过程历经波折。1992年是PHA产业化的开端，当时英国阿斯利康（AstraZeneca）希望建 成首个产业化生产工厂，然而由于PHA材料的生产成本高达8-10美元/千克（约现在的17-21美元/千克， 对应人民币118-146元/千克），比传统塑料成本要高一个数量级，建厂计划被迫停止。由于PHA材料同时具有生物基、类塑性、可降解的优良特性，厂商们对于PHA的商业化探索并未止步。

近三十年来，来自英、美、日、中等国的多家公司为PHA实现规模化生产做出了 诸多尝试。随着合成生 物学技术的发展，人们获得了更加高产的PHA生产菌株，极大提升了PHA产量，有效降低了PHA的生产成本。 此外，在全球政策的助力下，PHA市场的巨大前景也越发清晰明朗，不少PHA企业将扩产计划提上日程。 

为了更好地了解PHA行业情况，我们对5,000吨/年以上生产规模的厂商情况进行了梳理 ：

• Kaneka

Kaneka(カネカ)，脱身于钟渊纺织，是1949年在日本成立的化工企业，主营业务包括化成品、功能性树脂、发泡树脂、食品、医药品、医疗器械、电子材料、太阳能电池、合成纤维等，PHA是该企业旗下的 新材料。 Kaneka从上世纪90年代开始布局PHA研发 ，2011年实现1,000吨/年PHA中试生产。 2019年底， Kaneka 5,000吨/年的PHA工厂投产。

• Danimer

Danimer Scientific成立于2004年，以PLA改性加工起家。2007年，Danimer从宝洁购入PHA技术，扩大 其生物基材料平台。目前，Danimer肯塔基一期、二期工厂已投入运营，合计PHA终产品（产品为改性 料，除PHA外含其他成分）产能达38,500吨/年，是目 前全球PHA产能最大的企业之一。 2021年， Danimer收购Novomer公司，用以生产更多类型的PHA基聚合物材料。

• CJ-Bio

CJ-Bio隶属于韩国希杰集团，集团经营范围覆盖食品与服务、生物科技、物流与新流通、娱乐与媒体四 大行业。CJ于2016年收购Metabolix公司的PHA业务，并于2019年成立CJ-Bio事业部，基于Metabolix公 司的技术进行PHA材料开发。 2022年5月，CJ-BIO位于印尼巴苏鲁安的首个PHA工厂正式投入运营，产 能5,000吨/年。

• RWDC

RWDC是Roland Wee和Daninel Carraway共同在新加坡创立的PHA企业。创始人Daniel Carraway曾为 Danimer股东。 在美国佐治亚州雅典市已有5,000吨生产线，还有25,000吨产能正在建设中。

• 蓝晶微生物

北京蓝晶微生物科技有限公司成立于2016年10月，是一家基于合成生物技术从事分子与材料创新的企业。公司的核心团队来自于清华、北大、中科院等顶尖科研院所和世界500强企业。主要产品类型为PHBH。现有5,000吨/年产能即将建成，预计2022年底投产，另规划到2026年产能扩建至75,000吨/年。

一般来说，生产原料约占PHA生产成本的一半。目前PHA生产的主要原料为植物油和糖类，本节以棕榈油和葡萄糖为例，进行相关成本的测算：未来3-5年内，PHA生产成本将比PLA高出30%左右，售价将是 PLA的1.5倍左右。

• 以葡萄糖为原料生产PHA，理论质量转化率为47.7%。在理论情况下，每生产1吨PHA，需要消耗葡萄糖2.1吨，按照市场价格4,300元/吨单价计算，得到每吨PHA的原料成本9,015元。

• 以棕榈油为原料生产PHA，理论质量转化率为137.5%。在理论情况下，每生产1吨PHA，需要消耗棕榈油0.73吨，按照市场价格8,000元/吨计算，得到每吨PHA原料成本5,839元。按照以上计算过程，以棕榈油为原料比以葡萄糖为原料的每千克PHA原料成本低36%。成本差异的主要来源在于不同原料合成PHA的转化率不同，而转化率的差异则来源于不同原料到PHA的代谢途径不同。葡萄糖经过糖酵解途径会损失三分之一的碳原子（变为二氧化碳），而棕榈油经过β-氧化途径不会损失 碳原子，因此理论转化率更高。 虽然棕榈油路径的理论转化率比葡萄糖路径更高，但在具体生产场景中， 使用何种原料、能达 到多高的转化率， 是由底盘菌种类及菌株改造能力决定的。  

目前，领先企业正在探索更可持续的原料路径，例如以二氧化碳和有机碳源同时作为原料来进行PHA的商业化生产。有机碳源不仅可以使用常见的糖类、植物油，还可以使用其他可再生糖类及油类，如秸秆糖、动物油、地沟油等。未来，PHA的生产效率及生产过程的可持续性将进一步提升。

PHA售价

当前PHA与PLA、PBAT的单吨售价区间如下所示。短时间内，由于PHA发展阶段较短，PHA行业处于产业化初期，供给量有限，供需矛盾突出，PHA售价处于高点。未来随着PHA的商业化成熟，供应量上升，成本降低，PHA的售价将会明显下降。 

PHA类型及材料应⽤ 

目前市面上在售的PHA产品类型主要包括PHB、PHBV、P34HB以及PHBH等。虽然不同PHA产品类型的问世时间有先后顺序，但并不存在代际差异，在实际应用中各有优势。 

注：市面上主要的PHA产品种类

PHB

PHB是一种以3HB为单体的短链均聚物，属于结晶型材料，质硬，可用于注塑和纤维。PHB是最早商业化探索的PHA类型之一，然而熔点接近热 分解温度导致PHB的热加工窗口比较窄，因此也 有其他厂商通过增加第二单体的形式，提高材料综合性能。 目前美国公司Newlight正在使用PHB 生产制造一次性餐饮具、钱包、眼镜框等产品。

P34HB

P34HB是一种短链共聚物，根据其4HB比例的不同，可以区分为结晶型和无定型。4HB单体比例在5-15%时，P34HB为结晶型；但在15%-60%之 间，P34HB为无定型结构； 4HB单体比例在60% 及以上时，P34HB又为结晶型。 PLA材料由于其 固有的脆性和低延展性严重限制了其在包装中的 应用，而无定型PHA如P34HB（4HB>50%时） 与其共混，可以有效提高共混物的韧性。 韩国公 司CJ正在规模化生产无定型P34HB。

PHBV

PHBV是一种结晶型的中链共聚物，质硬，可用 于注塑，生产较为硬质的材料。天安为PHBV的 主要厂商，荷兰生物聚合物公司Helian正在以天安的PHBV为主要原料探索仿PP的行李箱应用。 另外，由于PHBV脆性较高，可以与无定型PHA 产品如P4HB共混，中和结晶性，得到相容性更 好的材料。

PHBH

PHBH作为中链PHA共聚物，同样可以根据3HH 单体比例的差异区分为结晶型和无定型。 结晶型 PHBH既能提供一部分刚性，又具有一定柔韧度， 可适用于咖啡胶囊等产品的生产。 此外，已有供应商成功将PHBH应用于一次性餐具叉、勺、吸 管、可降解塑料袋等产品。 当HH比例大于30% 时，PHBH为无定型材料，目前蓝晶微生物正在 积极开发高HH比例的无定型PHBH。

不同PHA类型的机械与加工性能⽐较

从物理性能上看，PHBV与PHB强度较高，韧性相对较差，适用于注塑、 纤维等应用； P34HB与PHBH的第二单体比例具有较高的灵活度，可以 实现不同的强度与韧性，可应用于吹塑、流延、注塑、纤维等多种应用场景。 从加工性能上看，PHBV与PHB加工窗口相对较窄，加工性能较差或差； 而PHBH、P34HB的加工窗口更宽，具有更好的加工性能。  

材料专利对比

对PHA包装、薄膜、一次性餐具方面的不同材料的同族专利数量进行对 比，可以看到PHBH和PHBV的同族专利数量占比明显高于其他PHA材料。对国外企业具有的不同材料的同族专利份额占比进行对比，可以看到 PHBV的研究主体相对较为分散，PHBH的研究主 体则较为集中，其中 Kaneka以PHBH为原材料的研究专利占以上应用方向比例高达66%。  

同时，根据专利文献记载，PHBH在上述应用方向具有更好的物性优势。 

研究发现，PHB具有高结晶度，脆而硬，柔韧性极低； PHBV虽然在PHB的基础上改善了脆性，但两者的易老 化性导致二者仍然难以在制备薄膜等制品上获得优势。 而延伸率大于PHBV和PHB且老化速度小于PHBV的 PHBH，在制备薄膜和一次性制品上更具有优势（参考 JP2006045365A、US5254607A、 US7208535B2 、 JP2005162884A ）。 在通过吹塑工艺制备瓶、管以及硬质包装的过程中， 调整树脂熔体粘度以及成型时间，是提高制备效率以 及质量的重要参考指标； 在选用PHBH与P34HB作为制 备的原料时，PHBH比P34HB具有更低的粘度以及更短 的 成 型 时 间 ， 进 而 可 以 有 效 减 少 吹 塑 制 品 的 粘 连 ， 同时提高加工效 率（ 参考 JP2020122062A 、 WO2019022008A1 ）。  

PHA材料制备难点 

（1）PHA分离提取工艺进展较慢

生物产品的生产由上游的发酵工程和下游的分离工程两部分组成，发酵过程主要解决如何丰产的问题，而分离过程主要解决如何丰收的问题。随着合成生物技术、基因编辑、测序等技术的快速发展，菌株开发的速度正在大幅度加快；随着发酵通量的提升，发酵工 艺开发、菌株测试的速度也在快速提升。 但分离提取 工艺的进步是较慢的，科研投入也 较少，这也在一定 程度上阻碍了合成生物产业的整体发展。 PHA目前仍 未能实现大规模量产，原因之一是其分离提取工艺进 展较为缓慢。

（2）胞内PHA聚合物与杂质难以有效分离

生物反应的产物一般是由细胞、胞外代谢产物、胞内 代谢产物、残留底物及其他成分组成的混合水溶液。部分材料如PLA、PBAT的生物基单体为胞外产物，对 于这类材料而言，不仅要关注聚合工艺，还要高度重 视生物基单体的分离纯化，单体纯度将直接决定聚合 物的纯度。 与上述材料不同，PHA作为胞内产物，在细菌细胞内 已经完成聚合，不需要经过先生产3-羟基丁酸单体再 在体外聚合的流程。 且随着合成生物技术的发展，细 菌不仅能合成简单的PHB均聚物，而且可以合成其他 均聚物以及短链中长链共聚物，从而赋予PHA广阔的 理化性质和用途。 但胞内产物也为分离提纯增加的新 了难点，即在工业条件允许及成本投入合理的情况下， 如何将PHA与胞内、胞外的杂质有效分离。 因为胞内 外的杂质，尤其是有机杂质，在进行热加工时，可能 会导致材料颜色变深和难闻气味释放，影响产品质量。 PHA与杂质的分离难点困扰PHA研发人员几十年，是 目前PHA生产以及量产的绊脚石。

（3）PHA提取与除杂

PHA提取工艺按照使用溶剂类型可分为有机溶剂提取和水相提取，其中有机溶剂提取由于溶剂使用量大、要使用多种溶剂以及溶剂回收难度大等问题，现已基本被放弃。水相工艺主要包括细胞破碎、酶解、固液 分离、干燥等工序，是当前各大公司使用的主要工艺。各家公司会根据上游发酵的情况来开发适用于自己的 工艺流程，比如对于以嗜盐菌为生产菌株的PHA生产 企业来说，下游脱盐是一个必备步骤。 PHA提取工艺在实验室水平和工业水平有很大差别。 一方面是固液分 离的方法不同，在实验室条件下，可 以通过高速离心把料液两相彻底分离，而工业上通常 使用工业级的分离设备，其本质是一个浓缩的过程， 并不能将固液两相分开，若想要达到实验室水平，需 要增加离心分离的次数并增加耗水量。 另一方面是干燥方式的不同，实验室往往以简单的批次烘干为主， 而工业生产则较多使用连续干燥。 PHA提取的某些工 艺在实验室水平和工业水平的不同，导致实验室的实 验成果难以直接应用到工业生产中，需要通过更多的 中试试验等进一步优化工业投产的工艺流程。

PHA除杂在工业生产中也很难达到实验室的效果，若 在工业生产中无法有效控制有机杂质，其生产的PHA 材料往往有气味和颜色问题。 为了掩盖产品瑕疵，厂 商可能会在粒料加工过程中加入各种各样的助剂来遮 盖颜色和气味，但此方法治标不治本，反而会给下游 的厂商或消费者带来较差的体验。

• 关于解决PHA材料制备难点的案例

蓝晶微生物

蓝晶微生物积极整合PHA研发领域的最新进展以及多 年的自主创新成果，开发出一套具有完全自主知识产 权的提取工艺，解决了PHA丰产不丰收，产品质量差， 纯度低的问题，并且在独有的数字化中试平台上实现 了全年无停歇的连续运行，并且该技术仍然在不断进 化，各项技术指标仍然在不断提升。

天安

天安所产的PHA种类主要为PHB和PHBV，年产量为 1,500吨左右。 理论上，大宗产品的成本往往具有较大 的规模优势，天安的产量规 模并不具备很大的优势， 但能够从建厂至今屹立20年不倒，其独到之处一是开 发了一种低成本高纯度提取工艺，二是找到了材料的 独特应用。 其中最为关键的就是这项提取技术，可见 对于PHA厂商来说，能够解决PHA材料的难点对于其 短期和长期的发展都具有重大意义。

国韵

天津国韵公司也曾启动PHA的大规模量产工作，但最 终以失败告终。从中总结经验，失败的原因可能是商 务上过于冒进和技术上不够成熟，其中技术上的不成 熟主要表现在提取工艺的不稳定性，以及产品质量较 差且不稳定。