『细胞工厂』PHA从实验室到商业化的成长之路

人们发明塑料才不到100年的时间，也就是说，如果人类历史上合成的第一块塑料还没有被烧掉的话，它还在这个世界上某一个地方存在，所以这变成了非常严重的环境问题。但是其实生物材料是可以解决这个问题的，就是用微生物来生产一些性能很像塑料的聚合物。—— 摘自李腾在一席的《造一座细胞工厂》.

蓝晶生物科技CEO李腾 一席演讲

近年来，随着环境问题的日益严峻，可持续发展的观念逐渐深入人心，一批具有环保可降解特性的生物基材料开始在市场中活跃起来。今天要给大家介绍的，就是一类来自于微生物的天然高分子材料——聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA），以及一家国际领先的PHA研发企业——Bluepha蓝晶微生物。

图1 生物基可降解环保材料-PHA

PHA简介

PHA是一类完全在微生物体内合成的线型聚酯。1926年，一种名为聚3-羟基丁酸（缩写为PHB，是PHA家族中的一员）的天然高分子首次在巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）中被法国人发现，之后的几十年中，随着研究的不断深入，人们发现许多微生物都可以合成PHA。到今天，已发现的PHA单体的种类已经超过了150种，构成了一个庞大的高分子家族。尽管单体间各有不同，这一家族中的所有成员都满足一个特殊的PHA结构通式：

图2  PHA结构通式

注：结构通式中R是支链，*代表C是手性碳。

根据C3位上侧链基团的不同，理论上PHA的结构变化几乎是无限的。此外，不同的单体还可以形成不同的共聚物，如二元共聚物3-羟基丁酸（3HB）和4-羟基丁酸（4HB）的共聚酯P3HB4HB、3HB和3-羟基己酸（HHx）的共聚酯PHBHHx等。根据单体在共聚物中比例的变化，共聚物的性能也会产生许多变化，这些多样化的性能使PHA在应用中相较其他生物基材料有着明显的优势，下面就让我们来看看PHA有哪些独特的性能吧。

PHA的性能

PHA家族成员的共性：

PHA首先具有常见高分子材料的基本特征，如良好的理化性能与热加工性能等。同时，PHA还具有一些特殊的材料学特征，如：光学异构性、压电性、气体阻隔性等。除此之外，PHA作为生物基材料，还具有非常重要的两大属性：

完全的生物可降解性

一般的生物可降解材料需要在堆肥条件下才能降解，而PHA具有自发的生物可降解性，无需堆肥即可在自然环境下降解，且降解时间可控。

优异的生物相容性

PHA在生物体内的降解产物主要是小分子低聚物或是单体成分，对人体无毒无害，也不会引起强烈的排异反应。甚至有研究发现，部分PHA的降解产物会影响细胞内钙流、线粒体活性等生理生化反应，表现出潜在的医疗保健药用价值。

PHA家族成员的差异性：

作为一类高分子生物聚酯，PHA的材料学性能主要是由其单体组成决定的，分子量一般为几万到几百万之间。由于PHA的单体种类多样、彼此之间链长差别很大，这就使不同PHA的材料学性质大不相同，从坚硬质脆的硬塑料到柔软的弹性体，可谓千型百态。

图3  PHA性能对比

PHA的应用

由于PHA拥有与传统塑料相似的理化性能，并且具有良好的生物可降解性与生物相容性，这些特性让PHA从上世纪70年代开始获得越来越多的关注，作为传统石油塑料的代替品和优秀的医用植入材料而受到深入的研究。

现在，越来越多的PHA应用场景正在被开发出来，除了主要的环保包装材料、农膜、医用植入材料市场外，在药品、化妆品、器具类材料、塑料添加剂、动物饲料、废水处理等市场的应用前景也非常广阔。

图4  PHA的应用市场

PHA的商业化发展

PHB是PHA家族中第一个进行商业化的材料，从上世纪80年代起，就被逐渐开发出一次性包装用品、药物缓释载体、骨组织工程支架等商业化应用，它与聚丙烯在分子结构和物理性能方面有许多相似的地方，结晶度为55%-80%，性脆，断裂伸长率很低，且在加热温度高于熔点（180℃）10℃时，就会降解，从而增加了PHB的后处理加工的难度，限制了它的应用范围。

鉴于PHB的性能限制，科学家开发出了第二代商业化PHA——PHBV。3-羟基戊酸（3HV）单体的掺入使聚合物的结晶结构发生明显改变，结晶的晶体规整性下降且呈现不同的结晶形态，与PHB相比硬度小而弹性更强，使材料的性能得到了改进。

随着PHA研究的进一步发展，今天，PHA已经进入了第四代商业化材料——P3HB4HB的时代。与PHB较脆的物理性能不同，P3HB4HB可以通过调节4HB在共聚物中的比例控制材料的相关性能，兼具硬度与延展性，在包装材料、农膜、医用植入材料等市场有着非常大的优势与前景。

国际领先的PHA供应商——北京蓝晶微生物科技有限公司（Bluepha）

北京蓝晶微生物科技有限公司 在PHA研发领域有超过30年的技术积累，独创的蓝水生物技术可以稳定生产质优价廉的PHA原材料，并可根据应用需求对材料性能进行优化，是近几年来国际范围内最为活跃及有影响力的PHA材料研发公司。公司技术实力雄厚，拥有清华北大等名校博士十余人，及多个PHA相关专利，目前正在与国内外多家科研单位及企业合作开展PHA应用的开发。

图5  Bluepha专利技术生产PHA

作为一家成立于清华大学的合成生物学技术与生物材料企业，PHA是Bluepha蓝晶微生物选定的第一个工业应用方向。合成生物学是近年来国际新兴的一门学科，它是在传统生物学的基础上，运用工程学及电脑软件的辅助，对生物进行系统化的定向改造或重新设计。Bluepha蓝晶微生物 即是运用先进的合成生物学技术平台开发出了独创的PHA生产方法，从而大幅度优化生产工艺并降低成本。

图6  Bluepha未来可进入的领域

未来，Bluepha蓝晶微生物 还将运用合成生物学技术进入更多的领域，包括化学品、工业酶制剂、食品、医药、能源、环境治理等行业，用先进的生物制造方法代替传统的生产方法，降低产品成本并提高产量，实现环保、低碳、可持续发展的美好愿景。