PHA行业深度分析！发展历程、主要厂商、类型及应用案例……

关键词 | PHA行业  发展历程

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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。

PHA生产成本与售价

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 

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。 

来源：生物基能源与材料