发酵化学品：生物塑料中的绿色革命？

发酵工艺的最新技术进展使得生物塑料再次成为关注焦点。根据PreScouter发布的一份新报告指出，发酵化学品在绿色化学革命中正展现出成为下一代颠覆性技术的潜力。随着市场趋势的推动，发酵化学品正经历稳定的市场增长。今年6月，BASF研究了如何生产碳中和的生物基富马酸酯，这也是其2023年已获得许可的生物BDO技术Genomatica的前期研究之一。

“发酵化学品”这一术语指的是通过使用细菌、酵母、真菌和微藻等微生物对生物质进行发酵过程而生产的化学品。它们是生物基化学品的一个子集。

生物基之争：发酵法 vs 植物基

生物基材料并不自动意味着碳中和或可生物降解。为了准确评估可持续性，除了温室气体排放外，还必须考虑土地使用变化、生物多样性影响和社会因素等问题。

植物基解决方案通常被认为比化石基合成材料更具可持续性，但其碳中和问题仍存在疑问。碳足迹估算、排放测量以及土地使用变化等问题使得确认其真正的环境影响变得困难。

发酵化学品则提供了一种具有独特优势的互补方法：

• 允许高度定制化的产品和工艺。

• 可以通过利用生物废料、二氧化碳或甲烷作为原料实现负碳排放。

• 过程可以被严格控制和优化，确保效率和一致性。

• 不受季节限制，不与粮食供应竞争，也不受原材料供应的制约。根据所用原料的不同，它对土地和水资源的影响也可能较小。

• 过程可以是对映选择性的，并可以根据不同应用进行定制，提供精确且理想的结果。

PLA和PHA：生物塑料聚合物的领跑者

PLA（聚乳酸）是由玉米和甘蔗等可再生植物基原料制成的。这些有机来源提供了碳水化合物，经过细菌发酵生成乳酸，然后将乳酸聚合成PLA。PLA以其透明性和强度而闻名，适用于各种包装应用。

另一方面，PHA（聚羟基脂肪酸酯）是由像Ralstonia eutropha和假单胞菌等微生物合成的。这些细菌在营养有限的条件下利用有机废料和副产品作为碳源，并将PHA作为能量储备。PHA的多功能性，包括其可生物降解性和生物相容性，使其成为传统塑料的有吸引力的替代品。

PLA和PHA在未来有很大的潜力颠覆传统塑料市场，其材料特性有助于减少温室气体排放和对化石燃料基塑料的依赖。例如从城市固体废物中生产PLA，每吨可实现73公斤二氧化碳的净减少。PHA则可以帮助减少95%的化石能源消耗和200%的温室气体排放。

2023年全球PLA市场估值约为15亿美元，预计到2030年将增长到45亿美元，年复合增长率为17%。同样，2023年PHA市场估值为9300万美元，预计到2030年将增至2.619亿美元，年复合增长率为15.9%。这种增长也受到了各行业对环保材料需求增加的推动。

由于PLA进入市场较早，生产成本较低，应用范围更广，从而已经占据更大的市场份额。相比之下，PHA市场虽然在增长，但由于生产成本较高、规模化挑战以及应用较为专业，市场规模仍较小。然而发酵技术的不断进步有望克服目前PHA的许多限制。通过降低成本、提高产量、扩大原料种类和改善材料特性，这些进展可能使PHA成为更具竞争力和吸引力的生物塑料，适用于更广泛的应用。

降低PHA生产成本的一个努力是使用更具成本效益的原料，如木质纤维素生物质和有机废料，后者目前占PHA生产成本的50%以上。此外，采用开放式和混合培养发酵技术可以减少对无菌环境的需求，从而降低运营成本。

生物塑料的价格正逐渐接近化石基塑料的价格。目前化石基塑料的成本约为每公斤1.2美元，而PLA的成本为每公斤2.4美元，PHA的成本则在每公斤2.4美元到5.5美元之间。

生产和适应的挑战

尽管生物塑料前景广阔，但其生产面临诸多挑战，主要是由于高昂的成本。发酵工艺比传统化学生产更昂贵，这使得生物塑料难以与化石基塑料竞争。缺乏成熟的生物基替代品供应链是另一个障碍。法规问题也发挥了重要作用，尤其是涉及生产中使用的转基因生物（GMOs）时。在转基因生物监管严格的地区，发酵衍生产品的市场进入可能受到阻碍。此外，大规模发酵需要严格的质量控制以防止污染，这为生产增加了另一层复杂性。

领先的创新者与未来方向

该报告介绍了9种通过发酵生产的生物产品可作为化学替代品。其中两个突出的例子包括NatureWorks和Danimer Scientific。展望未来，PLA和PHA生产的可扩展性将取决于技术进步和市场需求。发酵技术的创新，如精确基因组编辑和先进的代谢工程，可能进一步提高这些生物聚合物的经济可行性。类似于推动生物乙醇的政策，监管支持也可以加速生物基产品的采用。

从更广泛的角度来看，发酵化学品是满足绿色化学解决方案日益增长需求的有吸引力的战略选择。这些生物塑料为可持续塑料生产提供了一个有前景的途径，结合了环境效益与日益增长的市场需求。然而，尽管它们在减少环境影响方面的潜力巨大，克服生产成本和监管挑战仍然是实现广泛采用和成功的关键。

Reference:

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

作者简介：

Seattle，美国食品工程硕士，Certified Food Scientist, 海外食品行业从业6年，曾供职于美国知名婴幼儿食品企业，现今从事食品包装研发工作。