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產業技術評析

PHAs的市場發展與技術應用趨勢
發表日期:2019-05-15
作者:劉致中(工研院)
摘要:
目前PHAs因市場對生物可分解材料需求的上升而增加,逐漸邁入產業成長期,技術開始面臨量產的挑戰,生產成本在量產的情況下,必須控制到某種範圍內(2~3 USD/Kg),這些目標是現階段PHAs研發人員面臨的挑戰。

全文:

一、PHA簡介
 

PHAs(Polyhydroxyalkanoates/聚羥基脂肪酸酯)是一系列帶有-OH官能基與脂肪酸酯官能基的高分子聚合物,包括:P3HB、PHV、PHBV等,為一群羥基脂肪酸酯聚合物的統稱。
 

圖1 PHAs系列的高分子聚合物

資料來源:維基百科
圖一、PHAs系列的高分子聚合物
 

PHAs主要利用微生物(如:枯草芽孢桿菌)在生物質(如:醣、油脂、有機污水)上發酵來合成的,將微生物的菌株植入生物質中,這些菌株將會快速的增生繁殖,當繁殖到達某一程度,這些生物質的組成成份會有所改變,因而促使微生物開始合成PHAs,PHAs的產率有時候可以達到微生物乾重的80%。
 

圖2 可製造PHAs的枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)

資料來源:Polyhydroxyalkanoates, WIKIPEDIA(2018/03)
圖二、可製造PHAs的枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)
 

PHAs由於是利用生物質與微生物來進行生產,屬於生物基材料(Bio-Based Materials)的一種,同時PHAs具有在大自然環境下生物可分解的特性,因此屬綠色與環境友好材料。同時,PHAs由於與傳統以石油為原料合成的塑膠,如:聚乙烯、聚丙烯等具有相似的材料性質,被視為替代傳統不可分解塑膠的可行方案之一。
 

PHAs與聚乳酸(PLA)、聚羥基乙酸(PGA)和乳酸一羥基乙酸共聚物(PLGA)等生物基材料相比,PHAs具有結構多元化與性質多元化的特性,使其在應用上具有較明顯的優勢。PHAs同時具有良好的熱加工性能,因此可以使用目前塑膠製品加工廠商既有的設備進行製造。
 

圖3 PHAs在大自然中的循環機制

資料來源:Biodegradability of Poly(hydroxyalkanoate) Materials, Materials 2009, 2, 1104-1126
圖三、PHAs在大自然中的循環機制勢
 

二、市場發展現況
 

(一)塑膠微粒造成的海洋危機引發各國政府的限塑行動
 

從2016年Chris Sherrington博士發表的Plastics in the Marine Environment一文中提及,每年有1,225萬噸的塑膠垃圾進入到海洋生態,常在海邊看到的塑膠廢棄物只佔50萬噸,其餘的900萬噸來自於陸上人們所丟棄至海洋的塑膠垃圾,175萬噸來自於海運船與漁船所丟棄。這些塑膠垃圾進入海洋後,其中的94%沉入海底,隨著時間的推移逐漸變成我們看不見的塑膠微粒,1%漂浮於海面,5%隨著海浪被推送至岸邊(如:圖四)。
 

圖4 塑膠垃圾進入海洋後的分布情況

資料來源:Plastics in the Marine Environment, Dr Chris Sherrington(2016/6/1)
圖四、塑膠垃圾進入海洋後的分布情況
 

每年產生的塑膠微粒量高達95萬公噸,這些塑膠微粒已經逐漸進入海洋食物鏈的底層;研究浮游生物的專家科比(Richard Kirby)博士拍攝的一段影片顯示,一種名為「箭蟲」的浮游生物吞食了一些極微小的廢舊塑膠纖維,塑膠纖維在箭蟲的腹中結成環狀,使食物無法通過消化道。這些塑膠微粒將隨著浮游生物逐步進入海洋食物鏈的各階層生物體中,未來將會造成何種影響,目前科學家仍在實驗評估中,但各國政府已經開始重視這個問題,以限用一次式包材(包括:塑膠袋、塑膠杯、塑膠盤、塑膠吸管等)為多數與主要的實行政策(如:圖五)。
 

圖5 各國限塑、減塑的做法

資料來源:綠色和平台灣網站,有話好說節目整理
圖五、各國限塑、減塑的做法
 

(二)歐盟推動循環經濟制定塑膠包材的循環率
 

2014年7月歐盟發布包裝材料的循環經濟法規(Circular Economy Package, CEP),2018的第一組條例生效,成員國有2年時間將指令納入國家立法。其中針對塑膠材料的包裝訂定了2025年的循環率(回收+回用)目標,須達到55%的循環率。此包裝材料的循環經濟法規已經帶動歐盟各成員國塑膠回收與再生粒的市場。
 

圖6 歐盟執行循環經濟的相關法規與目標

資料來源:The EU Circular Economy Package and The Circular Economy Coalition for Europe
圖六、歐盟執行循環經濟的相關法規與目標
 

三、主要生產PHAs的技術種類
 

(一)菌種發酵法
 

1980年代,英國ICI公司(Imperial Chemical Industries Ltd)開發利用Alcaligenes eutrophus菌經由發酵製程,以葡萄糖(Glucose)與丙酸(Propionic acid)為原料,生產P3HB的技術,同時將此技術生產的PHA商品命名為「Biopol」。後來Monsanto公司買下其生產與商標權,自1996年時開始生產P3HB,並使用Biopol的商標在美國市場行銷。2001年Metabolix公司向Monsanto公司買下了P3HB的生產線與Biopol商標的使用權,將Biopol生產與銷售納入Metabolix旗下原有的PHAs系列生產產品品項中。2007年Metabolix與ADM(Archer Daniels Misland)公司合資成立了一間新公司—Telles,並採用新的商品名—Mirel進行PHA產品的行銷,雙方合作至2012年終止。
 

(二)基改作物法
 

Metabolix公司也同時開發了利用基改作物生產PHAs的技術—2009年Metabolix發表了利用基改菸草(Tobacco)合成PHAs的田間試驗成果,近期也發表了利用基改的Swichgrass(為一種原產於北美,夏季生長快速的多年生草本植物)在溫室中合成PHAs的技術。
 

(三)基改菌種發酵法
 

由於北美和南美以及亞洲大部分地區政府對基改作物採不開放甚至反對的態度,越來越多的PHAs基改研究朝向調整發酵菌種基因的方向進行,特別是從改造PHA合成酶來提高PHA合成效率來進行,將PHA合成酶改造後,可使PHA的合成結構產生變化,合成的PHA分子量也發生改變。另一方面,透過強化表達單體的合成基因,也可以使PHA的合成結構發生變化,從而引起PHA性能的變化,例如:利用革蘭氏陰性桿菌(Acromonas hydrophilaq),其為一種親水產氣單胞菌,經由調整不同的碳源比例,通過代謝調控革蘭氏陰性桿菌的數量,可以合成不同3HHx比例的PHBHHx。
 

美國的寶潔公司(P&G)積極參與基改菌種發酵生成PHA的研究與開發,P&G公司與日本的Kaneka公司在2004年時進行將Nodax實現商業化的相關研究(Nodax為Polyhydroxybutyrate-co-hydroxyalkanoates, PHBHx/PHBO/PHBOd),希望達到每公斤材料售價可以落在2€的範圍內,但此計畫在2006年時終止,2007年時P&G公司也將PHAs的技術出售予Meredian公司。
 

巴西的PHB Industrial公司,為巴西製糖公司Pedra Agroindustiral S.A.與Balbo Group公司所合資,則從製糖的副產品—糖蜜來生產PHB與PHBV,產品品牌為Biocycle®,預計2020年時產能將擴充至30,000公噸。
 

圖7 Biocycle®的生產流程

資料來源:PHB Industrial (2018/05)
圖七、Biocycle®的生產流程
 

全球目前有許多的中小型公司聚焦於發展基改大腸桿菌生產PHAs的方法,這種方法有機會使生產成本下降到$1~1.5/磅的範圍內,而使產業化量產的機會大增。
 

四、IEK View 未來市場與技術發展方向
 

目前PHAs因市場對生物可分解材料需求的上升而增加,逐漸邁入產業成長期,技術開始面臨量產的挑戰,生產成本在量產的情況下,必須控制到某種範圍內(2~3 USD/Kg),這些目標是現階段PHAs研發人員面臨的挑戰。
 

(一)可分解塑膠與塑料回收市場將逐漸開啟
 

歐盟發布包裝材料的循環經濟法規已經帶動歐盟各成員國塑膠回收與再生粒的市場,對於塑膠使用量極大的台灣、中國大陸、日本與韓國,限塑造成的日常生活便利性下降已引起消費者與塑膠製品業者的反對與抗議的聲浪,可以兼顧環境保護與消費便利性的生質可分解塑膠未來應會成為這些塑膠重度使用地區的重要替代方案。
 

(二)利用有機廢水,降低爭糧疑慮與生產成本
 

Micromidas與Veolia子公司AnoxKaldnes開始研究將發酵原料從葡萄糖和蔗糖等碳水化合物,轉換為來自植物油或生產生質柴油的副產物甘油,甚而利用有機廢水作為碳源,生產包含PHA在內的生質化學品。採用有機廢水作為碳源時,需使用基改菌種填充現有的家庭污水處理廠而進行生產,應用這種方法可以產生濃度在50~60%的PHA污泥,PHA可以相對容易地從其餘的污水污泥中分離出來。
 

使用原料的轉換可以避免原先使用葡萄糖和蔗糖等原料而引發的與民爭糧的問題,同時在協助降低廢水有機質濃度的效益下,可有效的降低生產所需的成本。
 

(三)生質酒精與抗生素既有產線改造提升獲利
 

目前國際上已有廠商利用以前生產抗生素或生產生質酒精的既有發酵工廠,進行少量投資即可進行PHA的生產,這對於目前價格一直低迷的生質酒精生產廠商來說,無疑的替廠商開啟另一扇投資的大門。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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