張珮菁、林忠德 / 工研院材化所
隨著聯合國及歐盟訂定減少未來全球塑膠垃圾累積的法規，使用回收以及生物可分解材料已是未來趨勢。PHAs (Polyhydroxyalkanoates)為微生物儲存能量的高分子，因其生物可分解性，對於未來減少一次性塑膠的使用深具發展潛力；然而PHAs目前仍難以普及於產業應用，主因來自生產成本過高。本文將探討現今PHAs的研發與市場現況，以及透過不同策略降低成本的技術發展。
【內文精選】
PHAs生產技術及分類
PHAs主要分為Short Chain Length PHAs (SCL PHAs)以及Medium Chain Length PHAs (MCL PHAs)，以其所含之單體碳數做為分類依據，單體以C2~C5構成稱SCL、C6~C14構成稱為MCL。目前主要以透過微生物生產取得，可以分為原生菌株以及改質菌株：原生菌株其本身具有生產PHAs的能力，在特定的培養環境與料源的供應之下，可用於獲得特定的PHAs；改質菌株其本身並不具有生產PHAs的能力，透過基因工程技術進行改質，將特定基因群植入菌株中，賦予其生產PHAs的能力。
PHAs生產技術現況
降低PHAs的生產成本為最主要的重點，根據報導，相關生產技術包括料源的使用、菌株生產效率、PHAs於菌株體內的累積量、不同醱酵生產策略等，以多面向技術優化達到降低成本的目標，將加速提高PHAs的產業接受度。
2. 菌株部分
除了使用低價以及廢棄物作為料源以降低原料成本，透過菌株改質，進行PHAs的產量、產率、菌體內含量等生產能力相關的提升，更可進一步降低整體生產成本。針對菌株生產能力的提升主要分為：①關鍵酵素的改質活性提升；②強化菌株本體對於PHAs累積的能力；③菌株體內重新建構代謝流減少料源使用；④菌株高密度培養耐受性提升等相關技術。
(1) 關鍵酵素的改質活性提升
PHAs生產主要透過PhaA、PhaB、PhaC三個酵素進行PHAs最終單體合成及聚合(圖一)。
圖一、PHAs聚合簡要代謝路徑
針對PHAs生物合成酵素目前的改質方向，除了更換特定催化中心的胺基酸之外，使用隨機突變的方式進行酵素改質，再透過大量菌落快速篩選技術，包括Nile Red呈色以及螢光顯色法，迅速找到PHAs生產效率較高的酵素。同樣在環境中的PHAs生產菌株也可以透過此法進行篩選，藉此得到土壤或是廢棄物中的特定菌株，並具有利用特定料源以及高效率生產PHAs的能力。
不同領域應用
現階段已有許多公司開發PHAs應用產品。Danimer為目前全球產量最大的PHAs生產公司，其開發的Nodax®應用於醫材以及各式包裝；Kaneka生產PHBH與日本許多企業共同開發食品及化妝品相關容器；Tepha Medical Devices創立TephaFLEX®用於醫療器械相關製品並通過FDA認證。除了目前已商品化的應用產品之外，PHAs在其他高值產品也陸續正進行開發以提高其應用價值。在人體器官以及組織修復時的組織工程，必須透過介質提供細胞貼附以及生長，生物高分子PHAs具有高度的生物相容性以及體內可分解性，在組織工程的應用上也結合不同材質的混摻來符合所需求的功能，包括提高細胞附著力、提高細胞生長能力、促進幹細胞分化成特定組織等，未來在心血管、骨頭及軟骨、皮膚組織等修復工程上都具有極大的潛力。
另外，其也可作為鋰電池中的黏著劑，以避免原本使用Polyvinylidene Fluoride (PVDF)作為黏著劑時，在電池回收上因為難溶於水必須透過溶劑進行處理，然而處理過程會產生有危害性的HF，PHBV具有的生物可分解性有利於鋰電池回收過程中的處理，且其價格為PVDF的一半以下，是具有吸引力的標的。PHAs的生物可分解性也被用來製作Microbeads，因為其海洋可分解性可作為過去洗面乳中微珠的新替代品，減少海洋的污染性。PHAs也透過各種技術製成纖維，用途仍較聚焦於醫材以及器官組織工程的應用上，透過PHAs纖維模仿組織形狀相同的骨架作為後續治療上的應用；紡織品上的應用則持續以不同材質與PHAs的混摻，來達到最適合用於衣物上的PHAs纖維之技術開發。
工研院材料與化工研究所透過廢棄物料源所得之丙酸作為料源，以改質大腸桿菌進行PHBV的生產，並以不同形式的混摻技術建立不同PHBV驗證產品，包括PHBV膜片以及廚餘袋(圖三)---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、工研院材化所研發之PHBV驗證產品
★本文節錄自《工業材料雜誌》432期，更多資料請見下方附檔。