生物基材料：产业瓶颈需破 应用亟待拓宽
■ 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 朱锦
生物基材料是指由生物可再生资源作为原材料而获得的一类材料。我国在《“十三五”国家战略性新兴产业规划》和《中国制造2025》中也明确把生物基合成材料作为战略性新兴产业来发展。
生物基材料中最重要的品种是生物基高分子材料。目前淀粉基塑料、聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯共聚物（PBAT）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）五大生物可降解塑料总产能接近全球生物塑料总产能的90%。据估计，到2020年全球PLA需求将达到57万吨，PBS塑料需求将接近52万吨。
产业化瓶颈问题待决
尽管国际学术界和工业界都看好生物基高分子材料的未来，各国都投入大量的人力和财力进行推动，但是生物基高分子材料仍然存在很多瓶颈问题。就国内生物基高分子材料来看，主要存在如下问题：
国产生物基高分子材料产业链未实现贯通，即生物质—单体—聚合—改性到最终产品应用的产业链没有形成上下游技术链条贯通；关键单体制备技术未实现突破，大量依赖进口；国内L-乳酸单体光学纯度不够，而D-乳酸没有实现产业化；在PBS产业链中，丁二酸单体主要以石油来源为主，生物基丁二酸没有实现技术突破，生物基PBS并没有产业化；生物基高分子材料价格太高，与传统塑料相比性价比低，无市场竞争优势；产业政策不足，示范市场欠缺，急需开展示范应用，引导产业政策出台。
突破关键技术，成果显著
针对生物基高分子材料存在的问题，中国科学院及时布局了科技服务网络计划（简称STS计划)项目《生物基合成材料产业链建设和示范》。该项目由宁波材料所牵头，联合微生物所、过程所、天津工业生物所和理化所等中科院内优势单位，经过两年的努力，实现了一系列关键技术突破，建立了生物基高分子材料的技术链和产业链。
中科院天津工业生物所通过系统代谢工程技术，构建了系列性能优异的丁二酸生产菌株，建立一套丁二酸的分离提取工艺，提取收率达90.4%，产品纯度达99.5%。建成年产300吨丁二酸的中试示范线，丁二酸综合成本从每吨15000元降至10000元，生产成本降低了33%。该技术整体水平达到国际先进水平。目前正在建设年产5万吨丁二酸的生产线。
D-乳酸是获得高耐热性聚乳酸的关键单体，但是之前国内并没有实现技术突破。中科院天津工业生物所基于细胞生长和D-乳酸合成的耦联，获得了高效生产D-乳酸的工程菌Dlac014，建立了年产1万吨高光纯聚合级D-乳酸的产业化生产线，打破了国际公司对这一市场的垄断。
中科院宁波材料所通过新型催化体系的研究，以糖类化合物为原料，突破了芳香族生物基单体2，5-呋喃二甲酸（FDCA）的制备技术，目前产率达到98%以上，建立了目前全球最大的中试生产线（年产量100吨），整体达到国际领先水平。
此外，中科院微生物所和凯赛生物产业有限公司都已成功合成出生物基戊二胺。这为短链生物基尼龙，如尼龙56提供了发展机遇。2015年12月，凯赛生物产业有限公司宣布将建成全球首家拥有大规模1,5-戊二胺及基于1,5-戊二胺的全系列生物基聚酰胺产品生产能力的公司。
长春应化所联合海正集团于2007年建成国内首条5000吨级PLA中试生线，2014年底建成一条万吨生产线，目前产品质量达到国际一流水平，另外5万吨生产线已经启动筹建。
中科院宁波材料所通过熔融共混等改性技术同时解决了聚乳酸耐热性差、抗冲性能差、熔体强度差的缺点，不通过添加无机填料方法使聚常规乳酸的耐热性由不到
清华大学和山东兰典生物科技股份有限公司等单位合作，拟兴建用生物法丁二酸合成PBS的年产5万吨生物基PBS生产线。
中科院理化所开发了具有自主知识产权的一步法聚合PBS工艺，通过技术授权在浙江鑫富药业、山东汇盈新材料、山西金晖兆隆建立了共7.5万吨PBS示范生产线，产品得到全球认证，进入国际市场。
政策推动应用示范
国家发改委、财政部、工信部、科技部和中科院等部门在2014年联合推动了《生物基材料重大创新发展工程实施方案》的出台，该方案批复了天津、深圳、武汉、长春四个城市作为生物基材料产业发展示范基地。基于PLA/PBS的一次性餐具、农用地膜、一次性包装袋等产品，在山东、吉林、深圳等地得以应用示范，为生物基合成材料研究起到引领和示范作用。
通过中科院STS项目和国家发改委生物基材料重大工程的实施，地方政府出台了系列促进生物基高分子材料制品应用推广的强制性措施与优惠政策：《吉林省禁止生产销售和提供一次性不可降解塑料购物袋、塑料餐具规定》自
在此基础上，中科院天津工业生物所牵头启动了“生物基材料产业链联盟”。该联盟旨在通过凝聚政、产、学、研、资等多方力量，形成一个以市场为导向、以企业为主体、科研机构、行业协会和政府部门共同支持的生物基材料产业上下游企业的交流对话平台、商业贸易平台和科技合作平台。
挑战与机遇并存
目前国内生物基高分子材料产业在关键单体制备技术、生物基材料改性技术以及产品示范上已取得较大进展，在产业链上已基本实现贯通，处于快速发展阶段，但是从长远发展来看，生物基高分子材料仍应关注一些问题：生物基合成材料的原材料目前仅局限于淀粉、蔗糖、植物油等与人争粮的生物质材料上，这不利于生物基高分子材料的长期发展；生物基高分子材料单体的制备技术主要局限在微生物发酵法，从长远发展角度应该开展化学催化法；生物基高分子材料目前仅局限于脂肪族和热塑性材料，而性能更为优异的芳香类生物基合成材料和生物基热固性材料研究不多。
因此，结合目前国内生物基高分子材料现状，笔者建议生物基高分子材料的中短期研究主要任务应着重在以下几个方面：提高微生物发酵效率，降低生物基单体的成本；加强生物基高分子材料改性技术，扩大其应用范围，降低其成本；加强开展生物基热固性高分子和生物基高分子助剂的研究；加强开展生物基芳香单体及其聚合物的合成技术研究；开展生物基单体的化学催化研究。
生物基高分子材料长期研究任务应关注突破纤维素、木质素等大宗非粮生物质原材料制备生物基单体技术；开展生物发酵法和化学催化法相结合的研究，突破生物基单体的制备成本高的技术难题；开展高性能生物基高分子材料的制备技术，以实现生物基高分子材料对石化高分子材料的有效替代。
随着人们对环境保护的重视以及各国优惠政策和法律法规的实施，生物基高分子材料的研究将越来越被看重，其前景将十分乐观。
作者致谢：本文章部分内容来源于中科院STS资助项目《生物基合成材料产业链建设和示范》的终期报告。在此，作者特别感谢中国科学院科技促进发展局以及所有项目参加单位的大力支持。