在在当前碳达峰、碳中和的大背景下，以生物基替代化石基产品，并转向低碳经济将成为全球解决环境问题的长期战略。未来，人类有望通过生物质加工来满足人类社会所需要的材料和化工原料产品，减少使用石油和煤炭，为治理白色污染和实现可持续发展贡献力量。
7月7—8日，由中国化工信息中心、潍坊市工业和信息化局和寿光市人民政府联合主办的“2021中国生物基材料产业发展（潍坊·寿光）大会”正式召开，聚焦生物基材料行业发展中的热点问题。来自生物基材料、高附加值生物基化学品等领域的与会专家和龙头企业就生物可降解塑料、生物基化学品、纳米纤维素、呋喃类化合物等相关内容作了深入报告。
“十四五”生物基材料机遇与挑战并存
当前，各国都在力推生物基产业转型升级并制定远期碳中和战略目标，我国能源转型已经迫在眉睫。国家发改委重大项目办原副司长胡振玉在致辞中表示，据OECD预测，未来十年至少有20%、约8000亿美元的石化产品可由生物基产品替代，目前替代率不到5%，缺口近6000亿美元。可见，生物基化学品及材料投资市场巨大。但目前企业生产和发展面临诸多困难，如外需下降、内需不足的市场压力；成本上升、利润空间缩小的经营压力；资金紧张、风险控制能力不足的发展压力等。在这样的环境下，如何寻找新的增长点和发展途径，是亟待解决的问题。
中国化工信息中心纪委书记刘长城也表示，尽管我国生物基材料起步较早，几十年前安徽丰原等一批国内企业就已在生物基材料领域有所布局，并取得了可圈可点的成绩，但目前我国生物基材料发展也存在诸多问题，例如，产学研结合不紧密，先进产品和技术走出实验室仍有漫长的路；产业爆发式增长引发市场竞争加剧，特别是近几年来受资本推动跨界进入生物基材料领域的企业增多，盲目投资有可能导致行业的不理性发展；产品质量良莠不齐，行业标准体系不健全等。
中国石油和化学工业联合会副会长孙伟善表示，化工新材料是材料工业的先导，对国民经济各个领域，尤其是高技术及尖端技术领域具有重要的支撑作用。“十四五”时期，我国需加快培育和发展化工新材料产业。生物基及可降解塑料专项工程作为五大重点工程之一，旨在实现生物基塑料的产业化，为替代传统塑料找到解决方案，一定程度上缓解环境矛盾。“十四五”期间将重点发展聚羟基脂肪酸酯（PHA）、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚对苯二甲酸-丁二酸丁二醇酯（PBST）、聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）、呋喃聚酯（PEF）等生物基降解材料；立足于满足生物降解材料对生物基原料的需求，重点开发生物法己二酸、生物法1,4丁二醇（BDO）、生物法丁二酸等产品，分梯度建设生产装置。
中国化学纤维工业协会生物基纤维专委员会秘书长李增俊指出，2025年生物基纤维产业的总体目标为：
1.生物基纤维总产能达到300万吨/年，其中高品质生物基化学纤维产量200万吨，包括生物基新型纤维素纤维产能190万吨/年，产量130万吨；生物基合成纤维产能80万吨/年，产量50万吨；海洋生物基纤维产能6万吨/年，产量4万吨；生物基蛋白复合纤维产能24万吨/年，产量16万吨。
2.化学纤维原料替代率为3.5%，比“十三五”末提高1.4个百分点。“十四五”期间，生物基纤维产业将建设五大重点工程：一是生物基化学纤维原料产业化工程：突破关键单体和原料的生物制备技术瓶颈，提升生物单体及基原料的纯度和稳定性，实现生物基原料的规模化低成本化生产，到2025年实现化学纤维原料替代率达3.5%。二是生物基再生纤维素纤维绿色制造工程：重点攻克Lyocell的国产化装备和生产技术，优化浆粕预处理系统、活化反应器、溶剂回收及后处理工艺，开发高附加值纤维素纤维，突破新型纤维素纤维长丝及工业长丝制备技术，实现产业化生产。三是生物基合成纤维产业化工程：攻克生物基合成纤维高效聚合纺丝技术，开发聚乳酸纤维、生物基聚酯、聚酰胺纤维的大容量连续聚合、熔体直纺及纺丝成套装备，实现生物基合成纤维的规模化生产与应用。四是海洋生物基纤维产业化工程：重点推动海洋生物基纤维高粘纺丝液制备及清洁纺丝工艺技术、拓展海洋生物基纤维的应用领域，满足生物医用纤维材料产业发展需要，提高人们的健康生活水平。五是关键共性技术与公共平台建设工程：建立生物基化学纤维的共性关键技术研发与创新平台，研究开发生物基纤维的绿色加工技术、智能制造技术、纤维改性技术和标准制定，建立知识产权管理平台，为生物基化学纤维及原料的产业化提供技术支撑。
寿光市委副书记、市长李鹏表示，2021年以来，寿光正围绕推动生物基新材料产业实现延链式扩张，大力实施“链长制”行动，实施产业链协同推进、龙头企业培育、重点项目攻坚等“八大行动”，以工程化、项目化方法，加快推进生物基新材料产业向食品级、医药级可降解材料发展，力争利用5年时间，将生物基新材料打造成为200亿级的产业集群。
生物降解塑料的替代正循序渐进
随着我国“最严”限塑令的出台，替代传统塑料已成为降低塑料污染的一条重要途径。中国合成树脂协会会长郑垲指出，未来在建设生态文明的进程中，塑料将仍是材料领域的主导产业，但优先发展的一定是对生态环境污染小、资源利用率高的可降解、可循环利用的品种，且要求其在制造、使用、废弃、直到再生利用的全生命周期中，始终与环境具有协调和共存性。目前，国内生物降解塑料虽然增长很快，但仍处于发展的初期阶段——市场规模小，技术与成本仍有大量优化空间。而市场需求能否在短时间内快速增长，主要取决于政府环保政策的推进力度和监督执行的情况。目前，从市场层面来说，在生物降解塑料的接受程度上，性能不是瓶颈，成本才是制约替代传统塑料的主要因素。生物降解塑料真正要去拓展的，是一次性低端的目标市场。
在此背景下，中国合成树脂协会降解塑料分会“十四五”规划提出的主要任务为：一是合理扩大产能、实现供需平衡；二是提高材料性能、完善产品标准；三是规范市场秩序、降低产品价格；四是拓展目标市场、减少一次性塑料制品造成的环境污染。郑垲表示，希望政府在出台生物降解塑料使用端的政策后，也会在“十四五”期间出台生产端政策，以引导生物降解树脂行业的规范、有序、快速、健康发展。
中科院物理所工程塑料研究中心总工季君晖表示，生物降解塑料替代是塑料污染源头减量的重要途径。当前，生物降解塑料制品的需求结构为：膜袋类日用制品——最主流产品，技术成熟，海南明年需求4.8万吨；餐盒餐具——高速发展产品，技术有待完善，海南明年需求1.5万吨；地膜——禁塑令涵盖制品，技术基本成熟，价格离市场接受差距大；快递——禁塑令涵盖产品，降解胶带有待完善，企业正在尝试储备，观望市场。生物降解塑料树脂的需求结构为：PBAT、PLA——主流基础产品；PBS——高速的发展基础材料；聚碳酸亚丙酯（PPC）/PHA/聚己内酯（PCL）——功能型辅助材料。
在实现PHA产业化中，生产成本偏高一直是核心痛点。清华大学化工系博士后张旭表示，目前迫切需要利用合成生物学技术改造菌株，使PHA能与其他可降解塑料，甚至是石油基材料（塑料）在成本上能竞争。清华大学针对PHA制造成本居高不下的问题，2006年开始研究下一代工业生物技术，目前已使PHA生产成本下降30%以上。PHA实现低成本工业化生产的典型案例有：2016—2018年山东百盛成功实现P34HB年产能达到吨级；2019年1—12月丽珠福兴实现P34HB年产能达到十吨级。
生物基化学品关键技术逐渐突破
目前，人类生活、生产活动主要利用的化石资源面临着日趋枯竭、污染严重的问题，有效利用生物质资源是实现可持续发展的重要途径。中国科学院院士、中国科学院化学研究所研究员韩布兴表示，当前生物质转化利用研究面临着定向催化转化、高效分离等许多挑战性难题，应充分重视利用生物质结构制备新化学品和材料，但在制备石油路线产品时，不应一味追求利用生物质，因为淀粉和油料等资源十分有限，且为食物。
采用生物质催化制备乙二醇、丙二醇，具有原料可再生、原子经济性高、过程绿色等独特优势。中国科学院大连化学物理研究所研究员郑明远指出，生物质乙二醇的生产具有显著的低碳排放优势，且产品具有低碳税的优势。近年来，生物质乙二醇技术近年来受到国内外广泛关注。2007年以来，生物质乙二醇专利申请量显著增加，近期达到20~50件/年。生物质乙二醇关键技术发展历程如图1所示。
目前，大连化物所、河南能源中原大化公司、东华科技三方正在合作进行千吨级生物质乙二醇项目的建设。其中，大连化物所-中科柏易金公司负责技术与中试建设资金；河南能源中原大化公司负责项目报批、土地、厂房、水电气、操作人员等；东华工程科技负责可研报告、方案设计、施工图设计等。项目建设进度计划如图2所示。
以农林剩余物为原料，通过生物质资源综合利用工艺技术（包括连续式炭化炉、炭化分解气体回收利用、燃气发电、木醋液炭基肥等一系列关键技术），可使其高效转化为木醋液、生物炭、木燃气等有用产品，成功实现“变废为宝”。蓝星（北京）化工机械有限公司马骏博士指出，木醋液含有约5%的醋酸，以及醇类、醛类、酚类等200多种有机成分，具有土壤改良、除臭、食品熏制、植物生长调节剂、食品保存、饮料添加剂、饲料添加剂等多种应用，具体如图3所示。
以木醋液土壤改良剂产品为核心的土壤基质改良生态修复技术，具有施工周期短、见效快等优点。在青海高原（3200~4500m）的前期现场实验表明，该技术在低温、高海拔、缺水地区效果明显。此外，木醋液除臭效果明显——对臭气主要成分中的甲硫醇去除率达96.9%、甲硫醚去除率达97.1%、氨气去除率达90.4%；杀菌、抑菌效果检测显著——对日常的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌有较强的抑菌率达99.92%以上。目前，木醋液已实现除臭、土壤改良、草莓种植、叶面肥等多种产品开发及工程应用。
纳米纤维素、呋喃类化合物等研究尚待产业化
俄罗斯自然科学院外籍院士、杭州市化工研究院院长姚献平指出，纳米纤维素是具有一维尺寸小于100nm的微细纤维，包括纳米纤维素晶体（CNC）、纤维素纳米纤维（CNF）、微纤化纤维素（MFC）和细菌纳米纤维素（BC）。作为生物基材料的典型代表，纳米纤维素保留了天然纤维素的性质，同时还具备高强度、高结晶性、高比表面积、高抗张强度等特性，能够有效改善材料的光、电、磁等性能，在纸基功能材料、轻质高强复合材料、精细化工、医药载体、化妆品等领域具有广阔的应用前景，被称为最具潜力的未来新材料之一，并被视为“后碳纤维时代”的新材料，未来有望取代金属和塑料。
尽管纳米纤维素已成为当前全球的研发热点，但目前其在国内外产业化的差距还不是很大，应用上也没有大突破，主要有以下原因：一是制备技术需要多学科技术集成，综合技术要求高等；二是专用装备研发滞后；三是制备成本高、产业化难度很大；四是应用涉及交叉领域；五是改性技术与系列化专用产品有待深化开发。
针对以上问题，姚献平提出以下建议：一是加强原创性专用技术装备开发，尽快形成产业化规模；二是加强交叉领域应用技术研究，争取在多领域实现高值化应用；三是加强多学科联合攻关，争取成为全球本领域第一方阵成员；四是政府充分重视，加强政策扶持。
目前，烯烃已可实现生物基来源，而呋喃类芳环生物基材料仍在路上。中国科学院宁波材料技术与工程所研究员张亚杰指出，在呋喃类化合物的研究方面，国内起步较早，2017年国内企业便开始逐步关注呋喃类产品研发和产业化。国内外呋喃类化合物发展情况具体如图3所示。目前，全球能够生产吨级以上产品的机构有美国杜邦和ADM，荷兰Avantium公司，以及中科院宁波材料所呋喃类生物基材料团队。其他面向产业化的研发机构有荷兰科碧恩、德国巴斯夫、瑞士AVABIOCHEM、美国伊斯曼和恒逸等。
实际上，国内和国外处于同一起跑线，部分技术和应用领域国内占据一定优势。尽管呋喃类化合物已经初步具备产业化的可行性，但下游具体应用研发欠缺。
