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生物基材料产业架上快车道

科普小知识2022-01-05 07:56:27
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生物基材料产业的发展正面临新的形式。在几个五年计划和“863”计划的支持下,中国的生物基材料包括多羟基脂肪酸酯、聚乳酸、丁二酸丁二醇酯共聚物、二氧化碳共聚物、对苯二甲酸1,3-丙二醇共聚物、生物乙烯和粉末基材料等。取得了巨大的进步。

生物基材料产业的发展正面临新的形式。在几个五年计划和“863”计划的支持下,中国的生物基材料包括多羟基脂肪酸酯、聚乳酸、丁二酸丁二醇酯共聚物、二氧化碳共聚物、对苯二甲酸1,3-丙二醇共聚物、生物乙烯和粉末基材料等。取得了巨大的进步。

其中,PHA已形成5家生产企业,年生产能力超过15000吨,向国际市场提供所有PHA类型,使中国PHA产业化类型和产量处于国际领先地位。此外,中国还形成了世界上第二个年产5000吨聚乳酸、10000吨聚对苯二甲酸丁二醇酯、世界上第一个年产10000吨二氧化碳共聚物(PPC)和20000多吨淀粉基材料的产能,同时提供了20000吨1,3-丙二醇用于合成PTT。

目前,中国已将生物产业列为战略性新兴产业。生物基材料是生物产业的重要组成部分。在此背景下,生物基材料作为战略性产品被发展成为中国的特色产业。做大做强我国的PHA、PLA、PBS、PPC、PTT、生物PE和淀粉基材料产业,对整个生物产业的发展具有重要意义。下面分别对这些生物基材料进行分析和讨论。

多羟基脂肪酸酯

经过几个五年计划和国家自然科学基金的支持,中国在微生物合成可降解聚酯PHA领域取得了重要进展。1999年,新型聚酯、3-羟基丁酸和3-羟基己酸共聚物(英文缩写为PHBHHx)的工业化生产在世界上首次成功进行。在医用材料领域,我国研究人员首次发现PHBHHx具有比传统医用材料聚乳酸聚乳酸更好的生物相容性、力学性能和加工性能,并作为新一代生物医用材料拥有PHA的一系列知识产权,包括16项专利申请,包括3项授权专利。此外,我国已经建立了许多与PHA生产和应用相关的公司,一些现有的大型发酵企业也参与了PHA的产业化。然而,由于缺乏投资资金,中国无法形成一系列的应用和发展,使得许多专利技术对中国不可用。

尽管聚碳酸酯的研究和产业化取得了一些进展,但必须指出的是,聚碳酸酯的生产成本仍然高于以石油为原料的塑料。大量的研究工作必须集中在提高原料转化为聚羟基乙酸的效率和寻找新的聚羟基乙酸材料上。在PHA作为生物医用材料方面,经过三个五年计划的奋斗,我国微生物、分子生物学、发酵工程、化学工程、高分子材料科学等领域的科技工作者已经使PHA作为生物医用材料的整体水平不低于发达国家。目前,大部分PHA单体结构是在国外发现的,这给我国的工业化带来了一些障碍。我国PHA新发现的创新性还有待提高。

在近十年来PHA的研究热潮中,虽然美国、欧洲和日本等发达国家在生产和应用方面的主要技术专利仍然存在,但我国近年来在这一领域的研究取得了很大进展。近两年来,我们掌握了一些具有自主知识产权的菌株和生产中的后续技术,特别是在组织工程生物材料的研究方面,取得了良好的研究成果。多项相关专利处于开放期,为PHA作为我国自主知识产权生物材料的产业化奠定了良好的基础。中国是世界上最大的发酵国家。它有大量的发酵能力。无需改造发酵设备即可形成大规模生产,并可生产多种PHA产品。目前,我们需要集中力量,在短时间内把一种性能优良的聚醋酸乙烯酯材料做大做强,形成产业链。

聚乳酸

随着不可再生石油资源的日益短缺,解放军的价格也将上涨。碳减排的压力迫切要求使用天然原料制成的产品。作为石油基塑料产品的替代品,聚乳酸产品将成为市场和资本追求的热点。在强劲需求的推动下,解放军的数量将大幅增加,从而实现规模经济。随着科研力量的投入,解放军生产成本将继续下降,进一步促进需求和扩大市场应用。预计到2011年前后,聚乳酸产品的推广应用将进入快速发展期。目前,国际上对乳酸的需求一直以年均5% ~ 8%的速度持续增长。此外,聚乳酸对原料乳酸的需求也在快速增长。对左旋乳酸的需求将继续增长,整体乳酸市场前景也很好。有专家预测,如果聚乳酸发展顺利,到2020年世界聚乳酸产量至少需要1000万吨,这为中国乳酸产业提供了良好的发展空间。

另一方面,乳酸也向高光学纯度的L型和D型乳酸技术发展。同时,目前成熟的生产工艺以玉米等谷物为碳源,采用细菌发酵法生产L-乳酸,用碳酸钙等中和剂控制发酵液的酸碱度,然后用硫酸中和,导致大量硫酸钙沉淀,使工艺复杂化,带来大量杂质和细菌,降低产品纯度。新技术采用厌氧细菌发酵,氢氧化铵控制发酵液的酸碱度,采用膜分离技术和清液细菌单罐连续发酵耦合工艺生产L-乳酸,以玉米为碳源,采用湿法精制糖液,微滤后的发酵液用膜澄清除去菌丝体,进行常规电渗析纯化,进行双极膜电渗析, 最后用高真空蒸馏得到纯L-乳酸,光学纯度≥ 96%,转化率≥ 95%,提取率≥ 90%,工艺简单,投资少,能耗低,无废渣和废水排放。 其次,乳酸原料的来源逐渐从粮食作物向非粮食作物和秸秆转化。

丁二酸丁二醇酯共聚物

PBS工业面临的主要形势是可降解塑料需求的增长和非常有限的生产能力之间的矛盾。为了在降低成本、实现材料差异化的同时提高性能,满足不同用途的需求,企业应从经济效益、税收政策引导和社会效益引导等方面提高使用生物降解塑料的积极性,使生物塑料(包括聚苯乙烯)产业在经济转型升级的关键形势下抓住机遇,培育具有自主知识产权的关键技术、一批高素质的生物材料研发、产品设计、市场推广和技术服务团队、具有国际竞争力的生物材料品牌。

二氧化碳共聚物

2008年,全国人均塑料消费量达到46公斤,超过世界平均水平(40公斤)。中国已经成为一个主要的塑料生产国,但它也面临着绿色壁垒的限制,如发达国家的生物降解。自2008年6月以来,国家发展和改革委员会也实施了塑料限制令。“十二五”期间,随着国家可持续发展战略的进一步实施,以生物降解塑料为代表的环保材料产业将快速发展,并开始对我国塑料产业的结构调整和优化产生重要影响。预计到2015年,随着中国多条二氧化碳基塑料生产线的顺利投产,产能将达到30万吨,通过低碳经济和环保两个理念,将真正成为一个重要的生物降解塑料品种。

对苯二甲酸1,3-丙二醇酯共聚物

近年来,生物柴油产业在发达国家发展迅速。大量副产物甘油的使用引起了越来越多的关注。从粗甘油中生产1,3-丙二醇将有效提高生物柴油的竞争力,增加甘油的附加值。2007年4月,国务院办公厅转发了国家发展和改革委员会发布的生物产业发展“十一五”规划。这是我国首次将生物产业作为国民经济和社会发展的重要战略产业进行统筹规划和部署,包括生物能源、生物基材料和微生物制造三大专项,并对生产原料、关键技术和工艺、示范企业、产业化和市场激励等方面进行了明确阐述。根据“可再生能源中长期规划”,到2020年,生物柴油的年利润将达到200万吨。“生物柴油产业的发展将促进中国1,3-丙二醇和PTT的产业化。

尽管PTT聚酯在中国发展较晚,但它突破了杜邦等跨国企业在1,3-丙二醇生物转化技术上的技术壁垒,在好氧发酵、工业放大、代谢工程和分离提取技术上取得突破,形成了具有自主知识产权的1,3-丙二醇生产技术。然而,杜邦、壳牌和日本天皇等企业垄断了PTT聚合技术,几乎覆盖了所有现有的PTT合成专利,严重制约了1,3-丙二醇发酵及其与对苯二甲酸高效共聚的工业发展。

生物乙烯

以木薯、甜高粱和木质纤维素等非粮食原料为基础的国内生物乙醇产业将取得巨大进展。除了作为燃料,生物乙醇下游产品链的良性稳定发展也具有重要意义。生物聚乙烯作为生物乙醇最重要的下游化工产品,已经受到足够的重视,并已产业化。聚乙烯作为最重要的高分子材料,将很快实现国外生物质原料的加工路线,从而使聚乙烯也成为一种生物基材料。国内社会经济的可持续发展,一系列重大国家基础设施建设的实施和建筑业的稳定发展,保证了体育产业的快速发展,但体育需求仍将高度依赖国外。全球石油资源的日益枯竭和不合理的冲击,国内石油替代战略的深入实施,对环境保护的日益重视,生物乙醇和Bio-PE下游产品的进一步推广,聚乙烯产品的市场需求和石油替代的重要作用,使得发展生物基聚乙烯这一最大的生物基材料,成为社会经济可持续发展的必然要求,也是开展节能减排技术研究和发展低碳经济的基本国策和必然要求。

淀粉基材料

宏观政策基本上是在*的支持下支持产业发展的:生物技术已被纳入国家中长期科技发展规划,国务院批准并实施了多项加快发展生物产业的政策,*总理多次强调要发展和培育包括生物制造业在内的生物产业。与普通塑料相比,来源于可再生资源的淀粉基材料可以减少50% ~ 80%的石油资源消耗,减少我们对石油资源的依赖。如果我们更换100万吨传统塑料,我们可以减少至少200万吨石油消耗和300多万吨二氧化碳排放。目前,一些发达国家对一些进口商品的包装提出了一些新的要求,即不可降解材料不能用于包装商品,生物基生物降解塑料的出现有利于突破这些贸易。