中国生物工程学会会刊     创刊于2005年

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生物基产品发展现状及前景分析

时间:2018-05-29来源:未知 作者:于建荣 王跃 毛开云 点击:

生物基产品,也称生物基材 料,广义上包括任何利用生物质 制备的工业产品及原料,包括纸 张、木材和皮革等。目前,通常 对生物基产品的定义是指利用谷 物、豆科、秸秆、竹木粉等可再 生生物质为原料制造的新型材料 和化学品等[1]。

传统化工产业将原油分解成 各种化学成分,这些成分进一步 被提炼为运输燃料(如汽油和柴 油)、工业化学品(如润滑油) 及各种化学中间体。而生物作物 提炼厂利用糖类和生物质为原料 也可以实现同样的目的。这些生 物基原料被提炼成各种化学媒 介,然后被用来生产一系列的消 费产品。其中许多产品可以直接 代替由传统石化加工的产品或作 为其升级版。

生物基产品以天然材料取代 传统化石原料,减少了开采和提 炼化石原料所需的能源;同时, 天然原料一般都较容易在天然环 境下分解,所以生物基产品也是 较为环保的替代品。生物基产品 的规模化发展与应用,将降低目 前传统化工产业对化石资源的依 赖,有利于环境改善与经济协调 发展,对于加快培育战略性新兴 产业、促进我国石油化工材料转 型升级、推动绿色经济增长、促 进农工融合与城镇化建设具有重 大意义[2]。

1 全球生物基产品发展总体 态势

近年来,全球面临着工业化 持续发展而自然资源相对匮乏的 矛盾,积极发展生物基经济成为 世界各国的必然选择。目前,各 国政府都充分认识到发展生物基 产品在有效利用生物质资源、节 能减排和保护环境方面的作用, 并积极采取相关措施。

欧盟致力于在解决粮食和能 源需求的同时,促进资源高效 可持续利用,并开展了多项与 此相关的研究和计划。如2010 年欧盟委员会公布“ 欧盟2020 战略”,其中“创新型联盟”和 “自然资源有效利用”两大计划 对生物基产品的发展制定了具体 的目标,决定继续加强生物基产 品研发投入和市场开发,联合企 业伙伴投入巨资促进生物基产业 发展,积极推动欧盟生物经济 转型升级;2013 年7月, 欧盟委 员会提出“BRIDGE”(Biobased and Renewable Industries for Development and Growth in Europe, 推动欧洲发展与增长的生物基可 再生产业)战略计划,提出在 2014 ~ 2020年投入38亿欧元以 加速生物基产品的市场化进程; 2014年,欧盟委员会发布了《工 业现状,欧盟工业政策分类概述 与执行实施》工作文件,对欧盟 的农业食品工业、制药行业、生 物基产品行业等18个产业的现 状、面临挑战和发展策略进行了系统分析,并着重强调了生物基 产品行业的标准和风险普及的重 要性,正式确定生物基产品行业 地位。2016 年1月,由欧盟与欧 洲生物基产业联盟(Bio-based Industries Consortium,BIC) 共 同资助的“欧洲联合生物基产业 发展计划”(Bio-based Industries Joint Undertaking,BBI JU)在线 发布了2016 年度工作计划和预 算[3],具体列出了2016年研究领 域细节和创新行动的优先项目, 以及相关管理活动等费用的预算 (表1)。

美国2012年提出的“ 国家 生物经济蓝图”中,将发展生物 基产品作为发展生物经济的主要 内容之一[4]。2016年,美国农业 部(USDA)发布的报告指出[5], 2014年生物基产品行业为美国经济 贡献了3930亿美元和422万个就业 岗位。2013 ~ 2014年,该行业新增 就业岗位22万个,新增产值240亿 美元。该报告是USDA生物优先计 划(BioPreferred Program)委托完 成的第二份美国生物基产品行业 经济影响分析报告,分析了2014 年生物基产品行业在国家和各州 层面创收和增加就业的情况。

我国科学技术部在2012年5 月发布《生物基材料产业科技发 展“十二五”专项规划》,明确提 出了在相关技术、产业、标准、 平台、人才以及企业发展方面的 目标;2017年,由国家发展和改 革委员会正式发布的《“十三五” 生物产业发展规划》中也专门提 及推动生物基产品制造的规模化 应用,并提出提高生物基产品的 经济性和市场竞争力。

市场方面,麦肯锡预测,到 2020年, 全球生物基产品的销售额将达到3750亿~ 4410亿美 元,年复合增长率达到8%,将占 化学品市场(34 010亿美元)的 11% ;至2020年,全球生物燃料 和植物提取物的销售额仍占生物 基产品预测销售额的一半以上, 新的生物聚合物、可再生化学 品、生物药等环境友好材料与 生物燃料一样将以较快的增长 率增长。

2 典型生物基产品商业化现状

2.1 生物基塑料

生物基塑料(biobased plastics, BBP)是一类商品的总称,是指 利用可再生的生物质资源加工生 产的高分子聚合物及其制品,包 括生物基合成材料、生物基再生 纤维等。按照降解性能可以将其 分为两类,即生物降解生物基塑 料以及非生物降解生物基塑料[6]。 生物降解生物基塑料包括聚羟基 烷酸酯(PHA)、聚乳酸(PLA)、 二氧化碳共聚物、二元酸二元醇 共聚酯[包括聚丁二酸丁二醇酯 (PBS)、聚对苯二甲酸-己二酸丁 二醇酯(PBAT)等]、聚乙烯醇 (PVA)等,非生物降解生物基塑 料包括生物聚乙烯(BPE)、聚酰 胺(PA)等多个品种(表2)。

目前,BBP在全球处于由初 级发展向商业化规模发展的转型 阶段。美国塑料工业协会(The Plastic Industry Trade Association, SPI)2016年的报告显示,全球 BBP需求量从2009年开始一直保 持着高速增长趋势[7]。据欧洲塑 料新闻(Plastics News Europe)报 道,2013年全球BBP产能158.1 万 吨,2014年产能169.7万吨,预计 到2019年产能将达到784.8万吨 (图1)[8]。

从生物基塑料的原料来看, 总体上,BPET是生物基塑料的 主要原材料,欧洲塑料协会预计 其占比将从2014年的35.4%增长 到2019年的76.5%。与之相应的, 由于BPET的强劲的增长趋势, 预计生物基非生物降解材料市场 同样将呈现较强的增长趋势(图 2)。如可口可乐、海因茨、福特汽 车、耐克和宝洁等公司均签署了 植物PET技术合作协议(the Plant PET Technology Collaborative, PTC),旨在开发和使用100%的 BPET[9]。由此可见,未来BPET 市场将迎来持续的增长。 目前,从技术研究及产业化 进程来看,我国主要还是以生物降 解塑料为主,包括PLA、PHA、二 氧化碳共聚物、PBS、聚丁二酸-己二酸丁二醇酯(PBSA)、PBAT、 BPA等聚合物以及淀粉基塑料。 国内外BBP主要生产厂家及 产能情况见表3、图2。

2.2 生物基化学品

相对于传统化学品,生物基 化学品的优势在于以可再生的生 物质资源替代化石原料等不可再 生资源,摆脱了对化石原料的依 赖,同时由于其具有加工技术绿 色低碳、加工流程短、投资少、 成本低且不污染环境等优势,已 成为未来化学品市场发展的主要 趋势[10]。据USDA的研究报告, 到2025年,生物基化学品将占据 22%的全球化学品市场,生物基 化学品的产值将超过5000亿美元 /年,由其创造的工作机会将达到 237 000 个[5]。 目前,全球主要的生物基化学品包括乳酸、琥珀酸、丙二 醇、1,4-丁二醇、1,3-丁二烯、 乳酸乙酯、脂肪醇、糠醛、甘 油、异戊二烯、1,3-丙二醇、对 二甲苯等。此外, 还包括己二 酸、丙烯酸和呋喃-2,5-二羧酸 在内的新兴产品[11]。

2.2.1 生物基乳酸

乳酸是自然界中最广泛存在 的羟基酸,其广泛存在于许多食物 和天然微生物的发酵产品中,如泡 菜、酸奶、酵母面包中。乳酸的工 业化生产主要通过化学合成法或者 微生物发酵法,目前绝大多数企业 采用生物法制造,即利用细菌进行 糖的厌氧发酵生产乳酸。乳酸一般 以两种立体异构体存在,即左旋乳 酸(L-乳酸)和右旋乳酸(D-乳 酸)。乳酸已被用于食品、医药和 其他领域,目前国内企业生产的乳 酸的光学纯度一般在97%以下,尚 不能直接用于合成高分子的聚乳酸 材料,用于合成聚乳酸的乳酸光学 纯度要求在99.5%以上。

表4列举了全球主要的乳酸 生产厂商及其产能情况[12]。由表 4可见,科碧恩-普拉克是全球最 大的乳酸及其衍生物供应商,其年产能达到了20万吨。美国嘉吉 公司仅次于科碧恩-普拉克,年 产能达到18万吨,但其产品专供 NatureWorks聚乳酸生产用, 不 对外销售。此外,美国发酵厂商 ADM、法国JBL以及日本的武藏 野等均为全球主要的乳酸生产厂 商,其产能均已达到数万吨。 国内乳酸厂商中,河南金丹是 产能最大的乳酸生产企业,其年产 能达到8万~ 10万吨。中粮生化格 拉特的年产能已达到4万吨。江苏 海嘉诺沿用原华德公司技术,并逐 渐从生产DL-乳酸转向生产L-乳酸 产品,年产能达到1万吨左右。此 外,湖南安化、湖北凯风、河南 乐达以及五粮液等年产能均能达到 5000吨左右。值得一提的是,目前 国内生产的乳酸多以L-乳酸为主, L-乳酸合成得到的PLLA一般不耐 热,需改性,而由D-乳酸合成得 到的PDLA则可以耐热。因此,目 前国内新建的金玉米、百盛、新宁 等厂商均以生产D-乳酸产品为主。

2.2.2 生物基琥珀酸

生物基琥珀酸又称丁二酸, 是优秀的“C4平台化合物”,同 时也是许多高附加值化合物的前 体化合物,如PBS、聚丁二酸己 二醇酯(PHS)等[13],可应用于食 品、化学、医药工业及其他领域。 法国BioAmber公司于2013年 在萨尼亚(Sarnia)建成了世界 第一套商业化规模生物基琥珀酸 装置,并实现商业化生产。其初 始产能为1.7万吨/年,2014年扩 建,实现产能翻番。此外,帝斯 曼(DSM)、巴斯夫(BASF)、 麦 里安(Myriant)等公司均已兴建 了多个世界级规模的生物基琥珀 酸生产工厂(表5)。

国内生物基琥珀酸的规模化 生产尚处于起步阶段,生产企 业、产能等均较少。目前我国已 有的琥珀酸生产企业10余家,但 大部分以石油基为原料,且生产 规模较小,单线年产能仅为1000 吨左右[10]。 2013年,扬子石化公 司1000 吨/年生物发酵法制丁二 酸中试装置建成中交,其依托扬 子石化现有装置及公用工程配套 设施,采用中国石化与高校科研 单位共同开发的生物发酵法,以玉米和经过前端处理的植物秸秆 为原料,通过生物发酵法合成琥 珀酸产品,装置设计产能为1000 吨/年,年工作日300天,年生产 时数7200 小时[14]。

2.3 生物基纤维

生物基纤维,是生物基材料 的一个大的应用方向,也是我国 战略新兴材料产业的重要组成部 分,具有绿色、环保、可持续性 发展以及生物降解等优良特性, 有助于解决当前经济社会发展所 面临的严重资源和能源短缺以及 环境污染等问题,同时也能满足 消费者日益提高的物质生活需要, 增加供给侧供应,促进消费回流。 目前,生物基纤维按照原料 来源以及纤维加工工艺的不同, 可以分为生物基合成纤维、海洋 生物基纤维、生物蛋白质纤维以 及新型纤维素纤维[15](表6)。

2.3.1 生物基合成纤维

生物基合成纤维包括PLA纤 维、PHBV/PLA共混纤维、PTT纤 维、PBT纤维、PDT纤维、PBS纤 维以及PA56纤维等。

目前,我国PLA纤维产能约 1.5万吨/年,主要的生产企业分 布在江苏、上海、河南等地。主 要生产企业有上海同杰良生物材 料有限公司、河南省龙都生物科 技有限公司、恒天长江生物材料 有限公司、海宁新能纺织有限公 司和嘉兴昌新差别化纤维科技有 限公司等。

PHBV/PLA共混纤维是通过 熔融PHBV/PLA为主要成分而形 成的新型合成纤维,具有良好的 耐热性以及光泽和手感,主要用 于纺织、医用材料、卫生防护等 领域。目前我国的产能约1500 吨 /年,主要生产企业为宁波天安生 物材料有限公司。

PTT纤维主要用于纺织领域, 我国产能约4.3万吨/年,以江苏、 上海、辽宁等为主要产地。盛虹 集团旗下中鲈科技发展股份有限 公司已实现了PTT聚合装置的产 业化生产,设计产能为3万吨/年。 由于PTT是由1,3-丙二醇(PDO) 和精对苯二甲酸(PTA)缩聚制 成的芳香族聚合物,而PDO世界 上只有杜邦公司生产,且其PTT 树脂指定供应,因此PTT纤维发 展的瓶颈在于PDO供应链以及 PTT聚酯合成技术和产业化。 PBT纤维和PDT纤维为近年 来开发的新型生物基合成纤维, 在我国,前者产能达到2.5万吨/ 年,主要产地集中在江苏,后者 产能为2 万吨/ 年,主要产地为 福建、吉林。PBS纤维和PA56 纤维均尚未完全产业化,PBS目 前处于基础研究阶段,已有试验 线建成,PA56 则正在进行1000 吨中试。

2.3.2 海洋生物基纤维

海洋生物基纤维包括壳聚糖 纤维和海藻纤维,前者主要以 虾蟹壳等为原料,后者则以海 藻提纯的海藻酸盐为原料,两 者均为我国完全自主知识产权, 主要产地为山东、天津等,年 产能达到约4500 吨。目前在我 国已建成拥有自主知识产权和自 行设计的产业化生产线,主要生 产企业分别有海斯摩尔生物科技 有限公司和天津中盛生物工程有 限公司,青岛康通海洋纤维有限 公司和厦门百美特生物材料科技 有限公司等。

2.3.3 新型纤维素纤维

新型纤维素纤维根据溶剂和 原料的不同,可以分为新溶剂法 纤维和新资源纤维素纤维,前者 以Lyocell纤维为主,还包括离子 液体纤维素纤维等,后者以竹浆 纤维为主,还有麻浆纤维等。目 前,Lyocell纤维我国产能达到了 3.2万吨/年,主要生产企业有上 海里奥纤维企业发展有限公司、 中纺绿色纤维科技股份公司、保 定天鹅化纤集团有限公司和山东 英利实业有限公司。以竹浆纤维 和麻浆纤维为代表的新资源纤维 素纤维是近年来我国自主研发的 创新成果,其中竹浆纤维主要以 竹浆粕为原料,其产能已达到12 万吨/年,主要产地分布在河北、 河南、四川、上海等。

2.4 生物基燃料

生物基燃料是指通过农作物 秸秆、畜禽粪便、地沟油、城市 垃圾等生物资源生产的燃料,包 括生物基乙醇、生物柴油等,可 替代化石燃料制取的汽油、柴油 等。此外,许多新兴的生物基燃 料也正在开发中,如纤维素乙 醇、藻类燃料、生物质氢、生物 基甲醇、生物氢柴油、混合醇、 木柴油等。

随着油价的提高和对能源安 全的需要,生物基燃料越来越 受欢迎。根据USDA 2016 年的 报告,目前欧盟的生物基燃料使 用量为3200万吨(32MTT)。到 2020年, 预计常规生物基燃料 的产能将达到4800万吨/年。国 际能源机构(IEA)的目标是到 2050年, 生物燃料要满足超过 四分之一的世界运输燃料需求, 以减少对石油和煤的依赖。预 计2016 ~ 2020年,全球生物燃 料市场的年复合增长率将达到 12.5%。而PikeResearch预测,全 球生物基燃料市场在2021年将达 到1853 亿美元。

2.4.1 生物乙醇

目前,全球生物乙醇年产量 接近8000万吨, 绝大部分国家 和地区都在推行燃料乙醇[16]。其 中,美国和巴西生物乙醇2015年 的产量分别达到4500万吨和2150 万吨,分别占全球总产量的57.7% 和27.6%,位列世界前两位。来自 美国可再生燃料协会的统计显示, 2014年,美国生产的生物乙醇替 代了5.12亿桶原油提炼出的汽油, 这个数字略高于美国每年从沙特 进口的原油量;而如果没有生物乙 醇,美国石油净进口依存度将由 28%提高到35%。

虽然我国是世界上生物乙醇 的第三大生产和消费国,但2015 年生物乙醇的产量仅为230万吨 左右,仅占全球总产量的3.17%, 约为美国产量的5.5%。目前,我 国汽油年产量超过1.2亿吨,绝 大部分为车用汽油,生物乙醇产 量仅占汽油产量2%左右,若未 来在全国范围内推广使用E10乙 醇汽油,则所需燃料乙醇还有近 千万吨空间。

目前,我国共有7家生物乙 醇定点生产企业,其中河南天冠 以年产能70万吨位居国内第一; 吉林燃料乙醇有限公司、中粮生 化(安徽)股份有限公司分别以 60万吨和51万吨排名第二、第三 位(表7)。

2.4.2 生物柴油

生物柴油是指以油料作物如 大豆、油菜、棉、棕榈等野生 油料作物和工程微藻等水生植 物油脂以及动物油脂、餐饮垃 圾油等为原料油通过酯交换或 热化学工艺支撑的可替代化石柴 油的再生性柴油燃料。目前,各 种油料作物是发展生物柴油产业 的主要原料,如美国的大豆、欧 洲的菜籽、巴西的蓖麻籽、东南 亚的棕榈。

根据智研咨询发布的最新数 据,目前全球生物柴油产量达到了 2000万~ 3000万吨/年[17]。发展生 物柴油是大势所趋,2004 ~ 2014 年,全球生物柴油产量年均增幅 为250万吨,但2015年生物柴油 产量由2014年的2980万吨降至 2910 万吨,降幅为2.3%(图3)。 美国、欧洲和巴西是生物柴 油主要的生产和使用地区,美国 ADM公司是世界上第二大生物燃料生产商,也是欧洲领先的生物柴 油生产商,其在德国汉堡拥有世界 最大的生物柴油生产设施。

我国生物柴油产量约为100万 吨/年。目前国内正规的生物柴油 企业不足10家,主要包括海南正 和生物能源公司、福建龙岩卓越 新能源开发有限公司、无锡华宏 生物燃料有限公司、福建源华能 源科技有限公司、湖南天源生物 清洁能源有限公司、湖南海纳百 川生物工程有限公司等。生物柴 油产业在我国市场发展一直不理 想,推广难度大、终端用户抵制、 利润分配不均衡等因素制约着我 国生物柴油产业的发展。

3 生物基产品发展前景

在目前全球石化资源日益紧 张、全球气候变暖、可持续性发展 不断迫切的情况下,在生物基产品 的生产技术不断取得突破、生产成 本有所降低、产品性能有所提高的 环境下,生物基产品市场前景被普 遍看好,美国、欧盟、中国等世界 大经济体纷纷针对生物基产品推出 相关战略计划。未来生物基产品的 开发主要集中在以下几个方向。

3.1 多元化利用原料

生物基产品的生产必须依靠稳 定的原料供应,而原料成本占到生 物基产品总成本的30% ~ 40%,开 发价格低廉的多元化原料是发展生 物基经济面临的重要任务。另外, 目前生物基产品的原料主要以粮食 作物为主,其不仅给全球粮食生产 带来了压力,同时也在一定程度上 限制了其产能和可持续发展。因此, 在不影响粮食安全的前提下,积极 开发更先进的第二代生物质炼制技 术,充分利用如各类农林废弃物、 畜禽粪便、城市垃圾、餐饮废油、 生物基产业废弃物等生物质材料, 将为生物基化学品产业的开拓提供 原料保障,同时能够进一步降低原 料成本,使其更具有经济竞争力。

3.2 提高生物转化效率

生物基经济下的产品具有绿 色、可持续性发展等特点,是发展 低碳经济的关键技术。然而,目前 许多平台化合物的生物合成方法还 不成熟,存在合成效率不高、分离 纯化困难、商业化产业化规模小等 问题。因此,通过汲取传统生物技 术与其他技术之长,如基因工程、 合成生物学等技术,实现学科的创 新与交叉融合,针对性地改进生物 催化体系的催化效率及耐受性,提 升生物基产品制备技术的产业化能 力,是未来生物转化技术的重要发 展方向,包括生物技术自身融合、 生物与化工技术融合及生物与过程 控制技术融合。

3.3 提升生物基产品附加值

目前,大宗化学品和材料产 量规模大,同质化竞争程度严重, 而利润水平却很低。就我国而言, 传统化工产品产能过剩,而高端产品如新型化学品、新型材料等 严重依赖进口。因此,未来生物 基产品的发展重点应结合化工产 业绿色发展的要求,瞄准高附加 值的产品进行开发,强化生物基 高端产品的研究和布局,在特种 工程塑料、精细化工产品、新型 复合材料等领域中进行技术开发 和产业化推广。