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生物基產品發展現狀及前景分析

時間:2019-04-09來源:未知 作者:于建榮 王躍 毛開云 點擊:

生物基產品,也稱生物基材 料,廣義上包括任何利用生物質 制備的工業產品及原料,包括紙 張、木材和皮革等。目前,通常 對生物基產品的定義是指利用谷 物、豆科、秸稈、竹木粉等可再 生生物質為原料制造的新型材料 和化學品等[1]。

傳統化工產業將原油分解成 各種化學成分,這些成分進一步 被提煉為運輸燃料(如汽油和柴 油)、工業化學品(如潤滑油) 及各種化學中間體。而生物作物 提煉廠利用糖類和生物質為原料 也可以實現同樣的目的。這些生 物基原料被提煉成各種化學媒 介,然后被用來生產一系列的消 費產品。其中許多產品可以直接 代替由傳統石化加工的產品或作 為其升級版。

生物基產品以天然材料取代 傳統化石原料,減少了開采和提 煉化石原料所需的能源;同時, 天然原料一般都較容易在天然環 境下分解,所以生物基產品也是 較為環保的替代品。生物基產品 的規模化發展與應用,將降低目 前傳統化工產業對化石資源的依 賴,有利于環境改善與經濟協調 發展,對于加快培育戰略性新興 產業、促進我國石油化工材料轉 型升級、推動綠色經濟增長、促 進農工融合與城鎮化建設具有重 大意義[2]。

1 全球生物基產品發展總體 態勢

近年來,全球面臨著工業化 持續發展而自然資源相對匱乏的 矛盾,積極發展生物基經濟成為 世界各國的必然選擇。目前,各 國政府都充分認識到發展生物基 產品在有效利用生物質資源、節 能減排和保護環境方面的作用, 并積極采取相關措施。

歐盟致力于在解決糧食和能 源需求的同時,促進資源高效 可持續利用,并開展了多項與 此相關的研究和計劃。如2010 年歐盟委員會公布“ 歐盟2020 戰略”,其中“創新型聯盟”和 “自然資源有效利用”兩大計劃 對生物基產品的發展制定了具體 的目標,決定繼續加強生物基產 品研發投入和市場開發,聯合企 業伙伴投入巨資促進生物基產業 發展,積極推動歐盟生物經濟 轉型升級;2013 年7月, 歐盟委 員會提出“BRIDGE”(Biobased and Renewable Industries for Development and Growth in Europe, 推動歐洲發展與增長的生物基可 再生產業)戰略計劃,提出在 2014 ~ 2020年投入38億歐元以 加速生物基產品的市場化進程; 2014年,歐盟委員會發布了《工 業現狀,歐盟工業政策分類概述 與執行實施》工作文件,對歐盟 的農業食品工業、制藥行業、生 物基產品行業等18個產業的現 狀、面臨挑戰和發展策略進行了系統分析,并著重強調了生物基 產品行業的標準和風險普及的重 要性,正式確定生物基產品行業 地位。2016 年1月,由歐盟與歐 洲生物基產業聯盟(Bio-based Industries Consortium,BIC) 共 同資助的“歐洲聯合生物基產業 發展計劃”(Bio-based Industries Joint Undertaking,BBI JU)在線 發布了2016 年度工作計劃和預 算[3],具體列出了2016年研究領 域細節和創新行動的優先項目, 以及相關管理活動等費用的預算 (表1)。

美國2012年提出的“ 國家 生物經濟藍圖”中,將發展生物 基產品作為發展生物經濟的主要 內容之一[4]。2016年,美國農業 部(USDA)發布的報告指出[5], 2014年生物基產品行業為美國經濟 貢獻了3930億美元和422萬個就業 崗位。2013 ~ 2014年,該行業新增 就業崗位22萬個,新增產值240億 美元。該報告是USDA生物優先計 劃(BioPreferred Program)委托完 成的第二份美國生物基產品行業 經濟影響分析報告,分析了2014 年生物基產品行業在國家和各州 層面創收和增加就業的情況。

我國科學技術部在2012年5 月發布《生物基材料產業科技發 展“十二五”專項規劃》,明確提 出了在相關技術、產業、標準、 平臺、人才以及企業發展方面的 目標;2017年,由國家發展和改 革委員會正式發布的《“十三五” 生物產業發展規劃》中也專門提 及推動生物基產品制造的規模化 應用,并提出提高生物基產品的 經濟性和市場競爭力。

市場方面,麥肯錫預測,到 2020年, 全球生物基產品的銷售額將達到3750億~ 4410億美 元,年復合增長率達到8%,將占 化學品市場(34 010億美元)的 11% ;至2020年,全球生物燃料 和植物提取物的銷售額仍占生物 基產品預測銷售額的一半以上, 新的生物聚合物、可再生化學 品、生物藥等環境友好材料與 生物燃料一樣將以較快的增長 率增長。

2 典型生物基產品商業化現狀

2.1 生物基塑料

生物基塑料(biobased plastics, BBP)是一類商品的總稱,是指 利用可再生的生物質資源加工生 產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 纖維等。按照降解性能可以將其 分為兩類,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羥基 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)、聚對苯二甲酸-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)等多個品種(表2)。

目前,BBP在全球處于由初 級發展向商業化規模發展的轉型 階段。美國塑料工業協會(The Plastic Industry Trade Association, SPI)2016年的報告顯示,全球 BBP需求量從2009年開始一直保 持著高速增長趨勢[7]。據歐洲塑 料新聞(Plastics News Europe)報 道,2013年全球BBP產能158.1 萬 噸,2014年產能169.7萬噸,預計 到2019年產能將達到784.8萬噸 (圖1)[8]。

從生物基塑料的原料來看, 總體上,BPET是生物基塑料的 主要原材料,歐洲塑料協會預計 其占比將從2014年的35.4%增長 到2019年的76.5%。與之相應的, 由于BPET的強勁的增長趨勢, 預計生物基非生物降解材料市場 同樣將呈現較強的增長趨勢(圖 2)。如可口可樂、海因茨、福特汽 車、耐克和寶潔等公司均簽署了 植物PET技術合作協議(the Plant PET Technology Collaborative, PTC),旨在開發和使用100%的 BPET[9]。由此可見,未來BPET 市場將迎來持續的增長。 目前,從技術研究及產業化 進程來看,我國主要還是以生物降 解塑料為主,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。 國內外BBP主要生產廠家及 產能情況見表3、圖2。

2.2 生物基化學品

相對于傳統化學品,生物基 化學品的優勢在于以可再生的生 物質資源替代化石原料等不可再 生資源,擺脫了對化石原料的依 賴,同時由于其具有加工技術綠 色低碳、加工流程短、投資少、 成本低且不污染環境等優勢,已 成為未來化學品市場發展的主要 趨勢[10]。據USDA的研究報告, 到2025年,生物基化學品將占據 22%的全球化學品市場,生物基 化學品的產值將超過5000億美元 /年,由其創造的工作機會將達到 237 000 個[5]。 目前,全球主要的生物基化學品包括乳酸、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、異戊二烯、1,3-丙二醇、對 二甲苯等。此外, 還包括己二 酸、丙烯酸和呋喃-2,5-二羧酸 在內的新興產品[11]。

2.2.1 生物基乳酸

乳酸是自然界中最廣泛存在 的羥基酸,其廣泛存在于許多食物 和天然微生物的發酵產品中,如泡 菜、酸奶、酵母面包中。乳酸的工 業化生產主要通過化學合成法或者 微生物發酵法,目前絕大多數企業 采用生物法制造,即利用細菌進行 糖的厭氧發酵生產乳酸。乳酸一般 以兩種立體異構體存在,即左旋乳 酸(L-乳酸)和右旋乳酸(D-乳 酸)。乳酸已被用于食品、醫藥和 其他領域,目前國內企業生產的乳 酸的光學純度一般在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學 純度要求在99.5%以上。

表4列舉了全球主要的乳酸 生產廠商及其產能情況[12]。由表 4可見,科碧恩-普拉克是全球最 大的乳酸及其衍生物供應商,其年產能達到了20萬噸。美國嘉吉 公司僅次于科碧恩-普拉克,年 產能達到18萬噸,但其產品專供 NatureWorks聚乳酸生產用, 不 對外銷售。此外,美國發酵廠商 ADM、法國JBL以及日本的武藏 野等均為全球主要的乳酸生產廠 商,其產能均已達到數萬噸。 國內乳酸廠商中,河南金丹是 產能最大的乳酸生產企業,其年產 能達到8萬~ 10萬噸。中糧生化格 拉特的年產能已達到4萬噸。江蘇 海嘉諾沿用原華德公司技術,并逐 漸從生產DL-乳酸轉向生產L-乳酸 產品,年產能達到1萬噸左右。此 外,湖南安化、湖北凱風、河南 樂達以及五糧液等年產能均能達到 5000噸左右。值得一提的是,目前 國內生產的乳酸多以L-乳酸為主, L-乳酸合成得到的PLLA一般不耐 熱,需改性,而由D-乳酸合成得 到的PDLA則可以耐熱。因此,目 前國內新建的金玉米、百盛、新寧 等廠商均以生產D-乳酸產品為主。

2.2.2 生物基琥珀酸

生物基琥珀酸又稱丁二酸, 是優秀的“C4平臺化合物”,同 時也是許多高附加值化合物的前 體化合物,如PBS、聚丁二酸己 二醇酯(PHS)等[13],可應用于食 品、化學、醫藥工業及其他領域。 法國BioAmber公司于2013年 在薩尼亞(Sarnia)建成了世界 第一套商業化規模生物基琥珀酸 裝置,并實現商業化生產。其初 始產能為1.7萬噸/年,2014年擴 建,實現產能翻番。此外,帝斯 曼(DSM)、巴斯夫(BASF)、 麥 里安(Myriant)等公司均已興建 了多個世界級規模的生物基琥珀 酸生產工廠(表5)。

國內生物基琥珀酸的規模化 生產尚處于起步階段,生產企 業、產能等均較少。目前我國已 有的琥珀酸生產企業10余家,但 大部分以石油基為原料,且生產 規模較小,單線年產能僅為1000 噸左右[10]。 2013年,揚子石化公 司1000 噸/年生物發酵法制丁二 酸中試裝置建成中交,其依托揚 子石化現有裝置及公用工程配套 設施,采用中國石化與高校科研 單位共同開發的生物發酵法,以玉米和經過前端處理的植物秸稈 為原料,通過生物發酵法合成琥 珀酸產品,裝置設計產能為1000 噸/年,年工作日300天,年生產 時數7200 小時[14]。

2.3 生物基纖維

生物基纖維,是生物基材料 的一個大的應用方向,也是我國 戰略新興材料產業的重要組成部 分,具有綠色、環保、可持續性 發展以及生物降解等優良特性, 有助于解決當前經濟社會發展所 面臨的嚴重資源和能源短缺以及 環境污染等問題,同時也能滿足 消費者日益提高的物質生活需要, 增加供給側供應,促進消費回流。 目前,生物基纖維按照原料 來源以及纖維加工工藝的不同, 可以分為生物基合成纖維、海洋 生物基纖維、生物蛋白質纖維以 及新型纖維素纖維[15](表6)。

2.3.1 生物基合成纖維

生物基合成纖維包括PLA纖 維、PHBV/PLA共混纖維、PTT纖 維、PBT纖維、PDT纖維、PBS纖 維以及PA56纖維等。

目前,我國PLA纖維產能約 1.5萬噸/年,主要的生產企業分 布在江蘇、上海、河南等地。主 要生產企業有上海同杰良生物材 料有限公司、河南省龍都生物科 技有限公司、恒天長江生物材料 有限公司、海寧新能紡織有限公 司和嘉興昌新差別化纖維科技有 限公司等。

PHBV/PLA共混纖維是通過 熔融PHBV/PLA為主要成分而形 成的新型合成纖維,具有良好的 耐熱性以及光澤和手感,主要用 于紡織、醫用材料、衛生防護等 領域。目前我國的產能約1500 噸 /年,主要生產企業為寧波天安生 物材料有限公司。

PTT纖維主要用于紡織領域, 我國產能約4.3萬噸/年,以江蘇、 上海、遼寧等為主要產地。盛虹 集團旗下中鱸科技發展股份有限 公司已實現了PTT聚合裝置的產 業化生產,設計產能為3萬噸/年。 由于PTT是由1,3-丙二醇(PDO) 和精對苯二甲酸(PTA)縮聚制 成的芳香族聚合物,而PDO世界 上只有杜邦公司生產,且其PTT 樹脂指定供應,因此PTT纖維發 展的瓶頸在于PDO供應鏈以及 PTT聚酯合成技術和產業化。 PBT纖維和PDT纖維為近年 來開發的新型生物基合成纖維, 在我國,前者產能達到2.5萬噸/ 年,主要產地集中在江蘇,后者 產能為2 萬噸/ 年,主要產地為 福建、吉林。PBS纖維和PA56 纖維均尚未完全產業化,PBS目 前處于基礎研究階段,已有試驗 線建成,PA56 則正在進行1000 噸中試。

2.3.2 海洋生物基纖維

海洋生物基纖維包括殼聚糖 纖維和海藻纖維,前者主要以 蝦蟹殼等為原料,后者則以海 藻提純的海藻酸鹽為原料,兩 者均為我國完全自主知識產權, 主要產地為山東、天津等,年 產能達到約4500 噸。目前在我 國已建成擁有自主知識產權和自 行設計的產業化生產線,主要生 產企業分別有海斯摩爾生物科技 有限公司和天津中盛生物工程有 限公司,青島康通海洋纖維有限 公司和廈門百美特生物材料科技 有限公司等。

2.3.3 新型纖維素纖維

新型纖維素纖維根據溶劑和 原料的不同,可以分為新溶劑法 纖維和新資源纖維素纖維,前者 以Lyocell纖維為主,還包括離子 液體纖維素纖維等,后者以竹漿 纖維為主,還有麻漿纖維等。目 前,Lyocell纖維我國產能達到了 3.2萬噸/年,主要生產企業有上 海里奧纖維企業發展有限公司、 中紡綠色纖維科技股份公司、保 定天鵝化纖集團有限公司和山東 英利實業有限公司。以竹漿纖維 和麻漿纖維為代表的新資源纖維 素纖維是近年來我國自主研發的 創新成果,其中竹漿纖維主要以 竹漿粕為原料,其產能已達到12 萬噸/年,主要產地分布在河北、 河南、四川、上海等。

2.4 生物基燃料

生物基燃料是指通過農作物 秸稈、畜禽糞便、地溝油、城市 垃圾等生物資源生產的燃料,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,許多新興的生物基燃 料也正在開發中,如纖維素乙 醇、藻類燃料、生物質氫、生物 基甲醇、生物氫柴油、混合醇、 木柴油等。

隨著油價的提高和對能源安 全的需要,生物基燃料越來越 受歡迎。根據USDA 2016 年的 報告,目前歐盟的生物基燃料使 用量為3200萬噸(32MTT)。到 2020年, 預計常規生物基燃料 的產能將達到4800萬噸/年。國 際能源機構(IEA)的目標是到 2050年, 生物燃料要滿足超過 四分之一的世界運輸燃料需求, 以減少對石油和煤的依賴。預 計2016 ~ 2020年,全球生物燃 料市場的年復合增長率將達到 12.5%。而PikeResearch預測,全 球生物基燃料市場在2021年將達 到1853 億美元。

2.4.1 生物乙醇

目前,全球生物乙醇年產量 接近8000萬噸, 絕大部分國家 和地區都在推行燃料乙醇[16]。其 中,美國和巴西生物乙醇2015年 的產量分別達到4500萬噸和2150 萬噸,分別占全球總產量的57.7% 和27.6%,位列世界前兩位。來自 美國可再生燃料協會的統計顯示, 2014年,美國生產的生物乙醇替 代了5.12億桶原油提煉出的汽油, 這個數字略高于美國每年從沙特 進口的原油量;而如果沒有生物乙 醇,美國石油凈進口依存度將由 28%提高到35%。

雖然我國是世界上生物乙醇 的第三大生產和消費國,但2015 年生物乙醇的產量僅為230萬噸 左右,僅占全球總產量的3.17%, 約為美國產量的5.5%。目前,我 國汽油年產量超過1.2億噸,絕 大部分為車用汽油,生物乙醇產 量僅占汽油產量2%左右,若未 來在全國范圍內推廣使用E10乙 醇汽油,則所需燃料乙醇還有近 千萬噸空間。

目前,我國共有7家生物乙 醇定點生產企業,其中河南天冠 以年產能70萬噸位居國內第一; 吉林燃料乙醇有限公司、中糧生 化(安徽)股份有限公司分別以 60萬噸和51萬噸排名第二、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、棕櫚等野生 油料作物和工程微藻等水生植 物油脂以及動物油脂、餐飲垃 圾油等為原料油通過酯交換或 熱化學工藝支撐的可替代化石柴 油的再生性柴油燃料。目前,各 種油料作物是發展生物柴油產業 的主要原料,如美國的大豆、歐 洲的菜籽、巴西的蓖麻籽、東南 亞的棕櫚。

根據智研咨詢發布的最新數 據,目前全球生物柴油產量達到了 2000萬~ 3000萬噸/年[17]。發展生 物柴油是大勢所趨,2004 ~ 2014 年,全球生物柴油產量年均增幅 為250萬噸,但2015年生物柴油 產量由2014年的2980萬噸降至 2910 萬噸,降幅為2.3%(圖3)。 美國、歐洲和巴西是生物柴 油主要的生產和使用地區,美國 ADM公司是世界上第二大生物燃料生產商,也是歐洲領先的生物柴 油生產商,其在德國漢堡擁有世界 最大的生物柴油生產設施。

我國生物柴油產量約為100萬 噸/年。目前國內正規的生物柴油 企業不足10家,主要包括海南正 和生物能源公司、福建龍巖卓越 新能源開發有限公司、無錫華宏 生物燃料有限公司、福建源華能 源科技有限公司、湖南天源生物 清潔能源有限公司、湖南海納百 川生物工程有限公司等。生物柴 油產業在我國市場發展一直不理 想,推廣難度大、終端用戶抵制、 利潤分配不均衡等因素制約著我 國生物柴油產業的發展。

3 生物基產品發展前景

在目前全球石化資源日益緊 張、全球氣候變暖、可持續性發展 不斷迫切的情況下,在生物基產品 的生產技術不斷取得突破、生產成 本有所降低、產品性能有所提高的 環境下,生物基產品市場前景被普 遍看好,美國、歐盟、中國等世界 大經濟體紛紛針對生物基產品推出 相關戰略計劃。未來生物基產品的 開發主要集中在以下幾個方向。

3.1 多元化利用原料

生物基產品的生產必須依靠穩 定的原料供應,而原料成本占到生 物基產品總成本的30% ~ 40%,開 發價格低廉的多元化原料是發展生 物基經濟面臨的重要任務。另外, 目前生物基產品的原料主要以糧食 作物為主,其不僅給全球糧食生產 帶來了壓力,同時也在一定程度上 限制了其產能和可持續發展。因此, 在不影響糧食安全的前提下,積極 開發更先進的第二代生物質煉制技 術,充分利用如各類農林廢棄物、 畜禽糞便、城市垃圾、餐飲廢油、 生物基產業廢棄物等生物質材料, 將為生物基化學品產業的開拓提供 原料保障,同時能夠進一步降低原 料成本,使其更具有經濟競爭力。

3.2 提高生物轉化效率

生物基經濟下的產品具有綠 色、可持續性發展等特點,是發展 低碳經濟的關鍵技術。然而,目前 許多平臺化合物的生物合成方法還 不成熟,存在合成效率不高、分離 純化困難、商業化產業化規模小等 問題。因此,通過汲取傳統生物技 術與其他技術之長,如基因工程、 合成生物學等技術,實現學科的創 新與交叉融合,針對性地改進生物 催化體系的催化效率及耐受性,提 升生物基產品制備技術的產業化能 力,是未來生物轉化技術的重要發 展方向,包括生物技術自身融合、 生物與化工技術融合及生物與過程 控制技術融合。

3.3 提升生物基產品附加值

目前,大宗化學品和材料產 量規模大,同質化競爭程度嚴重, 而利潤水平卻很低。就我國而言, 傳統化工產品產能過剩,而高端產品如新型化學品、新型材料等 嚴重依賴進口。因此,未來生物 基產品的發展重點應結合化工產 業綠色發展的要求,瞄準高附加 值的產品進行開發,強化生物基 高端產品的研究和布局,在特種 工程塑料、精細化工產品、新型 復合材料等領域中進行技術開發 和產業化推廣。

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