生物基产业的新机遇橡胶

生物基弹性体成发展新热点

2023年1月，工信部等六部门印发《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》，进一步明确了对非粮生物基材料产业创新能力、非粮原料技术成熟度、非粮生物基产品竞争力等的要求。以非粮生物质为原料通过发酵的手段生产生物基材料，既是对秸秆等高附加值生物质的利用，也是实现“双碳”战略目标的有力支撑。

生物基材料是指以可再生的生物质为原料，或经由生物制造生产的产品，包括生物基塑料、生物基纤维、糖工程产品、生物基橡胶以及生物质热塑性加工得到的材料等。

生物基弹性体是近年来广受关注的生物基材料之一，是以生物质为原料的弹性体，包括生物基橡胶等。越来越多的科学研究表明，轮胎和道路摩擦时产生的微橡胶颗粒可能会严重损害环境。据英国帝国理工学院研究，汽车轮胎每年释放约600万吨100微米大小的微颗粒，对环境的危害仅次于一次性塑料。为减少轮胎磨损产生的橡胶颗粒污染，可再生橡胶技术便受到关注。

多家公司正研发生物基橡胶或生物基添加剂。德国轮胎制造商大陆集团研发了蒲公英橡胶，并希望在5至10年内制造出蒲公英橡胶轮胎；普利司通轮胎公司和诺记轮胎公司均在研发利用银胶菊制造橡胶技术，其中诺记轮胎已开始在西班牙种植银胶菊，而普利司通已生产了200条由75%可再生材料（植物油、树脂、稻壳二氧化硅、回收钢材等）制成的轮胎。此外，二氧化硅作为橡胶制品的重要补强添加剂或填料，其生物路线也得到了更多关注。索尔维公司研究以稻壳灰代替沙子制造二氧化硅，优化了轮胎的滚动效率，并计划2024年在意大利进行商业化应用；固特异公司的轮胎厂已开始使用稻壳灰二氧化硅，并计划在2030年前推出完全由可持续材料制成的轮胎。

北京化工大学在生物基橡胶研发方面开展了较多研究。围绕第二代天然橡胶合成与玲珑轮胎(21.780, -0.61, -2.72%)公司合作，开发了蒲公英橡胶，产品中杂质含量≤0.2%、橡胶烃含量≥95%，质量达到20号标胶水平，目前已形成包括种植、育种、栽培、提取、制品、轮胎开发的全产业链，建成百吨级绿色水基蒲公英橡胶中试装置；围绕生物基橡胶制备，开发了高分子量、高转化率、低凝胶含量和低能耗的生物基衣糠酸酯橡胶共聚技术，以淀粉为原料得到生物基衣糠酸酯橡胶，目前已建成千吨级示范生产线，并试制了生物基衣糠酸酯绿色轮胎，轮胎抗湿滑性能和节油性能均达到欧盟标签法B级水平；围绕可降解橡胶制备，通过引入酯基官能团，得到具有可降解性能的生物基橡胶，如丁烯二醇基共聚酯橡胶，与普通丁腈橡胶相比，其耐油性、耐低温性能均更好；围绕绿色助剂合成，通过橡胶大分子官能化，引入环氧基团等可反应的官能团作为交联点，得到绿色交联体系，避免了传统交联体系的硫污染问题。

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生物基化学品驱动价值蓝海

生物基化学品是以生物质为原料的化学品，包括生物来源的酸、醇等。其中，二元醇是含有两个羟基的醇类，在合成聚酯过程中具有重要作用，目前全球消费量已超过3000万吨/年，年增长率约5%。尽管乙二醇、丙二醇等大宗化学品主要来自化石原料，但越来越多的科研团队及公司品牌已将目光转向了生物基二元醇。

可口可乐公司分别与Virent和长春美禾科技公司合作，利用生物基乙二醇和对苯二甲酸（PTA），推出了100%生物基的PET瓶子；荷兰Avantium公司获欧盟600万欧元资助，将生物基乙二醇技术进行扩大；丹麦Topsoe公司、巴西Braskem公司完成了糖制乙二醇中试。

中国科学院大连化学物理研究所开发了碳化钨催化纤维素制乙二醇技术，并形成了高效连续式反应工艺，通过调节催化剂中过渡金属元素的价态和酸碱性，实现乙二醇、1，3-丙二醇产物的选择性调控；建成国内首套千吨级秸秆糖制乙二醇工业示范装置，乙二醇选择性＞80%，产品纯度＞99%，目前正在编制10万吨级工艺包；开发了甘油选择性催化氢解制1,3-丙二醇技术，选择性达50%—60%，化学纯度、光学纯度均达标，已完成千吨级中试，正在编制万吨级工艺包，即将进入商业化阶段。

呋喃二甲酸（FDCA）是美国能源部公布的优先开发利用的12种生物基平台化合物之一，也是其中唯一一种含有刚性芳香环的化合物。由于与对苯二甲酸结构极为相似，被认为是PTA最具替代潜力的化合物。目前，关于FDCA的研究，国外多集中在FDCA合成方面，国内多集中在FDCA的原料5-羟甲基糠醛（HMF）制备方面。

Avantium、杜邦、AVA Biochem、巴斯夫等公司已开展FDCA技术的研发应用。其中，荷兰Avantium公司采用一锅法合成FDCA，通过糖类脱水得到HMF，HMF不经分离直接被氧化得到目标产物FDCA，整个反应在同一个反应器中进行。该公司与国际硬质塑料包装供应商Resilux已签署协议，将每年生产5000吨FDCA用于生产生物基聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF），计划今年建设商业化工厂。AVA Biochem公司采用两锅法合成FDCA，首先从糖类脱水得到HMF，将HMF分离、纯化后再用于氧化合成FDCA。

在中国，中科国生公司开发了区别于传统釜式（间歇生产）工艺的连续化生产工艺，由果糖生产HMF、FDCA，FDCA纯度达99.9%。该公司已发布HMF、FDCA、四氢呋喃二甲醇（THFDM）、2,5-呋喃二甲醇（FDM）、富马酸二乙酯（DEF）、PEF全产业链产品，目前500吨/年HMF生产线已投产，万吨级生产线正在筹建中。中国科学院宁波材料技术与工程研究所团队开展HMF-FDCA-PEF技术链的产业化探索，在完成“固体酸+溶剂场”千吨级HMF间歇生产示范之后，2022年3月成功生产单批次5吨HMF出口欧洲。浙江糖能公司依托中科院宁波材料所的技术，目前已建成2000吨/年HMF生产线并投产。

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生物基产业机遇与挑战并存

生物基产品的市场潜力巨大，但目前仍是产业发展的初期，原料、成本、技术等均成为制约其发展的因素。

根据欧洲生物塑料协会的数据，2022年全球生物塑料消费总量约222万吨，预计2027年全球需求总量达630万吨，复合年均增长率达14%。亚洲是主要的生产区域，2022年产量全球占比约40%，预计2027年将提高至60%。尽管PLA、PHA、生物基聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、生物基PET以及PEF等热门生物基产品已有部分产业化，但大规模应用仍有一定困难。

对于PLA而言，中低端产品如何降低成本，高端产品如何提升纯度及聚合度是难点。由于PLA及其改性制品的降解性能及环境毒性引起了争议，欧洲已将包括PLA在内的生物降解塑料用途进行了限定，未来PLA的回收及循环利用或将是一个新的研究热点。

对于生物基聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）而言，作为大宗化工产品的替代品，成本是最重要的对比指标之一，而目前乙醇脱水生产乙烯并不具备成本优势。此外，面对PE及PP的巨大市场，非粮原料的稳定供应是又一需要面对的难题。

需要注意的是，与道达尔能源、Braskem、巴斯夫、帝斯曼等公司深度介入生物基产品形成对比的是，我国生物产品公司尽管多有高校或科研院所的研发团队作技术支撑，在产学研方面结合较好，但普遍规模较小，缺少龙头企业。以1,4-丁二醇（BDO）为例，BDO是PBT、PBS、γ-丁内酯、THF等产品重要的化工原料，相较于传统石油基BDO，生物基BDO可减少约60%的温室气体排放，且效率大幅提高，有望逐步代替石油基BDO。目前，Novamont、Genomatica、巴斯夫、DSM、三菱化学等公司均已开展生物基BDO的研发，其中Genomatica公司的两步法（葡萄糖-丁二酸-BDO）技术已被Novamont公司和巴斯夫公司采用并进行商业化生产，规模均为3万吨/年。而我国目前仅元利化学一家民营企业具备供货能力，产能为2万吨/年。

从市场方面来看，我国已出台系列政策推动生物基产品投向市场，但国内市场的接纳度依然有限，欧洲仍是我国生物制品的重要去向。

新技术能否顺利从实验室走向产业化，除了技术本身的竞争力之外，还受市场接受度和开放度的影响。财政和资本市场是否支持上游新技术的持续研发投入，社会是否对新技术具有开放度和接纳度，相关评价标准和体系是否支持以及是否具有配套的供应链，都将影响新产品在下游市场的推广应用程度。我国已出台“限塑令”、生物经济发展规划等相关纲领性文件，但对于生物基产品的使用量、添加比例等仍缺少约束性要求，生物基产品评价方法、标准及管理体系、产品溯源服务或认证制度等也有待完善。相比之下，芬兰等欧洲国家在公共采购、生物产品招标等方面的倾斜举措以及认证标准中对生物基产品生物质含量的明确规定，在一定程度上更能刺激市场需求，也使欧洲市场成为我国诸多生物基产品的重要出口地。