生物基聚合物博客缩略图

生物聚合物:制造业最新的绿色英雄?

进入2022年,全球最关注的问题之一便是气候变化。目前人们普遍认为,导致气候恶化的主要因素之一是化石燃料的燃烧——煤炭或石油等化石燃料的燃烧会向空气中释放大量二氧化碳,导致大气热量积聚,进而引发全球变暖。

塑料这种材料广泛应用于从购物袋到汽车保险杠甚至服装等各类产品中,传统上由石油衍生的合成聚合物制成。这些聚合物的构件要么直接从原油精炼中获得,要么由精炼产品合成。据估计,塑料制造过程消耗了全球8%–10%的石油供应,且这一数字预计到2040年将翻一番。

石油化工产品和传统塑料的生产仍然完全依赖石油,而这种不可再生资源正在地球上迅速枯竭。因此,塑料问题是多方面的:由于资源日益减少,标准塑料生产终将难以为继;这种生产方式破坏了我们的生态系统,且许多塑料产品无法重复使用,造成了惊人的浪费,若处置或回收不当,还会造成进一步的破坏。

普通人可以通过减少使用一次性塑料制品、减少包装浪费以及负责任地进行回收,来降低自己的“生态足迹”并保护环境。制造商同样可以通过在开发塑料时选择石油替代来源来改善其“生态足迹”,即选择生物聚合物而非合成聚合物。

尽管“生物聚合物”有时被用来描述可生物降解或生物相容性聚合物(无论其来源如何),但在本博客中,我们仅用该术语指代生物衍生聚合物,即由生物质制成的聚合物。它们由可再生资源生成,这些资源还能固定大气中的二氧化碳并减少温室气体排放。许多生物聚合物还具有可生物降解性,为使用这些材料制造的产品提供了更灵活的处置方式,并实现了回收利用。

生物聚合物的类型

根据来源和生产方法的不同,生物聚合物主要分为三大类:

  • A类:直接从生物质中获得的天然聚合物,如淀粉、纤维素、蛋白质、氨基酸及其衍生物
  • B类:利用微生物和植物生物合成,或直接由主要经生物合成的单体制备的聚合物,如聚羟基脂肪酸酯(PHAs)和聚乳酸(PLA)
  • C类:由生物基替代单体制备的传统石油基聚合物,如聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)

每一类生物聚合物都适用于不同的商业应用,无论是包装材料、农业还是外科手术用的生物材料:

  • A类和B类聚合物均可生物降解,且几乎全部为生物基,但其性能较石油基塑料逊色,因此常与增强填料或抗冲击改性剂配合使用
  • C类聚合物在结构上与石油基塑料相似,但大多不可生物降解,因此存在与传统塑料相同的处置和回收问题

生物聚合物推广应用面临的挑战在于成本。旨在提高发酵产量和效率,或将生物聚合物生产整合到食品加工厂或拥有有机废弃物流的设施中的举措,正试图缓解高昂的制造成本,但这仍然是一个关键障碍。

生物聚合物目前有哪些用途?

商业生物塑料主要用于包装(表1)。淀粉和PLA是产量最高的生物塑料,这很可能是因为其成本较低。相比之下,PHAs的生产成本较高,因此产量要低得多。

表1. 主要商业生物聚合物的生产与应用

Biopolymer 2020 Global Capacity (tons) Major Producers Applications Biodegradable?
Starch and blends 435K Futerro, Novamont, Biome Flexible packaging, consumer goods, agriculture Yes
Polylactic acid (PLA) 435K NatureWorks, Evonik, Total Corbion PLA Flexible packaging, Rigid packaging, consumer goods Yes
Polyhydroxyalkanoates (PHA) 40K Yield10 Bioscience, Tianjin GreenBio Materials, Bio-on Flexible packaging, Rigid packaging Yes
Polyethylene (PE) 244K Neste, LyondellBasell Flexible packaging, Rigid packaging No
Polyethylene terephthalate (PET) 181K Toray Industries, The Coca-Cola Company, M&G Chemicals Rigid packaging No
Polybutylene adipate terephthalate (PBAT) 314K Algix, BASF Flexible packaging, Rigid packaging, agriculture Yes
Polybutylene succinate (PBS) 95K Roquette, Mitsubishi Chem., Succinity Flexible packaging, agriculture Yes

引领潮流:可口可乐 PlantBottle™

生物聚合物领域的可持续创新已在幕后发展了数十年,但除非大型企业发布新产品,否则这些进展往往难以引起关注或进入公众视野。

2015 年夏季,可口可乐公司推出了 PlantBottle™ 包装——这是全球首款完全由可再生资源制成的塑料瓶。这些瓶子的外观、功能和回收方式与传统塑料瓶无异,但因不依赖石油,对地球的影响显著降低。此类公告对于生物聚合物的持续开发及其在全球主流产品中的应用具有积极的推动作用。


关于生物聚合物的误区与事实

公众对生物聚合物的认知对于这些产品的广泛应用至关重要。尽管人们普遍认可这些可持续替代品相较于传统塑料的巨大优势,但它们也面临着一些批评。其中一些批评源于误解或困惑,而另一些则显得有些突兀——表 2 列出了我们对一些最常被讨论话题的看法。

表 2. 关于生物聚合物的误区与事实。

PBAT = 聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯;PBS = 聚丁二酸丁二醇酯;PLA = 聚乳酸。

Misconception Fact
Biopolymers = biodegradable polymers Not necessarily. Whether a polymer is biodegradable depends ultimately on its structure, rather than how it is produced. While most Class A and Class B biopolymers happen to be biodegradable, only a few Class C polymers (e.g., PBS and PBAT) are.
Biopolymers are actually not biodegradable, as they are claimed to be, and thus will not solve the plastics crisis. Biopolymers and bioplastics do not directly address the accumulation of plastic waste; biodegradable plastics and plastic recycling are the primary means to address waste. The primary advantage of bioplastics is the use of renewable biomass as raw material instead of non-renewable oil and gas. 
 
Bioplastics, even if biodegradable, do not degrade fast enough under normal conditions, and composting facilities must be used. Biodegradability is only a side benefit of some biopolymers. Biopolymers, as well as conventional plastics, vary considerably in terms of speed of degradation. PHAs, for example, degrades very fast under environmental conditions, whereas PLA and PBAT require the heat of industrial compost. Furthermore, too fast degradation would undermine a plastic product’s usefulness.
Bioplastics are only good for packaging applications and would not replace all conventional plastics. Applications for biopolymers have diversified significantly, especially with the developments of Class C bio-based polymers. The proportion of bio-based polymers produced for packaging in 2020 was 47%, only slightly higher than 40% for conventional plastics.
The production of biopolymers takes up much agricultural land and impacts human and animal food production. In 2019, 0.016% of the world’s total agricultural land was used to produce feedstocks for biopolymers. It means that, even if all plastics produced today were bio-based, and even assuming the land area used increases proportionally with production volume, the proportion of farmland used would not exceed 2%.

生物聚合物的研究格局

生物聚合物研究近年来备受关注,并被评为 2019 年度十大新兴技术之一。正如 CAS Content Collection™(图 1)所示,过去二十年来,相关研究与创新持续不断,以应对油价波动以及提升可持续性和应对气候变化的普遍需求。期刊论文和专利的发表数量起初增长缓慢,但从 2009 年左右开始以相似的速度加速增长。到 2014 年左右,与期刊论文数量持续强劲增长形成对比的是,专利发表量的增长显著放缓。

由于生物聚合物主要是作为化石基塑料的可再生替代品而开发的,后者的价格大幅上涨将提高生物聚合物的竞争力,并增强研究人员和发明者的热情与信心。塑料价格与油价紧密相关,油价自 21 世纪 00 年代中期以来大幅上涨,并在 2008 年达到前所未有的峰值,这或许可以解释专利发表数量曲线在 2008 年左右出现的拐点。2014 年后油价暴跌,使得生物聚合物的相对成本再次上升,这可能抑制了发明者的积极性,导致专利发表量在同一年趋于平稳。

Publications related to bioplastics in the CAS Content Collection
图 1. 2001 年至 2020 年生物聚合物相关出版物数量概览。


阅读我们的 CAS 洞察报告,深入了解各类生物聚合物的优势、局限性及普及程度,并探索过去二十年来人们对这些传统塑料替代品的研发兴趣发生了怎样的变化。

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