編者按

聚乳酸是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源所提出的淀粉原料制成。作為典型的碳中和、可再生、生物全降解高分子材料，聚乳酸正逐步發(fā)展成為國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展所必需的基礎性大宗原材料。聚乳酸材料產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋乳酸單體的生物制造，乳酸單體的化學(xué)聚合，聚乳酸改性、加工、成型與產(chǎn)品制造，聚乳酸材料質(zhì)量體系與環(huán)境釋放管理等，是集生物發(fā)酵工業(yè)、化學(xué)化工工業(yè)、高分子材料工業(yè)、現代管理等技術(shù)成就于一體的新型產(chǎn)業(yè)。



中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2021年第6期刊發(fā)天津科技大學(xué)王正祥教授的《我國聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀與對策研究》一文。文章立足國情實(shí)際和產(chǎn)業(yè)需求，在比較分析國內外聚乳酸材料技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)現狀的基礎上，著(zhù)重對我國聚乳酸材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中原料供給多樣性與安全平衡、生產(chǎn)工藝技術(shù)與裝備、產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品多樣性與重點(diǎn)發(fā)展方向、質(zhì)量控制體系與環(huán)境釋放管理評價(jià)體系、政策引導與扶持等方面存在的問(wèn)題與對策進(jìn)行分析研究。相關(guān)內容可為聚乳酸的技術(shù)攻關(guān)、應用拓展、產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供基礎性和啟發(fā)性參考。 






一、前言



塑料的發(fā)明與應用極大改變了人類(lèi)的生產(chǎn)生活方式。1950—2015 年，世界共生產(chǎn)了約 7.8×109 t 塑料制品，其中的 9% 得到回收利用，12% 通過(guò)焚燒去除，79% 成為垃圾廢棄物；若不采取有效措施，預計到 2050 年世界塑料廢棄物可達 1.2×1010 t。地球上沒(méi)有可完全降解塑料的生物體系，廢棄塑料制品在自然環(huán)境中需要數十年以上的時(shí)間才能逐步崩解形成微塑化顆粒。廢棄塑料制品及其微塑化顆粒已對環(huán)境造成極大破壞，大面積的污染嚴重威脅著(zhù)農作物的耕作、野生動(dòng)物與人類(lèi)的健康安全。為此，全面治理“白色污染”已成為全球共識，世界各國積極推動(dòng)實(shí)施限塑、禁塑等強制性法律法規，著(zhù)力開(kāi)發(fā)和使用生物可降解塑料等替代品。



我國是世界最大的塑料制品生產(chǎn)國和消費國，年消費塑料制品約為 1.3×108 t，其中的 12% 成為“白色污染”釋放入環(huán)境，對國家生態(tài)安全和綠色可持續發(fā)展構成威脅。為此，近年來(lái)國家層面高度關(guān)注并出臺政策，明確要求：積極應對塑料污染，有序禁止或限制部分塑料制品的生產(chǎn)、銷(xiāo)售和使用，積極推廣可循環(huán)易回收可降解的替代產(chǎn)品；全面實(shí)施秸稈綜合利用和農膜、農藥包裝物回收行動(dòng)，加強可降解農膜研發(fā)推廣。



聚乳酸材料在“白色污染”治理方面不可或缺，是引領(lǐng)生物可降解材料工業(yè)發(fā)展、拓展相關(guān)應用領(lǐng)域的核心要素；涵蓋我國經(jīng)濟與社會(huì )的眾多領(lǐng)域（見(jiàn)圖 1），以制造業(yè)中的應用最為突出，至少涉及其中的 25 個(gè)門(mén)類(lèi)及其細分領(lǐng)域。例如，快遞、包裝、一次性餐具、個(gè)人護理、城市衛生與環(huán)境維護、農林生產(chǎn)資料與農用器具等方面大量使用塑料制品，因輻射地域的高度分散性而成為我國“白色污染” 綜合治理中的優(yōu)先方向；每年釋放的塑料制品市場(chǎng)份額超過(guò) 7×106 t，是生物全降解聚乳酸材料的首要應用對象。此外，聚乳酸材料在紡織服裝、體育用品、兒童玩具 / 用具、日用品、醫療 / 醫用材料、建筑裝飾、科研教學(xué)等領(lǐng)域存在大量需求，在化肥與農藥緩釋、機械部件現場(chǎng)制造、藥物與疫苗封裝、現代種植與養殖等新興應用領(lǐng)域正在引導新的技術(shù)變革。因此，全面理解聚乳酸產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)現狀，克服國內聚乳酸產(chǎn)業(yè)鏈中存在的技術(shù)壁壘以貫通全產(chǎn)業(yè)鏈，合理有序實(shí)施產(chǎn)業(yè)鏈的提前布局，對我國聚乳酸產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展意義重大。




圖 1 聚乳酸產(chǎn)業(yè)及其涉及的國民經(jīng)濟領(lǐng)域

注：市場(chǎng)規模數據依據文獻、專(zhuān)業(yè)產(chǎn)業(yè)報告、學(xué)術(shù)報告等進(jìn)行概算或預估；所涉及的國民經(jīng)濟領(lǐng)域，依據國民經(jīng)濟行業(yè)分類(lèi)（GB/T 4754—2017）進(jìn)行整理。



二、聚乳酸材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀



聚乳酸產(chǎn)業(yè)鏈集生物發(fā)酵、化學(xué)、化工、高分子材料等技術(shù)成就于一體，在發(fā)展初始階段具有高度壟斷性，體現為技術(shù)門(mén)檻高、技術(shù)集成度高、多學(xué)科深度交叉融合。



①乳酸單體的生物制備，以農業(yè)產(chǎn)出為主要原料，通過(guò)生物發(fā)酵轉化為乳酸單體，過(guò)程涉及原料預處理、生物發(fā)酵生產(chǎn)乳酸單體、乳酸單體純化精制、副產(chǎn)物 / 廢棄物綜合處理等；



②丙交酯和聚乳酸化學(xué)制備，乳酸單體經(jīng)過(guò)化學(xué)聚合生產(chǎn)高分子量的聚乳酸，主要有一步法（乳酸單體直接化學(xué)聚合生產(chǎn)聚乳酸）、兩步法（乳酸單體先縮聚形成丙交酯再開(kāi)環(huán)聚合生產(chǎn)聚乳酸）；



③聚乳酸應用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，以聚乳酸、改性聚乳酸、與其他材料復配的復合材料為基礎，根據不同應用目的開(kāi)發(fā)終端應用產(chǎn)品或產(chǎn)品應用。



聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了漫長(cháng)的技術(shù)成熟過(guò)程。早在 1913 年，法國科學(xué)家便通過(guò)縮聚法合成了聚乳酸，但因聚合度低而無(wú)法直接用作結構材料。 1932 年，被譽(yù)為高分子化學(xué)之父的華萊士 ? 卡羅瑟斯發(fā)明了在有機溶劑和真空狀態(tài)下的聚乳酸合成技術(shù)。1954 年，美國杜邦公司運用兩步法制備出高分子量的聚乳酸。1966 年，庫爾卡尼等人合成了生物可降解的聚左旋乳酸（PLLA）縫合線(xiàn)，闡明了聚乳酸具有良好的生物相容性與生物可降解性。1976 年，約爾斯等人報道了聚乳酸可廣泛用作藥物緩釋體系載體的研究。1987 年，倫斯拉格等人以四苯基錫為催化劑，制備出更高分子量的 PLLA，極大改善了材料力學(xué)性能，展現了聚乳酸作為骨折內固定材料的廣闊應用前景。1987 年，美國嘉吉公司開(kāi)始投資研發(fā)新的聚乳酸制造技術(shù)，發(fā)展的系列聚乳酸合成新技術(shù)極大推動(dòng)了聚乳酸工業(yè)化進(jìn)程。2005 年，美國 NatureWorks 公司宣布獨立開(kāi)展乳酸、聚乳酸綜合業(yè)務(wù)，聚乳酸生產(chǎn)裝置規模世界最大（年產(chǎn)量超過(guò) 1.5×105 t），細分品類(lèi)完整。



我國研究和開(kāi)發(fā)聚乳酸材料技術(shù)，開(kāi)展規?；I(yè)化應用始于 2000 年左右。目前在建、擴建的生產(chǎn)聚合級乳酸和聚乳酸的企業(yè)有十多家，代表性的企業(yè)主要有：安徽豐原生物技術(shù)股份有限公司、上海同杰良生物材料有限公司、浙江海正生物材料股份有限公司、萬(wàn)華化學(xué)集團股份有限公司、吉林中糧生物材料有限公司、山東同邦新材料科技有限公司、河南金丹乳酸科技股份有限公司、深圳光華偉業(yè)股份有限公司、中國恒天集團有限公司；另有數家特大型企業(yè)正在規劃進(jìn)入本領(lǐng)域。按照相關(guān)規劃，我國聚乳酸產(chǎn)能將從目前的 1.6×105 t 提升到 2.5×106 t。



三、聚乳酸材料產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)



（一）乳酸單體制造技術(shù)



制得極高光學(xué)純度（≥ 99.5%）、極高化學(xué)純度（≥ 98.0%）的乳酸單體，是聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)之一。目前，乳酸單體規?；圃斓闹饕椒ㄊ巧锇l(fā)酵法，具有高效合成乳酸單體的微生物菌種是實(shí)現這一過(guò)程的核心，決定了乳酸單體生產(chǎn)的工藝路線(xiàn)與裝備體系。



與現有工業(yè)化生產(chǎn)食品級 L- 乳酸不同，具有工業(yè)應用價(jià)值、應用于乳酸單體生產(chǎn)的優(yōu)秀微生物菌種都是經(jīng)過(guò)現代微生物育種技術(shù)（特別是分子育種技術(shù)）獲得的，如代謝修飾的大腸桿菌、酵母（見(jiàn)表 1）。乳酸單體生產(chǎn)菌株選育過(guò)程包括：



①從自然樣本中分離而得、具有特定性狀的出發(fā)菌株，最好具有寬底物代謝特性、耐受高濃度底物與乳酸產(chǎn)物、高代謝速率、營(yíng)養要求簡(jiǎn)單、可在合成培養基中快速增殖與代謝等特點(diǎn)，由此賦予乳酸單體生產(chǎn)的原料多樣性、發(fā)酵生產(chǎn)環(huán)境的簡(jiǎn)潔性、后續菌種遺傳改良的便捷性；



②通過(guò)遺傳修飾技術(shù)強化乳酸單體合成的強度和水平，消除副產(chǎn)物生成途徑，拓展底物利用能力，由此最大程度地提高乳酸單體在發(fā)酵生產(chǎn)階段的光學(xué)純度、化學(xué)純度，簡(jiǎn)化乳酸單體分離純化的工藝與裝備要求；



③通過(guò)菌株（主要為大腸桿菌）生長(cháng)繁殖、乳酸合成的分子開(kāi)關(guān)控制等技術(shù)運用，解決生產(chǎn)菌種的生長(cháng)繁殖與乳酸單體合成的天然矛盾，由此創(chuàng )建乳酸單體發(fā)酵生成的變溫工藝技術(shù)，極大釋放發(fā)酵生產(chǎn)能力；



④以耐酸性出發(fā)菌株（主要為耐酸性酵母）為基礎，通過(guò)分子育種形成非中和乳酸單體發(fā)酵生產(chǎn)的新工藝新技術(shù)，大幅度降低副產(chǎn)物特別是石膏的生成量。



乳酸單體發(fā)酵生產(chǎn)工藝技術(shù)主要有兩套完全不同的技術(shù)體系（見(jiàn)表 1）。



①中和發(fā)酵生產(chǎn)體系，分為以氫氧化鈣或氨水為中和劑的發(fā)酵生產(chǎn)體系：前者乳酸單體產(chǎn)率和生產(chǎn)效率均較高，但形成硫酸鈣副產(chǎn)物；后者部分犧牲乳酸單體產(chǎn)率并提高生產(chǎn)成本，形成副產(chǎn)物硫酸銨?，F有工業(yè)化的乳酸單體生產(chǎn)工藝基本上采用以氫氧化鈣為中和劑的發(fā)酵生產(chǎn)體系，國內外企業(yè)保持一致。



②非中和發(fā)酵生產(chǎn)體系，主體采用耐酸性酵母生產(chǎn)菌株進(jìn)行乳酸單體的生產(chǎn)，優(yōu)點(diǎn)是不形成硫酸鈣副產(chǎn)物，但乳酸單體的生產(chǎn)強度和生產(chǎn)水平均偏低，需要特殊的發(fā)酵生產(chǎn)裝備且發(fā)酵過(guò)程能耗和輔助原料的消耗也顯著(zhù)加大。該技術(shù)現為個(gè)別國際企業(yè)采用，應用于 L- 乳酸單體的發(fā)酵生產(chǎn)。此外，采用特殊生產(chǎn)工藝（如在位萃取方法）可消除石膏或硫酸銨等副產(chǎn)物的形成，但工業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益有待進(jìn)一步提升。



表 1 乳酸單體的主要生產(chǎn)技術(shù) 


注：* 表示由于受乳酸鈣溶解度的限制，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的乳酸發(fā)酵水平一般不超過(guò) 160 g/L。



乳酸單體的后提取與純化技術(shù)涉及以下工序：菌體分離與去除、乳酸單體釋放、副產(chǎn)物分離、乳酸單體的精制純化、副產(chǎn)物與廢棄物的循環(huán)利用或資源化利用等。其中，乳酸單體精制純化的現代化工藝技術(shù)通過(guò)反應精餾技術(shù)耦合來(lái)獲得聚合級乳酸單體，收得率高，單體質(zhì)量高，技術(shù)與裝備要求也高，是未來(lái)的重要發(fā)展方向；傳統生產(chǎn)技術(shù)采用乳酸鈣結晶、溶劑萃取、離交脫色、分子蒸餾等制得聚合級乳酸單體，收得率較高，單體質(zhì)量可以接受，但流程較長(cháng)且形成一定比例的副產(chǎn)物，為當前國內外大多數企業(yè)所采用。



（二）丙交酯和聚乳酸制造技術(shù)



聚乳酸的制備技術(shù)主要有：一步法、兩步法、酶法生物合成技術(shù)、從葡萄糖直接合成聚乳酸的從頭生物合成法。國內外已經(jīng)或正在實(shí)施工業(yè)化應用的聚乳酸制備技術(shù)主要是兩步法。丙交酯聚合制備聚乳酸的工藝技術(shù)與工業(yè)化裝置已經(jīng)成熟，但高純度丙交酯制備依然是相關(guān)技術(shù)體系的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。



對于兩步法的中間體丙交酯，當前具有工業(yè)化應用價(jià)值的制備技術(shù)可概括為：



①縮聚 – 解聚法，在相對較低的溫度（如 130 ℃）和高真空條件下催化乳酸單體縮聚成低聚乳酸，然后在更高的溫度（如 150~180℃）下解聚為丙交酯；雖是制備丙交酯的基本方法，但高溫丙交酯異構化會(huì )增加獲得高純度丙交酯的難度，進(jìn)而影響丙交酯的收得率并生成相對較高比例的消旋副產(chǎn)物；



②氣相合成法，在常壓條件以及惰性氣體的保護下催化汽化的乳酸單體一步合成丙交酯，丙交酯轉化率約為 70%~90%，消旋反應也較弱，但生產(chǎn)強度過(guò)低，暫不具有經(jīng)濟可行性；



③一步液相合成法，作為丙交酯工業(yè)化制備的重要方法，在沸石類(lèi)分子篩催化劑的作用下，催化乳酸溶液中兩分子乳酸間的脫水縮聚而直接生成丙交酯；丙交酯轉化率可達 80%，光學(xué)構型保持在 99% 以上。上述技術(shù)的工業(yè)化實(shí)施，除需進(jìn)一步設計催化劑與反應裝備之外，還需相關(guān)技術(shù)特別是丙交酯純化技術(shù)的輔助。



我國通過(guò)引進(jìn)或自創(chuàng )，建立起了具有相當規模的聚乳酸制造生產(chǎn)線(xiàn)，技術(shù)路線(xiàn)即為丙交酯開(kāi)環(huán)聚合技術(shù)（兩步法）。近年來(lái)，國內在聚合級乳酸單體制備、丙交酯純化等技術(shù)及相關(guān)裝備研制方面取得重大進(jìn)展，促進(jìn)高純度丙交酯的制備技術(shù)取得突破。關(guān)于丙交酯和聚乳酸制備用催化劑，已發(fā)展了鋅類(lèi)、錫類(lèi)、鉛類(lèi)、稀土金屬類(lèi)、沸石類(lèi)、有機胍類(lèi)等催化劑。丙交酯制備的反應精餾耦合、丙交酯純化的熔融結晶等技術(shù)與裝備也為國內學(xué)者所攻克。



值得注意的是，國際聚乳酸材料核心企業(yè)完成了針對不同應用場(chǎng)景與用途的多個(gè)聚乳酸產(chǎn)品系列的工業(yè)化生產(chǎn)，而現有的國產(chǎn)聚乳酸產(chǎn)品還局限在 PLLA，因聚合度、均一性、純度等方面的限制導致多數產(chǎn)品僅能滿(mǎn)足注塑、成膜制品等初級應用。后續隨著(zhù)聚合級乳酸單體（L- 乳酸單體、D- 乳酸單體）和高品質(zhì)丙交酯中間體（L- 丙交酯、D- 丙交酯）的工業(yè)化實(shí)施與量產(chǎn)，國產(chǎn)聚乳酸產(chǎn)品系列的研發(fā)與工業(yè)化過(guò)程將顯著(zhù)加速。



（三）聚乳酸材料改性與加工技術(shù)



聚乳酸材料改性與加工屬于聚乳酸產(chǎn)業(yè)鏈的下游應用，絕大部分技術(shù)與裝備已為國內企業(yè)所掌握，是我國聚乳酸產(chǎn)業(yè)相對成熟且具較大規模的部分。隨著(zhù)新型聚乳酸產(chǎn)品的出現、特定應用場(chǎng)景需求的提煉，相關(guān)技術(shù)也會(huì )不斷實(shí)現新的發(fā)明突破。近期發(fā)表的一些綜述性文獻介紹了聚乳酸材料改性與加工技術(shù)的進(jìn)展情況。



聚乳酸材料的改性方式包括共混、復合、立構等物理方式，共聚、交聯(lián)、接枝、修飾等化學(xué)方式；可依據產(chǎn)品的應用需求屬性來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)聚乳酸材料的降解性、阻隔性、韌性、導電性、熱塑性、生物負載性、抗菌性等；在加工方式上，基本沿用高分子材料的各種措施，如擠出、注射成型、壓延、吹塑、熱成型、拉伸、模壓、傳遞模塑、熔融紡絲 / 微球、溶液紡絲 / 微球、靜電紡絲、熔噴、噴霧干燥、超臨界發(fā)泡、增材制造等。此外，借助固定化等技術(shù)，也可針對性地將特定酶分子或微生物細胞固定到聚乳酸材料表面或內部，由此形成具有特定生物活性或生物功能的新材料。



四、我國聚乳酸材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展策略



在我國，聚乳酸材料產(chǎn)業(yè)主要從產(chǎn)業(yè)鏈末端開(kāi)始發(fā)展，逐步向產(chǎn)業(yè)上游推進(jìn)；應用布局十分豐富，以丙交酯到聚乳酸制備在“引進(jìn) – 消化 – 吸收”國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，逐步實(shí)現技術(shù)改進(jìn)和專(zhuān)有裝備開(kāi)發(fā)。然而，因聚合級乳酸單體、丙交酯制造技術(shù)開(kāi)發(fā)與放大的滯后，全產(chǎn)業(yè)鏈的國際依存度依然較高并出現了“卡脖子”難題。經(jīng)過(guò)不懈努力，我國學(xué)者已經(jīng)在聚合級乳酸單體（L- 乳酸單體、 D- 乳酸單體）規?；圃旒夹g(shù)方面取得突破，在高純度丙交酯制備與精制技術(shù)上也取得長(cháng)足進(jìn)步，有望穩步實(shí)現聚乳酸全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)與裝備的貫通以及高效綠色制造。針對我國聚乳酸材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展課題，本文就原料供給、乳酸單體生產(chǎn)技術(shù)與裝備、產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品與重點(diǎn)發(fā)展方向、質(zhì)量管理體系與產(chǎn)業(yè)協(xié)調發(fā)展、政策引導與扶持等產(chǎn)業(yè)鏈核心問(wèn)題提出策略建議。



（一）重視原料供給的多樣性與安全平衡



與所有工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品一樣，乳酸單體的生產(chǎn)原料主要來(lái)自農業(yè)產(chǎn)出，其中淀粉質(zhì)原料是現階段最主要的原料，百萬(wàn)噸以下規模的聚乳酸產(chǎn)業(yè)建設一般不會(huì )對糧食原料供給平衡造成顯著(zhù)影響?？紤]到聚乳酸產(chǎn)業(yè)規?？赡艹掷m擴大，“不與人爭糧、不與糧爭地”的原則同樣適用于聚乳酸產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展。需要超前謀劃聚乳酸產(chǎn)業(yè)規?；l(fā)展后的原料供給多樣性與安全平衡，賦予生產(chǎn)菌種原料的利用多樣性是解決此類(lèi)問(wèn)題的核心關(guān)鍵（見(jiàn)圖 2）。


圖 2 聚乳酸產(chǎn)業(yè)的基礎原料



甘油可作為乳酸單體生產(chǎn)的理想大宗原料。油脂加工行業(yè)產(chǎn)出的質(zhì)量占比約為 10% 的甘油副產(chǎn)物，是未來(lái)乳酸單體規?；a(chǎn)量大價(jià)廉的新原料。以甘油為原料制造乳酸單體的技術(shù)已趨于成熟，體現了我國學(xué)者的重要學(xué)術(shù)貢獻。目前，我國甘油供給主體依賴(lài)進(jìn)口，是化工行業(yè)的主要原料；以甘油作為國產(chǎn)乳酸單體生產(chǎn)原料尚不具備成本優(yōu)勢，但可作為未來(lái)國際市場(chǎng)布局的重點(diǎn)方向。



蔗糖不僅是乳酸單體生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)大宗原料，還可以為我國糖業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展機遇。由于世界糖品消費結構的深度變革，蔗糖消費量逐年下降，導致國際蔗糖價(jià)格與生產(chǎn)成本倒掛?？梢灶A判，來(lái)源于甘蔗和甜菜種植業(yè)的蔗糖與糖蜜，必然會(huì )成為乳酸單體生產(chǎn)的另一種大宗原料。我國從蔗糖生產(chǎn)乳酸單體的技術(shù)也已經(jīng)成熟，可以直接實(shí)施工業(yè)化應用。我國作為甘蔗和甜菜種植大國，服務(wù)此行業(yè)的勞動(dòng)力投入巨大但收入較低；需要合理配置資源，發(fā)揮聚乳酸產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)作用，驅動(dòng)甘蔗和甜菜種植業(yè)的發(fā)展與轉型，顯著(zhù)改善種植業(yè)從業(yè)人員的經(jīng)濟收入。



秸稈等農林生物質(zhì)作為乳酸單體生產(chǎn)原料，具有良好的發(fā)展前景。相關(guān)技術(shù)可行，但因秸稈運輸、預處理、糖化、綜合利用等成本過(guò)高，當前暫不具備經(jīng)濟可行性，需要實(shí)施技術(shù)攻關(guān)以取得應用突破。



①在高效廉價(jià)復合酶制劑方面，現有商業(yè)化生產(chǎn)的纖維素酶、半纖維素酶可用于特定秸稈的糖化，但糖化效率不足、酶制劑用量過(guò)大、秸稈用酶成本過(guò)高，需要在提高酶制劑酶解效率的同時(shí)大幅降低酶制劑的制造成本；現有酶制劑酶活構成需要調整優(yōu)化，以針對性提升特定秸稈的單糖轉化率。



②在高效發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)與裝備方面，需深入研究并優(yōu)化適合秸稈原料的高效發(fā)酵生產(chǎn)工藝，尤其是結合生產(chǎn)菌種的進(jìn)一步改良，發(fā)展同步糖化發(fā)酵工藝技術(shù)及其配套裝備、乳酸單體后提取與精制技術(shù)與裝置、水循環(huán)利用設備等。



③在綜合生產(chǎn)技術(shù)體系方面，需要尋求秸稈主要組分綜合開(kāi)發(fā)利用新的技術(shù)突破，實(shí)現秸稈全利用和經(jīng)濟價(jià)值，如木質(zhì)素的高附加值開(kāi)發(fā)利用、木糖及阿拉伯糖等高附加值糖的同步回收等。



其他可能的乳酸單體生產(chǎn)原料。在分子克隆技術(shù)發(fā)明 50 年后、人類(lèi)基因組計劃實(shí)施 30 年后的今天，對選定出發(fā)菌株的特定基因和 / 或全基因組修飾與精細調整已經(jīng)成為現實(shí)，這將賦予生產(chǎn)菌株以更好的原料利用屬性和生產(chǎn)屬性。因此，合成生物學(xué)技術(shù)為未來(lái)聚乳酸生產(chǎn)提供了全新的可能性：通過(guò)底盤(pán)生物的創(chuàng )制、分子遺傳模塊（如生長(cháng)繁殖模塊、特殊代謝模塊、乳酸單體合成模塊、聚乳酸合成模塊）的優(yōu)化組合，有可能利用廢棄生物質(zhì)、沼氣、天然氣、合成氣、CO2 等，為直接原料生物合成乳酸單體甚至直接生物合成聚乳酸（見(jiàn)圖 2）。



（二）提升現代發(fā)酵生產(chǎn)工藝、技術(shù)與裝備水平



應對單體純度、生產(chǎn)成本的要求，新菌種、新技術(shù)、新工藝、新裝備的發(fā)明與運用正在驅動(dòng)乳酸單體發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)及其下游的工程技術(shù)出現變革（見(jiàn)圖 3）。我國聚乳酸產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，應以技術(shù)優(yōu)化、工程化實(shí)施技術(shù)與裝備研制為重點(diǎn)。




圖 3 乳酸單體生產(chǎn)技術(shù)體系



一是持續精簡(jiǎn)乳酸單體發(fā)酵生產(chǎn)培養基。優(yōu)化發(fā)酵生產(chǎn)培養基的組成，采用精確化的化學(xué)限定性培養基并輔以現代流加工藝；以無(wú)機鹽為主體，減少發(fā)酵階段帶入的雜質(zhì)，緩解下游乳酸單體精制純化的壓力。



二是創(chuàng )建高效且智能化的發(fā)酵生產(chǎn)體系。以高效新菌種選育為基礎，采用好氧方式進(jìn)行快速菌體的生長(cháng)繁殖、厭氧升溫方式進(jìn)行乳酸單體的合成，實(shí)現發(fā)酵過(guò)程中的菌體生長(cháng)繁殖與乳酸單體合成自動(dòng)脫耦合、單體生產(chǎn)發(fā)酵強度和水平的顯著(zhù)提升。研制新型發(fā)酵裝置，嫁接并優(yōu)化工業(yè) 4.0 方案、人工智能技術(shù)，實(shí)現發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程全過(guò)程的實(shí)時(shí)（在線(xiàn)、離位）自動(dòng)監測、自動(dòng)控制、自主學(xué)習及優(yōu)化；使得更大單體發(fā)酵裝備規模下的乳酸單體生產(chǎn)能力極大化，顯著(zhù)降低生產(chǎn)能耗、原料成本、人力成本、廢棄物數量，逐步實(shí)現乳酸單體生產(chǎn)工廠(chǎng)的全自動(dòng)化（無(wú)人工廠(chǎng)）。積極探索乳酸單體生產(chǎn)新技術(shù)（如在位萃取發(fā)酵、在位酯化分離）的工業(yè)應用可行性與應用價(jià)值、乳酸單體連續發(fā)酵生產(chǎn)的技術(shù)可行性。



三是創(chuàng )建下游工程新技術(shù)與新裝備。乳酸單體菌種和發(fā)酵技術(shù)的進(jìn)步，在簡(jiǎn)化乳酸單體純化精制技術(shù)實(shí)施的同時(shí)，為新技術(shù)的探索和應用提供了良好場(chǎng)景。研究并創(chuàng )建連續硫酸酸化釋放乳酸單體并同步轉化副產(chǎn)物為半水硫酸鈣，可取代現有工藝下石膏的生成并為硫酸鈣的材料應用開(kāi)辟新途徑。研究并創(chuàng )建循環(huán)實(shí)施的雙向反應精餾耦合（酯化 – 蒸餾 – 水解）技術(shù)，可實(shí)現聚合級乳酸單體的高效制備。研究并建立內循環(huán)技術(shù)體系，將過(guò)程形成的水、鹽、電解質(zhì)、有機物等經(jīng)過(guò)再平衡后用于后續的發(fā)酵培養基基料。



四是其他的技術(shù)創(chuàng )新。菌體絮凝物的資源化特別是材料化利用技術(shù)，耐酸性、耐酸度的乳酸單體高產(chǎn)新菌種構建與應用，需根據不同生產(chǎn)實(shí)踐場(chǎng)景進(jìn)行必要的研究與優(yōu)化。丙交酯制備的反應精餾技術(shù)與裝備、高純丙交酯純化的熔融結晶技術(shù)與裝備、聚乳酸合成與分級的技術(shù)與裝備、丙交酯制備過(guò)程中的光學(xué)構型轉型控制技術(shù)、尾料的解聚與解消旋新技術(shù)等，也需進(jìn)行跨學(xué)科研究以實(shí)現組合創(chuàng )新。



（三）圍繞重點(diǎn)方向強化聚乳酸產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)品多樣性及其生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng )新



聚乳酸全產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)品主要有：乳酸單體、乳酸直接衍生品、丙交酯中間產(chǎn)品、聚乳酸、聚乳酸衍生產(chǎn)品、聚乳酸制品；產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)產(chǎn)品，如專(zhuān)有制造裝備、專(zhuān)用化學(xué)催化劑、改性材料、質(zhì)量分析鑒測專(zhuān)有裝備與專(zhuān)有試劑盒、標準與標準物等（見(jiàn)圖 4）。




圖 4 聚乳酸全產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)品生態(tài)



1. 聚乳酸全產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)品多樣性與均衡協(xié)調發(fā)展



在乳酸單體方面，聚合級乳酸單體（如 L- 乳酸單體、D- 乳酸單體）是保障聚乳酸產(chǎn)業(yè)鏈健康發(fā)展的物質(zhì)基礎，需同步實(shí)施工業(yè)化并保持協(xié)調發(fā)展；在食品（L- 乳酸）、動(dòng)物飼料添加劑（L- 乳酸）、環(huán)境保護與治理（L- 乳酸、D- 乳酸）、藥物或除草劑合成（D- 乳酸、L- 乳酸）、土壤改良（L- 乳酸、 D- 乳酸）、電鍍、電滲析等方面具有重要應用價(jià)值，需完善相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)并保持產(chǎn)品的均衡布局。



在乳酸鹽、乳酸酯方面，作為乳酸直接衍生物，具有品種與級別多樣、待開(kāi)發(fā)產(chǎn)品多樣、應用廣泛等特點(diǎn)。L- 乳酸鈉、L- 乳酸鈣、L- 乳酸鋅、L- 乳酸鎂等，L- 乳酸甲酯、L- 乳酸乙酯、D- 乳酸甲酯、D乳酸乙酯等，在食品、飼料、種植與養殖、醫藥特別是透析（血透、腹膜透析）、香精香料、特殊冷卻劑等方面具有重要應用價(jià)值。聚乳酸生產(chǎn)體系的有機組合也是解決非聚合級乳酸單體及其尾料去路的重要途徑，有利于提升聚乳酸全產(chǎn)業(yè)鏈的綜合經(jīng)濟效益，需就現有技術(shù)與裝備進(jìn)行升級或創(chuàng )建新的生產(chǎn)體系。



在聚乳酸方面，依據乳酸單體或丙交酯光學(xué)構型的差異、是否有其他單體的參與，制得產(chǎn)品類(lèi)型至少有聚 L- 乳酸、聚 D- 乳酸、共聚立構聚乳酸（聚 L-/D- 乳酸）、共聚乳酸（如聚乳酸羥基乙酸）等；按照聚合度、純度的不同，可將聚乳酸產(chǎn)品細分為注塑級、成膜級、紡絲級、工業(yè)級、食品級、醫療級、注射級等；根據功能性呈現與應用特性的差別，聚乳酸及其衍生產(chǎn)品可分為透明型、抗菌型、抗紫外線(xiàn)型、阻燃型、抗溶劑型、熱穩定型等。因此，在乳酸單體、丙交酯的質(zhì)量和純度均適用的基礎上，為滿(mǎn)足聚乳酸系列產(chǎn)品的市場(chǎng)需求，需進(jìn)一步研究乳酸聚合及產(chǎn)品分級的技術(shù)與裝備，優(yōu)化聚乳酸改性技術(shù)與加工裝備；在規?；?、低成本制備各類(lèi)聚乳酸的同時(shí)，科學(xué)研判市場(chǎng)需求的輕重緩急，穩步開(kāi)展市場(chǎng)亟需產(chǎn)品的工業(yè)化，定向實(shí)施技術(shù)創(chuàng )新和產(chǎn)品多樣性創(chuàng )制。



2. 聚乳酸制品及其優(yōu)先發(fā)展方向



一次性塑料制品的應用領(lǐng)域極為廣泛，涵蓋產(chǎn)品包裝、居家生活、醫療護理、種植養殖、快遞餐飲、家庭生活等諸多方面，但應用場(chǎng)景高度分散、回收困難或回收價(jià)值低，成為“白色污染”治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。以聚乳酸為基礎材料制得的生物全降解產(chǎn)品，在功能上可完全替代一次性塑料制品，將是高效治理“白色污染”的關(guān)鍵；對聚乳酸種類(lèi)、聚合度的質(zhì)量要求相對較低，可與其他生物可降解材料（如淀粉、聚己二酸 / 對苯二甲酸丁二醇酯、植物纖維）共混制得，或通過(guò)制品表面的后噴涂來(lái)制得。此外，由超臨界流體發(fā)泡等先進(jìn)加工技術(shù)制備的超輕質(zhì)聚乳酸發(fā)泡材料，兼具良好的吸音、隔熱、緩沖性能，是取代石油類(lèi)聚合物的理想新材料。



農業(yè)薄膜與現代種植密不可分，如農業(yè)地膜覆蓋種植技術(shù)的推廣應用提高了農產(chǎn)品產(chǎn)量約 30%，在保障農產(chǎn)品安全供給方面發(fā)揮了重要作用。然而因現有農業(yè)薄膜不易回收、幾乎不被降解、回收再利用技術(shù)缺乏，數十年的地膜應用（僅 2020 年全國農業(yè)薄膜使用量就超過(guò) 2.5×106 t）與環(huán)境積累所形成的“白色污染”已經(jīng)成為種植業(yè)可持續發(fā)展的重大難題。近些年曾采用的光解薄膜產(chǎn)品、添加淀粉或秸稈的塑料薄膜產(chǎn)品，本質(zhì)上仍為非生物降解制品，使用后崩解為塑料碎片或微塑顆粒，潛在的污染危害性更大。因此，以聚乳酸為基礎的生物降解地膜是替代傳統地膜、解決地膜殘留污染的直接措施和有效手段，建議大力推廣應用。此外，可控生物降解聚乳酸復合材料制得的種子紙、包衣種子、緩釋肥料、緩釋營(yíng)養物等，有望在種植業(yè)全自動(dòng)化、精準化發(fā)展方面發(fā)揮積極作用。



聚乳酸纖維為紡織服裝提供先進(jìn)面料。高聚合度的聚乳酸通過(guò)溶液紡絲、熔融紡絲等技術(shù)制得聚乳酸纖維，可制成長(cháng)絲、短絲、單絲、編織物、布匹、無(wú)紡布等，由此生產(chǎn)的織物面料具有良好的手感、懸垂性、回彈性、水擴散性、抗紫外線(xiàn)、抗污性、低可燃性、加工性能、卷曲性及卷曲穩定性、縮率控制性。相關(guān)布料適用于各種時(shí)裝、休閑裝、個(gè)人護理用品、體育用品、衛生用品，同樣具有可觀(guān)的市場(chǎng)需求。



醫用聚乳酸具有良好的生物相容性，除了一次性醫用口罩、手套、床單、護墊、藥物盒、器皿之外，在體內醫用材料方向也有廣泛應用，如采用聚乳酸制得的可吸收螺釘、可吸收手術(shù)線(xiàn)，可用作人體組織修補的纖維編織物或膜材料，骨折內固定材料，眼科植入材料，組織工程支架材料等。醫用聚乳酸也可用作藥物控釋材料，在現代藥物與劑型升級發(fā)展方面具有特殊的應用價(jià)值，如藥物分子封裝與緩釋 / 控釋制劑、疫苗封裝、定位植入藥物的緩釋 / 控釋制劑等。此外，經(jīng)酶法或全細胞催化直接合成獲得的生物級聚乳酸，在未來(lái)醫用聚乳酸材料制造方面具有一定前景，但現有的技術(shù)水平、產(chǎn)品聚合度與純度等有待進(jìn)一步提升。



在機械制造領(lǐng)域，聚乳酸通過(guò)注塑加工、擠壓與鍛造、增材制造，可快捷制造材料零件或部件（如汽車(chē)的車(chē)身、車(chē)門(mén)、輪圈、車(chē)座、天棚、備用輪胎箱蓋、腳墊等），實(shí)現輕量化整體制作、便捷安裝、單獨拆卸、回收再加工。聚乳酸材料零部件的使用，對產(chǎn)品的小批量、短周期、個(gè)性化、柔性化生產(chǎn)，產(chǎn)品就地維修及二手產(chǎn)品翻新與升級也具有價(jià)值，也可挖掘在國防軍工、航空航天等重大領(lǐng)域中的應用。



在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，如電腦 / 手機部件、紅外線(xiàn)接收配件、電子產(chǎn)品機殼、光盤(pán)與盤(pán)片、芯片 / 大規模集成電路包裝帶等方面，聚乳酸展現出了重要應用價(jià)值。運用聚乳酸及其復合 / 改性材料（如聚乳酸合金），實(shí)現可折疊、可扭曲、可鍛制、可伸展的電子材料加工制備，推動(dòng)電子皮膚、假肢、機器人、健康監測、生物醫學(xué)儀器等的創(chuàng )新發(fā)展。



在兒童玩具 / 用品方面，應對相關(guān)消費快速上漲的市場(chǎng)需求（人均年消費超過(guò) 300 元），匹配安全、多樣、益智、創(chuàng )造、新穎、功能性等產(chǎn)品技術(shù)需求，聚乳酸材料不但能夠替代現有兒童玩具用品的幾乎所有材料，還可拓展全新的產(chǎn)品生態(tài)與高生物安全性應用場(chǎng)景；與新材料體系相匹配的設計與制造方法、款式更新速度、舊款回收再加工等方面也將得到新的發(fā)展。這是聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。



在體育用品方面，聚乳酸材料可應用于運動(dòng)服飾、運動(dòng)護具、戶(hù)外運動(dòng)休閑用品、健身器材器械、康體器材器械、競賽項目用品、體育場(chǎng)館、體育關(guān)聯(lián)用品等，應用前景良好、產(chǎn)業(yè)規模較大。隨著(zhù)《全民健身計劃（2021—2025 年）》的推動(dòng)實(shí)施，健康綠色環(huán)保的體育用品市場(chǎng)必將獲得快速發(fā)展，對聚乳酸材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規模和質(zhì)量起到牽引促進(jìn)作用。



在科研、教學(xué)、學(xué)習用品方面，聚乳酸材料可應用于筆、紙、文具、書(shū)包、教具、校服、飾物、布景、運動(dòng)器具、一次性科研教學(xué)耗材（如手套、試管、量筒、量杯、離心管、移液槍頭、標簽、扎線(xiàn)、包裝紙 / 膜等）、模具模型及其現場(chǎng)制作、研究用藥品試劑及標準品等，需盡快形成系列化、全景化的制品體系，滿(mǎn)足在校學(xué)生、從業(yè)人員（總量約3億人）的產(chǎn)品消費需求。通過(guò)革新材料應用方式、增強居民環(huán)保意識，形成聚乳酸產(chǎn)業(yè)的長(cháng)效逸外效應。



（四）建立健全聚乳酸產(chǎn)品質(zhì)量控制體系、環(huán)境釋放管理體系



產(chǎn)品質(zhì)量控制體系、環(huán)境釋放管理體系是聚乳酸產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量、可持續發(fā)展的前提，已有的基礎條件包括：設立了專(zhuān)業(yè)機構及其分支機構，如中國塑協(xié)降解塑料專(zhuān)業(yè)委員會(huì )、中華環(huán)保聯(lián)合會(huì )可降解塑料專(zhuān)業(yè)委員會(huì )、全國生物基材料及降解材料制品標準化技術(shù)委員會(huì )等，成立了各類(lèi)產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)合研究院（所）、協(xié)同創(chuàng )新中心、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，涵蓋高校、科研院所、優(yōu)勢企業(yè)。由于我國聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)間較短，相關(guān)要素仍需逐步完善以更好規范并指導聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展。



作為一項系統工程，聚乳酸產(chǎn)品質(zhì)量控制體系、環(huán)境釋放管理體系宜充分借鑒發(fā)達國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)、我國部分優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的運作經(jīng)驗，立足國情、前瞻需求、接軌國際，系統研究并高標準制定；納入產(chǎn)業(yè)鏈的全部質(zhì)量控制關(guān)鍵結點(diǎn)，建設服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈條全部產(chǎn)品、具有行業(yè)權威性的質(zhì)量鑒測機構與數據共享平臺；針對國產(chǎn)聚乳酸產(chǎn)品的環(huán)境釋放過(guò)程，開(kāi)展覆蓋產(chǎn)品生命周期的基礎研究，如專(zhuān)一降解聚乳酸的高效微生物菌種選育，高效酶制劑的創(chuàng )制、制備與應用等，保障產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)革新、應用技術(shù)拓展的中長(cháng)期發(fā)展潛力。



（五）實(shí)施積極的聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策



我國聚乳酸產(chǎn)業(yè)當前仍處于起步階段，產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不平衡問(wèn)題較為突出。建議實(shí)施積極的產(chǎn)業(yè)政策以提供引導與扶持，突出產(chǎn)業(yè)鏈布局的科學(xué)性和前瞻性，促進(jìn)聚乳酸產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。前端布局應與生產(chǎn)原料供給相匹配，著(zhù)力帶動(dòng)當地大宗農副產(chǎn)品的加工精度、深度與綜合加工水平，推動(dòng)種植業(yè)（如甘蔗、甜菜、木薯、玉米、紅薯等品種）的轉型升級和工業(yè)化進(jìn)程。中端布局宜依托高端裝備制造發(fā)達地區在技術(shù)、人才、資金、市場(chǎng)等方面的優(yōu)勢，消化已有聚乳酸產(chǎn)能及生產(chǎn)裝置，快速形成新的專(zhuān)業(yè)性產(chǎn)業(yè)集群。末端布局可針對產(chǎn)品（制品）類(lèi)別、應用多樣性、現有企業(yè)分布等，合理開(kāi)展整合與聚集以驅動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級。



建議國家級科技研發(fā)渠道給予專(zhuān)項支持，聯(lián)合國內優(yōu)勢技術(shù)力量、注重“產(chǎn)學(xué)研用”結合，重點(diǎn)開(kāi)展聚乳酸產(chǎn)業(yè)鏈條相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、關(guān)鍵裝備原型開(kāi)發(fā)，如自動(dòng)化、智能化特大型發(fā)酵裝備，分離純化精制新裝置，丙交酯純化新裝置，聚乳酸聚合與分級新裝置，聚乳酸改性與加工新裝置等。同步加強復合型人才培養，針對聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需，支持高校、科研院所、有條件的企業(yè)聯(lián)合設立研究機構、產(chǎn)業(yè)學(xué)院，開(kāi)展學(xué)歷教育、培養產(chǎn)業(yè)人才，保障一流專(zhuān)業(yè)人才隊伍需求。



五、結語(yǔ)



聚乳酸作為典型的碳中和、可再生、生物全降解高分子材料，是繼石化高分子材料之后又一變革性新材料，必將逐步成為我國國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的基礎性大宗原材料，有力帶動(dòng)其他生物可降解材料、關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)及周邊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過(guò) 20 年的技術(shù)研究與應用實(shí)踐，我國已具備規?；I(yè)實(shí)施聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的雄厚基礎。著(zhù)眼未來(lái)，通過(guò)“政產(chǎn)學(xué)研用”層面的通力合作，多學(xué)科跨界組合創(chuàng )新，全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)與裝備融通，在切實(shí)解決制約行業(yè)發(fā)展和自主化水平“卡脖子”技術(shù)難題的同時(shí)，有望快速實(shí)現聚乳酸創(chuàng )新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、人才鏈、供應鏈的合理布局與協(xié)調運轉，驅動(dòng)聚乳酸產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現聚乳酸材料為民所想、為民所用目標。

文章轉載自微信公眾號：DT新材料