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(jì)和社會發(fā)展所必需的基礎(chǔ)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(xiàn)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(xiàn)狀與對策研究》一文。文章立足國情實際和產(chǎn)業(yè)需求，在比較分析國內(nèi)外聚乳酸材料技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，著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)品多樣性與重點發(fā)展方向、質(zhì)量控制體系與環(huán)境釋放管理評價體系、政策引導(dǎo)與扶持等方面存在的問題與對策進(jìn)行分析研究。相關(guān)內(nèi)容可為聚乳酸的技術(shù)攻關(guān)、應(yīng)用拓展、產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供基礎(chǔ)性和啟發(fā)性參考。 






一、前言



塑料的發(fā)明與應(yīng)用極大改變了人類的生產(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% 通過焚燒去除，79% 成為垃圾廢棄物；若不采取有效措施，預(yù)計到 2050 年世界塑料廢棄物可達(dá) 1.2×1010 t。地球上沒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(shù)十年以上的時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(yán)重威脅著農(nóng)作物的耕作、野生動物與人類的健康安全。為此，全面治理“白色污染”已成為全球共識，世界各國積極推動實施限塑、禁塑等強(qiáng)制性法律法規(guī)，著力開發(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(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅。為此，近年來國家層面高度關(guān)注并出臺政策，明確要求：積極應(yīng)對塑料污染，有序禁止或限制部分塑料制品的生產(chǎn)、銷售和使用，積極推廣可循環(huán)易回收可降解的替代產(chǎn)品；全面實施秸稈綜合利用和農(nóng)膜、農(nóng)藥包裝物回收行動，加強(qiáng)可降解農(nóng)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(yīng)用領(lǐng)域的核心要素；涵蓋我國經(jīng)濟(jì)與社會的眾多領(lǐng)域（見圖 1），以制造業(yè)中的應(yīng)用最為突出，至少涉及其中的 25 個門類及其細(xì)分領(lǐng)域。例如，快遞、包裝、一次性餐具、個人護(hù)理、城市衛(wèi)生與環(huán)境維護(hù)、農(nóng)林生產(chǎn)資料與農(nóng)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份額超過 7×106 t，是生物全降解聚乳酸材料的首要應(yīng)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(yī)療 / 醫(yī)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(nóng)藥緩釋、機(jī)械部件現(xiàn)場制造、藥物與疫苗封裝、現(xiàn)代種植與養(yǎng)殖等新興應(yīng)用領(lǐng)域正在引導(dǎo)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(xiàn)狀，克服國內(nèi)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?qū)嵤┊a(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(jì)領(lǐng)域

注：市場規(guī)模數(shù)據(jù)依據(jù)文獻(xiàn)、專業(yè)產(chǎn)業(yè)報告、學(xué)術(shù)報告等進(jìn)行概算或預(yù)估；所涉及的國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，依據(jù)國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類（GB/T 4754—2017）進(jìn)行整理。



二、聚乳酸材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)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(xiàn)為技術(shù)門檻高、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(nóng)業(yè)產(chǎn)出為主要原料，通過生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乳酸單體，過程涉及原料預(yù)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環(huán)聚合生產(chǎn)聚乳酸）；



③聚乳酸應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)，以聚乳酸、改性聚乳酸、與其他材料復(fù)配的復(fù)合材料為基礎(chǔ)，根據(jù)不同應(yīng)用目的開發(fā)終端應(yīng)用產(chǎn)品或產(chǎn)品應(yīng)用。



聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了漫長的技術(shù)成熟過程。早在 1913 年，法國科學(xué)家便通過縮聚法合成了聚乳酸，但因聚合度低而無法直接用作結(jié)構(gòu)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(jī)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，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(xiàn)了聚乳酸作為骨折內(nèi)固定材料的廣闊應(yīng)用前景。1987 年，美國嘉吉公司開始投資研發(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)極大推動了聚乳酸工業(yè)化進(jìn)程。2005 年，美國 NatureWorks 公司宣布獨立開展乳酸、聚乳酸綜合業(yè)務(wù)，聚乳酸生產(chǎn)裝置規(guī)模世界最大（年產(chǎn)量超過 1.5×105 t），細(xì)分品類完整。



我國研究和開發(fā)聚乳酸材料技術(shù)，開展規(guī)模化工業(yè)化應(yīng)用始于 2000 年左右。目前在建、擴(kuò)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、萬華化學(xué)集團(tuán)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(tuán)有限公司；另有數(shù)家特大型企業(yè)正在規(guī)劃進(jìn)入本領(lǐng)域。按照相關(guān)規(guī)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)鍵點之一。目前，乳酸單體規(guī)模化制造的主要方法是生物發(fā)酵法，具有高效合成乳酸單體的微生物菌種是實現(xiàn)這一過程的核心，決定了乳酸單體生產(chǎn)的工藝路線與裝備體系。



與現(xiàn)有工業(yè)化生產(chǎn)食品級 L- 乳酸不同，具有工業(yè)應(yīng)用價值、應(yīng)用于乳酸單體生產(chǎn)的優(yōu)秀微生物菌種都是經(jīng)過現(xiàn)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（見表 1）。乳酸單體生產(chǎn)菌株選育過程包括：



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、營養(yǎng)要求簡單、可在合成培養(yǎng)基中快速增殖與代謝等特點，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)境的簡潔性、后續(xù)菌種遺傳改良的便捷性；



②通過遺傳修飾技術(shù)強(qiáng)化乳酸單體合成的強(qiáng)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，簡化乳酸單體分離純化的工藝與裝備要求；



③通過菌株（主要為大腸桿菌）生長繁殖、乳酸合成的分子開關(guān)控制等技術(shù)運用，解決生產(chǎn)菌種的生長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(chǔ)，通過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。現(xiàn)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(nèi)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)點是不形成硫酸鈣副產(chǎn)物，但乳酸單體的生產(chǎn)強(qiáng)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)酵過程能耗和輔助原料的消耗也顯著加大。該技術(shù)現(xiàn)為個別國際企業(yè)采用，應(yīng)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(jì)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，實際工業(yè)生產(chǎn)的乳酸發(fā)酵水平一般不超過 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(xiàn)代化工藝技術(shù)通過反應(yīng)精餾技術(shù)耦合來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，是未來的重要發(fā)展方向；傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)采用乳酸鈣結(jié)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，但流程較長且形成一定比例的副產(chǎn)物，為當(dāng)前國內(nèi)外大多數(shù)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(nèi)外已經(jīng)或正在實施工業(yè)化應(yīng)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)體系的難點和關(guān)鍵點。



對于兩步法的中間體丙交酯，當(dāng)前具有工業(yè)化應(yīng)用價值的制備技術(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(gòu)化會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(hù)下催化汽化的乳酸單體一步合成丙交酯，丙交酯轉(zhuǎn)化率約為 70%~90%，消旋反應(yīng)也較弱，但生產(chǎn)強(qiáng)度過低，暫不具有經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)化率可達(dá) 80%，光學(xué)構(gòu)型保持在 99% 以上。上述技術(shù)的工業(yè)化實施，除需進(jìn)一步設(shè)計催化劑與反應(yīng)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。



我國通過引進(jìn)或自創(chuàng)，建立起了具有相當(dāng)規(guī)模的聚乳酸制造生產(chǎn)線，技術(shù)路線即為丙交酯開環(huán)聚合技術(shù)（兩步法）。近年來，國內(nèi)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、錫類、鉛類、稀土金屬類、沸石類、有機(jī)胍類等催化劑。丙交酯制備的反應(yīng)精餾耦合、丙交酯純化的熔融結(jié)晶等技術(shù)與裝備也為國內(nèi)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(yīng)用場景與用途的多個聚乳酸產(chǎn)品系列的工業(yè)化生產(chǎn)，而現(xiàn)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(dǎo)致多數(shù)產(chǎn)品僅能滿足注塑、成膜制品等初級應(yīng)用。后續(xù)隨著聚合級乳酸單體（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)化過程將顯著加速。



（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(yīng)用，絕大部分技術(shù)與裝備已為國內(nèi)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(guī)模的部分。隨著新型聚乳酸產(chǎn)品的出現(xiàn)、特定應(yīng)用場景需求的提煉，相關(guān)技術(shù)也會不斷實現(xiàn)新的發(fā)明突破。近期發(fā)表的一些綜述性文獻(xiàn)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(fù)合、立構(gòu)等物理方式，共聚、交聯(lián)、接枝、修飾等化學(xué)方式；可依據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用需求屬性來進(jìn)一步改進(jìn)聚乳酸材料的降解性、阻隔性、韌性、導(dǎo)電性、熱塑性、生物負(fù)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(xì)胞固定到聚乳酸材料表面或內(nèi)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)鏈末端開始發(fā)展，逐步向產(chǎn)業(yè)上游推進(jìn)；應(yīng)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，逐步實現(xiàn)技術(shù)改進(jìn)和專有裝備開發(fā)。然而，因聚合級乳酸單體、丙交酯制造技術(shù)開發(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(xiàn)了“卡脖子”難題。經(jīng)過不懈努力，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(guī)模化制造技術(shù)方面取得突破，在高純度丙交酯制備與精制技術(shù)上也取得長足進(jìn)步，有望穩(wěn)步實現(xiàn)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)品與重點發(fā)展方向、質(zhì)量管理體系與產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展、政策引導(dǎo)與扶持等產(chǎn)業(yè)鏈核心問題提出策略建議。



（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)原料主要來自農(nóng)業(yè)產(chǎn)出，其中淀粉質(zhì)原料是現(xiàn)階段最主要的原料，百萬噸以下規(guī)模的聚乳酸產(chǎn)業(yè)建設(shè)一般不會對糧食原料供給平衡造成顯著影響。考慮到聚乳酸產(chǎn)業(yè)規(guī)模可能持續(xù)擴(kuò)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)的未來發(fā)展。需要超前謀劃聚乳酸產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(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問題的核心關(guān)鍵（見圖 2）。


圖 2 聚乳酸產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)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，是未來乳酸單體規(guī)模化生產(chǎn)量大價廉的新原料。以甘油為原料制造乳酸單體的技術(shù)已趨于成熟，體現(xiàn)了我國學(xué)者的重要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)。目前，我國甘油供給主體依賴進(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，但可作為未來國際市場布局的重點方向。



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)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。由于世界糖品消費結(jié)構(gòu)的深度變革，蔗糖消費量逐年下降，導(dǎo)致國際蔗糖價格與生產(chǎn)成本倒掛。可以預(yù)判，來源于甘蔗和甜菜種植業(yè)的蔗糖與糖蜜，必然會成為乳酸單體生產(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，可以直接實施工業(yè)化應(yīng)用。我國作為甘蔗和甜菜種植大國，服務(wù)此行業(yè)的勞動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)的帶動作用，驅(qū)動甘蔗和甜菜種植業(yè)的發(fā)展與轉(zhuǎn)型，顯著改善種植業(yè)從業(yè)人員的經(jīng)濟(jì)收入。



秸稈等農(nóng)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(yù)處理、糖化、綜合利用等成本過高，當(dāng)前暫不具備經(jīng)濟(jì)可行性，需要實施技術(shù)攻關(guān)以取得應(yīng)用突破。



①在高效廉價復(fù)合酶制劑方面，現(xiàn)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、酶制劑用量過大、秸稈用酶成本過高，需要在提高酶制劑酶解效率的同時大幅降低酶制劑的制造成本；現(xiàn)有酶制劑酶活構(gòu)成需要調(diào)整優(yōu)化，以針對性提升特定秸稈的單糖轉(zhuǎn)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(jié)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(shè)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發(fā)利用新的技術(shù)突破，實現(xiàn)秸稈全利用和經(jīng)濟(jì)價值，如木質(zhì)素的高附加值開發(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、人類基因組計劃實施 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(xì)調(diào)整已經(jīng)成為現(xiàn)實，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)為未來聚乳酸生產(chǎn)提供了全新的可能性：通過底盤生物的創(chuàng)制、分子遺傳模塊（如生長繁殖模塊、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（見圖 2）。



（二）提升現(xiàn)代發(fā)酵生產(chǎn)工藝、技術(shù)與裝備水平



應(yīng)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(qū)動乳酸單體發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)及其下游的工程技術(shù)出現(xiàn)變革（見圖 3）。我國聚乳酸產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)以技術(shù)優(yōu)化、工程化實施技術(shù)與裝備研制為重點。




圖 3 乳酸單體生產(chǎn)技術(shù)體系



一是持續(xù)精簡乳酸單體發(fā)酵生產(chǎn)培養(yǎng)基。優(yōu)化發(fā)酵生產(chǎn)培養(yǎng)基的組成，采用精確化的化學(xué)限定性培養(yǎng)基并輔以現(xiàn)代流加工藝；以無機(jī)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(chǔ)，采用好氧方式進(jìn)行快速菌體的生長繁殖、厭氧升溫方式進(jìn)行乳酸單體的合成，實現(xiàn)發(fā)酵過程中的菌體生長繁殖與乳酸單體合成自動脫耦合、單體生產(chǎn)發(fā)酵強(qiáng)度和水平的顯著提升。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)，實現(xiàn)發(fā)酵生產(chǎn)過程全過程的實時（在線、離位）自動監(jiān)測、自動控制、自主學(xué)習(xí)及優(yōu)化；使得更大單體發(fā)酵裝備規(guī)模下的乳酸單體生產(chǎn)能力極大化，顯著降低生產(chǎn)能耗、原料成本、人力成本、廢棄物數(shù)量，逐步實現(xiàn)乳酸單體生產(chǎn)工廠的全自動化（無人工廠）。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(yīng)用可行性與應(yīng)用價值、乳酸單體連續(xù)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，在簡化乳酸單體純化精制技術(shù)實施的同時，為新技術(shù)的探索和應(yīng)用提供了良好場景。研究并創(chuàng)建連續(xù)硫酸酸化釋放乳酸單體并同步轉(zhuǎn)化副產(chǎn)物為半水硫酸鈣，可取代現(xiàn)有工藝下石膏的生成并為硫酸鈣的材料應(yīng)用開辟新途徑。研究并創(chuàng)建循環(huán)實施的雙向反應(yīng)精餾耦合（酯化 – 蒸餾 – 水解）技術(shù)，可實現(xiàn)聚合級乳酸單體的高效制備。研究并建立內(nèi)循環(huán)技術(shù)體系，將過程形成的水、鹽、電解質(zhì)、有機(jī)物等經(jīng)過再平衡后用于后續(xù)的發(fā)酵培養(yǎng)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(gòu)建與應(yīng)用，需根據(jù)不同生產(chǎn)實踐場景進(jìn)行必要的研究與優(yōu)化。丙交酯制備的反應(yīng)精餾技術(shù)與裝備、高純丙交酯純化的熔融結(jié)晶技術(shù)與裝備、聚乳酸合成與分級的技術(shù)與裝備、丙交酯制備過程中的光學(xué)構(gòu)型轉(zhuǎn)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)科研究以實現(xiàn)組合創(chuàng)新。



（三）圍繞重點方向強(qiáng)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，如專有制造裝備、專用化學(xué)催化劑、改性材料、質(zhì)量分析鑒測專有裝備與專有試劑盒、標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)物等（見圖 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(diào)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(chǔ)，需同步實施工業(yè)化并保持協(xié)調(diào)發(fā)展；在食品（L- 乳酸）、動物飼料添加劑（L- 乳酸）、環(huán)境保護(hù)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(yīng)用價值，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、待開發(fā)產(chǎn)品多樣、應(yīng)用廣泛等特點。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(yǎng)殖、醫(yī)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(yīng)用價值。聚乳酸生產(chǎn)體系的有機(jī)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(jì)效益，需就現(xiàn)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(jù)乳酸單體或丙交酯光學(xué)構(gòu)型的差異、是否有其他單體的參與，制得產(chǎn)品類型至少有聚 L- 乳酸、聚 D- 乳酸、共聚立構(gòu)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(xì)分為注塑級、成膜級、紡絲級、工業(yè)級、食品級、醫(yī)療級、注射級等；根據(jù)功能性呈現(xiàn)與應(yīng)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、抗紫外線型、阻燃型、抗溶劑型、熱穩(wěn)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(chǔ)上，為滿足聚乳酸系列產(chǎn)品的市場需求，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(guī)模化、低成本制備各類聚乳酸的同時，科學(xué)研判市場需求的輕重緩急，穩(wěn)步開展市場亟需產(chǎn)品的工業(yè)化，定向?qū)嵤┘夹g(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(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，涵蓋產(chǎn)品包裝、居家生活、醫(yī)療護(hù)理、種植養(yǎng)殖、快遞餐飲、家庭生活等諸多方面，但應(yīng)用場景高度分散、回收困難或回收價值低，成為“白色污染”治理的重點和難點。以聚乳酸為基礎(chǔ)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、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，或通過制品表面的后噴涂來制得。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，是取代石油類聚合物的理想新材料。



農(nóng)業(yè)薄膜與現(xiàn)代種植密不可分，如農(nóng)業(yè)地膜覆蓋種植技術(shù)的推廣應(yīng)用提高了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量約 30%，在保障農(nóng)產(chǎn)品安全供給方面發(fā)揮了重要作用。然而因現(xiàn)有農(nóng)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(shù)十年的地膜應(yīng)用（僅 2020 年全國農(nóng)業(yè)薄膜使用量就超過 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(xù)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(chǔ)的生物降解地膜是替代傳統(tǒng)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(yīng)用。此外，可控生物降解聚乳酸復(fù)合材料制得的種子紙、包衣種子、緩釋肥料、緩釋營養(yǎng)物等，有望在種植業(yè)全自動化、精準(zhǔn)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溶液紡絲、熔融紡絲等技術(shù)制得聚乳酸纖維，可制成長絲、短絲、單絲、編織物、布匹、無紡布等，由此生產(chǎn)的織物面料具有良好的手感、懸垂性、回彈性、水?dāng)U散性、抗紫外線、抗污性、低可燃性、加工性能、卷曲性及卷曲穩(wěn)定性、縮率控制性。相關(guān)布料適用于各種時裝、休閑裝、個人護(hù)理用品、體育用品、衛(wèi)生用品，同樣具有可觀的市場需求。



醫(yī)用聚乳酸具有良好的生物相容性，除了一次性醫(yī)用口罩、手套、床單、護(hù)墊、藥物盒、器皿之外，在體內(nèi)醫(yī)用材料方向也有廣泛應(yīng)用，如采用聚乳酸制得的可吸收螺釘、可吸收手術(shù)線，可用作人體組織修補(bǔ)的纖維編織物或膜材料，骨折內(nèi)固定材料，眼科植入材料，組織工程支架材料等。醫(yī)用聚乳酸也可用作藥物控釋材料，在現(xiàn)代藥物與劑型升級發(fā)展方面具有特殊的應(yīng)用價值，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(xì)胞催化直接合成獲得的生物級聚乳酸，在未來醫(yī)用聚乳酸材料制造方面具有一定前景，但現(xiàn)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(jī)械制造領(lǐng)域，聚乳酸通過注塑加工、擠壓與鍛造、增材制造，可快捷制造材料零件或部件（如汽車的車身、車門、輪圈、車座、天棚、備用輪胎箱蓋、腳墊等），實現(xiàn)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值，也可挖掘在國防軍工、航空航天等重大領(lǐng)域中的應(yīng)用。



在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，如電腦 / 手機(jī)部件、紅外線接收配件、電子產(chǎn)品機(jī)殼、光盤與盤片、芯片 / 大規(guī)模集成電路包裝帶等方面，聚乳酸展現(xiàn)出了重要應(yīng)用價值。運用聚乳酸及其復(fù)合 / 改性材料（如聚乳酸合金），實現(xiàn)可折疊、可扭曲、可鍛制、可伸展的電子材料加工制備，推動電子皮膚、假肢、機(jī)器人、健康監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)儀器等的創(chuàng)新發(fā)展。



在兒童玩具 / 用品方面，應(yīng)對相關(guān)消費快速上漲的市場需求（人均年消費超過 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(xiàn)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(yīng)用場景；與新材料體系相匹配的設(shè)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(yīng)用于運動服飾、運動護(hù)具、戶外運動休閑用品、健身器材器械、康體器材器械、競賽項目用品、體育場館、體育關(guān)聯(lián)用品等，應(yīng)用前景良好、產(chǎn)業(yè)規(guī)模較大。隨著《全民健身計劃（2021—2025 年）》的推動實施，健康綠色環(huán)保的體育用品市場必將獲得快速發(fā)展，對聚乳酸材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模和質(zhì)量起到牽引促進(jìn)作用。



在科研、教學(xué)、學(xué)習(xí)用品方面，聚乳酸材料可應(yīng)用于筆、紙、文具、書包、教具、校服、飾物、布景、運動器具、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(biāo)簽、扎線、包裝紙 / 膜等）、模具模型及其現(xiàn)場制作、研究用藥品試劑及標(biāo)準(zhǔn)品等，需盡快形成系列化、全景化的制品體系，滿足在校學(xué)生、從業(yè)人員（總量約3億人）的產(chǎn)品消費需求。通過革新材料應(yīng)用方式、增強(qiáng)居民環(huán)保意識，形成聚乳酸產(chǎn)業(yè)的長效逸外效應(yīng)。



（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(xù)發(fā)展的前提，已有的基礎(chǔ)條件包括：設(shè)立了專業(yè)機(jī)構(gòu)及其分支機(jī)構(gòu)，如中國塑協(xié)降解塑料專業(yè)委員會、中華環(huán)保聯(lián)合會可降解塑料專業(yè)委員會、全國生物基材料及降解材料制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會等，成立了各類產(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)展時間較短，相關(guān)要素仍需逐步完善以更好規(guī)范并指導(dǎo)聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展。



作為一項系統(tǒng)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(dá)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(tǒng)研究并高標(biāo)準(zhǔn)制定；納入產(chǎn)業(yè)鏈的全部質(zhì)量控制關(guān)鍵結(jié)點，建設(shè)服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈條全部產(chǎn)品、具有行業(yè)權(quán)威性的質(zhì)量鑒測機(jī)構(gòu)與數(shù)據(jù)共享平臺；針對國產(chǎn)聚乳酸產(chǎn)品的環(huán)境釋放過程，開展覆蓋產(chǎn)品生命周期的基礎(chǔ)研究，如專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(yīng)用等，保障產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)革新、應(yīng)用技術(shù)拓展的中長期發(fā)展?jié)摿Α?br />


（五）實施積極的聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策



我國聚乳酸產(chǎn)業(yè)當(dāng)前仍處于起步階段，產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不平衡問題較為突出。建議實施積極的產(chǎn)業(yè)政策以提供引導(dǎo)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(yīng)與生產(chǎn)原料供給相匹配，著力帶動當(dāng)?shù)卮笞谵r(nóng)副產(chǎn)品的加工精度、深度與綜合加工水平，推動種植業(yè)（如甘蔗、甜菜、木薯、玉米、紅薯等品種）的轉(zhuǎn)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(dá)地區(qū)在技術(shù)、人才、資金、市場等方面的優(yōu)勢，消化已有聚乳酸產(chǎn)能及生產(chǎn)裝置，快速形成新的專業(yè)性產(chǎn)業(yè)集群。末端布局可針對產(chǎn)品（制品）類別、應(yīng)用多樣性、現(xiàn)有企業(yè)分布等，合理開展整合與聚集以驅(qū)動產(chǎn)業(yè)升級。



建議國家級科技研發(fā)渠道給予專項支持，聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢技術(shù)力量、注重“產(chǎn)學(xué)研用”結(jié)合，重點開展聚乳酸產(chǎn)業(yè)鏈條相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、關(guān)鍵裝備原型開發(fā)，如自動化、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(qiáng)復(fù)合型人才培養(yǎng)，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(shè)立研究機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)學(xué)院，開展學(xué)歷教育、培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)人才，保障一流專業(yè)人才隊伍需求。



五、結(jié)語



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(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)性大宗原材料，有力帶動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 20 年的技術(shù)研究與應(yīng)用實踐，我國已具備規(guī)模化工業(yè)實施聚乳酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的雄厚基礎(chǔ)。著眼未來，通過“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，有望快速實現(xiàn)聚乳酸創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、人才鏈、供應(yīng)鏈的合理布局與協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，驅(qū)動聚乳酸產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)聚乳酸材料為民所想、為民所用目標(biāo)。

文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號：DT新材料