2010年世博会大幕正徐徐拉开,各个参展国更是努力要将"城市,让生活更美好"的主题贯彻在建设理念中。2009年4月奠基的上海世博会芬兰国家馆"冰壶"便是其中一例,芬兰馆建筑外部将采用由创新型木塑复合材料制成的富有现代气息的鳞状装饰材料,该材料的主要原料便是废纸和塑料。
虽然对人们而言,木塑复合材料复杂的概念尚显陌生,其实它已经悄然走进我们的生活中。雄伟壮观的国家奥林匹克运动员村大门、奥林匹克森林公园中的园林景观、上海城隍庙附近的城市小品,浙江杭州桂花城小区的阳台遮阳板等等,它们都是木塑复合制品。
在中国林科院木材工业研究所木材性质研究室主任秦特夫教授看来,木塑复合材料作为材料界的一匹黑马,在建筑用材、户外设施、物流运输、交通设施、家具用品等领域正将面临大规模拓展,作为一个新的朝阳产业,中国木塑产业具有强劲生命力,正在迎来展示才能的黄金发展期。
木塑材料的兴起,从一个侧面反映了规模庞大的生物基材料行业繁荣时代的来临。作为生物制造业的重要组成部分,生物基材料中包含了淀粉基塑料、聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯等多种已在我国取得初步成绩的材料界"新贵"。而生物制造行业中另一大重点——微生物制造,涵盖了工业、食品、环保等领域多种工业酶制剂,也正在迅猛发展。
生物材料三大亮点
在记者采访中,中国塑协降解塑料专委会副理事长、清华大学生物系教授陈国强为生物材料给出了这样一个定义:用可再生原料,通过生物转化获得生物高分子材料或者单体,然后进一步聚合成高分子材料。
随着石油的日益枯竭和石化树脂对环境造成危害的日益凸现,科技界和产业界都在寻找一种解决的方法:如何不以石油为原料而代之于可再生的生物质原料如淀粉、纤维素等来生产可完全生物降解的塑料,既能节约石油又能保护环境,同时也不会改变人们几十年来已经形成的大量使用塑料的生活习惯。
其实我国从"九五"开始,就不断加大对生物材料方面的投入。除了低附加值的环保包装材料之外,我国在聚羟基脂肪酸酯(PHA)和聚乳酸(PLA)等被国内外的公司开发成高附加值的医用植入材料,我国在这个领域也产生了许多学术、应用和专利成果。陈国强教授认为:"在生物材料制造领域,我国与世界先进水平的差距不大,在一些方面,我们甚至是领先的。"
目前业内专家一致认为,PHA已经成为我国生物材料产业中发展最为成熟的领域。PHA已经被世界各国科学界和产业界认为是一种"绿色塑料""环境友好塑料",可以替代传统不可降解塑料。
陈国强告诉《中国投资》:"世界上进行生物材料PHA研究最活跃的十大机构中中国就占了两个席位,分别是第一位的清华大学及第六位的中国科学院。" 正是由于国内PHA基础研究的活跃开展,极大地促进了我国PHA产业的发展,目前我国近10家生产和研发企业已经为国内PHA产业发展打下了坚实的基础,这个数字已经接近国际上所有的生产厂家总数。
其中,浙江宁波天安生物材料有限公司作为国内外最大的生产厂商,从1999年开始即与中科院微生物所合作,现年产PHA(3-羟基丁酸和3-羟基戊酸共聚物PHBV)2000吨。宁波天安生物公司副总经理陈学军在接受《中国投资》专访时表示:"我们只做PHBV一种产品,一做就是10年。目前,我们思考的问题就在于如何降低材料生产成本。"
另一种应用前景广阔的生物材料是PLA,正处于亟待规模化生产的阶段。
浙江海正集团朱康勤博士告诉记者:"我国PLA产业与国外相比起步较晚,但发展节奏较快,目前面临的问题主要在于规模化放大、产业升级与成本控制方面"。
中科院微生物所马延和研究员表示,我国PLA相关的研究和产业化基本上处于世界前列。他说:"全球研究PLA最活跃的国家是美国、中国、日本,我国PLA应用开发目前大都集中于医用材料,但更应重视PLA在包装、纤维与工程塑料方面的应用。推广绿色包装,发展全降解包装制品是全球包装工业的未来趋势。目前,美国、日本、德国等发达国家正大力发展新型可降解包装材料,我国在这方面的研制还仅仅是一个起步阶段,同国外技术相比还有很大的差距"。
目前国内从事PLA产业主要有浙江海正和上海同杰良生物材料两家企业。记者了解到,海正集团从2000年开始与中国科学院长春应用化学所进行合作,目前已成为国际上第二家能够达到5000吨级以上的生产厂家。朱康勤说:"我们正在开发耐高温纤维复合材料,其长期使用温度可达120℃以上,将在汽车仪表盘、面板,电器外壳等领域具有广泛的应用。"
此外,PBS(聚丁二酸丁二酯及其共聚物)具有优异的生物降解性,在自然条件下可100%分解成H2O和CO2,是国际上公认的可完全生物降解聚合物。
陈国强告诉记者,PBS的国内外研究热潮开始于上个世纪90年代。PBS不仅有着良好的耐水性和综合力学性能,其加工性能也是目前通用型降解塑料中加工性能最好的,这一点对降解塑料应用至关重要。另外,PBS系列聚酯在完全可生物降解聚酯中耐热性能最好,可用于制备冷热饮包装和餐盒。而对于产业化来讲最重要的一点在于通过共聚改性和共混改性,PBS可以形成系列化产品,使制品的价格接近现有通用塑料的水平。
目前,我国在PBS的生产技术和生产能力上,已处于国际先进行列。只是在专利数量上,我国和日本还有较大差距。我国PBS合成专利10项,而日本高达61项。陈国强教授认为,如果国家对PBS项目给予稳定的支持,相关产学研机构有可能在这场技术和市场的竞争中后来居上。
工业酶制剂发展正当其时
酶处于生物工业的核心地位。理论上,酶蛋白可以降解和合成几乎所有的有机化合物。工业酶制剂本身作为一种重要生物工业产品广泛应用到各个重大工业领域,同时利用酶或酶系作为催化剂所开发的技术,越来越多地用于精细化学品与大宗化学品的合成。
目前全世界单纯的酶制剂市场规模虽然只有20多亿美元,但其支撑着其下游数十倍甚至数百倍的工业。例如,以碱性蛋白酶为代表的洗涤剂用酶得到大规模使用,使洗涤过程更加经济环保,还显着改善了纺织品洗涤的质量。通过淀粉酶和糖化酶组合的"双酶法"淀粉制糖技术,完全取代了传统的高污染、低得率的酸法水解工艺,成为目前淀粉糖、玉米燃料乙醇、大宗发酵等工业的支撑技术。在饲料应用中,水解释放植物磷的植酸酶近年来迅速发展为第一大饲料酶,大大提高了植物磷的利用率,使畜禽粪便中磷的排出量减少40%以上, 极大减轻了江河、水域等环境的磷污染。
这些新形势下的技术和酶制剂产品需求,为酶制剂的新一轮发展高潮提供了技术支撑。与生物质利用、生物炼制等密切相关的酶种,如纤维素酶、半纤维素酶、脂肪酶以及淀粉水解酶类等,已被认为是新一代工业生物技术领域最重要的工业酶制剂,成为各大公司的研发热点。
马延和向记者介绍说,目前我国酶制剂研发涉及的领域比较广,包括食品、饲料、纺织、材料、发酵、能源、精细化学品和化学药品制造等主要行业。酶制剂的主要应用领域包括淀粉糖、酿酒、洗涤剂、纺织、皮革、饲料等。
我国现已有实现工业化生产的酶种30种之多,总产量超过32万吨,产值6亿多元,只占全球3.8%,而且主要集中于糖化酶、淀粉酶、蛋白酶等少数产品。我国高转化率的糖化酶产品质量达到国际水平,在国内外市场上有一定的竞争力。此外,植酸酶也进入了工业化生产,而且不同用途的新品种在开发过程中。一些脂肪酶品种的生产开始起步,并在精细化学品合成和造纸脱墨工艺上得到应用。半纤维素酶开始规模化应用到草浆造纸工艺,已累计生产纸浆100余万吨。部分抗生素生产所需要的固定化酶开始国产化。
但繁荣背后的问题不容忽视,我国酶制剂企业普遍缺乏市场竞争力,在上世纪90年代,国产酶制剂的国内市场占有率有80%,而现在不足15%,国外产品的利润率一般在40%-50%,而国内一般在10%以内。其中一个重要原因就是技术研发没有跟上,从上游技术如基因发现和改造到产业化相关的关键核心技术严重落后,特别是通用性强的、工业规模的高效酶表达体系严重缺乏。国际大型公司都将规模表达体系作为企业的最核心竞争力,投入巨资开发和保护,形成了从细菌到真菌的一系列受专利和商业机密双重保护的表达体系。而在我国,相关企业无力开发,各科研单位由于内在激励机制的原因,长期以来也没有持续投入,造成了我国酶制剂工业研发链的一个关键技术环节的缺失。
江南大学教授堵国成也在采访中表示,此前我国酶制剂研发的主要技术和设备以跟踪和引进消化为主,但是近年在基础技术和酶种开发上有所突破。我国科学家发明的高通量细胞裂解技术已许可给欧洲公司,生产出试剂盒并在国际市场上销售。我国在化学品合成用脂肪酶和植酸酶的多样性应用研究上,也开始走在世界前列。但是,在引导性工作上,与先进国家着名公司的总体差距依然非常大。
市场启动亟待政策支持
谈起以往国家对生物制造业的支持,陈国强颇有感触。我国在"七五""八五""九五"和"十五"的生物技术攻关计划中都把生物可降解材料列入了国家的重大攻关项目中。国家自然科学基金也在1998和2003年都把"细菌合成可生物降解高分子及其材料"作为重点项目支持,同时各个学科方向还支持了不少生物合成高分子材料的理论研究和应用研究。2001年、2002年和2007年我国863项目也充分认识到了用生物法合成生物可降解材料的重要性,相继在植物体系和微生物体系中立题研究生物生产可降解聚酯-聚羟基脂肪酸酯(PHA) 。
但科研经费的大量发放并不是带动产业发展的决定性因素,由于生物制造产业市场化扶持政策多年来的缺失,目前产业发展面临严峻考验。
陈国强坦言,我国生物制造领域整体仍面临规模小、利润水平不高的局面。国内并不是没有消费市场,他向记者举例:我国人口13亿,假如每人每天使用一个塑料袋,每天就是13亿只,每年就是4745亿只,假如每只塑料袋平均重量为5克,那么每年我国用于制造塑料袋的塑料约为240万吨塑料,制造这些塑料需要消耗数千万吨的原油,而使用生物质制作生物可降解塑料,就能降低30%-50%石油资源的消耗。因此想要挖掘出潜在市场的消费力量,只有依靠国家环保政策的进一步配合。
天安生物材料有限公司自创始以来,98%的产品都是向外出口。陈学军认为:"目前国际上对于生物降解塑料的发展都处于一种萌芽状态,这是一个新兴产业,生产成本较高同时售价也较高,只有那些环保意识较强的下游厂商才会采用此类产品,而国内目前明显没有这样的产业气氛支撑"。
天安面临的情况其实是大量生物材料制造商的共性问题,各公司主要市场均在欧美及澳大利亚等地。根据陈学军的判断,国内市场近一两年都不会有较为明显的起色。究其原因,主要还在于细化政策支持力度不够。
"目前德国就有相关的产业扶持政策,如果采用聚乙烯材料,国家会向厂商征收一倍左右的税收,以弥补全社会为这种不能降解的塑料材料的回收处理产生的成本,这样一来原本具有价格优势的聚乙烯等化学材料,本身价格将近10000多人民币一吨,额外的税还需缴纳10000多人民币,而先进的环境友好型材料聚乳酸售价也就在20000多一吨左右,这样生物材料的性价比就能得到凸显",陈学军告诉记者。
同济大学教授任杰告诉《中国投资》,同PHA一样,对于PLA市场,我们也可以开启高端市场,在中国建立聚乳酸工厂,开发塑料的改性技术。但他认为,市场的发展仍然需要大量政策支持。例如,可将降解塑料及聚乳酸产品定为免税产品来打开市场,因为不可降解塑料所带来的环境治理费用极为庞大,理应对两种产品实施不同税费政策,考虑免除国内可降解塑料产品的所有营业税、关税和增值税,仅此一项就可能启动降解塑料产品市场;国家还可立法推动降解塑料市场,强制高端市场使用降解塑料(如连锁店、大城市、国家公园、航空公司、家电、化妆品等),因为它们能承受价格差别。同时,禁止使用导致长期环境问题的不完全降解塑料(至少对一次性产品),而对不完全降解的塑料生产商和分销商征收废弃物处置费。此外,要注意产业布局与规划,防止重复建设,在聚乳酸市场成形前,不鼓励过早建设太多没有自主知识产权的小聚乳酸厂,否则将导致恶性竞争,扼杀未成熟产业。
马延和表示,若想从根本上解决这些问题,还是要走"政产学研用"相结合的路子,大力支持生物基材料核心技术研发,加大对生物材料的改性和加工研究的投入,加强学科交叉、系统集成及产品的应用开发,大力发展具有自主知识产权的技术与产品,建立健全产业标准体系。由政府制定出台相关产业扶持政策,引导产业结构调整,优化产业布局及市场环境,从而促进生物基材料进入良性发展和规模化生产。马延和研究员以国外政策向记者举例,意大利、法国、西班牙已经颁布措施,从2010年起全面禁止非生物降解塑料袋;美国的加州规定所有餐馆必须使用完全生物降解的塑料。
政策方面已经成为生物制造产业发展的助推器。北京工商大学高级工程师、中国塑料加工工业协会降解塑料专业委员会秘书长翁云宣对《中国投资》表示,我国去年6月1日发布了"限塑令",下一阶段应该出台"使用环保的生物塑料"政策,以发展我国的"生物质工程",启动生物塑料市场,从而使我国能减少对石油的过度依赖。
记者在采访中接触到的专家及企业负责人纷纷表示,当前我国尚缺乏成熟的风险投资机制。对此马延和建议,政府可以考虑以美国"小企业资金"的资助模式,联合私人投资者、大学和科研机构联合创办生物基材料和酶制剂领域的创新型企业。在严格监管资金使用的同时,允许企业失败。
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名词解释
生物基材料是指利用可再生生物质,包括农作物、树木、其他植物及其残体和内含物为原料,通过生物、化学以及物理等方法制造的一类新材料。它是生物制造的重点领域之一。
