概念及分類(lèi)

生物基材料是指利用生物質(zhì)為原料或(和)經(jīng)由生物制造得到的材料，包括以生物質(zhì)為原料或(和)經(jīng)由生物合成、生物加工、生物煉制過(guò)程制備得到的生物醇、有機(jī)酸、烷烴、烯烴等基礎(chǔ)生物基化學(xué)品和糖工程產(chǎn)品，也包括生物基聚合物、生物基塑料、生物基化學(xué)纖維、生物基橡膠、生物基涂料、生物基材料助劑、生物基復(fù)合材料，及各類(lèi)生物基材料制得的制品。

圖|常見(jiàn)的生物基材料全生命周期

生物基材料原料主要為木質(zhì)素、纖維素、淀粉、多糖和植物油等物質(zhì)，通過(guò)生物合成等方法轉(zhuǎn)化成生物基單體，進(jìn)一步加工得到生物基材料產(chǎn)品。某些重要的單體，如乳酸、丁二酸(琥珀酸)、糠醛、賴(lài)氨酸等，兼具產(chǎn)品和原料兩種功能，也稱(chēng)為平臺(tái)化合物。

圖|生物基材料原料及構(gòu)建片段

在IEA BioEnergy發(fā)布的“Bio-Based Chemicals,A 2020 Update”研究中提供了一份生物基大宗化學(xué)品和聚合物清單，按照C1至C12化合物分類(lèi)并排序，極大程度地覆蓋了目前在研和已投入商業(yè)化的產(chǎn)品類(lèi)型。

圖|生物基大宗化學(xué)品和聚合物清單(C1-C12)

按產(chǎn)品屬性分類(lèi)，生物基材料可分為生物基聚合物、生物基塑料、生物基化學(xué)纖維、生物基橡膠、生物基涂料、生物基材料助劑、生物基復(fù)合材料及各類(lèi)生物基材料制得的制品等。生物基纖維廣泛應(yīng)用于時(shí)裝、家居、戶(hù)外及工業(yè)領(lǐng)域，正逐步走向工業(yè)規(guī)模化實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化階段，生物基塑料產(chǎn)品在包裝材料、一次性餐具及購(gòu)物袋、嬰兒紙尿褲、農(nóng)地膜、紡織材料等領(lǐng)域獲得較好應(yīng)用。

按常見(jiàn)產(chǎn)品形式，生物基材料可分為五大類(lèi)，生物基平臺(tái)化合物、生物基塑料、多糖類(lèi)生物基材料、氨基酸類(lèi)生物基材料，和木塑復(fù)合材料。生物基平臺(tái)化合物即聚合成原材料高分子的化學(xué)單體，如乳酸，1,3-丙二醇等，生物基塑料目前應(yīng)用最廣泛、研究較深入，代表產(chǎn)品有聚乳酸、聚羥基脂肪酸酯等。

圖|生物基材料分類(lèi)及各類(lèi)產(chǎn)品形式

生物基材料分類(lèi)四象限

各國(guó)鼓勵(lì)生物基材料的使用和推廣。美國(guó)2012年提出“國(guó)家生物經(jīng)濟(jì)藍(lán)圖”，將發(fā)展生物基產(chǎn)品作為發(fā)展生物經(jīng)濟(jì)的主要內(nèi)容之一。歐盟實(shí)施“地平線(xiàn)2020”計(jì)劃，“可持續(xù)工業(yè)”計(jì)劃，“生物基產(chǎn)業(yè)聯(lián)合企業(yè)”計(jì)劃，通過(guò)這三大計(jì)劃，歐盟生物基產(chǎn)業(yè)進(jìn)入全新發(fā)展階段。到2030年，歐盟將有30%的石化衍生化學(xué)品被生物基和可生物降解替代品取代。

基于糧食原料發(fā)展生物基材料難以為繼，因此選擇將非糧生物質(zhì)如大宗農(nóng)作物秸稈及剩余物等作為發(fā)展生物基材料的原料。2023年1月，工信部等六部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《加快非糧生物基材料創(chuàng)新發(fā)展三年行動(dòng)方案》，提出到2025年，非糧生物基材料產(chǎn)業(yè)基本形成自主創(chuàng)新能力強(qiáng)、產(chǎn)品體系不斷豐富、綠色循環(huán)低碳的創(chuàng)新發(fā)展生態(tài)，非糧生物質(zhì)原料利用和應(yīng)用技術(shù)基本成熟，部分非糧生物基產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力與化石基產(chǎn)品相當(dāng)，高質(zhì)量、可持續(xù)的供給和消費(fèi)體系初步建立。

以石油為原料的現(xiàn)代化工生產(chǎn)了聚合物、溶劑、表面活性劑等大量基礎(chǔ)材料，進(jìn)一步生產(chǎn)出包裝材料、化學(xué)纖維、合成橡膠、粘合劑、日用化學(xué)品、潤(rùn)滑劑等基礎(chǔ)化工品，從而支撐起現(xiàn)代材料需求。但長(zhǎng)久以來(lái)，面對(duì)各行業(yè)對(duì)新材料的迫切需求，傳統(tǒng)化工方法所生產(chǎn)的材料創(chuàng)新基本停滯，而生物分子比石油基分子更具化學(xué)多樣性，超過(guò)300萬(wàn)種新的分子材料尚待發(fā)掘應(yīng)用，是新材料創(chuàng)新發(fā)展有效途徑，同時(shí)細(xì)胞工廠(chǎng)、酶催化、生物反應(yīng)器等生物底層技術(shù)的成熟拉動(dòng)了生物基材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

圖|全球新材料創(chuàng)新基本停滯

圖|生物分子多樣性帶來(lái)規(guī)模化產(chǎn)品創(chuàng)新機(jī)會(huì)