2022年中国生物基可降解材料技术与行业研究报告.pdf

1Copyright DeepTech 2022.All rights reserved.目录2Chapter 1 序曲政策市场资本三轮驱动，可降解材料产业迎风起势06Chapter 2 肯綮PLA 技术及行业应用14Chapter 3 锋镝PHA 技术及行业应用25Chapter 4 乘风技术创新力增强反哺产业，生物手段赋能传统制造将改变供应格局3543结语研究背景0445版权说明3“双碳”目标、环境污染等问题已经迫在眉睫。为减少不易降解的石化塑料造成的白色污染，我们一直在寻找可降解材料，生物制造是路径之一。在化工领域，生物基可降解材料也可用合成生物学的方法来做，PHA、PLA 等都有对应广阔的市场。从当前国内外最新的合成生物学技术进展来看，若能产生核心突破，如对微生物进行基因操作，将会对行业产生重大颠覆。尤其是在微生物发酵生产新材料部分，一些小分子化学品、高分子、中间体等，会有较大发展。再过五年、十年，中国在各个生物制造领域会达到世界一流水平。未来非常重要的一点是，在某个大众领域出现新的爆款产品，能使家家户户都切实感觉到合成生物学在解决大众的问题。本研究报告对中国生物基可降解材料技术和行业进行了非常仔细的调研和分析，产生了客观的结论，对行业的投资人，技术发明和跟踪人以及相关企业很有参考价值。清华大学生命科学院化学工程系教授 陈国强博士撷英生物基材料既属于科技行业，也属于低碳行业，被发改委列入战略性新兴产业重点产品和服务指导目录。生物基可降解塑料是生物基材料应用最为广泛的类型之一，本报告对生物基可降解材料的研究重点集中于生物基可降解塑料，同时也包括其他典型非塑料场景。基于“双碳”背景，锚定绿色生物制造的目标，生物基可降解材料得益于优秀的碳减排能力，成为替代和补充石化基材料的最佳选择。多个国家地区掀起“限塑禁塑”热潮，将可降解材料产业推上风口浪尖。本报告以技术发展为切入点，聚焦最具商业前景产品PLA（聚乳酸）、最具创新力产品 PHA（聚羟基脂肪酸酯），以产学研情况为主轴，从政策驱动到产业成果复盘中国降解材料发展历程，纵览可降解材料行业现状、生态前景。此外，本报告系统地梳理关注生物基降解材料技术的企业、科研院校、专业人才、资本等，深刻剖析当前积极推进技术产业化的中坚力量，研判技术及产业化面临的挑战与机遇。研究背景与研究思路4降解（degradation）：受环境条件的影响，经过一定时间和包含一个或多个步骤，结构发生显著变化、性能丧失（如：完整性、相对分子质量、结构或力学强度）的过程。可降解塑料（degradable plastic）：指在自然界如土壤和/或沙土等条件下，和/或特定条件如堆肥化条件下或厌氧消化条件下或水性培养液中，由自然界存在的微生物作用引起降解，经过一段时间和包含一个或更多步骤，导致材料化学结构的显著变化而损失某些性能（如完整性、分子质量、结构或机械强度）或发生破碎的塑料。生物基材料（bio-based Materials）：是指利用可再生生物质或经由生物制造得到的原料，通过生物、化学、物理等手段制造的一类新型材料，如生物塑料、生物质功能高分子材料等。生物基材料区别于用煤、石油等不可再生石化资源为原料生产的传统化工材料产品，其具有原料可再生、减少碳排放、节约能源等特性，部分品类还具有良好的生物可降解性，是新材料产业发展的重要方向。聚乳酸（PLA）：聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生。聚乳酸的生产过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，因此是理想的绿色高分子材料。聚羟基脂肪酸酯（PHA）：PHA 是由很多微生物合成的一种细胞内聚酯，是一种天然的高分子生物材料，同时具有良好的生物相容性、生物可降解性和热塑性，可作为生物医用材料和生物可降解包装材料等。5名词释义6 背景：生物基材料细分产品众多 政策：“限塑令”叠加“两会最强音”，可降解材料产业迎风起势 呼吁：后石油时代白色污染治理迫在眉睫 研发：学术领军人为技术打下坚实根基，青年学者不断求索勇攀高峰 专利：成果和发展趋势以聚乳酸、复合材料、高分子材料等为主要方向 资本：围猎碳中和，可降解材料企业屡获融资Chapter 1 序曲政策、市场与资本三轮驱动，可降解材料产业迎风起势生物基材料按可降解与否分类可分为生物基可降解材料与生物基不可降解材料，其中，生物基可降解材料具有传统石油塑料等高分子材料不具备的绿色、环境友好、原料可再生以及可生物降解的特性。按是否为聚合物分类可分为生物基聚合物（生物基塑料）与生物基非聚合物。生物基可降解塑料是生物基材料应用最为广泛的类型之一，本报告对生物基可降解材料的研究重点集中于生物基可降解塑料部分，同时也包括其他非塑料场景。7背景：生物基材料细分产品众多图 1丨生物基材料按能否降解分类（来源：DeepTech）类型产品生物基非聚合物生物基复合材料淀粉基塑料材料及制品、木塑材料、竹塑材料其他生物基制品功能糖产品、化妆品、护肤品、生物柴油生物基橡胶生物基植物橡胶、生物基合成橡胶生物基涂料生物基改性沥青卷材、生物基高分子防水卷材、生物基防水涂料生物基化学纤维海洋生物基纤维、生物基可再生纤维、生物基合成纤维生物基材料助剂生物基阻燃剂、生物基表面活性剂、生物基润滑剂、生物基增塑剂、生物基胶黏剂、生物基清洁剂生物基聚合物生物基聚合物（塑料）环氧树脂（EPO）、聚氨酯（PU）、醋酸纤维（CA）、聚对苯二甲酸乙二醇（PET）、聚对苯而就按丙二酯（PTT）、三元乙丙橡胶（EPDM）、聚乙烯（PE）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）、聚酰胺（PA)、聚羟基脂肪酸酯（PHA)、聚乳酸（PLA）、淀粉混合物表 1丨生物基材料按是否为聚合物分类（来源：DeepTech）生物基材料生物基可降解材料生物基不可降解材料生物基可降解聚合物（生物基可降解塑料）生物基可降解非聚合物从“限塑令”至“禁塑令”，政策在三个阶段呈现出宏观向微观、由指导性政策向强制性政策发展的特点，可降解塑料产业迎发展蓝海。2022 年以来全球首个“限塑令”发布叠加两会最强音，可降解材料产业迎风起势。政策：“限塑令”叠加“两会最强音”，可降解材料产业迎风起势设 置 三 个 关键 节 点关于进一步加强塑料污染治理的意见“十四五”塑料污染治理的行动方案2020 年至今2020 年 1 月对政策的执行进行细化商务部办公厅关于进一步加强商务领域塑料污染治理工作的通知重点新材料首批次应用示范指导目录（2021 年版）第一阶段：限塑第二阶段：过渡第三阶段：禁塑弱作用力宏观层面明确了采用可生物降解新材料代替传统塑料的路径强制性政策刺激行业发展限 制 一 次 性发 泡 塑 料中华人民共和国固体废物污染环境防治法淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录（第一批）20072017 年19952004 年限 制 塑 料 袋生 产 和 销 售关于限制生产销售使用塑料购物袋的通知商品零售场所塑料购物袋有偿使用管理办法“洋 垃 圾”禁 令禁止洋垃圾入境推进固体废物进口管理制度改革实施方案的通知20172019 年2017 年 7 月生 物 基 新 材料 列 入 战 略性 新 兴 产 业增强制造业核心竞争力三年行动计划（20182020 年）重点新材料首批次应用示范指导目录（2019 年版）图 2丨“限塑禁塑”政策在三个阶段的不同表现（来源：政府官网、DeepTech）“十四五”工业绿色发展规划：多种生物基材料纳入了原材料重点任务，同时加强对生物基材料的研究与投入，提高国家自主贡献力度。两会可降解塑料最强音：2022 年两会期间，针对如何解决现阶段的塑料危机，提案围绕标准体系、评价体系、可循环等话题，对可降解塑料产业提出新的部署建议。联合国环境大会第五届会议续会：会议于 2022 年 2 月 28 日至 3 月 2 日召开，重点讨论了全球塑料污染问题，全球首个“限塑令”发布，提出终结塑料污染，并在 2024 年前达成一项具有国际法律约束力的协议。83.43.21.91.301234PSPETPPPLA温室气体排出量（单位：kg/CO2）87807342-101030507090PSPETPPPLA不可再生能源消耗量（单位：kg/polymer）现代人的生活离不开塑料，越来越多的人也注意到塑料带来的污染。需求和白色污染之间的矛盾该如何解决？从市场规模看，无论是日常生活还是工业制造，人类的进步与塑料息息相关，全球每年使用塑料袋约 1 万亿个，塑料瓶约 2000 亿个。新冠疫情亦催生全球对塑料制品的需求，疫情防控期间全球塑料包装市场规模从 2019 年的 9092 亿美元增长到2021 年的 10126 亿美元。从环保端看，能源危机与环境危机亟待解决。当前社会已进入以化石能源为主要特征的后石油时代，过度开采违背自然规律导致化石资源日益枯竭，造成温室效应、全球生态失衡和人类生存环境恶化。与此同时，废塑料造成的“白色污染”日益严重，全球每年产生约 3 亿吨塑料垃圾，其中超过 800 万吨的塑料进入海洋，相当于每分钟向大海倾倒满满一辆垃圾车的塑料。难以降解的塑料袋、塑料瓶，将在大自然中存在数百年之久。可降解材料存在较大环保优势，成为替代和补充石化基材料的有益选择。以 PLA 为例，可降解塑料碳排放量明显低于传统塑料。得益于其优秀的温室气体减排能力，可降解塑料受到了广泛关注。从长远看，可降解塑料能从根本上解决环境危机和能源危机等困境。呼吁：后石油时代白色污染治理迫在眉睫，可降解塑料由于其环保特性成为替代和补充化石基材料的有益选择9图 3丨PLA 环保优势（来源：BusinessWire、DeepTech）10学术领军人学科带头人及青年学者研发：学术领军人为技术打下坚实根基，青年学者不断求索陈振黄勇孔庆山清华大学化工系副教授中国科学院理化技术研究所研究员中科院青岛能源与过程研究所研究员刘小青马丕明任杰中科院宁波材料所研究员江南大学化学与材料工程学院教授，副院长同济大学材料科学与工程学院教授陶飞王润国王万杰上海交通大学生命科学技术学院研究员北京化工大学材料科学与工程学院教授郑州大学材料科学与工程学院副教授，副院长余彬于彦存张兴宏中国科学技术大学教授中科院长春应用化学研究所研究员浙江大学高分子科学与工程学系副教授陈国强陈金州陈学军清华大学生命科学院化学工程系教授，清华大学合成生物学中心主任郑州大学教授中国科学院天津工业生物技术研究所郭宝华蹇锡高王玉忠清华大学高分子研究所所长中国工程院院士，大连理工大学教授，高分子材料研究所所长四川大学化学学院教授王献红谢尚县赵京波中科院长春应用化学所研究员华中科技大学生命科学与技术学院教授北京化工大学材料科学与工程学院教授*仅为部分呈现；按姓名拼音首字母排序*仅为部分呈现；按姓名拼音首字母排序中国部分代表性科研机构和人才资源图景11图 4丨中国可降解材料相关高校及代表科研机构（仅为部分呈现，没有先后顺序；来源：各高校及科研机构官网、DeepTech）科研院所高校技术团队中科院宁波材料所陈景研、朱锦团队木质素基聚氨酯泡沫敷料方面取得新进展兰州化物所李福伟团队生物基可降解聚酯单体制备喜迎新进展上海交通大学陶飞研究员团队利用蓝藻细胞工厂以 CO2 为原料，从头合成生产聚乳酸青岛能源所王庆刚团队废弃聚乳酸降解再聚合化学循环新策略长春应化所张洪杰院士团队通过大肠杆菌合成智能生物塑料湖北工业大学赵西坡团队支化聚乳酸的制备及其在改性聚乳酸中的应用研究进展中科院长春应化所陈学思院士团队在功能化聚乳酸的制备方面取得重大突破东华大学武培怡/侯磊团队在对高分子分子间相互作用机理的研究取得重大进展*仅为部分呈现；没有先后顺序专利：成果和发展趋势以聚乳酸、复合材料、高分子材料等为主要方向就专利发布数量来看，2010 至 2021 年中国生物基可降解材料专利申请数量逐年递增，该领域内创新力不断提升。此处检索词条为“生物基可降解材料”。生物基可降解材料技术创新词集中在聚乳酸、复合材料、塑料薄膜、高分子材料等。可以期待未来产业相关创新也将重点基于上述关键词展开。12图 5丨中国生物基可降解材料专利申请数（件）（数据来源：智慧芽）图 6丨生物基可降解材料专利技术创新词云（数据来源：智慧芽）971231612062202813573884074506186370200400600800在“双碳”目标驱动之下，中国资本市场对 ESG 投资有着相当程度的需求，尤其是与生态保护、低碳转型等相关的领域。生物基可降解材料产业作为“双碳”路上的重要环节，也迎来可观的融资需求与投资机会。以此为背景，生物基可降解材料赛道在近年来掀起了投融资高潮。目前，中国专注于降解材料制造的公司融资阶段多集中在早期，企业成长性较大。2022 年 1 月中旬，蓝晶微生物宣布完成 B 系列 15 亿元融资，刷新中国一级市场同赛道企业的融资纪录，此轮投资方为三一创新、中平资本、元生资本、国家混改基金、碧桂园创投。此外，合成生物学企业微构工场在 2022 年 1 月完成了 2.5 亿元 A 轮融资。资本：围猎碳中和，可降解材料企业屡获融资13主营业务企业名称融资日期融资轮次金额投资机构聚乳酸艾道博环保2020.3.19未披露未披露南京市产业发展基金聚乳酸海正生物材料2020.12.31战略融资未披露中国石化聚乳酸江西科院生物新材料有限公司2021.9.24股权转让2894 万元联泓新材料聚乳酸禾尔斯环保2021.11.23Pre-A 轮未披露深创投PHAs蓝晶微生物2022.1.10B 轮15 亿元元生资本、中国国有企业混改基金、中平资本、黄海金控、中州蓝海、峰瑞资本、碧桂园创投PHAs微构工场2022.1.17A 轮2.5 亿元中国国有企业混改基金、国中资本、众海投资、临空兴融投资、红杉中国聚乳酸旗禾科技（吉林）有限责任公司2022.1.26天使轮未披露天津鼎佳、国富资产、金塔股权表 2丨 中国生物基可降解材料相关企业部分投融资事件（来源：公开资料、DeepTech）14 技术意义：PLA 无毒且可完全生物降解，符合“碳中和”政策的引导方向 技术溯源：工业化初具规模，双环节共同决定产品质量，产研合作助力突破丙交酯聚合瓶颈 产业链路：原料、制品、应用三足鼎立，头部企业力争打通全产业链 商业现状：聚乳酸需求旺盛，各生产商正积极投资及扩产 行业图景：三类企业各具业务优势Chapter 2 肯綮PLA 产业化及应用情况PLA（聚乳酸）是一种无毒、可完全生物降解的聚合物。它不仅具有较好的化学惰性、易加工性，而且还具有良好的生物相容性，是最有前途的可生物降解高分子材料之一。聚乳酸的特点包括形成生物质资源循环体系、符合“碳中和”政策的引导方向、制品的处置方式多样、具备良好的性能以及环境友好性。技术意义：PLA 无毒且可完全生物降解，符合“碳中和”政策的引导方向15阳 光温 度湿 度生 物降 解乳 酸P L A 车 间蔗 糖源 于 植物 天 然安 全生 产车 间产 品成 型PLA源于自然归于自然形成生物质资源循环体系符合“碳中和”政策的引导方向制品的处置方式多样具备良好的性能环境友好性改性方法包括增塑改性、共聚改性、交联改性、复合改性四类。增塑改性：在高聚物中混溶一定量的高沸点、低挥发性的低分子量物质，改善其机械性能与加工性能；共聚改性：在聚乳酸的主链中引入另一种分子链，使得 PLA 大分子链的规整度和结晶度降低；交联改性：在交联剂或辐射作用下，通过加入其它单体与聚乳酸发生交联反应，生成网状聚合物改善其性能；复合改性：将聚乳酸与其他材料复合，旨在解决聚乳酸脆性问题，达到增强目的。聚乳酸的研发集中于对聚乳酸的合成与改性两方面，即在不断改进、简化和缩短 PLA 的合成工艺的同时，用新材料、新方法对 PLA 改性，开发出新用途、高性能的 PLA材料。聚乳酸改性方法包括什么？聚乳酸研发重点在于什么？技术溯源：工业化初具规模，双环节共同决定产品质量，产研合作助力突破丙交酯聚合瓶颈90 年代以来，环保意识增强致使人们对可降解材料特别是可生物降解的聚乳酸越来越重视，此时研发端聚焦在聚乳酸的性能及合成技术和工艺改进方面，这一时期的研究十分活跃，并取得了一定的成果。中国科学院长春应用化学研究所联合海正集团于 2007 年建成中国首条 5000t级 PLA 中试生产线。2014 年底，中国已有一条万吨 PLA 生产线建成。至此，中国 PLA 产业化进入了新领域。目前，中国对聚乳酸的研究和开发已取得一定的进展，初步实现由实验室迈向工业化生产的阶段，且产业初具规模。1.工业化初具规模16技术溯源：工业化初具规模，双关键环节共同决定产品质量，产研合力突破丙交酯聚合瓶颈17PLA 目前是产业化最成熟、产量最大、应用最广泛的生物基可降解材料。合成手段包括原料反应、化学过程、物理过程三大阶段。工业上采用的主要是开环聚合法，产业链技术难点在于丙交酯的合成和纯化。聚乳酸是以乳酸或乳酸的二聚体丙交酯为单体，通过聚合的方式得到的高分子聚酯型新材料。乳酸是一种手性分子，具有两种旋光异构体，分别为左旋的 L乳酸和右旋的 D乳酸。目前乳酸纯度是影响聚乳酸产物性质的关键环节之一。目前制备聚乳酸的方法分为一步法和两步法，即丙交酯开环聚合法和直接缩聚法。L乳酸D乳酸聚乳酸的产业化程度以及技术难点如何？聚乳酸是如何合成的？丙交酯聚乳酸（PLA）开环聚合两步法一步法H2O乳酸玉米小麦淀粉酶糖渣发酵萃取反萃取酸化浓缩离子交换离心交酯交酯结晶过滤干燥沉淀聚合干燥PLA产品关键环节甜菜2.乳酸纯度与丙交酯聚合度共同决定产品质量一步法是指乳酸分子通过脱水缩聚反应制备 PLA 的过程；两步法是指将乳酸先脱水生成低聚物，然后解聚生成丙交酯，再开环聚合制得 PLA 的过程。作为 PLA 合成的两种主流方式，一步法、两步法各具优劣势。一步法核心技术在于副产物水分的脱除，目前鲜有企业可实现一步法制备聚乳酸工艺的落地。它的优势在于产率高、流程简短、工艺简单、产物聚乳酸不含催化剂，以及成本低；劣势在于：一是原料只能使用纯净乳酸；二是随着反应的进行体系黏度越来越大，副产物水在粘性熔融物中难以除去，很难保证反应向生成聚合物方向进行，易发生解聚；三是产物聚乳酸分子量较低，应用场景有所限制。两步法核心技术在于丙交酯的合成和纯化。它的优势在于：一是原料乳酸纯度要求不高；二是丙交酯的纯度及反应条件可控，以生产高分子量及化学结构可控、力学性能较好的 PLA；劣势在于粗丙交酯中含水、乳酸、乳酸低聚物等杂质，丙交酯的纯度和产率会直接影响聚乳酸的质量和生产成本，丙交酯必须提纯才能聚合得到高分子量的产品；二是整个过程需要在高温、负压催化的条件下进行，工艺过程复杂，成本较高。技术溯源：工业化初具规模，双环节共同决定产品质量，产研合作助力突破丙交酯聚合瓶颈18一步法两步法技术溯源：工业化初具规模，双环节共同决定产品质量，产研合作助力突破聚乳酸关键技术瓶颈中国聚乳酸技术研发主要依靠企业与科研机构合作。中国许多企业正在大力研发丙交酯生产技术，试图攻破 PLA 产业技术壁垒，打通“乳酸丙交酯聚乳酸”全产业链，增强成本优势。上海同杰良公司技术来自同济大学，采用一步法生产工艺，现已具备“乳酸聚乳酸”的生产能力。浙江海正丙交酯技术工艺来自于长春应化所，其丙交酯成功实现生产，能够实现部分自供，公司依托生物技术方面积累，持续向聚乳酸上下游产业链延伸，但目前公司缺乏原材料乳酸生产，需要向中国金丹科技等企业采购。金丹科技和南京大学合作，采用有机胍催化工艺，尝试打通“乳酸丙交酯”产业链，中试结果较好，成本有望随工程化能力提高而持续降低。1901000020000300002011年2012年2013年2014年2015年2016年2017年2018年2019年2020年聚乳酸进口数量（吨）聚乳酸出口数量（吨）万吨中国 PLA 贸易逆差较高，归因于聚乳酸生产技术壁垒高，全产业链的国际依存度较高。近十年中国聚乳酸进口数量受需求的推动迅速攀升，2017 年首破 1 万吨后，于2020 年迅速增长至 2.57 万吨，年复合增长率接近 37%。为应对这一情况，业界与学界均做了大量努力试图突破聚乳酸制造关键技术瓶颈。3.企业与科研机构合作研发，力图突破聚乳酸制造关键技术瓶颈上海同杰良&同济大学一步法生产工艺；具备“乳酸聚乳酸”生产能力。具备从乳酸和丙交酯两条路线合成聚乳酸的能力；缺乏乳酸生产力，需从外部企业采购；可生产丙交酯，实现部分自供。具备乳酸生产能力；正打通“乳酸丙交酯”产业链，尝试生产中间体丙交酯。浙江海正&长春应化所金丹科技&南京大学PLA 原料丙交酯的上游是乳酸，来源于玉米等生物质原料的发酵，其获取来源通过三代工艺的改变从一代以玉米和小麦为原料再到木薯和甘蔗，到第三代以秸秆或农业废弃物为原料，目前仍以玉米为主。从玉米的总体供应情况来看，2011 年以来中国玉米产量占粮食总产量的约 40%。产量方面，玉米产量从 2011 年的 2.11 亿吨增长至 2015 年的 2.65 亿吨之后，逐渐回落并稳定在 2.60 亿吨左右。进口量方面，相比之下中国玉米的进口数量较少。2012 至 2019 年玉米进口数量总体保持在 300500 万吨，均在进口配额以内；2020 年，受中国饲料需求增加的影响，玉米进口数量增至 1130 万吨，但与产量相比仍然较小。2021 年，玉米进口数量进一步提升。值得注意的是，传统 PLA 制造方式以粮食作为生产材料，会导致材料与粮食供应存在一定的资源竞争，因此以非粮原料为基础的新一代 PLA 工业生产技术亟待开发。产业链路：原料、制品、应用三足鼎立，头部企业力争打通全产业链200200400玉米进口数量（百万吨）玉米产量（百万吨）图 16丨中国玉米供应量变化情况（来源：Choice、DeepTech）农业生物可降解地膜作为近年来的研究热点之一，不仅具备了普通塑料膜的增温保墒功能，而且在一定的时间后会在自然状态下完全分解，不影响作物的生长，是解决农田白色污染的有效途径。机械制造行业聚乳酸通过注塑加工、挤压与锻造、增材制造，可快捷制造材料零件或部件，实现轻量化整体制作、便捷安装、单独拆卸、回收再加工。聚乳酸材料零部件的使用，对产品的小批量、短周期、个性化、柔性化生产，也可挖掘在国防军工、航空航天等重大领域中的应用。塑料工业聚乳酸可用于电子产品外壳及零部件。运用聚乳酸及其复合改性材料（如聚乳酸合金），实现可折叠、可扭曲、可锻制、可伸展的电子材料加工制备。此外聚乳酸还可用于儿童玩具、包装包材、一次性餐具等领域。纺织业高聚合度聚乳酸通过工艺手段制得聚乳酸纤维，生产的面料具有良好的悬垂性、水扩散性、抗污性、加工性能、卷曲稳定性，适用于各种时装、休闲装、个人护理用品、运动服饰、运动护具、户外运动休闲用品等，应用前景良好、产业规模较大，具有可观的市场需求。医药行业聚乳酸除一次性医用口罩、手套、床单、护垫、器皿外，在体内医用材料方向也有广泛应用，如可吸收螺钉、手术线，可用作人体组织修补的纤维编织物或膜材料，骨折内固定材料，眼科植入材料等。医用聚乳酸也可用作药物控释材料，在现代药物与剂型升级发展方面具有特殊的应用价值。下游应用情况如何？以聚乳酸为基础材料制得的生物全降解产品在功能上可完全替代一次性塑料制品，是高效治理“白色污染”的关键，集中应用在塑料工业、纺织业、医药行业、农业、机械制造行业等。产业链路：原料、制品、应用三足鼎立，头部企业力争打通全产业链21医药行业塑料工业农业纺织业机械制造业图 17丨聚乳酸主要应用场景（来源：DeepTech）产业链路：原料、制品、应用三足鼎立，头部企业力争打通全产业链22除上文所述企业，其他产业头部企业亦致力于打通全 PLA 全产业链环节。在国际贸易形势不容乐观、中国经济转型、产业升级的大背景下，完整掌握了聚乳酸制备工艺的企业将从中受益。中粮科技依次打通了改性生产 PLA 制品、聚合生产 PLA 原料与发酵生产 PLA 单体乳酸的全产业链生产工艺，增强 PLA 产品的供给与产业化能力。其从理论、工艺到装备全方位突破了国外对高光纯丙交酯产品的技术垄断。特别是“两级浓缩两步缩聚全程控温”的连续反应新工艺，显著提高了产率和光学纯度，降低了生产成本。金丹科技立足乳酸生产积极布局聚乳酸 PLA 产业链。其目前拥有 12.8 万吨乳酸及盐产能，是中国最大也是全球主要的乳酸生产企业，一方面继续夯实乳酸主业，一方面延伸产业链进军 PLA 行业。其拥有完整的、自主研发的高效工程菌种的选育、乳酸及衍生产品的制备、提纯等多项核心技术。万华化学协同布局 PBAT 与 PLA，进军可降解塑料领域。目前，万华实验室已经攻破PLA 产品的技术难点，开始准备中试，届时将实现乳酸单体制造技术的国产化，打通聚乳酸产业完整链条。道恩股份加大研发投入，储备可降解塑料技术。其青岛研发中心通过聚合物共混改性，已开发出 PLA/PBAT 合金性能可调生物可降解材料及淀粉填充完全生物可降解材料等，储备了可降解塑料技术，形成了系列产品储备。商业现状：聚乳酸需求旺盛，各生产商正积极投资及扩产从市场需求来看，随着中外环保政策趋严以及“限塑禁塑”政策的稳步推进，聚乳酸产品下游市场迅速扩大。根据中国塑协降解塑料专业委员会数据，预计到 2025 年，中国 PLA 市场规模将突破 300 亿元。企业正加快 PLA 产能布局。从现有产能看，受制于技术水平、生产规模等因素，目前中国 PLA 市场分散度较高。河北华丹和丰原集团都拥有 5 万吨/年产能，位列中国PLA 企业的领先地位。浙江海正目前拥有 4.5 万吨/年产能，且其称已自主掌握丙交酯（聚乳酸中间体）等核心技术，能够夯实推进中国聚乳酸的产业化发展。从在建产能看，PLA 新增产能行业集中度较高，浙江友诚、丰原集团、同邦新材料的在建产能均在 30 万吨/年及以上量级，较现有产能有显著提升。下游需求旺盛进一步推动中国各生产商积极投资及扩产。预计当中国企业陆续打通技术难点丙交酯的产业链后，PLA 投产将继续加快，产业发展前景愈加明朗。23中国 PLA 现有产能分布中国 PLA 在建产能分布企业地区产能（万吨/年）企业地区产能（万吨/年）河北华丹河北5浙江友诚浙江50丰原集团安徽5丰原集团安徽40浙江海正浙江4.5同邦新材料山东30吉林中粮生化吉林3山东泓达生物山东16永乐生物河南2东部湾生物上海8深圳易生深圳1永乐生物河南8上海同杰良上海1浙江海正浙江3光华伟业深圳1金发科技广东3江苏天仁江苏0.5金丹科技河南1江苏九鼎江苏0.5河南龙都天仁河南1合计/23.5合计/160表 3丨中国 PLA 现有及在建产能分布情况（来源：公开资料、DeepTech）行业图景：三类企业各具优势，共同推动技术创新水平24中国聚乳酸企业图景高光纯乳酸和聚乳酸产能相互匹配业务专注于聚乳酸的生产对外销售高光纯乳酸图18丨中国聚乳酸（部分）企业图景（来源：DeepTech）纵观中国聚乳酸行业发展局面，以原料乳酸自给情况作为界定，主要有三种类型企业。第一类是以海正为代表的企业，其业务专注于聚乳酸的生产，需要从外部采购高光纯乳酸以满足原材料需求；第二类是以金丹科技为代表的企业，其高光纯乳酸产能超过其自有丙交酯和聚乳酸生产线的原料需求，可以对外销售高光纯乳酸；第三类是以丰原生物为代表的企业，其高光纯乳酸和聚乳酸产能相互匹配，生产的高光纯乳酸优先满足其自有丙交酯和聚乳酸生产线使用。这三类企业在推动技术创新水平方面均发挥了重要作用，同时笃志于助力产业完成由“两头在外”局面向“内外双循环”格局转变的发展，一同构成中国现有聚乳酸行业厂商图景。企业名称掌握“两步法”工艺量产技术的情况海正生物掌握完整的“两步法”工艺并已实现稳定量产丰原生物金丹科技掌握“乳酸丙交酯”工段生产技术中粮科技掌握“丙交酯聚乳酸”工段生产技术金发科技未披露其掌握“两步法”工艺量产技术的情况表 4丨中国主要企业对“两步法”工艺量产技术的掌握情况（来源：DeepTech）作为最主流的工艺，掌握“两步法”工艺量产技术的情况可代表企业实际技术水平。技术意义：PHA 具有五大优势，在不同生物降解材料里碳中和得分最高 技术溯源：材料学性质取决于单体组成，合成生物学手段赋能 PHA 生产，两方面共同促进产品商业化进程 产业链路：原料端创新力聚焦绿色生产，应用端在高附加值领域前景广阔 商业现状及行业图景：市场需求水涨船高，PHA 迎来发展黄金时代25Chapter 3 锋镝PHA 产业化及应用情况PHA 在不同生物降解材料中碳中和得分最高，在“双碳”政策和高质量发展政策推进的当下，具有重要意义。PHA 是唯一能在海洋和土壤中快速降解的材料，其降解产物是人类天然存在的能量分子，从 E（环境）的角度看，PHA 具备环境友好属性。而通过技术手段降成本让农民用得起生物材料农用地膜，成分可取自天然废料、不与人争粮等动作，都体现了对 S（社会）的关怀。总体来说，PHA 具有五大优势、六大优秀特性，被广泛应用于化工、包装、医疗、农业、日用、军工等领域。得益于其良好的生物相容性，PHA 在高附加值的医疗领域应用较为广泛，可以作为医学和治疗应用的生物植入材料。技术意义：PHA 具有五大优势，在不同生物降解材料里碳中和得分最高26优势一良好的生物性能和广泛的应用场景优势二在医学领域具有广阔的应用前景优势三在海洋和土壤中可以快速降解优势四降解产物是人体存在的能量分子优势五在降解材料中碳中和得分较高生物可降解性热塑性非线性光学性能生物相容性气密性压电性能PHA 性能优秀PHA 在医疗中的应用PHA 应用场景广阔PHA 碳中和得分高包装农业化工日用军工医疗人体植入物医用支架医用耗材组织修复载体材料人体组织闭合材料生物来源生物聚合PHA 的优势图 19丨PHA 的优势（来源：微构工场、DeepTech）技术溯源：材料学性质取决于单体组成，合成生物学手段赋能PHA 生产，两方面共同促进产品商业化进程27PHA 由 Maurice Lemoigne 于 1926 年首次合成，发展至今已近百年历史。目前，PHA 种类已逾 150 种，不同种类的 PHA 材料学性质主要取决于其单体组成。种类PHBPHBVPHBHHxP34HB性能结构规则、结晶度高、硬度大、性脆、热稳定性差硬度高、延展性强、弹性强、结晶度低硬度低、韧性高、延展性强、结晶度可调更好的加工性能和热稳定性，熔融温度降低、结晶度降低商业化第一代产品第二代产品第三代产品第四代产品应用医用领域医用材料、薄膜材料、一次性用品、包装材料医学、农业、食品、日用消费品薄膜、纤维、弹性体、可降解制品、改性剂、包装材料、医用植入材料等20 世纪 90 年代初，中国实现了世界上首次规模化生产第三代 PHAPHBHHx，为生物可降解塑料工业化研究开辟了广阔的前景。表 5丨PHA 四代商业化产品种类及应用方向（DeepTech）1.PHA 研发经过四个发展阶段，其材料学性质主要取决于单体组成技术溯源：材料学性质取决于单体组成，合成生物学手段赋能PHA 生产，两方面共同促进产品商业化进程PHA 一般合成方法工艺流程包括原料合成过程、化学过程、物理过程等。但传统PHA 的制备不仅造价高，还存在高耗能、易染菌、过程复杂、产物难提取等缺点。合成生物学方法开发 PHA 产品需要经过三个阶段：改造出好的菌种，通过小规模测试放大工艺，建设工厂稳定生产。通过生物技术合成一种高分子材料，就像是在细胞里编程，设计原本不存在的基因代码、编写基因程序，以此来“造物”。针对 PHA，需要考虑用以合成的三要素：底盘细胞、碳源（原料）、代谢通路。简单理解，要通过基因编辑等手段，令底盘细胞能够生长得更快，且能高效“吃掉”碳源，令细胞中的 PHA“由瘦变胖”，提高碳源转化为 PHA 的效率。28图 20丨PHA 化工合成手段（来源：当代化工、DeepTech）图 21丨合成生物学在 PHA 生产菌株改造中的应用（来源：合成生物学技术在聚羟基脂肪酸酯 PHA 生产中的应用、DeepTech）菌株筛选底物选择微生物体系代谢通路的从头构建氧化途径的改造新型合成途径的设计改变细菌细胞体积改变细胞分裂方式精简细菌基因组人工合成细胞合成生物学在 PHA 生产菌株改造中的应用多片段拼接技术、大片段基因组DNA 克隆技术，代谢网络构建、系统优化具有优良性能的 PHA 材料以及后期易于分离的 PHA 的生产具有特定单体比例共聚物的生产具有优良性能的人工合成、非天然PHA 材料的生产带有官能团的功能 PHA 材料不同种类 PHA 材料的生产碳源+氮源发酵细胞沉淀过滤离心分离萃取粉末化喷雾干燥空气风干PHA 产品干燥超细过滤沉淀离心分离2.合成生物学技术成 PHA 生产主流手段，两方面共同制约产品商业化进程对于进行生物法从实验室科研成果到产品商业化落地的过程，重点在于解决实现规模化的生产工艺这一难题，前端菌种改造效率与后端工艺放大效果两方面均起到决定性作用。菌种改造：效率主要体现在生产产品的转化率、生产速率和产量三个指标。作为合成生物制造的第一步，需要根据目标产品的特性选择一个性状优良的菌种，也称底盘细胞，它是用于该产品生产的宿主。利用合成生物学的方法，对生物体基因组特定目标基因进行改造和修饰，以达到改造微生物代谢途径的目的，能够构建高效的菌种，实现产品生产事半功倍。现阶段合成生物学研发过程中，基因测序、基因编辑和 DNA 合成的成本已经很低。面对复杂的生物设计，关键在于谁能够以更高通量、在尽量短的时间内筛选出合理的基因编辑方案，提高产品的研发速率，降低研发成本。后端工艺放大：主要体现在高效、低成本、分离纯化三方面。作为生物合成制造产业化的“最后一棒”，产品分离提纯成本占到总成本的 60%以上，高附加值产品的分离成本甚至可达 90%。异于传统化学分离，生物制造法对分离纯化技术存在较高的要求，生物产品分离过程需保证产品的生物活性，常需低温、合适的 pH和耐受压力。常用的绿色分离纯化技术有膜分离技术、模拟移动床色谱技术和超临界萃取技术，其中膜分离技术是以选择通透性膜为分离介质。技术溯源：材料学性质取决于单体组成，合成生物学手段赋能PHA 生产，两方面共同促进产品商业化进程29产品转化率生产速率产量后端工艺放大菌种改造分离纯化技术低成本高效图 22丨前端菌种改造效率与后端工艺放大效果重点环节（来源：DeepTech）2.合成生物学技术成 PHA 生产主流手段，两方面共同制约产品商业化进程菌种培育、发酵过程、原料选择、生产工艺等关键环节均有重大突破目前，PHA 产业相关企业在菌种培育、发酵过程、生产工艺等环节均有重大突破。蓝晶微生物使用高集成发酵罐提高发酵过程通量、积累过程数据，缩短研发周期。发酵环节限制菌株在设计、构建、测试环节实现高通量自动化的速度，关键在于：通量、数据化的程度。蓝晶微生物使用了当前物理和化学领域最先进的传感器设计开发自动化高集成的发酵罐，预计单个产品的完整研发周期会在现有基础上再缩短 70%。微构工场重新编辑嗜盐细菌的基因，并成功开发“下一代工业生物技术”。为了克服工业生物技术由于高耗能，耗水，设备投资巨大和工艺复杂等缺点，微构工场用合成生物学技术重新编辑了嗜盐细菌的基因，并成功开发了“下一代工业生物技术”，包括其理论、模型、分子操作、实验室培养技术、中试技术及工业生产技术，也包括部分产品的应用等。对嗜盐菌进行从头改造，使其能在无灭菌和连续工艺过程中、利用海水为介质高效生辰各种化学品和材料。以生产环境友好塑料，生物材料聚羟基脂肪酸酯 PHA 为例，该嗜盐菌通过合成生物学的改造，实现了超高 PHA 积累（92%）和可控形变等工作。北京本农环保科技联合研究中心全球首次利用餐厨垃圾合成生物可降解塑料（PHA）项目中试完成。北京本农环保科技联合研究中心聚焦石油及石化行业有机污染的治理与修复、餐厨等固废有机物的资源化综合利用领域的重大问题和科技需求，发掘自然及人工环境中新的功能降解和转化微生物资源，研发污染场地生物修复技术、复合菌群生物合成前沿技术工艺与成套设备，将理论研究与技术工艺开发相结合。联合研究中心定位准确、发展潜力和创新空间巨大。30产业链路：原料端创新力聚焦绿色生产，应用端在高附加值领域前景广阔在“碳中和”背景下，新的生产方式有望发展为 PHA 绿