生物塑料將會帶來無限商機(jī)

塑料制品在給人類帶來各種方便的同時，也給人們帶來難以想象的麻煩。由于有些廢棄塑料在自然條件下不會降解，燃燒又會釋放出有害氣體，給生態(tài)環(huán)境造成了難以治理的污染。因此各國科學(xué)家開始研制可以自行分解的自毀或自溶塑料以解決這個問題。有人把它稱作“綠色塑料”或“生物塑料”，同時這場產(chǎn)業(yè)**也帶來無限商機(jī)。 生物塑料的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，美國、英國、德國、日本等國的20多家公司推出了生物塑料。美國密茨根大學(xué)生物學(xué)家提出了“種植”可分解塑料的設(shè)想，他們用土豆和玉米為原料，植入塑料的遺傳基因，使它們能在人工控制下生長出不含有害成分的生物塑料。美國帝國化學(xué)工業(yè)公司利用**將糖和有機(jī)酸制造成可生物降解的塑料。其方法與生產(chǎn)出乙醇的發(fā)酵工藝相似，所不同的是，用的**是產(chǎn)堿桿菌屬，能把喂食的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成一種塑料，稱為PHBV。這種**積累塑料作為能量儲存，就像人類和動物積存脂肪一樣。當(dāng)**積存的PHBV達(dá)到它們體重的80％時，就用蒸氣把這些細(xì)胞沖破，把塑料收集起來。PHBV具有與聚丙烯相似的性質(zhì)，這種材料在廢棄后，即使在潮濕的環(huán)境下也是穩(wěn)定的，但在有微生物的情況下，它將降解為二氧化碳和水。 谷物生產(chǎn)聚合物的制造商Cereplast公司在2006年3月初召開的美國谷物培育者協(xié)會年會上稱，生物聚合物的價格水平現(xiàn)已可與以石油為原料的塑料競爭。美國納米技術(shù)的進(jìn)步使這一工藝技術(shù)可在較低的溫度下與聚合物加工優(yōu)勢結(jié)合在一起。這表明，世界上由生物制造的塑料取得很大進(jìn)展，其價格已與傳統(tǒng)的石油制造的塑料相似。 德國哥廷根大學(xué)微生物學(xué)家通過對一種**的特定基因隔離，使植物的細(xì)胞內(nèi)部生成聚酯，利用這類聚酯，可制成植物型生化塑料。這類塑料在**作用下，分解成水和二氧化碳，因此這種塑料垃圾可作為植物肥料而回歸大自然。日本工業(yè)技術(shù)研究院的科技人員用農(nóng)林作物下腳料，如豆秸等制成可分解農(nóng)用薄膜。另有一些科學(xué)家正在實(shí)驗(yàn)在塑料中添加淀粉類物質(zhì)，這樣以淀粉為食料的**則吞噬之，從而使其慢慢消失掉。 據(jù)統(tǒng)計，全球生物聚合物生產(chǎn)能力顯著增長，2005年己達(dá)到約29萬噸/年。在歐洲，消費(fèi)量己從2001年2萬噸增加到2005年8萬噸，到2015年，消費(fèi)量將增加到約100萬噸。另外，歐盟使用生物聚合物的長期替代潛力估計將提高到1500萬噸，生產(chǎn)能力可望達(dá)到現(xiàn)有塑料生產(chǎn)量的約1/3。據(jù)預(yù)測，到2010年，生物降解塑料需求的年增長率超過20%。 主要品種介紹 現(xiàn)在，已有基于不同原材料的許多類型生物聚合物，并且新產(chǎn)品和工藝不斷涌現(xiàn)。現(xiàn)簡介以下幾類: 聚乳酸(PLA) 卡吉爾(Cargill)?陶氏聚合物公司在美國內(nèi)布拉斯加州布萊爾(Blair)興建的14萬噸/年生物法聚乳酸裝置于2001年11月投產(chǎn)。這套裝置以玉米等谷物為原料，通過發(fā)酵得到乳酸，再以乳酸為原料聚合，生產(chǎn)可生物降解塑料—聚乳酸。這是目前世界上生產(chǎn)規(guī)模*大的一套可生物降解塑料裝置?？獱?陶氏聚合物公司計劃投資17.5億美元擴(kuò)大該產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，預(yù)計在10年后生產(chǎn)能力將達(dá)到100萬噸。 日本市售的手機(jī)已采用由谷物衍生的聚合物復(fù)合材料制作外殼。其手機(jī)外殼采用由kenaf纖維增強(qiáng)的聚乳酸(PLA)樹脂替代了由石油制造的塑料。 通過添加生物質(zhì)基增塑劑和填充劑提高了抗沖擊性能。據(jù)稱，手機(jī)外殼約90%都可由生物質(zhì)來制造。 聚羥基烷基酸酯 生物法合成新型高分子材料生物聚酯已經(jīng)成為一個新材料生產(chǎn)、開發(fā)和應(yīng)用的方向，該領(lǐng)域的研究充分體現(xiàn)了多領(lǐng)域、跨行業(yè)的現(xiàn)代科技產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，生物聚酯將在人類的環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥保健等方面發(fā)揮重要作用。生物可降解塑料以可再生的原材料為原料，可望在許多應(yīng)用中替代傳統(tǒng)聚合物。但是因生產(chǎn)費(fèi)用較高，和受到性能與可加工性的限制，發(fā)展還較慢。然而，美國Metabolix公司推出聚羥基烷基酸酯(PHA)生物聚合物家族可望與現(xiàn)有產(chǎn)品，尤其是PE在價格和性能上相競爭，并可望*終替代50%的傳統(tǒng)塑料。 聚羥基烷基酸酯(PHA)是近20年來迅速發(fā)展起來的生物高分子材料，已經(jīng)成為近年生物材料領(lǐng)域*為活躍的研究熱點(diǎn)。這種天然高分子材料是由很多微生物合成的一種細(xì)胞內(nèi)聚酯，其結(jié)構(gòu)多元化帶來了性能多樣化。由于PHA兼具良好的生物相容性、生物可降解性和塑料的熱加工性能，因此可作為生物醫(yī)用材料和可降解包裝材料。對PHA研究獲得的信息證明，生物合成新材料的能力幾乎是無限的，今后將有更多的PHA被合成出來，并帶動生物材料特別是生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展。由于PHA還具有非線性光學(xué)活性、壓電性、氣體阻隔性等許多高附加值性能，使其除了在醫(yī)用生物材料領(lǐng)域之外，還可在包裝材料、粘合材料、噴涂材料和衣料、器具類材料、電子產(chǎn)品、耐用消費(fèi)品、化學(xué)介質(zhì)和溶劑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 PHA家族的主要優(yōu)點(diǎn)是可采用生物技術(shù)生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品性能適用面寬，可從這類聚合物生產(chǎn)硬性塑料、可模塑薄膜，甚至制成彈性體。吹塑和纖維級產(chǎn)品也在開發(fā)之中。這類聚合物甚至在熱水中也很穩(wěn)定，但在水中、土壤中和二者兼具的環(huán)境中，甚至在厭氧條件下，也可生物降解。將其用于網(wǎng)織品或用作涂層處理的紙杯和紙板具有吸引力，在醫(yī)療上的應(yīng)用如植入也有應(yīng)用潛力。 ADM(ArcherDanielsMidland)和Metabolix公司組建各持股50%的合資企業(yè)，將在北美建設(shè)從作物生產(chǎn)聚羥基烷基酸酯(PHA)塑料的裝置，該裝置將位于ADM在北美的一個主要生產(chǎn)地。擅長于農(nóng)業(yè)加工和發(fā)酵技術(shù)的ADM公司稱，這將是**套工業(yè)化PHA裝置，初期能力將為5萬噸/年，定于2008年中期建成。該裝置將服務(wù)于由ADM公司和美國從事生物技術(shù)的Metabolix公司創(chuàng)建的合資企業(yè)。PHA塑料的應(yīng)用包括紙的涂層、薄膜和模塑的商品。ADM稱，世界對石油的需求在持續(xù)增長，這套裝置是推進(jìn)再可生塑料生產(chǎn)，替代傳統(tǒng)的從石油生產(chǎn)塑料的重要步驟。 聚丁二酸丁二醇酯 聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是生物降解塑料材料中的佼佼者，用途極為廣泛，可用于包裝、餐具、化妝品瓶及藥品瓶、一次性醫(yī)療用品（圖2）、農(nóng)用薄膜、農(nóng)藥及化肥緩釋材料、生物醫(yī)用高分子材料等領(lǐng)域。PBS綜合性能優(yōu)異，性價比合理，具有良好的應(yīng)用推廣前景。和PCL、PHB、PHA等降解塑料相比，PBS價格極低廉，成本僅為前者的1/3甚至更低;與其他生物降解塑料相比，PBS力學(xué)性能優(yōu)異，接近PP和ABS塑料;耐熱性能好，熱變形溫度接近100℃，改性后使用溫度可超過100℃，可用于制備冷熱飲包裝和餐盒，克服了其他生物降解塑料耐熱溫度低的缺點(diǎn);加工性能非常好，可在現(xiàn)有塑料加工通用設(shè)備上進(jìn)行各類成型加工，是目前降解塑料加工性能*好的。PBS還可以共混大量碳酸鈣、淀粉等填充物，得到價格低廉的制品，PBS生產(chǎn)可通過對現(xiàn)有通用聚酯生產(chǎn)設(shè)備略作改造進(jìn)行，目前國內(nèi)聚酯設(shè)備產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，改造生產(chǎn)PBS為過剩聚酯設(shè)備提供了新的機(jī)遇。另外，PBS只有在堆肥、水體等接觸特定微生物條件下才發(fā)生降解，在正常儲存和使用過程中性能非常穩(wěn)定。PBS以脂肪族二元酸、二元醇為主要原料，既可以通過石油化工產(chǎn)品滿足需求，也可通過纖維素、奶業(yè)副產(chǎn)物、葡萄糖、果糖、乳糖等自然界可再生農(nóng)作物產(chǎn)物，經(jīng)生物發(fā)酵途徑生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)來自自然、回歸自然的綠色循環(huán)生產(chǎn)。而且其采用生物發(fā)酵工藝生產(chǎn)的原料，還可大幅降低原料成本，從而進(jìn)一步降低PBS成本。 其他生物降解材料 杜邦公司和Tate&Lyle公司聯(lián)合開發(fā)了專有的發(fā)酵和提純工藝生產(chǎn)基于生物的1，3-丙二醇(PDO)?；谏锏?，3-丙二醇(PDO)將由杜邦公司生產(chǎn)，因此杜邦將投資1億美元在美國田納西州Loudon建設(shè)裝置，生產(chǎn)的PDO用于生產(chǎn)新型聚酯樹脂(聚對苯二甲酸丙二醇酯PTT)，商品名稱為Sorona。到2010年杜邦采用生物基資源生產(chǎn)這種產(chǎn)品至少占到25%。 德國Munster大學(xué)和McGill大學(xué)開發(fā)了生物途徑生產(chǎn)新一代生物降解聚合物聚硫酯的技術(shù)，這種生物降解聚合物比生物技術(shù)得到的聚合物聚羰基酯Biopol(主要用于醫(yī)藥)性能又有改進(jìn)。聚硫酯利用EscherichiaColi**將巰基烷基酸轉(zhuǎn)化而成。 夏威夷大學(xué)的夏威夷天然能源學(xué)院開發(fā)了從食品廢料制造可生物降解聚合物聚羥丁酸酯(PH)工藝。新方法與ICI工藝相比，因原材料費(fèi)用微不足道而大大廉價，ICI工藝過程需從純糖類和有機(jī)酸才能制取相關(guān)聚合物。新工藝采用厭氧**分解食品廢物，釋放出乳酸和丁酸作為副產(chǎn)物，這些酸類從漿液中取出，并在含有磷酸鹽和硫酸鹽的營養(yǎng)液中通過硅酮膜擴(kuò)散進(jìn)入含Ralstoniaeutropha**的充氣懸浮體中，這些**將酸轉(zhuǎn)化為聚合物，包括PHB（PHB用離心分離得到）。如擴(kuò)散膜由硅酮改為聚酯，被**轉(zhuǎn)化的酸的比例就可調(diào)節(jié)，可產(chǎn)生較粘稠的可生物降解的聚合物聚3-羥基丁酸酯-3-羥基戊酸酯(PHBV)。采用該工藝，每100kg食品漿液可制取22kg聚合物。已有幾家公司擬采用該工藝，包括亞洲廢物管理公司。 美國農(nóng)業(yè)部ARS環(huán)境質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)了一種由檸檬酸(一種農(nóng)產(chǎn)品)和丙三醇(生物柴油生產(chǎn)的副產(chǎn)物)制備的生物降解聚合物。這種聚酯類聚合物的粘度可從涂料似的稠度到可緩慢溶化的玻璃狀產(chǎn)品。這種新型材料可為生物柴油工業(yè)副產(chǎn)品的丙三醇提供新的用途。 美國加州大學(xué)的化學(xué)家推出從碳水化合物和肽合成生物材料的設(shè)計新概念。這種設(shè)計概念采用單元組合途徑構(gòu)筑糖類-肽混合共聚物，作為高功能生物材料。ZhibinGuan領(lǐng)導(dǎo)的小組己從自然界存在*多的基塊—糖和肽獲取了這類材料。這種糖類-肽混合共聚物具有生物降解性。羅納-普朗克(Rhone-Poulenc)公司發(fā)現(xiàn)了聚酰胺水解酶，可水解聚酰胺低聚物，可消化尼龍廢料，為生物法回收尼龍廢料打開了大門。 生物塑料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 生物塑料在醫(yī)療上用途頗廣。在骨折手術(shù)中，它可以充當(dāng)骨骼間的承托物，隨著骨骼的**，它也會逐漸自行分解。醫(yī)治破碎性骨折，醫(yī)生通常使用不銹鋼制做的螺母、螺釘、夾板和鉆孔器，把碎骨固定起來。這種方法的缺點(diǎn)是要做兩次手術(shù)，一次是植入這些不銹鋼材料，一次是再把它們?nèi)〕鰜?。荷蘭科學(xué)家發(fā)明一種塑料，植入體內(nèi)大約兩年便自行分解，變成二氧化碳和水。 還有一種線狀生物自毀塑料，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的醫(yī)用外科手術(shù)線縫合傷口。這種塑料手術(shù)線，可被身體逐漸吸收，免除拆線之痛苦。此外，用生物自毀塑料制成的藥用膠囊，在體內(nèi)會慢慢溶解，并且可控制**進(jìn)入血管的速度。 總之,隨著地球上各種資源的減少、生存環(huán)境的日益惡化，發(fā)展綠色*型生物塑料已經(jīng)是大勢所趨。隨著人類對生存環(huán)境的日益關(guān)注，必將有力推動生物塑料的發(fā)展。相信行業(yè)有發(fā)展眼光的人士，會從中發(fā)掘蘊(yùn)藏的無限商機(jī)。