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天然即优质?探寻全新的工业用生物基原材料

用蒲公英来造车胎?初期实验表明,俄罗斯蒲公英的根部可作为天然橡胶的一种原材料。这一发现来自德国大陆轮胎公司、德国明斯特弗劳恩霍夫分子生物学和应用生态学研究所联合其他伙伴开展的研究项目。不过,首批蒲公英轮胎正式上路尚需至少五年时间。

有限的资源与不断增长的全球人口亟须全新的思维方式。例如,将木屑、蒲公英与葡萄糖等生物基产品作为原油补充物进行使用。在世界各地,生物经济正呈现出强劲的发展势头。尽管生物经济已相当成功,然而仍有大量的研发工作等待完成。可再生资源何时才能变得真正优质?

Frakta的原意为“运输”,这正是Frakta包袋的主要用途。宽大、结实且易于清洗,这种标志性蓝色购物袋由瑞典家具零售商宜家家居生产,如今已走入千家万户。它的应用范围极广,既可存放瓶瓶罐罐,又可用于搬家置物,还可用作衣物篮、购物袋乃至替代行李箱。目前,这种多功能包袋由石油基塑料制成,其中部分原料为纯聚丙烯。但这一状况不久即将改变:到2020年,宜家家居计划利用可再生和/或回收材料生产所有的塑料制品,包括手提袋、儿童玩具与收纳箱。

要实现这一目标并非易事。在食品包装或儿童玩具等敏感应用领域,出于健康保护要求,现有的回收塑料并非合适的选择,因而需要替代方案。“我们正试图用可再生原料制成的塑料替代石油基塑料。这意味着我们可选择聚乳酸或多种生物基材料混合而成的100%生物基聚合物。在某些情况下,我们也可以先尝试将生物基塑料与石油基塑料相混合的方案。”宜家家居材料创新与开发主管Puneet Trehan说。他表示,他们的初步目标是将生物基材料使用率提高到40-60%。

玩个测试题

哪种可再生原料可以完全或部分地转化成哪种产品?

原油补充物

以生物替代石油:宜家家居不是唯一一家致力于开发并应用生物基塑料的企业。约100年前,世界上第一种纯合成塑料电木Bakelite诞生。此后,数千种新材料相继问世。如今,科学家与生产商将研究焦点对准新的领域。未来的产品不但质量出众,还能由可再生资源、植物、有机废料或微生物制成。

玩具制造商乐高公司计划到2030年生产出由替代性原料制成的塑料积木。为此,乐高于2015年宣布投资约1.35亿欧元建立内部可持续材料中心。2009年,可口可乐公司推出PlantBottle™ 技术,并很快为番茄酱生产商亨氏以及福特汽车等大公司颁发技术应用许可证。目前的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料瓶含有30%的植物原料。可口可乐公司的目标是生产出完全由可再生资源制成的植物环保瓶(PlantBottle)。未来十年,可口可乐所有PET塑料瓶都将变为100%可再生原料制品;占其所有包装材料比例的60%左右。

乐高计划提高用于积木生产的可再生资源比例.

Synvina公司为制成100%可再生原料的塑料瓶提出了一个理想的解决方案。这家企业近日由巴斯夫与荷兰Avantium公司共同出资成立,主要从事呋喃二甲酸(FDCA)的生产。源自果糖的化学原料FDCA是聚乙烯呋喃酸酯(PEF)生产过程中必需要的基础原料。PEF可用于生产饮料与食品包装材料。PEF瓶拥有出众的特性:它们不仅完全由生物基原料制成,并且对二氧化碳与氧气等气体的阻隔性能优于PET瓶,从而有效延长包装饮品的保质期。

汽车行业同样试图回归本源:在发展初期,汽车行业曾使用过生物材料。例如,20世纪30年代,亨利·福特开发了一款车身由大麻纤维制成的汽车。不过,随着1937年美国《大麻税法》的通过,福特迫于巨大压力而放弃了后续开发工作。如今,汽车行业再度关注通过使用天然材料为车身减重,从而降低汽车碳排放量,这些材料包括大麻、剑麻、洋麻与亚麻等。汽车零部件生产商愈发热衷于选用相对廉价的天然纤维塑料,而不是碳纤维或玻璃纤维等新型轻量化材料。

液化木材传统材料创造了新的可能性。通过注塑工艺,主要由木质素聚合物构成的液体木材可以被加工成任何形状,如用于制作线圣(Audioquest)等品牌耳机护套或扬声器与手机的外壳。每年,造纸行业生产出5000万吨左右的木质素废料。

 降低碳排放

化石经济越来越囿于自身的固有局限。气候变化以及相应的温室气体减排需求意味着人类必须转变思路。“目前,生物基产品是唯一的替代性方案。离开生物经济,G7国家设立的降低二氧化碳排放量的长期目标很可能无法实现。”欧盟委员会科研与创新总司生物基产品与工艺部门负责人Waldemar Kütt博士表示。这一观点的依据在于,植物通过光合作用从空气中吸收二氧化碳。“若我们在制造中使用这种来自植物或微生物质的碳,便能将二氧化碳从环境中去除,同时确保不干扰天然生物碳循环。而使用在数百万年时间中所形成的石油,则对减少二氧化碳排放毫无益处。”美国密歇根州立大学化学工程与材料系科学教授Ramani Narayan解释道。

石油不会完全被替代,但仅仅替代部分石油,我们便能极有效地减少碳足迹。“在全球约3.75千万吨用于生产塑料瓶的PET材料中,若能将20%的碳替换为生物基碳,则可吸收环境中1.72千万吨二氧化碳,相当于节约了4000万桶原油。”Narayan表示。

土豆种植:通过弃用不可降解的地膜,转而利用ecovio®可生物降解的地膜,中国农民大幅增加了作物产量。

扩大生物基产品产能

提及生物塑料时,消费者时常听到两个词:生物基与可生物降解。生物基塑料由可再生原料制成,但并不一定具备可生物降解性,有时甚至与传统塑料一样难以分解。另一方面,由原油或天然气制成的塑料也能具备可生物降解性(见方框)。“我们发现对于生物基产品的市场需求正不断上升。为满足这些需求,我们不断开发新技术,取得创新成果,同时扩大可生物降解材料的产品组合。”巴斯夫白色生物技术研究部门负责人Carsten Sieden博士表示。

目前,生物塑料依旧是市场中的小众之选。每年全球所生产的3亿吨塑料制品中,生物塑料所占份额不足1%。不过,欧洲生物塑料协会(European Bioplastics)的市场数据显示,这一数字有望在未来几年飙升。到2019年,全球生物塑料产能将翻两番,由2015年约200万吨增至约780万吨,其中80%左右的生物塑料由生物基原材料制成,但不可生物降解或堆肥。

可生物降解塑料可用于有机垃圾袋与农业地膜等物品中。例如,巴斯夫可生物降解塑料ecovio® 已在中国农业中证明了自身优势。在中国,传统的地膜技术以不可生物降解的聚乙烯塑料为原料,造成了严重的环境问题。这种地膜能够保存土壤中的热量与湿度,从而帮助作物生长。但它会在田里留下较小的塑料细带,被犁入土中后会阻碍作物根部发育,影响未来的农业收成。

农民换用ecovio® 可生物降解地膜后,作物产量再次增加。这已经被数年间巴斯夫与当地伙伴以及组织携手展开的大规模实验验证了。举例来说,在广东省的一块土豆试验田中,土豆产量增加了18%,同时成本下降了11%。

培育生物质的藻类反应器:政策制定者与各行业正在生物经济中寻求解决资源问题的途径。培育生物质的藻类反应器:政策制定者与各行业正在生物经济中寻求解决资源问题的途径。

政治战略

在资源有限的情况下,如何满足不断增加的人口对于食物与能源等日常必需品的需求?对于这一21世纪的关键问题,政策制定者与各行各业都将生物经济视作解决之道。所有G7国家均发起相关倡议,其中一些国家还推行了具有决定意义的战略。例如,美国政府于2012年发布《国家生物经济蓝图》,并指出生物科学研究及其商业化是美国经济增长的“主要驱动力”。同年,日本通过了生物质产业化战略,该行动方案包括七大带有明确目标与时间表的倡议。日本的政策旨在推动全新的生物精炼技术与微藻等生物资源的开发。其中期焦点为新的产业技术,短期重点目标在于确保生物基能源的供应。

此外,在这一转型大潮中,欧盟也是一股重要的超国家力量。约五年前,欧盟推出了生物经济战略与欧洲生物经济政策方案。两年后的2014年,欧盟委员会推出了一项中央投资倡议,即生物基产业联合承诺。大约70家来自农业、林业、化学与能源行业的企业作为技术供应方以及行业合作伙伴参与到该倡议中。到2020年,该倡议预计投资约37亿欧元,用于新生物基产品与工艺的商业化开发。

正在规划部分转型的不仅有领先的工业国家。鲜为人知的是,目前约有45个国家实施了各种战略,旨在向可再生资源以及生物基生产工艺体系部分转型。例如,乌干达正在开发利用可再生能源、生物技术与生物质,而马来西亚则着力推广生物基产品。

牛奶制成的时尚
微生物学家兼时装设计师Anke Domaske利用过期牛奶制作出服装。她的QMilk牛奶纤维基于粉状牛奶酪蛋白,对皮肤温和无刺激,可完全降解,理论上甚至还能食用。

可持续性之惑

不过,向生物经济的转型也引发了批判性讨论。在当前围绕可再生资源开展的讨论中,“食品还是燃料”、土地利用以及相应的耕种资源投入、公平的工作环境等话题成为了关注重点。有迹象表明,由不可食用原料组成的第二代生物质正变得日益重要,然而这并不意味着芥花籽油(油菜籽油)、玉米等第一代生物质原料将被取代。“只要开发得当,生物经济与生物基行业有望为我们提供足够的食物、饲料、纤维与其他物质以满足我们的需求”,欧洲生物产业协会(EuropaBio)工业生物技术总监Joanna Dupont-Inglis表示,“不过,并不存在一个万能方案,因为生物经济拥有令人难以想象的多样性,应根据地区与应用领域的不同而选择相应的原料。此外,我们必将能发现新的解决方案,将浪费最小化,将所用之物的功效最大化。”

由木材制成尼龙、由蒲公英制成轮胎、由蒺藜制成润滑油——第二代生物质主要由不可食用的植物、有机废物与残余物构成。联合国数据显示,每年生成的农业残渣中包含约50亿吨生物质。这些不可食用的物质是理想的原料。

Basfia succiniciproducens菌种的显微图像。这种微生物可生产出可生物降解塑料的重要原料:生物基琥珀酸。

价格必须合适

理论上,生物经济蕴藏巨大潜力:能促进关键技术创新、改善产品性能、增加就业并降低二氧化碳排放。不过,我们也不应高估这种潜力。“生物经济并非解决一切问题的万能方案,但能帮助我们应对目前最突出的社会与环境挑战”,Dupont-Inglis表示,“理论上,目前我们所使用的10万种化学物质均能够从可再生碳资源中获得。不过,在发展未来的生物经济时,我们当然需要考量三大可持续性支柱,即权衡环境、社会与经济效益。”巴斯夫研究员Sieden则表示:“有效推动生物经济的一大手段是以具有竞争力的价格确保足够的供应量。但最重要的是,强大的生物基产业将带来创新机会。我们希望在研究网络中充分利用这一潜力。” 越来越多的客户对生物基产品提出需求。“对我们而言,这是扩大原材料基础的绝佳机会,不过,这一切无法一蹴而就。”Sieden解释道。经过五年多的研发工作,利用Basfia succiniciproducens专利菌种生产的生物基琥珀酸成功转化为商业产品。这种产品是可生物降解塑料、涂料与聚氨酯的重要原料,可用于制作床垫、地板与汽车座椅。巴斯夫与荷兰 Corbion-Purac 公司联合成立的 Succinity 股份有限公司在西班牙蒙特梅洛建立了一座生物基琥珀酸生产装置。该装置于2014年正式投产,年产能为1万吨,为全球市场供应生物基琥珀酸。

对于宜家家居高管Puneet Trehan而言,确保足够的产量也是一项关键挑战。不过,在自身所从事的行业中,他看到了成本水平的显著改善。“我们的经验表明,若能够在伙伴合作中正确建立起价值链,成本必将有竞争力。”他表示。在他看来,最重要的事莫过于“找到志同道合的合作伙伴。”在生物经济中,不可能一切如常。“对于眼下正在发生的这一转变,‘行业革命’这一说法也许更为贴切”,Joanna Dupont‑Inglis表示,“可再生且高资源效率的生物基解决方案的开发,需要各行各业进行前所未有的广泛合作。”

可再生原材料应用案例

原油并不是唯一选择。本文将介绍一系列完全或部分由可再生原材料制成的产品,其中一部分已融入我们的日常生活,另一部分会在不久的将来出现。

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