聚乳酸技术与市场现状及发展趋势分析

王跃，江洪波，陈大明，毛开云

中国科学院上海生命科学信息中心，上海 200031

聚乳酸技术与市场现状及发展趋势分析

王跃，江洪波，陈大明，毛开云

中国科学院上海生命科学信息中心，上海 200031

随着原料生产和制品加工技术的进步，生物降解材料备受关注，成为可持续、循环经济发展的焦点。聚乳酸是一种新兴的生物可降解材料，具有环境友好性、生物安全性等特点。从技术和市场两个角度，阐述了全球包括我国的聚乳酸技术和市场现状，并对聚乳酸的发展前景和趋势进行了分析。

聚乳酸；技术研发；市场发展

替代石化资源和减少白色污染促进环境保护是生物材料开发的两大主要驱动力。聚乳酸（PLA），又称为聚丙交酯，是以微生物的发酵物——乳酸为单体聚合成的一类脂肪族聚酯，原料来源充分且可以再生，主要以玉米、木薯等为原料。同时，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（图1），因此成为近年来开发研究最活跃、发展最快的生物可降解材料[1]。

作为一种新型的生物可降解材料，聚乳酸在微生物的作用下可彻底降解为CO2和H2O，因此PLA是一种优良的生物相容性和可生物降解性的合成高分子材料。同时，聚乳酸无毒、无刺激性，兼具高强度、良好的机械性能、高抗冲击度、高柔性和热稳定性，不变色，对氧和水蒸气有良好的穿透性，良好的透明性和抗菌、防霉性。

2016年，科技部、工信部等部委制定的“十三五”规划中，将高分子材料作为新兴产业重要组成部分，纳入到“十三五”国家战略性新兴产业发展规划，并列入国家重点专项规划，成为引领产业转型升级重要指引[2]。具有优良的环境友好性的聚乳酸符合国家《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》战略需求。2017年8月，国家重点研发计划所属重点基础材料技术提升与产业化专项——《高品质聚乳酸纤维及其纺织品规模化制备与应用》开始启动，这将对我国聚乳酸制造体系和应用技术体系的建立产生巨大的推动作用。

图1 聚乳酸合成、降解与应用循环示意图

1 聚乳酸技术研发现状

1.1 发展历程

聚乳酸的研究和开发最早可追溯至20世纪30年代，作为当时美国最大的工业公司——杜邦公司的雇员，卡罗瑟斯博士利用乙二醇和癸二酸缩合制取了一种可以抽丝的聚酯。这种聚酯具有易水解、熔点低（＜100℃）、易溶解在有机溶剂中等特点，但在当时看来是一种失败的合成纤维。因此，卡罗瑟斯博士随后放弃了对该聚酯的进一步研究，转而向高熔点聚合物的研究，并于1935年合成了聚酰胺66，因此诞生了世界上第一种合成纤维尼龙[3]。随后，1940年英国的温菲尔德在卡罗瑟斯博士研究的基础上，改用芳香族羧酸（对苯二甲酸）与二元醇进行了缩聚反应，并成功地合成了聚酯纤维——涤纶。

20世纪三四十年代，费拉开昂系统性地探索了通过本体或者溶液聚合、利用乳酸自酯化反应直接获得聚乳酸的方法，但该方法仍存在一系列关键技术问题未得到解决，例如反应中产生的水的脱除、聚合物产量低等，因而没有得到有效地推广[4]。随后，在1954年，杜邦公司采用了先环化丙交酯除去副产物水，然后由丙交酯开环聚合的二步法，获得了高分子量的聚乳酸。这就是目前世界上使用较多的“二步法”。

在我国，聚乳酸产业起步时间相对较晚，在2000年，中国科学院长春应用化学研究所联合浙江海正集团才开始对聚乳酸进行研究。约在2007年，课题组对从乳酸到丙交酯单体的制备及其聚和得到聚乳酸的最佳反应条件和工艺探索，并获得了重要进展，有效地将丙交酯的收率从以往的90%提高到了97%，并且开发了具有自主知识产权、用于低乳酸裂解制备的相关技术[5]。

1.2 聚乳酸产业技术梳理

从生物质原料到终端产品，聚乳酸行业的发展需要一系列的关键技术。

（1）纤维素原料的预处理和降解技术

未来，聚乳酸的发展需要利用纤维素原料，这意味着原料的预处理和降解技术是绕不过的门槛。这方面的技术，可以借鉴生物能源（纤维素乙醇）的发展经验。木质纤维素由纤维素（30%～40%）、半纤维素（25%～30%）和木质素（20%～25%）等组成。生物质燃料乙醇生产中对常用的原料预处理方法有4种，分别为物理法、化学法、物理化学法、生物法。

物理法、化学法和物理化学法预处理方法均可使纤维素粉化、软化，提高纤维素的酶解转化率，但这些方法存在着能耗高、纤维素损失量大、污染相对严重等不足，制约着生物质燃料乙醇的生产。而生物法是利用白腐菌、褐腐菌和软腐菌等微生物在培养过程中产生的分解木质素的酶类，专一性地降解木质素，提高纤维素和半纤维素的酶解糖化率[6]。作用条件温和、环境友好型、专一性强、处理成本低等是生物法处理的优点，但另一方面，生物法也存在目前已知的木质素降解白腐真菌种类有限、木质素分解酶类的酶活力较低、作用周期长等缺点，因此需要进一步解决关键技术问题（表1，表2）。

表1 目前纤维素原料主要的预处理方法

表2 主要的纤维素水解工艺

（2）乳酸发酵菌种

聚合级的L-乳酸生产是聚乳酸产业发展的前提，但国内企业普遍缺乏具有自主知识产权的优良菌种，这也使得发酵水平过低、生产成本过高。根据技术经济分析[7]的结果，乳酸发酵的规模生产需要在厌氧条件下连续发酵进行，并要求达到以下水平：发酵液中浓度达到180g/L、产量达到20g/（L·h）、葡萄糖转化率达95%以上。目前，已经有不少菌株可以达到，发酵液中浓度180g/L、葡萄糖转化率95%以上的水平，但产量20g/（L·h）却很少有菌株能够实现［至少国内尚无菌株可以达到，现有菌株产量普遍在5g/（L·h）甚至2g/（L·h）以下］。

（3）无石膏发酵工艺

为了减轻乳酸发酵过程中调酸带来的污染、降低相应的能耗，普拉克公司已经开发了相应的无石膏发酵工艺。而美国嘉吉公司则表示，其目前工艺中只需要使用很少的硫酸。

（4）乳酸聚合催化技术

一方面，目前高端的聚乳酸产品（例如纺粘级）中需要解决的关键问题之一就是聚乳酸高分子的分子量分布不均，这需要新型催化剂的开发，而这也会带来整个工艺流程中的参数的改变。

另一方面，目前聚乳酸的合成方法主要有直接缩聚法、开环聚合法、共聚法和扩链聚合法等，其中丙交酯开环聚合法是目前主流的应用方法[8]。国内采用丙交酯开环聚合法的企业中，大部分采用锡盐类催化剂（如辛酸亚锡）作为开环聚合的催化剂。但是，金属带来的细胞毒性、加热和减压的聚合反应条件、反应时间、聚乳酸的分子量难以得到有效地控制等技术缺点限制了该方法的进一步应用和推广。所以研发高效的催化剂、探索能有效控制分子量且操作工艺简单的合成方法，是聚乳酸合成领域亟待解决的问题[8]。而且，由于催化剂条件改变后，乳酸聚合的温度、压力等条件都需要有所改变，因此新型催化剂的研发是前提，这也是进一步发展乳酸聚合相应设备的必要条件。

（5）乳酸聚合的稳定控制技术

从聚合生产的时间来看，能够合成聚乳酸仅仅是第一步，后续的稳定性控制、低成本生产能力则依赖技术研发和工程化实验的协同。例如，除催化剂本身的研究外，还需要开发催化剂减活化剂等。一般而言，催化剂减活化剂含有平均每分子两个以上羧酸基团，常见的如亚磷酸酯减活化剂等。另外，普拉克称，与苏尔寿公司的合作可使聚乳酸厂家最高提高24倍的效率，而目前美国嘉吉NatureWorks公司也已经通过其与苏尔寿的合作提高了产量，这说明了设备技术的重要性。

2 聚乳酸市场现状

2.1 聚乳酸的应用市场

除了良好的生物可降解性之外，聚乳酸还具有很多的优良性能。相比于传统生物可降解塑料，聚乳酸拥有可媲美一般石化合成塑料的强度、透明度以及对气候的抵抗能力，因而可广泛用于制造各种应用产品。此外，聚乳酸具有良好的抗拉强度、延伸度以及加工性能，可采用注塑、热塑、挤出成型、吹膜成型、发泡成型等方式加工。另外，还可开发出具有良好弹性的聚乳酸，以适应不同行业、应用场景的需求，制造不同的应用产品。目前聚乳酸在农林环保领域、纺织/过滤材料/工业领域、3D打印/电子产品等耐用消费品领域，分别以聚乙烯、聚酯和特种工程塑料为主要替代对象，相对应的核心关键技术则分别偏向于产业链的下游（吹膜技术）、中游（催化技术）和上游（D-乳酸发酵技术）。通过系统地梳理聚乳酸的应用领域，可以粗略地分为六大领域。

（1）生活用塑料

包括塑料袋、一次性餐具、饮料包装、生活用塑料制品等。该领域的应用范围广、规模大、技术难度相对较低。但是也有其缺点：一是附加值较低；二是较难回收、分拣，而且需要堆肥设施（甚至需要在现有的堆肥设施上进一步改进，因为在大规模应用时，降解产生的乳酸可能会对堆肥产生影响）。

（2）农林环保用塑料

包括农用地棚膜、农林用塑料育苗钵/育苗托盘材料、林用薄膜（用于保水、防冻等）、防沙固沙用树脂等。相比于生活用塑料，该领域的应用规模相对较少，但多可集中应用，而且可以在土壤中降解，解决了传统塑料应用的难题。

（3）纺织用纤维

包括内衣等非熨烫类服饰材料、一次性纺织品等。相比于树脂产品，该领域的附加值相对较高，对高成本的承受能力略强。

（4）复合材料

包括复合树脂材料、复合纤维材料等，可应用于电器、汽车、建材等多个领域。在应用上，又可细分为两类：第一类是应用于耐用消费品的复合材料，该类产品附加值相对较高，但在技术上需要有较高的性能，因此往往需要基于聚乳酸立构复合物进行开发；第二类是应用于特定领域［如医用领域的一次性使用医疗注（输）器械材料、医用一次性氧合器材料、医疗一次性血液透析器材料、医用一次性导管及微创介入导管材料、一次性滤膜材料、一次性防护镜等］的材料，可以充分地利用聚乳酸本身的特性来实现相对较高的附加值。

（5）组织工程材料

包括医用骨固定夹板材料、骨钉材料、人体组织支架材料、人造眼角膜材料、人体组织培养基材料、人体组织修复材料等，是聚乳酸开发应用的传统领域，该领域附加值极高。

（6）三维打印（3D）打印材料

3D 打印技术使用的材料分聚合物和粉末材料两种，其中聚合物材料多使用液体材料（目前最为常用的是ABS），在这方面聚乳酸的特性可以得到充分地利用（熔点相对较低，可处于熔融状态；而且在未来规模化应用时可开发不同D-乳酸/L-乳酸配比的树脂，以达到不同的熔点要求）。尽管目前3D 打印尚未全面普及推广（目前一台3D 打印机的平均售价为数十万元人民币，而且由于打印速度、打印材料的成本等主要应用于模具制造），但这一领域的发展前景不容忽视。

2.2 聚乳酸全球市场概况

在产能方面，根据中国产业信息网发布的报告[9]，2015年以前，全球（除中国）聚乳酸的年生产能力约15.06万吨，年产量约12万吨，主要的生产企业包括美国嘉吉NatureWorks公司、巴斯夫公司（BASF SE）、美国生物塑料Cereplast公司、格拉特（Galatic）与道达尔（Total）合资的Futerro公司等。

在市场方面，据Marketsand-Markets预计[10]，2015～ 2020年，全球聚乳酸市场将以20.9%的年复合增长率快速增长；到2020年，全球聚乳酸消费市场将达到51.6亿美元。

在细分市场方面，据MarketsandMarkets报告，在2015年，欧洲和北美是聚乳酸的最大的消费市场。而亚太地区预计在预测期内（2015～2020年）将成为聚乳酸消费增长最快的市场。日本、印度、中国和泰国对聚乳酸的需求还会持续增长，从而推动聚乳酸在亚太市场的增长。

2.3 聚乳酸中国市场概况

在产能方面，截至2014年年底，我国聚乳酸的年生产能力约4.6万吨，但产量不高[11]。随着国家政策的重视以及日益紧迫的环境要求，以及聚乳酸树脂生产、加工技术的发展和产品性能的改进，聚乳酸作为生物新材料的应用前景被一致看好。目前，国内产能较大的生产企业包括浙江海正集团、光华伟业等。已建成的聚乳酸项目包括中国科学院长春应用化学所与海正集团合作，建立了拥有30吨/年的生产线，和于2007年建立了5000吨/年的中试生产线；浙江海正集团掌握了乳酸的发酵、提取、聚合等多项关键技术，并达到了环保和清洁生产工艺要求。2014年，该公司建成了一条1万吨/年规模的生产线，并于2015年启动建设年产5万吨的生产线[12]。

近年来，国内一些玉米深加工企业和生物化工企业纷纷进军聚乳酸行业，包括上海同杰良生物材料有限公司、江苏九鼎集团、吉林粮食集团收储经销有限公司、江苏允友成生物环保材料有限公司等，拥有多个在建和拟建的聚乳酸生产线。例如，江苏九鼎集团2005年宣布能生产薄膜级、纤维级等多级别的通用型聚乳酸产品，目前该公司正在建设1000吨/年的聚乳酸生产线，并计划建设1万吨/年的薄膜、包装用聚乳酸生产线；江苏允友成集团在2015年9月正式投产年产5万吨的聚乳酸生产线。因此，我国有望在未来5年内成为聚乳酸生产及加工大国[13]。

在消费市场方面，我国自2007年以来，聚乳酸贸易日趋频繁。由于国外聚乳酸下游应用领域发展成熟且应用范围广泛、市场消费量大，因此在产业化初期，我国聚乳酸贸易主要以出口为主[14]。然而，随着我国国内应用市场的不断扩大，以及需求量的快速提升，我国聚乳酸的进口量增加，同时出口量有所下降。根据中国产业信息网的报告，2015年，我国聚乳酸的表观消费量达到2.91万吨（图2）[10]。2011～2015年，我国聚乳酸市场以32%的年复合增长率快速增长。未来几年内，我国聚乳酸的市场需求将保持22%的年复合增长率，到2021年全国市场总需求量将接近10万吨。

3 聚乳酸行业发展趋势

十八大报告指出，建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势，必须树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，把生态文明建设放在突出地位，融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程，努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展。目前，随着我国可持续发展战略的实施，聚乳酸作为一种新兴可降解的生物质材料，不仅能有效缓解“石油危机”带来的对石化资源的依赖，同时也将有效解决传统塑料带来的“白色污染”问题，因此，聚乳酸行业在未来将有巨大的发展空间。

图2 2011～2021年中国聚乳酸市场表观消费量变化（预测）

3.1 政策利好促进行业发展

当前环保问题是全球亟待解决的问题之一。出于保护环境和节约资源的目的，全球范围内许多国家和地区开始限制塑料购物袋的生产和使用。我国于2008年6月开始在全国范围内实施“限塑令”；2015年1月1日，《吉林省禁止生产销售和提供一次性不可降解塑料袋、塑料餐具规定》正式实施，这是我国第一个全省范围采取高于国家标准的“限塑”。未来将会有更多的省市实施“禁塑令”。可以预见的是，以聚乳酸为主的生物可降解材料将是替代石油基塑料购物袋、塑料餐具等的主要选择。

另一方面，聚乳酸开发陆续被列入“九五”、“十五”、“863”、“973”、“火炬计划”、“十一五”、“中国制造2015”和《国家中长期科学科技发展规划》重点科研攻关项目。甚至在国家的“十三五”生物产业发展规划中提到，到“十三五”末，生物基聚酯、生物基聚氨酯、生物基尼龙和生物基增塑剂的年产能分别达到15万吨、20万吨、5万吨和20万吨；在10个城市形成示范应用，对石油基日用塑料制品的替代率达到50%左右；在生物基农用地膜推广10万亩以上（1亩=666.67m2）；形成一批生物基纤维新产品。生物基材料产业成为绿色与低碳经济增长的亮点，为我国经济社会可持续发展做出实质性贡献。

对石油基包装材料的禁用和限用，令可再生的制品成为全球紧俏的产品。国家大型战略计划的实施，将给聚乳酸行业带来了千载难逢的市场机遇和巨大的消费潜力。

3.2 技术发展是行业发展驱动力

聚乳酸行业发展的最大瓶颈在于产品的与原料的价差太小，其主要问题还在于其成本居高不下，主要原因是聚合技术工艺流程长、技术复杂、可变因素多，尚不能大规模批量生产；其次是乳酸作为聚乳酸的原料，其生产成本也相对过高[15]。未来如果乳酸生产转化技术得到提升、聚乳酸的提纯技术更加工业化、商业化，那么聚乳酸的市场价格才能有效降低。这需要各研究院校和企业不断投入研发、聚乳酸行业上下游规范发展以及政府加以引导和支持等各方面努力。聚乳酸真正能实现大规模工业化生产的时间可能还需3～5年。

3.3 聚乳酸纤维是未来发展重点

作为兼具羟基和羧基官能团的C3化合物的聚合产品，与其他高分子聚合物产品相比，聚乳酸有着良好的生物相容性和优良的理化性能，在纺织品等纤维应用领域具有良好的发展前景。在聚酯、尼龙和聚丙烯三大合成纤维占据主导的局面下，对性能优良的聚乳酸纤维开发，是一种性价比较高的选择。但是，要实现这一目标，还必须在技术和原料供应方面的改进。从技术方面看，目前纤维生产中对于L-乳酸和D-乳酸的应用比例、嵌合条件，以及其与淀粉聚乳酸共聚物系统的研究和产业化开发较缺乏，而且D-乳酸的大规模、低成本发酵生产技术尚不成熟。

从原料供应方面来看，国内尚有两大难题待解决：一是能够稳定地在区域内供应纺丝级或纺粘级的PLA（NatureWorks公司之前的纺丝级PLA价格波动以及对荷兰Synbra 等公司的“限供”使得国内的纺织行业迟迟不敢研发PLA纺织产品）；二是成本降至1.5万元/吨左右的水平（比1.1万～1.3万元/吨左右的聚酯成本略高）。如果能满足这两大条件，聚乳酸的应用前景相当乐观。

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Technology and market analysis on PLA

WANG Yue，JIANG Hongbo，CHEN Daming，MAO Kaiyun
Shanghai Information Center for Life Sciences, CAS, Shanghai 200031, China

With the development of raw material and processing technologies, biodegradable materials are getting increased attention, becoming the focus of sustainable and recycling economy. As an emerging biodegradable material, PLA is environmentally friendly and reliable for using. This paper made a research on the global development of application, the market size and trends of PLA, including our country.

PLA; technology Ramp;D; market development

10.3969/j.issn.1674-0319.2017.06.002

王跃，硕士，助理馆员。主要从事生物医药、生物技术、生物制造等生物产业各子领域的产业与技术情报研究。E-mail：wangyue2016@sibs.ac.cn