生物降解塑料产业发展路径研究

罗兰芳， 邓舟羽， 叶 宁， 黄雅丽

(三明学院 1.经济与管理学院；2.资源与化工学院， 福建 三明 365004)

塑料诞生百年来，因其优良性能以及低成本的优点，已被广泛应用于生产和生活的方方面面。塑料工业的迅速发展是一把“双刃剑”，在促进各产业发展的同时，所产生的塑料废弃物对生活和生态环境造成了严重的危害。自20世纪50年代以来，人类已经生产了83亿吨塑料制品，其中约63亿吨塑料彻底成为废弃物，这些废弃的塑料制品，只有9%被回收，另有12%被焚烧处理，剩余79%的废弃塑料则深埋在垃圾填埋场或在自然环境中累积[1]。这不仅对人类赖以生存的土地、空气、水体环境产生了严重的负面影响，还威胁其它生物的生存，通过食物链又将微塑料带到人类餐桌，影响人类健康。

随着低碳经济的发展和公众环保意识的不断增强，面对日趋严峻的“白色污染”和传统资源的日益枯竭，世界各国纷纷制定相关法令、法规，采用禁止、限用和强制回收等措施限制不可降解塑料的生产与使用。生物降解塑料由于其环保的优良特性开始受到关注并推广使用，为该行业带来了巨大的发展空间与机遇。目前，生物降解塑料主要应用于农业、食品包装、医疗、纺织、渔业、建筑材料、卫生用品[2]、3D打印、汽车、电子电气[3]和一次性日用品等领域，是一个新兴的朝阳产业。因此，发展生物降解塑料产业既是治理塑料废弃物对环境污染、缓解资源紧张、保障人类健康与实现可持续发展的有效途径，又是发展低碳经济和推进生态文明建设实现高质量发展的必由之路。

1 生物降解塑料产业发展现状

生物降解塑料是一类可以通过自然界中存在的微生物作用而降解回归环境的塑料高分子材料[4]。理想的生物降解塑料在废弃后可被环境微生物完全分解并最终生成二氧化碳和水，进入自然生物圈的物质循环系统，不再对生态环境造成危害[5]。与石化为原料的传统塑料产品相比，生物降解塑料的生产和使用可以显著地降低原油、水和电等能源的消耗量，减少碳排放量，极大地降低对环境的污染，是一种绿色、环保型产品。欧洲生物塑料公司表示全球生物塑料产能将从2017年的约205万吨增加至2022年的约244万吨，并且生物聚合物如聚乳酸(PLA)和聚羟基脂肪酸酯(PHA)增速最快[6]。目前,中国市场上使用和销售的生物降解塑料主要有聚羟基丁酸酯(PHA)、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)以及己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(PBAT)。近年来，中国生物降解塑料的产量和市场规模都呈现快速增长的势头，产量由2012年的28万吨猛增到2018年的65万吨(如图1所示)，年复合增长率达12.78%；市场规模则由2012年的25.12亿元增至2018年的50.4亿元(如图2所示)，增长了2.006倍。国内生物降解塑料的市场占有率不高，其产品主要用于出口，2017年国内生物可降解材料使用量不足2万吨，而同期出口量却达到了7.2万吨[7]。但随着国家环保政策的不断加码、《“十三五”生物产业发展规划》的推行和环保消费观念的不断升级，生物降解塑料市场将在国内迎来爆发式增长。

图1 2012-2018年中国生物降解塑料产量数据来源：根据智研咨询公布信息整理。

图2 2012-2018年中国生物降解塑料市场规模数据来源：根据智研咨询公布信息整理。

2 生物降解塑料产业发展瓶颈

2.1 生产成本与售价高

成本问题一贯是困扰生物降解塑料产业发展的关键问题之一。生物降解聚合物的来源有：细菌、甜菜、玉米、马铃薯、小麦、木薯、木材、棉花、大豆等天然材料，使用发酵法或者基因工程法，通过聚合工艺处理后得到。与其他塑料相比，生物降解塑料原料价格相对较高且技术尚未成熟(如表1所示)。

由于需要使用多种原材料，生产工艺复杂，技术含量较高且处于发展初期，需要投入大量的研发费用；加之目前该产业的生产规模还未充分实现规模经济，产品单位生产成本高，导致生物降解塑料的价格要远远高于普通塑料。按现有工艺生产的生物降解塑料价格，大约是普通聚乙烯和聚丙烯的2～10倍[8](如表2所示)。

2.2 可控性较差，降解不彻底

所谓环境降解高分子材料(含生物降解塑料)是指高分子材料在完成使用使命后，能被环境中的各种因素自动降解，变成对环境无害的小分子化合物。高分子材料降解包括材料形状的破坏、凝聚态结构的破坏和降解的高分子链这三个过程，缺一不可。降解利用微生物代谢作用，将塑料大分子分解成小分子的速度缓慢，生物降解高分子也易受材料自身特性和外界因素的干扰。材料的高级结构、高分子的凝聚态结构、相界面、分子量、分子间作用力；氧气、湿度、温度、气压、催化剂、微生物菌株、pH值、紫外线、酶的种类等因素都会影响生物塑料的降解。

表1 生物降解塑料和其他塑料对比

表2 生物降解塑料与传统塑料价格对比

例如有些具有树脂分子骨架的结构非常难以分解，这样使得废弃塑料的回收处理增加了不少难度。对填充型的淀粉塑料进行分析试验，其中可在一年内降解的组分只占了很小的一部分，试验证明在紫外线的作用下可以加快塑料的降解情况，但离实际应用还有较大差距。生物降解塑料在使用中，较难保持性质不发生变化，而在丢弃之后又能实现能快速降解的目的。生物降解塑料降解的可控性不易受控制，会造成降解不彻底，对生态环境仍有可能造成危害，这将阻碍产品推广和使用。

2.3 材料与使用性能存在缺陷

材料性能的缺陷归根结底是材料结构性质的问题，拥有什么样的结构就决定了材料有什么样的性质。与传统塑料相比较，生物降解塑料生产使用的材料存在一定缺陷，如PLA大部分呈现的是全规立构和间规立构[9]，性质硬而脆，不利于加工，导致使用场所受限；淀粉有直链结构和支链结构[10]，遇水易被凝胶化和重结晶，从而导致产品变形，撕裂等。

生物降解塑料的使用性能也存在缺陷，例如：PLA耐水但是不耐高温，材质硬但容易断裂，使其在实际应用中受到很大的限制。淀粉基塑料则具有性脆、易发霉、耐高温性能差等特点，若加工成包装袋或者是餐盒，遇到温度较高的食品，易变形、撕裂。由于原料来源、合成方法的不同，生物降解塑料在环保性能上比其他塑料更具优势，但与传统塑料相比，在力学性能、加工性能、应用性能上都存在一定劣势。以石油为原料合成的塑料产品，在加工性能和力学性能比以可再生资源为原料的生物降解塑料优秀(如表3所示)。

表3 生物降解塑料与其他塑料的性能对比

2.4 行业相关标准不尽一致

生物降解塑料已有一定的市场份额，随着生物降解塑料的研发和产业化的不断深入与推进，很多国家出台了生物降解能力评价方法和标准。但由于不同国家的地理环境、气候、土壤成分、垃圾处理方式等的不同，都对生物塑料降解性能形成约束条件。降解的解释、时间、产物等问题都未能统一，评价方法和标准更是形形色色。目前，国际现行的生物降解塑料标准主要有国际标准化组织生物降解塑料标准(ISO)、欧盟生物降解塑料标准(CEN)、美国生物降解塑料标准(ASTM)。对于降解塑料的定义、降解机理、评价方法和标准，中国近些年来一直在努力研究和建立相应的标准，国内关于降解性能的标准有国家标准(GB/T)和行业及地方(TB/T、QB/T)测定标准，多达二三十种。现有各标准所适用的试验条件差异较大，取得的生物降解性数据无法实现相互之间的换算；且现行的标准方法，大都只能近似反映塑料的真实降解行为，与真实废弃塑料的生物降解行为还有一定的差别；对降解机理复杂的多元降解机理塑料，尚无相应的执行标准[11]。由于目前对生物降解塑料还没有统一的产品检验方法和检测标准，以至于在技术和产品市场方面较为混乱，不利于行业的进一步发展。

3 生物降解塑料产业发展路径

3.1 降低成本，实现规模经济

3.1.1 改良加工设备，优化生产工艺

生物降解塑料生产企业可改良原有生产设备，降低转型生产投资费用，努力实现关键设备大型化生产，为规模经济的形成提供条件。也可考虑在原有生产基础上使生产装置柔性化，以生产多种生物降解塑料产品，使生产更加经济便捷。政府则可考虑为企业提供技术改造专项贷款或低息贷款，促进生物降解塑料生产企业升级技术设备，简化生物降解塑料的生产工艺路线，优化生产过程，建立生态安全、绿色低碳、循环发展的工艺体系，扩大生物降解塑料的品种和使用范围。

3.1.2 促进产业集群深度发展

国家、生物降解塑料行业协会和生物降解塑料生产相关企业应着力建设高度集聚和高度专业化的生物降解塑料产业集群，形成科学合理的产业链，通过共享公共设施，联合创新研发，减少分散布局所需要的额外投资，增强企业间的高度分工与协作，优化工艺技术，降低原料采购成本，提高产生效率，实现内、外部的规模经济与范围经济。

3.1.3 培育绿色消费市场

2019年海南省率先出台“禁塑令”，规定2020年底前将全面禁止生产、销售和使用一次性不可降解塑料袋、塑料餐具[12]。国家可通过颁布相关法令法规，在全国范围内推行禁售不可降解的塑料制品；或强制生产传统塑料企业承担回收义务；或发挥税收促进环境保护和资源、能源节约利用的作用，倒逼传统塑料生产企业退出市场或加快转型升级。培育中国绿色消费市场，通过广泛的宣传与引导，进一步提高民众绿色消费的意识和主动性，借鉴日本政府的做法对消费者购买环保塑料产品给予适当补助[13]。提高对石油基用塑料制品的替代率，促进生物降解塑料产品的市场规模不断扩大，使生产企业尽早实现规模经济，并最终替代对环境污染、能源消耗大的传统塑料制品。

3.1.4 加大政策补贴力度

据相关统计显示：我国每年在治理环境污染方面的投入超过9 000亿[14]，这种先污染后治理的方式，治标不治本。国家可考虑针对生物降解塑料产业制定并出台相应的财政补贴政策，以补助、专项资金、贴息等方式支助生产企业；同时设置单独的海关编码，制定相应的税收优惠政策，提高生物降解塑料生产企业的出口退税率。这既可从一定程度上弥补企业的生产成本，又能实现从源头出发保护生态环境与降低能源消耗。

3.2 加强产学研合作，提高降解可控性

生物降解塑料产业企业应以创新为纽带，在围绕生物降解塑料产业链建设产业集群的同时，加大产学研合作力度，形成科技、产业、高校和科研院所协同研发的良好局面。加强对生物降解机理的研究，探索各影响因素对生物降解塑料的降解情况，根据塑料制品的实际用途研发具有相关性能的可降解塑料，寻找提高控制降解率的有效途径，减少受材料自身特性和外界因素的干扰。此外，还可通过对微生物进行培育，获取新的生物降解塑料，探寻可以降解高分子塑料的微生物，探究并剖析新的高分子材料的合成机理，找出控制性能优良的生物降解高分子，然后通过现有方法及基因工程的手段提高其产量。

3.3 加大技术创新，改善高分子结构缺陷

提高生物降解塑料的材料与使用性能,缩小产品性能与使用性能要求存在的差距，可以减少市场推广的制约，加快生物降解塑料产业的创新发展。生物降解塑料行业应加大材料创新，对原有材料进行化学合成或改性处理，发展多元共混生物降解塑料，即将一种或多种生物降解塑料与普通塑料共混，利用普通塑料的性能优点补足生物降解塑料的材料与使用缺陷，获得更好的机械强度、柔韧性、耐湿和耐热性能，改变其在力学性能、加工性能和应用性能上的劣势，这样既提高了生物降解塑料的力学性能和加工性能，又便于推广应用；同时还可考虑通过基因工程技术探索生物降解塑料的结构，寻求合理的改善生物降解塑料结构的方法，提升生物降解塑料的使用性能，提高产品的市场竞争力。

3.4 统一行业标准与规范

耐用性和可降解性是好的降解材料必须具备的。生物可降解塑料的评价标准应该从塑料的基本性能和塑料的降解性两方面着手。生物降解塑料行业应尽快促成国家生产标准或行业生产标准的统一、完善与国际化，使各类标准保持高度协调、统一，各类生物降解塑料性能的测定参数与检验标准具有可比性、可换算性，检测标准能高度仿真真实的降解行为，以规范生物降解塑料的生产与市场秩序。

总之，生物塑料产业是技术含量高、能源消耗低、节能的环保产业，其发展有利于解决白色污染的问题，使塑料行业向着资源节约型、环境友好型转变，有利于发展塑料制品的绿色之路。因此，解决好制约生物塑料产业的发展瓶颈，促进该产业的健康与高质量发展，对缓解资源紧张，促进环境保护，提升经济发展质量，朝绿色可持续模式发展具有重要的推动作用。