生物降解塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑研究

羅蘭芳， 鄧舟羽， 葉 寧， 黃雅麗

(三明學(xué)院 1.經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院；2.資源與化工學(xué)院， 福建 三明 365004)

塑料誕生百年來，因其優(yōu)良性能以及低成本的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的方方面面。塑料工業(yè)的迅速發(fā)展是一把“雙刃劍”，在促進(jìn)各產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，所產(chǎn)生的塑料廢棄物對生活和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害。自20世紀(jì)50年代以來，人類已經(jīng)生產(chǎn)了83億噸塑料制品，其中約63億噸塑料徹底成為廢棄物，這些廢棄的塑料制品，只有9%被回收，另有12%被焚燒處理，剩余79%的廢棄塑料則深埋在垃圾填埋場或在自然環(huán)境中累積[1]。這不僅對人類賴以生存的土地、空氣、水體環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響，還威脅其它生物的生存，通過食物鏈又將微塑料帶到人類餐桌，影響人類健康。

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和公眾環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，面對日趨嚴(yán)峻的“白色污染”和傳統(tǒng)資源的日益枯竭，世界各國紛紛制定相關(guān)法令、法規(guī)，采用禁止、限用和強(qiáng)制回收等措施限制不可降解塑料的生產(chǎn)與使用。生物降解塑料由于其環(huán)保的優(yōu)良特性開始受到關(guān)注并推廣使用，為該行業(yè)帶來了巨大的發(fā)展空間與機(jī)遇。目前，生物降解塑料主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品包裝、醫(yī)療、紡織、漁業(yè)、建筑材料、衛(wèi)生用品[2]、3D打印、汽車、電子電氣[3]和一次性日用品等領(lǐng)域，是一個(gè)新興的朝陽產(chǎn)業(yè)。因此，發(fā)展生物降解塑料產(chǎn)業(yè)既是治理塑料廢棄物對環(huán)境污染、緩解資源緊張、保障人類健康與實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，又是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

1 生物降解塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

生物降解塑料是一類可以通過自然界中存在的微生物作用而降解回歸環(huán)境的塑料高分子材料[4]。理想的生物降解塑料在廢棄后可被環(huán)境微生物完全分解并最終生成二氧化碳和水，進(jìn)入自然生物圈的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，不再對生態(tài)環(huán)境造成危害[5]。與石化為原料的傳統(tǒng)塑料產(chǎn)品相比，生物降解塑料的生產(chǎn)和使用可以顯著地降低原油、水和電等能源的消耗量，減少碳排放量，極大地降低對環(huán)境的污染，是一種綠色、環(huán)保型產(chǎn)品。歐洲生物塑料公司表示全球生物塑料產(chǎn)能將從2017年的約205萬噸增加至2022年的約244萬噸，并且生物聚合物如聚乳酸(PLA)和聚羥基脂肪酸酯(PHA)增速最快[6]。目前,中國市場上使用和銷售的生物降解塑料主要有聚羥基丁酸酯(PHA)、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)以及己二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(PBAT)。近年來，中國生物降解塑料的產(chǎn)量和市場規(guī)模都呈現(xiàn)快速增長的勢頭，產(chǎn)量由2012年的28萬噸猛增到2018年的65萬噸(如圖1所示)，年復(fù)合增長率達(dá)12.78%；市場規(guī)模則由2012年的25.12億元增至2018年的50.4億元(如圖2所示)，增長了2.006倍。國內(nèi)生物降解塑料的市場占有率不高，其產(chǎn)品主要用于出口，2017年國內(nèi)生物可降解材料使用量不足2萬噸，而同期出口量卻達(dá)到了7.2萬噸[7]。但隨著國家環(huán)保政策的不斷加碼、《“十三五”生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的推行和環(huán)保消費(fèi)觀念的不斷升級，生物降解塑料市場將在國內(nèi)迎來爆發(fā)式增長。

圖1 2012-2018年中國生物降解塑料產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源：根據(jù)智研咨詢公布信息整理。

圖2 2012-2018年中國生物降解塑料市場規(guī)模數(shù)據(jù)來源：根據(jù)智研咨詢公布信息整理。

2 生物降解塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸

2.1 生產(chǎn)成本與售價(jià)高

成本問題一貫是困擾生物降解塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。生物降解聚合物的來源有：細(xì)菌、甜菜、玉米、馬鈴薯、小麥、木薯、木材、棉花、大豆等天然材料，使用發(fā)酵法或者基因工程法，通過聚合工藝處理后得到。與其他塑料相比，生物降解塑料原料價(jià)格相對較高且技術(shù)尚未成熟(如表1所示)。

由于需要使用多種原材料，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，技術(shù)含量較高且處于發(fā)展初期，需要投入大量的研發(fā)費(fèi)用；加之目前該產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模還未充分實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，產(chǎn)品單位生產(chǎn)成本高，導(dǎo)致生物降解塑料的價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通塑料。按現(xiàn)有工藝生產(chǎn)的生物降解塑料價(jià)格，大約是普通聚乙烯和聚丙烯的2～10倍[8](如表2所示)。

2.2 可控性較差，降解不徹底

所謂環(huán)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，能被環(huán)境中的各種因素自動(dòng)降解，變成對環(huán)境無害的小分子化合物。高分子材料降解包括材料形狀的破壞、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的破壞和降解的高分子鏈這三個(gè)過程，缺一不可。降解利用微生物代謝作用，將塑料大分子分解成小分子的速度緩慢，生物降解高分子也易受材料自身特性和外界因素的干擾。材料的高級結(jié)構(gòu)、高分子的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)、相界面、分子量、分子間作用力；氧氣、濕度、溫度、氣壓、催化劑、微生物菌株、pH值、紫外線、酶的種類等因素都會影響生物塑料的降解。

表1 生物降解塑料和其他塑料對比

表2 生物降解塑料與傳統(tǒng)塑料價(jià)格對比

例如有些具有樹脂分子骨架的結(jié)構(gòu)非常難以分解，這樣使得廢棄塑料的回收處理增加了不少難度。對填充型的淀粉塑料進(jìn)行分析試驗(yàn)，其中可在一年內(nèi)降解的組分只占了很小的一部分，試驗(yàn)證明在紫外線的作用下可以加快塑料的降解情況，但離實(shí)際應(yīng)用還有較大差距。生物降解塑料在使用中，較難保持性質(zhì)不發(fā)生變化，而在丟棄之后又能實(shí)現(xiàn)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，會造成降解不徹底，對生態(tài)環(huán)境仍有可能造成危害，這將阻礙產(chǎn)品推廣和使用。

2.3 材料與使用性能存在缺陷

材料性能的缺陷歸根結(jié)底是材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)的問題，擁有什么樣的結(jié)構(gòu)就決定了材料有什么樣的性質(zhì)。與傳統(tǒng)塑料相比較，生物降解塑料生產(chǎn)使用的材料存在一定缺陷，如PLA大部分呈現(xiàn)的是全規(guī)立構(gòu)和間規(guī)立構(gòu)[9]，性質(zhì)硬而脆，不利于加工，導(dǎo)致使用場所受限；淀粉有直鏈結(jié)構(gòu)和支鏈結(jié)構(gòu)[10]，遇水易被凝膠化和重結(jié)晶，從而導(dǎo)致產(chǎn)品變形，撕裂等。

生物降解塑料的使用性能也存在缺陷，例如：PLA耐水但是不耐高溫，材質(zhì)硬但容易斷裂，使其在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制。淀粉基塑料則具有性脆、易發(fā)霉、耐高溫性能差等特點(diǎn)，若加工成包裝袋或者是餐盒，遇到溫度較高的食品，易變形、撕裂。由于原料來源、合成方法的不同，生物降解塑料在環(huán)保性能上比其他塑料更具優(yōu)勢，但與傳統(tǒng)塑料相比，在力學(xué)性能、加工性能、應(yīng)用性能上都存在一定劣勢。以石油為原料合成的塑料產(chǎn)品，在加工性能和力學(xué)性能比以可再生資源為原料的生物降解塑料優(yōu)秀(如表3所示)。

表3 生物降解塑料與其他塑料的性能對比

2.4 行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不盡一致

生物降解塑料已有一定的市場份額，隨著生物降解塑料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的不斷深入與推進(jìn)，很多國家出臺了生物降解能力評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。但由于不同國家的地理環(huán)境、氣候、土壤成分、垃圾處理方式等的不同，都對生物塑料降解性能形成約束條件。降解的解釋、時(shí)間、產(chǎn)物等問題都未能統(tǒng)一，評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)更是形形色色。目前，國際現(xiàn)行的生物降解塑料標(biāo)準(zhǔn)主要有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織生物降解塑料標(biāo)準(zhǔn)(ISO)、歐盟生物降解塑料標(biāo)準(zhǔn)(CEN)、美國生物降解塑料標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)。對于降解塑料的定義、降解機(jī)理、評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，中國近些年來一直在努力研究和建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)關(guān)于降解性能的標(biāo)準(zhǔn)有國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T)和行業(yè)及地方(TB/T、QB/T)測定標(biāo)準(zhǔn)，多達(dá)二三十種?，F(xiàn)有各標(biāo)準(zhǔn)所適用的試驗(yàn)條件差異較大，取得的生物降解性數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)相互之間的換算；且現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)方法，大都只能近似反映塑料的真實(shí)降解行為，與真實(shí)廢棄塑料的生物降解行為還有一定的差別；對降解機(jī)理復(fù)雜的多元降解機(jī)理塑料，尚無相應(yīng)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)[11]。由于目前對生物降解塑料還沒有統(tǒng)一的產(chǎn)品檢驗(yàn)方法和檢測標(biāo)準(zhǔn)，以至于在技術(shù)和產(chǎn)品市場方面較為混亂，不利于行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

3 生物降解塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑

3.1 降低成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)

3.1.1 改良加工設(shè)備，優(yōu)化生產(chǎn)工藝

生物降解塑料生產(chǎn)企業(yè)可改良原有生產(chǎn)設(shè)備，降低轉(zhuǎn)型生產(chǎn)投資費(fèi)用，努力實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備大型化生產(chǎn)，為規(guī)模經(jīng)濟(jì)的形成提供條件。也可考慮在原有生產(chǎn)基礎(chǔ)上使生產(chǎn)裝置柔性化，以生產(chǎn)多種生物降解塑料產(chǎn)品，使生產(chǎn)更加經(jīng)濟(jì)便捷。政府則可考慮為企業(yè)提供技術(shù)改造專項(xiàng)貸款或低息貸款，促進(jìn)生物降解塑料生產(chǎn)企業(yè)升級技術(shù)設(shè)備，簡化生物降解塑料的生產(chǎn)工藝路線，優(yōu)化生產(chǎn)過程，建立生態(tài)安全、綠色低碳、循環(huán)發(fā)展的工藝體系，擴(kuò)大生物降解塑料的品種和使用范圍。

3.1.2 促進(jìn)產(chǎn)業(yè)集群深度發(fā)展

國家、生物降解塑料行業(yè)協(xié)會和生物降解塑料生產(chǎn)相關(guān)企業(yè)應(yīng)著力建設(shè)高度集聚和高度專業(yè)化的生物降解塑料產(chǎn)業(yè)集群，形成科學(xué)合理的產(chǎn)業(yè)鏈，通過共享公共設(shè)施，聯(lián)合創(chuàng)新研發(fā)，減少分散布局所需要的額外投資，增強(qiáng)企業(yè)間的高度分工與協(xié)作，優(yōu)化工藝技術(shù)，降低原料采購成本，提高產(chǎn)生效率，實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外部的規(guī)模經(jīng)濟(jì)與范圍經(jīng)濟(jì)。

3.1.3 培育綠色消費(fèi)市場

2019年海南省率先出臺“禁塑令”，規(guī)定2020年底前將全面禁止生產(chǎn)、銷售和使用一次性不可降解塑料袋、塑料餐具[12]。國家可通過頒布相關(guān)法令法規(guī)，在全國范圍內(nèi)推行禁售不可降解的塑料制品；或強(qiáng)制生產(chǎn)傳統(tǒng)塑料企業(yè)承擔(dān)回收義務(wù)；或發(fā)揮稅收促進(jìn)環(huán)境保護(hù)和資源、能源節(jié)約利用的作用，倒逼傳統(tǒng)塑料生產(chǎn)企業(yè)退出市場或加快轉(zhuǎn)型升級。培育中國綠色消費(fèi)市場，通過廣泛的宣傳與引導(dǎo)，進(jìn)一步提高民眾綠色消費(fèi)的意識和主動(dòng)性，借鑒日本政府的做法對消費(fèi)者購買環(huán)保塑料產(chǎn)品給予適當(dāng)補(bǔ)助[13]。提高對石油基用塑料制品的替代率，促進(jìn)生物降解塑料產(chǎn)品的市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，使生產(chǎn)企業(yè)盡早實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，并最終替代對環(huán)境污染、能源消耗大的傳統(tǒng)塑料制品。

3.1.4 加大政策補(bǔ)貼力度

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示：我國每年在治理環(huán)境污染方面的投入超過9 000億[14]，這種先污染后治理的方式，治標(biāo)不治本。國家可考慮針對生物降解塑料產(chǎn)業(yè)制定并出臺相應(yīng)的財(cái)政補(bǔ)貼政策，以補(bǔ)助、專項(xiàng)資金、貼息等方式支助生產(chǎn)企業(yè)；同時(shí)設(shè)置單獨(dú)的海關(guān)編碼，制定相應(yīng)的稅收優(yōu)惠政策，提高生物降解塑料生產(chǎn)企業(yè)的出口退稅率。這既可從一定程度上彌補(bǔ)企業(yè)的生產(chǎn)成本，又能實(shí)現(xiàn)從源頭出發(fā)保護(hù)生態(tài)環(huán)境與降低能源消耗。

3.2 加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，提高降解可控性

生物降解塑料產(chǎn)業(yè)企業(yè)應(yīng)以創(chuàng)新為紐帶，在圍繞生物降解塑料產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)產(chǎn)業(yè)集群的同時(shí)，加大產(chǎn)學(xué)研合作力度，形成科技、產(chǎn)業(yè)、高校和科研院所協(xié)同研發(fā)的良好局面。加強(qiáng)對生物降解機(jī)理的研究，探索各影響因素對生物降解塑料的降解情況，根據(jù)塑料制品的實(shí)際用途研發(fā)具有相關(guān)性能的可降解塑料，尋找提高控制降解率的有效途徑，減少受材料自身特性和外界因素的干擾。此外，還可通過對微生物進(jìn)行培育，獲取新的生物降解塑料，探尋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機(jī)理，找出控制性能優(yōu)良的生物降解高分子，然后通過現(xiàn)有方法及基因工程的手段提高其產(chǎn)量。

3.3 加大技術(shù)創(chuàng)新，改善高分子結(jié)構(gòu)缺陷

提高生物降解塑料的材料與使用性能,縮小產(chǎn)品性能與使用性能要求存在的差距，可以減少市場推廣的制約，加快生物降解塑料產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。生物降解塑料行業(yè)應(yīng)加大材料創(chuàng)新，對原有材料進(jìn)行化學(xué)合成或改性處理，發(fā)展多元共混生物降解塑料，即將一種或多種生物降解塑料與普通塑料共混，利用普通塑料的性能優(yōu)點(diǎn)補(bǔ)足生物降解塑料的材料與使用缺陷，獲得更好的機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性、耐濕和耐熱性能，改變其在力學(xué)性能、加工性能和應(yīng)用性能上的劣勢，這樣既提高了生物降解塑料的力學(xué)性能和加工性能，又便于推廣應(yīng)用；同時(shí)還可考慮通過基因工程技術(shù)探索生物降解塑料的結(jié)構(gòu)，尋求合理的改善生物降解塑料結(jié)構(gòu)的方法，提升生物降解塑料的使用性能，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

3.4 統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

耐用性和可降解性是好的降解材料必須具備的。生物可降解塑料的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該從塑料的基本性能和塑料的降解性兩方面著手。生物降解塑料行業(yè)應(yīng)盡快促成國家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一、完善與國際化，使各類標(biāo)準(zhǔn)保持高度協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，各類生物降解塑料性能的測定參數(shù)與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)具有可比性、可換算性，檢測標(biāo)準(zhǔn)能高度仿真真實(shí)的降解行為，以規(guī)范生物降解塑料的生產(chǎn)與市場秩序。

總之，生物塑料產(chǎn)業(yè)是技術(shù)含量高、能源消耗低、節(jié)能的環(huán)保產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展有利于解決白色污染的問題，使塑料行業(yè)向著資源節(jié)約型、環(huán)境友好型轉(zhuǎn)變，有利于發(fā)展塑料制品的綠色之路。因此，解決好制約生物塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展瓶頸，促進(jìn)該產(chǎn)業(yè)的健康與高質(zhì)量發(fā)展，對緩解資源緊張，促進(jìn)環(huán)境保護(hù)，提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量，朝綠色可持續(xù)模式發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。