《Materials Today Sustainability》：High-demand biopolymers for the plastics industry’s transformation – a technical, economic and environmental assessment of production processes
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石化产业正面临从化石原料向可再生及循环原料转型的根本性挑战。塑料行业温室气体排放居高不下，实现该领域气候中和的关键路径之一是生产和使用生物基聚合物。尽管已有研究分别探讨了各类生物聚合物的开发路线、技术特性及单体经济与环境表现，但截至目前，尚无研究能够综合考量不
石化产业正面临从化石原料向可再生及循环原料转型的根本性挑战。塑料行业温室气体排放居高不下，实现该领域气候中和的关键路径之一是生产和使用生物基聚合物。尽管已有研究分别探讨了各类生物聚合物的开发路线、技术特性及单体经济与环境表现，但截至目前，尚无研究能够综合考量不同生物质类型，并对未来具备高市场需求的生物聚合物开展集技术、经济与环境于一体的系统性评估。本研究遴选七种高需求生物聚合物，通过技术经济分析(TEA)与生命周期评估(LCA)，将其与对应的石化产品进行对标分析。技术评估结果显示，聚乳酸(PLA)是综合表现最优的生物聚合物；若充分 valorise（资源化利用）所有副产物，生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)同样表现出色。生产成本对比表明，生物基聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚酰胺6(PA6)、聚氨基甲酸酯(PUR)及PLA与其化石对应产品的成本基本持平。LCA结果指出，相较于化石同类产品，生物基PUR与PBS的环境效益最为显著。虽然生物聚合物的适用性取决于具体应用场景，且没有任何一种生物聚合物能在所有维度上均达到最优，但PLA是在技术、经济及环境三项评估中综合表现最均衡的材料。
研究背景与意义
石化行业正处于从化石原料向可再生及循环原料转型的关键时期。德国《气候保护法》明确要求包括化工在内的全行业需在2045年实现气候中和，其中基础化学品生产过程每年排放约3960万吨二氧化碳当量，占化工制药行业总排放的约三分之二。尽管现有研究提出了回收利用、使用生物质替代以及利用二氧化碳与绿氢结合等多种脱碳路径，但生物质的供应有限且面临多行业竞争，如何高效、经济且环保地利用生物质替代化石原料生产塑料，成为亟待解决的科学问题。本研究针对这一痛点，由德国生物质研究中心（DBFZ）的研究人员开展，旨在筛选未来高需求的生物聚合物，通过系统的技术、经济与环境评估，为塑料产业的脱化石转型提供科学依据。相关成果发表于《Materials Today Sustainability》。
主要技术方法
研究人员采用多阶段筛选法确定研究对象，依据技术成熟度(TRL)、市场替代潜力及2027年预期产能，从文献池中筛选出七种高需求生物聚合物。研究构建了从生物质到聚合物的全流程系统边界，排除使用和废弃阶段以避免应用特异性干扰。基于文献数据与利益相关者研讨，建立了物质与能量平衡模型。评估体系涵盖三个维度：技术评估采用累积一次能源需求(CED)和碳转化效率(CCE)；经济评估依据VDI 6025标准计算特定生产成本，包含资本、消耗、运营及其他成本并扣除副产品收益；环境评估遵循ISO 14040/14044及16760标准，采用IPCC 2021及ReCiPe 2016方法学，量化全球变暖潜势(GWP)、化石燃料枯竭等多项指标。
研究结果
3.1 糖与木质素的提取
研究人员分析了源自含糖生物质、含淀粉生物质及木质纤维素生物质的糖与木质素提取工艺。结果表明，甜菜制糖能耗最低，但废水导致碳转化率较低；玉米制糖淀粉得率高，过程适中；木质纤维素经Organosolv工艺制糖能耗最高且木糖得率低，但能产出高纯度木质素。经济上，糖与淀粉按大宗商品计价，木质素提取成本受木材价格及能耗驱动显著。环境上，甜菜制糖在多数类别优于木质素提取，而利用废弃物木质素制糖在特定指标上表现较好。
3.2 聚乳酸(PLA)
PLA生产工艺由糖发酵制乳酸再聚合而成。技术评估显示，无论采用何种生物质，PLA生产的CED均低于其化石替代品PET，碳利用率超过50%。经济上，PLA生产成本略高于化石塑料，但因其高市场份额而具备竞争力。环境评估表明，PLA可显著降低GWP（最高达96%）、化石资源消耗及生态毒性，但会增加土地占用及酸化富营养化潜势。
3.3 聚酰胺6(PA6)
PA6通过糖经乙酰丙酸转化为己内酰胺后聚合制得。技术上，其CED与化石PA6相当甚至更低，但需消耗大量热能及合成气。经济上，基于糖和淀粉的PA6生产成本已接近甚至低于2022年的化石PA6价格。环境上，PA6可降低84%至93%的GWP及显著的化石资源消耗，但环境负荷转移至高土地占用及水体毒性。
3.4 聚乙烯(PE)
生物基PE通过糖发酵制乙醇脱水制乙烯后聚合。技术上，发酵过程能耗高且产生大量二氧化碳，碳转化率约为46%。经济上，其生产成本约为化石PE的两倍。环境上，基于甜菜的PE可实现负碳排放，替代化石PE可大幅降低GWP及化石消耗，但其他环境影响类别较高。
3.5 聚氨酯(PUR)
生物基PUR利用木质素解聚产生的低聚物与异氰酸酯反应制成。技术上，其CED显著低于化石PUR。经济上，生产成本与化石PUR相当，但异氰酸酯成本占比高。环境上，除土地占用外，其在所有评估类别中均优于化石PUR，GWP降幅可达102%。
3.6 聚丙烯(PP)
生物基PP通过糖制乙烯后经复分解反应生成丙烯聚合而成。技术上，工艺复杂导致碳损失大，需消耗4.8吨糖产1吨PP。经济上，成本是化石PP的两倍以上。环境上，基于甜菜的PP可实现负碳排放，替代化石PP可显著降低GWP及化石消耗。
3.7 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)
生物基PET由生物基乙二醇(MEG)和对苯二甲酸(PTA)聚合而成。技术上，除半纤维素路线外，其CED低于化石PET，副产物利用提升了碳效率。经济上，成本约为化石PET的三倍。环境上，可降低43%至76%的GWP，但土地占用等指标较高。
3.8 聚丁二酸丁二醇酯(PBS)
PBS由生物基丁二酸和1,4-丁二醇聚合而成。技术上，工艺步骤多，能耗高，碳转化率约44%至61%。经济上，若按0.3千克PBS替代1千克LDPE计算，成本极具吸引力。环境上，除土地占用外，其GWP和化石消耗降幅可达90%以上。
讨论与结论
研究人员指出，生物聚合物的选择需基于具体应用权衡技术、经济与环境性能。综合来看，PLA是三项评估中最优的生物聚合物，且直接利用含糖生物质的工艺表现最佳，从淀粉或木质纤维素中提取糖的额外工序会削弱性能。生物质资源的有限性要求必须结合机械回收、化学回收及二氧化碳基塑料等其他脱碳路径进行统筹规划。优化潜力在于提高生物质利用率、捕获发酵产生的二氧化碳、利用余热及替代有毒助剂。政策层面需通过化石税、强制配额、绿色采购及基础设施建设推动市场应用。最终结论重申，虽然无万能生物聚合物，但PLA综合表现最佳，且生物质的高效可持续供应是实现塑料产业转型的前提。
