来源： 《全生物降解材料》
以PLA、PHA、PBAT、Bio-PBS、淀粉基塑料为代表的可生物降解塑料行业将有广阔的发展前景。
01 背 景
传统塑料，由于大量的使用和不可降解性，在出现100多年后的今天已经造成巨大的环境问题，甚至在太平洋中还出现了一个塑料垃圾岛。根据全球碳循环示意图（图1），传统塑料制备的塑料袋、塑料瓶、餐盒等垃圾若不能被有效收集并做合理处理，它们在自然环境中需要经过世纪级的时间跨度才能实现完全降解。根据联合国环境署保守估计，由于塑料包装未被有效收集，在全球范围内所带来的环保成本约为400亿美元（2800亿人民币）。
图1：全球碳循环示意图
（图片来源：Challenges and opportunities of biodegradable plastics: A mini review，Waste Management & Research 2017, Vol.35(2) 132–140）
2015年以来，随着双碳政策约束和人类环保意识的加强，全球范围内的国家和地区都陆续了制定了禁塑限塑政策。在这一背景下，可生物降解塑料由于其可快速降解性、降解产物的无害性和生产过程的低碳性，其重要性逐渐凸显，可生物降解塑料行业也在此背景下迎来了发展的黄金时期。
02 生物降解
图2：塑料降解方式的分类
塑料的降解分为非生物降解和生物降解，从环保的角度讲，只有生物降解具有环保意义。非生物降解从环保的角度讲存在“打降解擦边球”和“蹭热度”的问题。为了使可降解真正“落地”，2022年6月，国家标准《GB/T41010-2021生物降解塑料与制品降解性能及标识要求》开始实施，国家标准严格定义了“生物降解”的概念，约定了可生物降解的四个维度：即降解方式、降解条件、降解时间、降解产物，以及不同降解方式下降解性能的检测方法及标准。
03 应用及市场
可生物降解塑料的应用场景是代替传统塑料应用于农用领域（地膜）、包装领域（商超购物袋、快递包装）、一次性器具（一次性餐具、一次性医疗用品）、纺丝加工及医用领域（生物医用高分子材料）。
图3：三类可生物降解塑料的应用（PLA、PHA、PBAT）
根据《中国化工新材料产业发展报告（2022）》的数据：2023年全球生物降解塑料市场需求量达55万吨，未来5年内需求复合增速将达到8.9%。预计2025年国内限塑领域（农膜、外卖、商超、快递、民航）和非限塑领域对PLA的年总需求量将达到320万吨（市场价2万/吨）。
2021年全球PBAT树脂使用量约27.06万吨，2022年至2024年，PBAT的全球需求量将增加至50万吨（市场价1.2万/吨），年增长率为22%。PHA材料的市场需求量对价格非常敏感，当PHA价格是4.5万/吨时，市场需求量在40万吨。三者综合起来，预计2025年开始，PLA、PBAT和PHA三种生物降解塑料的年总市场规模将达到880亿元人民币。
根据《中国化工新材料产业发展报告（2022）》的数据，全球可降解材料种类分布中，淀粉混合物可降解材料占32%的市场份额，PLA占32%的市场份额，PBAT占23%的市场份额，PBS占据7%的市场份额，PHA占据3%的市场份额。其他可生物降解材料占据3%的市场份额。
图4：全球主要可生物降解材料的市场份额分布
（数据来源：中国化工新材料产业发展报告（2022））
04 可生物降解塑料的分类
根据图5所示象限图的逻辑，可生物降解塑料既可以是生物基（以木薯、玉米、甘蔗、秸秆等生物质为原料），也可以是石油基（原料来自石化资源），并不是所有生物基塑料都可生物降解（比如巴西以甘蔗为原料的Bio-PE就不可生物降解），并不是所有石油基塑料都不可生物降解。例如PLA（聚乳酸）是以玉米或秸秆为原料制备的生物基可降解塑料，PBAT是以丁二醇（BDO）、已二酸（AA）和对苯二甲酸（PTA）为原料制备的石油基可降解塑料。例如PEF、PBF这些呋喃基聚酯，是以糖类为原料制备的生物基不可降解塑料。
图5：生物基和可生物降解的辩证关系
（图片来源：Challenges and opportunities of biodegradable plastics: A mini review，Waste Management & Research 2017, Vol.35(2) 132–140）
包含石油基和生物基在内的可生物降解塑料大概有15种（图6），目前可规模化生产的可生物降解塑料有PLA（聚乳酸）、PBAT（聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯）、PBS（聚丁二酸丁二醇酯）、PCL（聚己内酯）和PHA（聚羟基脂肪酸酯）。
图6：可生物降解材料的种类
05 产业链及行业现状
聚乳酸是以玉米、薯类等淀粉基生物质或秸秆纤维素为原料，发酵生产乳酸，进一步纯化聚合制备成高纯度聚乳酸，具有环保、无毒、抗菌、难燃及良好的生物相容性，在正常堆肥条件下可完全生物降解，下游主要应用于农膜、一次性餐具、商超购物袋等，被认为是未来替代石油基塑料（PE、PP、PVC等）和石油基化纤（PET、PTT、PBT等）的最有市场前景和竞争力的可生物降解塑料，其产业链如图7所示。
图7：PLA产业链
PLA的主流生产工艺采用两步法，生产过程涉及乳酸和丙交酯中间体，丙交酯的合成和纯化是技术核心，掌握丙交酯合成和纯化技术对于PLA企业的发展至关重要，也是区分PLA生产企业技术实力的重要标准。
图8：聚乳酸内循环示意图
PLA行业集中度较高，CR4可达99%，国际上聚乳酸量产领先企业是美国的Nature Works，法国荷兰合资公司Total Corbion Purac，比利时的格拉特（Galactic）公司。国内聚乳酸生产企业有浙江海正生物材料股份有限公司，安徽丰原生物技术股份有限公司、河南金丹乳酸科技股份有限公司、吉林中粮生物材料有限公司、江西科院生物新材料有限公司、山东朗净新材料科技有限公司等，这些公司建有规模不等的生产线或试验线。
表1：国内外主要聚乳酸企业的基本情况
（公司排名不分先后，数据来自埃米空间不完全统计）
PLA产业研发周期长，投入大。根据国内外聚乳酸企业的发展经验，Nature Works花了10多年时间才完整掌握丙交酯的制备技术并实现聚乳酸量产。Total Corbion Purac公司2008年开始攻坚丙交酯量产技术，2018年实现乳酸到聚乳酸的量产。海正生材2004年建成年产30吨聚乳酸小试生产线，2019年实现万吨级规模生产。河南金丹乳酸科技经过多年的研发投入才掌握PLA量产技术。
目前PLA正处于成长期，行业还未完全爆发，行业短期发展受到国家禁塑限塑政策的推动，长期发展依赖成本的降低。国内外龙头企业已经提前布局PLA赛道。
聚羟基脂肪酸酯（PHA）具有与传统石油基塑料相媲美的物化特性，同时PHA是唯一能在海洋和土壤中都能快速降解的材料，PHA在海洋中3~6个月可以完全降解。在各种可生物降解材料中，PHA的碳中和得分最高（PHA＞PLA＞PBS＞PBAT）。由于以上优异性能，PHA被认为是最具潜力的可降解塑料，在生物医药、食品药品包装、农业地膜、一次性餐具等领域有广阔的应用前景，在“双碳”背景下，PHA产业化具有重要意义。
图9：PHA产业链
不同于PLA（生物发酵+化学合成）和PBAT（化学合成）的生产工艺，PHA以玉米等生物质为原料，经过微生物全发酵合成，原料来源广泛，生产过程环保。在可降解塑料领域，PHA潜力巨大，国外PHA行业的代表性企业有KANEKA、Danimer Scientific、CJ-Bio、RWDC，国内的PHA代表性企业有北京蓝晶微生物、北京微构工场、宁波天安生物、珠海麦得发生物等。
表2：国内外PHA生产企业的基本情况
（公司排名不分先后，数据来《PHA生物可降解塑料产业白皮书》）
PHA目前仍未能实现大规模生产。在PHA生产过程中，前端菌种改造（菌种影响原料转化率、生产速率和产量）与后端放大工艺（放大的关键是高效、低成本、纯化）是技术关键点。PHA未量产的原因之一是其分离纯化工艺进展缓慢，产量不足进一步导致成本过高。
PHA下游的应用市场不成熟，行业正处于导入期和成长期之间。PHA最大优势是海洋环境可降解和生物医药应用，在对价格比较敏感的普通应用上，PHA与传统塑料及PLA、PBAT相比不具备成本优势，阻碍了PHA的下游推广应用。这个行业还需要借助国家政策推动，逐渐在技术端发展成熟并降低成本。
PBAT是以丁二醇（BDO）、已二酸（AA）和对苯二甲酸（PTA）为单体，按照一定比例发生酯化反应，经过缩合共聚得到的一种可堆肥降解塑料。PBAT材料偏软，下游主要应用于农用地膜、垃圾袋、购物袋等膜袋类塑料制品领域，PBAT不可以与食品接触，其产业链如图10所示。
图10 PBAT的产业链
生产PBAT的技术难度不大，国内企业对PBAT的产业化虽然晚于德国巴斯夫（BASF）公司和意大利的诺瓦蒙特（Novamont）公司，但国内技术并不落后。以金发科技股份有限公司和新疆蓝山屯河化工股份有限公司为代表，国内具备不同产能的PBAT生产企业约有70余家。
根据《中国化工新材料产业发展报告（2022）》的数据，截止2021年底，我国PBAT实际产能44.1万吨，在建产能363.4万吨，规划产能超过1200万吨。2019年，我国PBAT产能12.5万吨/年，需求5.7万吨；2020年产能23万吨/年，需求7.4万吨；2021年产能44.1万吨/年，需求8.6万吨。2022-2024年，我国PBAT产能将增长至230万吨/年，实际需求量预测为16万吨，PBAT产能严重过剩。
06 行业现状及痛点
1）成本偏高影响应用推广：生物降解塑料成本是传统塑料的3倍，替代进程阻碍大，应用范围有限，成为其发展的瓶颈。
2）储存条件要求苛刻：生物降解塑料不能大量囤积，在一般的日常环境中储存6~9个月，材料的力学性能存在衰减。
3）缺乏垃圾分类体系和降解设施：当前还不能实现可降解塑料的单独分类和储运收集，生物降解材料与传统塑料殊途同归，最终通过焚烧和填埋处理，无法发挥其环保价值。
4）原料与人争粮：现有生物基单体和树脂的原料是玉米淀粉或者食用油（如PLA和PHA），存在原料“与人争粮”的问题。开发基于非粮食原料（如秸秆）的可生物降解材料是有意义的。
5）材料性能有待改进：生物降解塑料在性能上与聚烯烃材料相比存在性能上的瓶颈，如力学性能偏低，水汽阻隔性差，耐候性差等。
6）伪降解产品充斥市场：市场上存在伪降解产品（转化成微塑料）扰乱市场，影响正规降解产品的市场推广。
7）低水平竞争：国内有些种类可生物降解材料有大量企业涌入，供需严重失衡，存在低水平竞争且低端产能过剩的问题。
07 结论及展望
在禁塑限塑政策和双碳背景下，可生物降解塑料是具有广阔发展前景的兼具经济效益和社会效益的产业。在当前发展过程中，该行业还存在一些问题（如成本高、降解和回收机制有待完善）需要依靠技术手段和政策手段逐步解决。
可生物降解塑料具有很高的技术壁垒，需要高资金投入和时间投入，国内外的行业龙头企业已经提前10年甚至20年开始布局。
可生物降解塑料的核心优势是低碳环保，该行业发展短期依赖国家政策推动，长期靠成本降低推动。禁塑限塑政策是可生物降解塑料发展的外部驱动力，随着国家禁塑限塑政策的严格落地实施，这个行业未来会得到大力发展。技术突破带来的成本降低和材料性能提升将成为可降解塑料替代传统塑料的内在驱动力。预计2025年后，该行业会迎来大发展。
可降解塑料在低碳环保层面比石油基更具有优势，如PLA、PHA和Bio-PBS将更有发展前景。更进一步，以非粮食原料制备生物降解塑料是该行业未来发展趋势，如开发以秸秆为原料制备的PLA将更具技术和成本竞争力。
在土壤和海洋环境中不需要严苛的降解条件就能降解的塑料将更具竞争力，PHA具有这样的潜力，但要通过技术手段解决产能提升和量产成本偏高的问题。