在几个五年计划以及“863计划”、“973计划”和支撑项目的支持下，我国近20年来生物基材料包括聚羟基脂肪酸酯 (PHA)、聚乳酸 (PLA)、丁二酸丁二醇共聚物 (PBS)、二氧化碳共聚物 (PPC) 和淀粉基材料及其单体的生产技术等都取得了长足发展^[1]。其中PHA形成了生产企业10个，年总产能超过2万t，提供了国际市场上所有PHA类型，使我国PHA产业化种类和产量都处于国际领先地位。我国还形成了世界第二的5 000 t PLA年产能、年产 1万t PBS的生产能力、世界第一的年产1万t二氧化碳共聚物 (PPC) 和2万t以上淀粉基材料的能力，同时有2万t的1,3-丙二醇产能提供给PTT合成。

生物基材料在国外也得到了不同程度的发展，美国、英国、德国和日本都有少量的生产能力，在基础研究方面，美国、德国和日本在PHA领域进行的最为深入。近10年我国快速赶上，在合成功能性PHA领域已经处于国际领先水平；美国有14万t PLA的生产能力，荷兰10万t以上的乳酸生产能力，我国PLA在应用和生产方面取得了长足进步；PBS方面，德国、美国、日本在建万吨以上的生产能力各一个，而我国已经建成和正在生产万吨 PBS及其单体丁二酸；二氧化碳共聚物 (PPC) 国外则主要进行中试研究，而我国早已实现产业化；1,3-丙二醇及其共聚物PTT主要由美国生产，产量万吨以上。我国1,3-丙二醇也能大量和廉价地生产，聚合过程的放大也取得了成功。

1 聚羟基脂肪酸酯 (PHA)

我国PHA领域的研究在世界范围内是最活跃的，特别是清华大学和中国科学院。基础研究的活跃开展，进一步促进了我国PHA产业发 展^[2]。我国在研究、开发和应用可持续发展的环境友好生物材料方面已经积累了相当多基础，包括清华大学、中国科学院长春应用化学研究所、天津大学和山东大学等单位在PHA领域的研发工作以及国内业已形成的2万t/年的PHA生产能力，这为PHA产业链形成做好了技术和物质储备，PHA除了作为环境友好的生物基材料来使用之外，还正在被开发为医用植入材料、生物燃料、药物中间体、动物饲料等 (图1)。天津国韵生物材料公司建立一个万吨的PHA工厂，目前产能仅次于美国Metabolix。还有浙江宁波天安生物材料公司的现有2 000 t/年的产量、山东省意可曼科技有限公司5 000 t/年等，使我国在PHA领域产业化处于国际领先水平。

除了在产业化方面取得成功之外，在基础研究领域，我国还克隆了20多个与生物聚酯PHA合成有关的基因，对至少3株PHA工业生产菌包括嗜水气单胞菌Aeromonas hydrophila 4AK4、盐单胞菌Halomonas strain TD和Halomonas strain LS21进行了全基因测序，合成了30多种非传统的PHA材料，开发了PHA加工成型的工艺技术。PHA是一种典型的“低碳材料”，它来源于吸收了二氧化碳的植物，PHA形成后可以作为塑料使用，使用后可以转化为燃料HAME，燃烧后放出的二氧化碳进行光合作用转化为植物，植物又可以作为PHA发酵原料 (图2)。

最近清华大学陈国强实验室^[3]发现嗜盐细菌可以在含有氯化钠的海水中快速生长。由于氯化钠的高渗透压以及生长的pH高达10，基本排除了其他杂菌的生长。利用嗜盐细菌，该实验室成功地开发了节能、节水和连续的生物制造新技术，他们利用分子技术对嗜盐细菌进行改造，已经成功地获得了数种生物聚酯材料PHA、数种蛋白。目前正在用该嗜盐细菌构建制造各种化学品的平台，包括5-氨基乙酰丙酸、维生素B12和3-羟基丙酸等。这个嗜盐细菌生物制造平台具有以下特点，克服了一般生物制造的缺点，使生物制造成本能大幅降低：

对嗜盐菌进行的从头改造，使其能在无灭菌和连续工艺过程中，利用海水为介质高效生产各种PHA (图3和图4)。该菌通过合成生物学技术的基因组改写，已经完成了对混合碳源利用、基因组的重构、超高PHA积累 (92%) 等工作^[4]。大幅度降低PHA的生产成本，使PHA的竞争力得到大幅度的提高。目前在产业化的合作单位有：青岛蔚蓝生物股份有限公司 (中试细胞密度在36 h 达到118 g/L，PHA含量达到至少80%)、山东鲁抗医药股份有限公司 (中试已经获得几十公斤产品)、山东百盛生物科技有限公司等从事生物技术的公司。另外与荷兰高分子研究所一起进行PHA高附加值材料的 开发。

2 聚乳酸 (PLA)

聚乳酸 (PLA) 是一种新型的、来源于植物资源的生物可降解高分子材料，具有良好的使用性能和加工性能，是目前综合性能最好、性价比最高的可降解材料之一。外观上，PLA具

有与普通塑料相似的性能，但是其可在自然或堆肥条件下实现降解，转变为对环境无害的小分子物质。产品广泛应用于塑料型材、薄膜，以及无纺布、纤维、餐具、婴童用品；一次性用品如地膜、包装膜 (袋)、食品袋、超市购物袋、垃圾袋、快餐餐具等，为解决环境污染和石油紧缺等问题提供有力的材料支撑。与现有的石油基不可降解塑料相比，PLA这一特性更加符合循环经济和可持续发展的理念。

虽然在20世纪50年代，DuPont公司就已申请了PLA聚合的专利，但直到1997年才由Cargill-Dow公司 (现为Nature Works公司) 实现大规模产业化，达到了10万t/年的生产能力。在国内，中国科学院长春应用化学研究所联合海正集团于2007年建成国内首条5 000 t级PLA中试生产线，目前产品质量达到国际一流水平。海正生物材料股份有限公司是继美国之后全球第2家达到千吨级以上生产能力的厂家。

中国科学院长春应用化学研究所与海正集团在2000年即开始合作进行PLA产业化探索，2002年完成了聚乳酸10 L实验室规模的研究并通过浙江省科学技术厅专家鉴定；2003年11月建成了年产30 t聚乳酸树脂的中试车间；2004年8月设立了浙江海正生物材料股份有限公司、专门致力于聚乳酸的产业化、市场化。2005年，正式启动5 000 t/年示范生产线建设，并针对PLA的工程特点进行重点攻关，优化工艺，设计专用设备，到2006年10月设备安装完成 (图5)。到2007年，整条生产线实现了稳定生产，产品品质达到了国外同行业水平。2008年5月，年产5 000 t聚乳酸项目顺利通过国家科技部验收。2014年底有一条万吨生产线建成。5万t生产线已经启动筹建。至此，我国PLA产业化进入了新的领域。

此后，研究团队依托海正生物材料不断进行聚乳酸技术升级改造，成功开发出光学纯度高达99.5%以上，熔点最高可达179 ℃的聚乳酸树脂，掌握了从乳酸脱水、裂解、精馏、聚合的全套核心工艺技术，实现乳酸的可控、高效聚合^{[6, 7, 8, 9, 10]}。现已推出20余种改性PLA牌号产品，将PLA的耐热使用温度由60 ℃提高至120 ℃，PLA立体复合物达到180 ℃以上，韧性可增加5−10倍 (表1)。加工方式涵盖挤片、注塑、淋膜、吹膜、吹塑、流延、纺丝等，极大地扩展了PLA应用范围。

中国科学院长春应用化学研究所与海正生物材料已经形成了一个聚乳酸生产、研发、市场销售和服务于一体的团队，生产和研发实力达到了国内领先水平。保证了聚乳酸产业化技术的不断提升和进一步的规模扩大。

3 二氧化碳基塑料 (PPC)

二氧化碳基塑料是指以二氧化碳为单体与环氧化物通过共聚反应制备的一种高分子材料。该材料不仅利用温室气体二氧化碳，而且本身具有全生物降解特性，因此是一种低碳环保型高分子材料。由于二氧化碳作为碳的最高氧化态，难以活化，因此，如何设计与制备可以高效催化活化二氧化碳与环氧化物的催化剂一直是该领域研究的热点。此外，由于二氧化碳基塑料的分子链缺少强极性基团，分子链间相互作用力弱，导致材料的热学和力学性能较差，如何改善材料的热学和力学性能是二氧化碳基高分子材料应用的基础^{[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]}。

从1997年开始，中国科学院长春应用化学研究所 (以下简称中科院长春应化所) 针对二氧化碳基高分子材料研究所面临的关键科学问题，以催化剂研究为基础，并通过化学和物理方法改善材料性能。其开发的稀土三元催化剂及其负载化技术，催化活性达到100 g聚合物/g催化剂以上，有效地降低了催化剂成本。与此同时，发明了双功能金属卟啉催化剂，成功将金属中心钴替换为低毒的中心金属铝，从而开发了一种环保型均相催化剂体系。在催化剂研究和聚合工艺开发基础上，中科院长春应化所从2001年开始积极推动二氧化碳基塑料的产业化实践，2004年在内蒙古蒙西集团建成了世界上第一条千吨级二氧化碳基塑料生产线，实现了数均分子量超过15万的二氧化碳基塑料PPC的批量生产，使二氧化碳基塑料产业取得了从无到有的突破。在此基础上，2011年又与浙江邦丰塑料有限公司合作建成了世界上规模最大的万吨级生产线 (图6)，于2013年实现了万吨级二氧化碳基塑料生产线的连续生产^{[16, 17]}。

在聚合物改性方面，通过单体修饰，在高分子侧链引入亲水性基团，实现了材料亲水性的调制和热响应型高分子材料的合成。物理改性方面，利用氨酯化合物，通过分子间氢键相互作用原理，实现了二氧化碳基高分子材料热学和力学性能的提升，同时实现了材料的增韧和增强。由此开发的二氧化碳基塑料专用料和薄膜制品通过了美国生物分解塑料协会 (BPI) 的认证，在美国市场实现了销售。

除了中科院长春应化所之外，中国科学院广州化学研究所、中山大学也在二氧化碳基塑料的产业化方面取得了进展。但是与聚烯烃产业相比，二氧化碳基塑料产业仍需解决催化剂活性相对较低、改性成本较高等影响材料推广应用的瓶颈问题，随着催化剂体系的开发和改性技术的升级，二氧化碳基塑料作为具有最低理论成本的生物降解塑料有望实现较大规模的应用推广^[17]。

4 聚丁二酸丁二酯 (PBS)

PBS是聚丁二酸丁二酯及其共聚物的简称，是一类由丁二酸、丁二醇缩聚及和其他二元酸或二元醇共缩聚制备的一类可降解脂肪族聚酯。PBS有着良好的综合力学性能和优异的加工性能，可以进行吹塑、吸塑、注塑、流延、吹膜和纺丝等加工^{[18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26]}。

在应用研究方面，目前国内有清华大学和中国科学院理化技术研究所实现了PBS的产业化生产。清华大学化工系从1999年开始研究PBS类生物降解塑料的合成、结晶和降解性能，

PBS项目先后受到了国家自然科学基金委和国家科技部的支持。开发出了具有自主知识产权的催化剂、聚合工艺，通过直接缩聚合成出了重均分子量达到180 000的PBS树脂。采用的复配稀土催化剂，具有活性高、水解稳定性好的特点。通过改变共聚比例，可以很方便地调节共聚物的机械性能和降解速率。通过制备支化PBS，可以提高熔体强度和薄膜产品的抗冲击性能和撕裂强度。最近，基于结晶时的构象匹配原理设计合成了高效的高分子型成核剂，使PBS的结晶速率提高了20倍，有望提高薄膜的透明度。

在基础研究的基础上，清华大学还和企业合作，进行PBS的产业化生产和应用。2007年在安徽安庆和兴化工有限公司建成了3 000 t/年的PBS生产装置 (图7)，2010年在安徽安庆和兴化工有限公司建成年产10 000 t PBS的连续法生产线。2012年在新疆蓝山屯河聚酯有限公司建成年产5 000 t薄膜级PBS和PBAT的间歇法生产装置，可以生产熔指为4-8 g/10 min (190 ℃，2.16 kg) 的PBS和PBAT，其端羧基含量小于20 mol/t。

PBS树脂的吹膜性能好，加工窗口宽，可在150−200 ℃范围进行挤出吹膜。合适的分子量分布还保证了树脂有良好的流动性能。PBS树脂已大量提供给制品厂家，用于和淀粉、聚乳酸等进行共混，和淀粉、聚乳酸表现出较好的工艺相容性，已用于一次性餐具、超市购物袋和地膜等用途，正在新疆进行农田可降解地膜的试验。

目前，清华大学正和山东兰典生物科技股份有限公司等单位合作，兴建年产50 000 t生物基PBS的生产线，用生物法丁二酸合成PBS。这一方案，可以同时达到二氧化碳减排和可降解生物材料制造的目标。而且采用生物发酵工艺生产的原料，还可大幅降低原料丁二酸的成本。此外，清华大学和内蒙古东源科技有限公司筹建生物降解高分子材料联合研究中心，以煤为原料，通过炔醛法合成丁二醇，以降低PBS原料丁二醇的成本。希望通过这些方法进一步降低PBS的成本，推动其大规模应用。

5 聚丁二酸丁二酯 (PBS) 单体丁二酸的生物技术生产

丁二酸是一种重大化工原料，被美国能源部列为未来12种最有价值的平台化合物之一。其广泛应用于化工、材料、医药、食品领域，还可以衍生出多种重要的下游化工品，如1,4-丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯等。另外，丁二酸和1,4-丁二醇聚合能得到PBS (聚丁二酸丁二醇酯)，是一种性能优良的生物全降解塑料。丁二酸未来的市场潜力每年将超过270万t。

目前，丁二酸的生产都是基于石油基原料的石化路线，价格居高不下，严重制约了PBS塑料的推广应用。另外，石化制造工艺还造成严重的环境污染。开发丁二酸的先进生物制造技术能摆脱石油资源依赖，降低丁二酸生产成本，并减少环境污染，是目前国际生物技术产业的发展热点。国际上Revedia公司(荷兰DSM公司和法国Roquette公司合资)、美国Myriant公司、美国BioAmber公司、德国BASF公司等已开发出微生物发酵法生产丁二酸技术，并正在进行产业化。其中，Revedia公司的年产10 000 t丁二酸的生产线已经投产。

中国科学院天津工业生物技术研究所张学礼课题组也成功开发出微生物发酵法生产丁二酸的核心技术。以大肠杆菌为出发菌株，使用系统代谢工程技术，结合丁二酸合成途径的理性改造和菌株的进化代谢，构建出一个高效生产丁二酸的大肠杆菌细胞工厂。在5 L发酵罐水平，丁二酸产量达125 g/L，转化率达1.05 g/g葡萄糖。在此基础上，通过全基因组测序、转录组分析及酶活分析，解析了菌株高产丁二酸的分子机制。研究发现丙酮酸脱氢酶PDH的E3编码基因lpdA发生突变，导致酶活比野生型提高了26倍，解除了NADH对PDH酶活的抑制，从而为厌氧合成丁二酸途径提供更多的还原力。磷酸戊糖途径和转氢酶的激活也提高了细胞的还原力供给，从而提高了丁二酸的糖酸转化率 (图8)。另一方面，葡萄糖利用、磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP) 羧化、还原型TCA和丁二酸转运模块的激活提高了丁二酸的生产速率 (图8)。该研究还在国际上首次提出了以NADPH为还原力的丁二酸合成新途径^[27]。

在获得第1代丁二酸细胞工厂后，将丁二酸合成途径分为若干个功能模块，进一步进行改造提升。通过对运动假单胞菌葡萄糖转运蛋白编码基因glf和大肠杆菌葡萄糖激酶编码基因glk的组合调控，将丁二酸生产速率提高了42%^{[28, 29]}。发现协同利用PEP羧化激酶和PEP羧化酶，能够充分发挥各自催化优势，比利用单个羧化酶更有利于丁二酸的合成；同时使用两个羧化酶，将丁二酸生产速率提高了71倍^[30]。发现DcuB和DcuC是主要的丁二酸转运蛋白；通过对dcuB和dcuC基因表达的组合调控，将丁二酸产量提高了34%^[31]。这些功能模块的改造为构建第2代丁二酸细胞工厂奠定了基础。

目前该技术已经转让给山东兰典生物科技股份有限公司，并在10 m³发酵罐中完成中试，丁二酸产量达100 g/L，转化率达1 g/g葡萄糖。2015年将建成国际上最大的年产5万t丁二酸的产业化生产线。

6 展望

对我国来说，这些生物材料基本没有特别的技术壁垒需要专门突破。市场上，我国在许多材料的应用领域没有注意专利保护，国外许多应用专利在我国注册了，所以将来的大规模推广可能受到影响。突破的方法是大力投入研发，获得更多的应用专利，将来与国外企业进行交叉许可。为了迎接已经到来的“低碳经济”，应把我国生物基材料作为战略产品来开发，使其成为我国特色产业，做大做强我国PHA、PLA、PBS、PPC、PTT、生物PE和淀粉基材料产业。

致谢： 中国科学院长春应用化学研究所陈学思、王献红研究员、清华大学徐军教授、中国科学院天津工业生物技术研究所张学礼研究员分别提供了PLA、PPC、PBS和丁二酸的材料。