进入 2022 年，全球主要关注的问题之一是气候变化。 现在人们普遍认为，造成负面气候变化的主要原因之一是化石燃料的燃烧——煤炭或石油等化石燃料的燃烧会导致大量二氧化碳释放到空气中，阻碍我们的大气散热,、引发全球变暖。
塑料是一种普遍存在于食品袋、汽车保险杠甚至衣服等产品中的材料，传统上由石油衍生的合成聚合物制成。 这些聚合物的结构单元要么直接从原油精炼中获得，要么通过石油精炼产品合成。 目前，人们估计塑料生产消耗了全球石油供应的 8-10%，到 2040 年，这一数字将翻一番。
石化产品和传统塑料的生产仍然完全依赖石油，而石油这种不可再生资源正在迅速被耗尽。 因此，由塑料产生的问题是多方面的：由于资源的减少，传统的塑料生产最终必须停止；传统的塑料生产方法破坏了我们的生态系统，许多塑料产品不可重复使用，产生了大量的废物，由于未正确处理/回收，这些废物又造成了进一步的危害。
普通人可以通过减少一次性塑料的使用、减少包装废物和负责任地回收利用来减少他们的“生态足迹”，从而为改善环境出一份力。 在开发塑料时，制造商可以通过选择石油的替代资源来改善他们的“生态足迹”，这就要求选择生物聚合物而不是合成聚合物。
尽管“生物聚合物”有时用于形容可生物降解或生物相容的聚合物（无论原料如何），但在本篇博客中，我们使用该术语仅指代生物衍生聚合物，如由生物质制成的聚合物。它们由可再生资源产生，这些资源还可以固定大气中的二氧化碳并减少温室气体排放。 许多生物聚合物还可以生物降解，产品的处理和回收提供了更大的灵活性。
生物聚合物的类型
按来源和生产方法划分，生物聚合物可被分为三大类：
- A 类：直接从生物质中获得的天然聚合物，例如淀粉、纤维素、蛋白质、氨基酸和衍生物。
- B 类：由微生物和植物生物合成的聚合物，或直接由主要通过生物合成的单体制备的聚合物，例如聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 和聚乳酸 (PLA)。
- C 类：由替代生物来源单体制备的传统油基聚合物，例如聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)。
每一类生物聚合物都适用于不同的商业应用，例如包装材料、农业或外科手术用的生物材料：
- A 类和 B 类聚合物都可生物降解，并且几乎是 100% 生物基的，但与油基塑料相比性能较差，因此通常与增强填料或抗冲改性剂结合使用；
- C 类聚合物在结构上与油基塑料相似，但大多不可生物降解，因此存在与后者相同的处理和回收问题。
增加生物聚合物吸收的挑战在于成本。 当前，旨在提高发酵产量和效率，或将生物聚合物的生产整合到食品制造厂或会产生有机废水设施的举措正试图降低高昂的制造成本，但仍未攻破这一关键阻碍。
生物聚合物目前的用途是什么?
商业生物塑料主要用于包装（表 1）。 淀粉和聚乳酸是制造最多的生物塑料，可能是因为它们的成本较低。 另一方面，聚羟基链烷酸酯的生产成本高，因此产量低得多。
表 1. 顶级商业生物聚合物的生产和应用
| 生物聚合物 | 2020 年全球产量（吨） | 主要生产商 | 应用 | 是否可生物降解？ |
| 淀粉和混合物 | 43.5 万 | Futerro、Novamont、Biome | 软包装、消费品、农业 | 是 |
| 聚乳酸 (PLA) | 43.5 万 | NatureWorks、Evonik、Total Corbion PLA | 软包装、硬包装、消费品 | 是 |
| 聚羟基脂肪酸酯 (PHA) | 4 万 | Yield10 Bioscience、Tianjin GreenBio Materials、Bio-on | 软包装、硬包装 | 是 |
| 聚乙烯 (PE) | 24.4 万 | Neste、LyondellBasell | 软包装、硬包装 | 否 |
| 聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) | 18.1 万 | 东丽株式会社、可口可乐公司、M&G Chemicals | 硬包装 | 否 |
| 聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯 (PBAT) | 31.4 万 | Algix、BASF | 软包装、硬包装、农业 | 是 |
| 聚丁二酸丁二醇酯 (PBS) | 9.5 万 | Roquette、Mitsubishi Chem.、 Succinity | 软包装、农业 | 是 |
“炫酷”产品：可口可乐植物环保瓶 PlantBottle™
几十年来，生物聚合物的可持续创新一直在幕后发展，这些进展通常没有新闻价值或被公众注意到，但顶级公司发布的新产品会改变这一状况。
2015 年夏天，可口可乐公司推出 PlantBottle™ 包装 — 世界上第一个完全由可再生资源制成的塑料瓶。 这些瓶子的外观、功能和回收利用与传统塑料制成的瓶子相同，但由于其生产不涉及石油，对地球的影响要小得多。 这样的消息对于生物聚合物的持续发展及其在全球主流产品中的采用是令人鼓舞的。
关于生物聚合物的误解与事实
公众对生物聚合物的认知对于促进这些产品的应用也很重要；虽然这些传统塑料可持续替代品所带来的巨大好处得到了普遍认可，但它们也受到了批评。 可以理解，其中一些批评源于误解或困惑，但另外一些则令人费解，表 2 包含我们对一些最常讨论的话题的看法。
表 2. 关于生物聚合物的误解与事实
PBAT = 聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯；PBS = 聚丁二酸丁二醇酯；PLA = 聚乳酸。
| 误解 | 真相 |
| 生物聚合物 = 可生物降解的聚合物 | 不一定。 聚合物是否可生物降解最终取决于其结构，而非其生产方式。 虽然大多数 A 类和 B 类生物聚合物可以生物降解，但只有少数 C 类聚合物（例如 PBS 和 PBAT）可以生物降解。 |
| 正如其所声称的那样，生物聚合物实际上是不可生物降解的，因此不能解决塑料危机。 | 生物聚合物和生物塑料不能直接解决塑料垃圾的堆积问题；可生物降解塑料和塑料回收是处置废物的主要手段。 生物塑料的主要优点是使用可再生生物质作为原材料，而不是不可再生的石油和天然气。 |
| 生物塑料即使可以生物降解，正常条件下的降解速度也不够快，必须使用堆肥设施。 | 可生物降解性只是一些生物聚合物的附带好处。 生物聚合物与传统塑料一样，在降解速度方面差异悬殊。 例如，聚羟基链烷酸酯 (PHA) 在自然环境下的降解速度极快，但聚乳酸 (PLA) 和对苯二甲酸丁二酯 (PBAT) 需在工业堆肥发热的条件下分解。 此外，降解过快会破坏塑料产品的实用性。 |
| 生物塑料仅适合用作包装，不能取代所有传统塑料。 | 生物聚合物的应用已不断多样化，尤其是随着 C 类生物基聚合物的发展。 2020 年，就包装材料而言，生物基聚合物占比 47%，仅略高于传统塑料的 40%。 |
| 生物聚合物的生产占用了大量农业用地，影响了人类和动物食物的生产。 | 2019 年，全球仅有 0.016% 的农业用地用于生产生物聚合物原料。 这就意味着，即使如今生产的所有塑料都是生物基塑料，即使假设使用的土地面积与产量成正比增长，使用的农田比例也不会超过 2%。 |
生物聚合物研究布局
近年来，生物聚合物研究方兴未艾，被选为 2019 年十大新兴技术之一。 如 CAS 内容合集™（图 1）所示，过去 20 年来，相关研究和创新持续进行，不断应对油价波动，释放提高可持续性和应对气候变化的总体动力。 一开始，期刊出版物和专利数量一直缓慢上升，但在 2009 年左右开始以近似相同的速度加速增长。 2014 年左右，专利公开量的增长显著放缓，而到 2020 年，期刊出版物数量强劲增长。
由于生物聚合物主要作为化石塑料的可再生替代品而开发，后者价格的大幅上涨将提高生物聚合物的竞争力，同时提高研究人员和发明人的热情和信心。 石油价格自 2000 年代中期以来经历了大幅增长，并在 2008 年达到前所未有的顶峰，而塑料价格与石油价格密切相关，这可能解释了拐点，在 2008 年左右的专利公开数量曲线中尤为明显。 2014 年之后，石油价格暴跌，使得生物聚合物的成本再次变得相对更高，因此可能对发明者造成打击，并导致同年专利公布数量趋于平稳。
阅读我们的 CAS 洞察报告，了解更多关于以下内容的信息：不同类别生物聚合物的优势、局限性和受欢迎程度，以及在过去二十年中人们对这些传统塑料替代品的研发兴趣如何变化。
