在寂寞中坚守,每一步都在推进生物基聚酰胺的产业化

来源:荣格国际塑料商情

发布时间:2019年9月10日下午 05:09:10

访上海凯赛生物技术研发中心有限公司董事长兼CEO刘修才博士

目前,全世界的有机产品几乎90%来自石油。然而,石油作为地球其中一种有限的资源,随着人类历史的快速进步和发展,能源枯竭问题亟待解决,同时,化工生产带来的环境污染问题也迫在眉睫。

生物制造就是一种很好的绿色制造方法。和石油化工相比,它可以很好地解决两大问题。第一是资源来源问题。生物基材料主要来源于植物,而植物具有可再生性。只要有水、二氧化碳、阳光、土壤,就能产生源源不断的生物质资源。第二是环保问题。相比于石油化工产业产生大量二氧化碳,生物制造则利用植物吸收二氧化碳,理论上,它甚至可以做到二氧化碳零排放。

上海凯赛生物技术研发中心有限公司董事长兼CEO   刘修才博士

上海凯赛生物技术研发中心有限公司董事长兼CEO   刘修才博士

上海凯赛生物技术研发中心有限公司的刘修才博士告诉我们,凯赛并不是最早开始研究生物制造的团队。不同于实验室小范围内的技术研究,对于真正的企业来说,如何将生物制造的工艺技术实现大规模产业化生产,才是重中之重。而这,也正是全球生物制造企业所共同面临的难题。

既然要实现技术的商业化,在确定绿色环保工艺方法后,选择一种有竞争力且市场前景广阔的产品则成为下一步关键问题。

将商业化目标锁定在生物基聚酰胺领域

在刘修才博士看来,理论上,石油化工和煤化工能做的材料,生物技术都能做。但是,现有的生物技术生产出的产品,在性能和成本上,并不都能以压倒性优势战胜传统化工工艺。因此,选择生物技术优势比较强的领域是实现凯赛商业化的重点。

聚酰胺的结构同生物体内酶(蛋白质)的基本结构一样,所有的生物反应都是靠酶催化来进行。这种人工仿生的蛋白质结构恰恰是生物制造的强项。另外,聚酰胺(PA)作为人类第一个合成的高分子化合物,具有良好的机械性能、耐热性、耐磨损性、耐化学性、阻燃性以及自润滑性,且摩擦系数低,易加工,适用于玻璃纤维和其他填料填充增强改性。自问世以来,聚酰胺广泛(俗称尼龙)应用于汽车、电子电器、包装、机械、运动休闲及日用品等方面。不仅如此,即使到现在,目前的科学研究也很难找到新的聚合物来代替聚酰胺的应用。正是基于生物制造工艺和产品市场优势,凯赛将商业化目标锁定在了生物基聚酰胺领域。

当然,生物材料首要解决的问题是产品单体问题。聚酰胺的聚合方式有两种,包括内酰胺开环聚合,以及由相应的二元酸和二元胺缩聚。对于生物制造来说,二元胺、二元酸和内酰胺这三个类型的单体都可以选择。凯赛在商业化的第一步,选择了附加值比较高的长链二元酸。从商业的角度来说,生物法二元酸具有较强的竞争力。另一方面,已经有研究表明,二元酸的转化率相对较高,市场价值也会高于一般的尼龙单体价格。

二元酸引发的一系列生物基产品开发

对凯赛而言,正确的开始才有可能在未来市场竞争中占据一席之地。突破长链二元酸产业化瓶颈之后,2002年,由上海凯赛生物投资建立的山东凯赛革命性地实现大规模生物法生产长链二元酸系列产品,其系列产品已通过全球多家企业试用和测试并获得广泛的认可。目前,山东凯赛已成为全球长碳链二元酸系列产品的主导供应商。

自公司成立至今,从生物法长链二元酸,再到生物基戊二胺乃至生物基聚酰胺等产品不断落地,凯赛的脚步从未停歇。在刘修才博士看来,凯赛只是走出了大规模商业化的第一步。作为一种原料单体,长链二元酸相较于整个聚酰胺及生物基材料大市场来说,只是很小的一部分。未来,凯赛将在稳固扩大长链二元酸市场的同时,依靠下游做聚酰胺材料的客户,客户所需才是凯赛未来商业化的重点突破口。基于此,凯赛仍然马不停蹄地开展新项目研发。比如对生物基己内酰胺以及包括己二酸的短链二元酸的开发等。然而,所有实验均证明,生物制造方法并不能在这些新项目中占据绝对的成本优势。

难道生物基制造的产业化只能止步于此吗?不,还有和二元酸配套反应的二元胺啊!在整个尼龙的商业价值里面,特别是对AB型尼龙生产工艺,基本只有己二胺这一种原材料。然而,己二胺的供应非常集中,短时间内攻破其技术壁垒是有难度的。历经日日夜夜的辛苦研究,终于,凯赛团队发现,用生物方法制造的1,5-戊二胺生产的聚酰胺在性能和经济性上都非常有竞争性。

其实,和长链二元酸一样,戊二胺并不是首次由凯赛发现的单体材料。刘修才博士表示:“我们只是在前人的研究基础上,在产业化的道路上,做了一些核心技术上的突破。基于长链二元酸的产业化经验,凯赛再次突破戊二胺的产业化瓶颈,并在不断通过技术革新升级对产品、生产工艺进行迭代性更新,不断提升产品性能、强化经济性。同时在乌苏生产基地建设了生物基戊二胺和生物基聚酰胺的万吨级生产装置。

坚持将生物基材料产业化

所有好的技术只有实现大规模产业化才能真正造福社会。如果说凯赛生物正在搭建的是一艘巨型游轮,而研发团队则是保证游轮不断航行的发动机。凯赛在创立初期即锁定生物制造这一顺应全球可持续发展的绿色科技,并坚持每年将大量的资金投入到产品的产业化研究中,不断提高企业技术壁垒,利用技术突破来实现商业化过程中低成本这一巨大优势。

清晰的市场定位、强大的研发团队、高超的商业化竞争手段,凯赛自成立以来,陆续开发了系列生物法长链二元酸、生物基戊二胺、系列生物基聚酰胺等多种、多代产品。同时,为满足市场更广泛、更深入的需求,凯赛在新疆乌苏建立了新的生产基地,配备高效率的生产设备与技术,并应用实施从电气化、自动化到数字化的完整解决方案,希望从智能制造的角度,结合大产业的战略,为凯赛生物探索出更大规模化、集群化的生物基新材料生产经验。刘修才博士与我们分享说:“目前看来,我们在小规模上面的这些理念,在设备、生产流通环节上,都能走得通。将来,如果“一带一路”真正实现后,尤其在中亚地区的原材料实现互通有无,新疆基地将对凯赛商业化发展有着举足轻重的意义。”

在产品应用方面,凯赛开发的生物基戊二胺具备与石油基己二胺相近的性能,与不同链长的二元酸搭配,生产出全系列的生物基聚酰胺,包括低熔点的长链聚酰胺、中熔点的常规聚酰胺和高温聚酰胺。这种由生物基戊二胺和不同二元酸的组合,即是凯赛推出的PA5X系列,而其中的“X”即代表一系列的二元酸。得益于生物基戊二胺的奇数碳链特性,PA5X系列聚酰胺具有优良的性能,如良好的自熄性、流动性以及高韧性和高耐磨性能。除了纺织市场以外,产品可广泛应用于汽车零部件和电子电器行业,同时还可应用于机械、齿轮部件、扎带及隔热条领域。

值得一提的是,PA5X系列中的PA56可在多数情况下取代传统PA66用于材料改性;18碳甚至更长的二元酸和5碳二元胺聚合后,可代替PA11、PA12等中国短缺的一些聚酰胺材料……低碳环保、成本低廉、性能堪比市场上化学法制得的尼龙,目前,已有多家国内外知名改性材料企业开始使用PA5X系列,该系列也成为国内外极少数的生物基材料成功商业化案例之一。

在采访过程中,听刘修才博士兴奋地谈起凯赛自“出生”以来的成长,每一个关键时间节点的成功都是步步为营。然而在这背后,同所有企业一样,所有不可预演的技术难题也是凯赛所必须面对的。目前,国内外从事生物基材料商业化开发的公司非常少,这也意味着凯赛并没有多少成功的经验可以借鉴,所有答案只能依靠自己去不断摸索,因此,问题解决的时间周期也很长。除此之外,知识产权也是凯赛面临的又一难题。

尤其在国内,由于科研费用占比大、效果甚微,很多企业会兼顾使用无偿的“拿来主义”,但这对凯赛这类研发型企业来说,后期维权的费用将间接影响到产品市场销售价格。好在近年来国内政府对知识产权保护的加强,凯赛自己也采取了相应的自我保护措施,这一问题得到较好的改善。

谈及目前国内生物基制造产业,刘修才博士也十分感慨。国内生物法制造其实可以追溯到几千年前的酿酒和酿醋技术,然而到现在,中国的生物制造产品还只停留在氨基酸和维生素等中低端产品。对比欧美等西方国家,比如美国早在2006年前后就重点关注这一领域,并由美国能源部主导,将其作为国家重点发展战略。但是,人们对于高端生物基制造的期望过高,对其产业化进程可能碰到的困难估计不足,导致大部分生物基制造企业夭折,这对整个行业来说,打击巨大。刘修才博士表示,凯赛在未来将集中资金和精力在生物基材料的几大重点产品上,并同步实施新产品的产业化。未来,刘修才博士也期望国家能集中打造高端农产品加工基地,为生物基制造产业培育肥沃的土壤。另外,如若有人工智能、基因编辑等高端技术的加入,相信我国未来的生物基制造蓝图会更广阔!

 

文/詹曲

 

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