Γιατί οι χημικές ουσίες που βασίζονται σε βιολογικά κερδίζουν την προσοχή

Πρόσφατα, πολλοί συνάδελφοι του κλάδου έχουν συζητήσει χημικές ουσίες που βασίζονται σε βιολογικά προϊόντα, θεωρώντας τις ως μια σημαντική μελλοντική κατεύθυνση για τη χημική βιομηχανία. Γιατί οι χημικές ουσίες που βασίζονται σε βιολογικά κερδίζουν την προσοχή; Ποιες είναι οι κύριες μελλοντικές εφαρμογές των χημικών ουσιών με βιολογική βάση;

Σύμφωνα με την "Ορολογία, ορισμοί και ταυτοποίηση υλικών βιολογικής βάσης GB/T 39514-2020", οι χημικές ουσίες που βασίζονται σε βιολογικά αναφέρονται σε χημικές ουσίες που παράγονται χρησιμοποιώντας βιομάζα ως πρώτη ύλη ή μέσω βιολογικής παραγωγής. Αυτά περιλαμβάνουν βιοαλκοόλες, οργανικά οξέα, αλκάνια και αλκένια που παράγονται από βιομάζα ή μέσω βιοσύνθεσης, βιοεπεξεργασίας και βιοεξευγενισμού, καθώς και προϊόντα μηχανικής ζάχαρης. Περιλαμβάνουν επίσης πολυμερή βιολογικής βάσης, πλαστικά βιολογικής βάσης, χημικές ίνες βιολογικής βάσης, καουτσούκ βιολογικής βάσης, επιστρώσεις βιολογικής βάσης, πρόσθετα υλικών βιολογικής βάσης, σύνθετα υλικά βιολογικής βάσης και προϊόντα κατασκευασμένα από διάφορα υλικά βιολογικής βάσης.

Οι χημικές ουσίες βιολογικής βάσης είναι ουσιαστικά χημικές ουσίες που παράγονται μέσω βιολογικών διεργασιών ζύμωσης. Μπορεί να είναι εμπορικές χημικές ουσίες όπως βιοαιθανόλη, βιοντίζελ και βιο-υδρογόνο, ή εξειδικευμένες χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται σε τομείς όπως αρώματα και προϊόντα καθημερινής φροντίδας, όπως βιο-αρώματα, βιο-αμινοξέα και βιο-βιταμίνες. Μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως βασικές πρώτες ύλες για την παραγωγή βασικών χημικών, όπως η βιοαιθανόλη για το αιθυλένιο και η βιο-ΠΟΠ για τις ίνες PTT και τα βιο-βασισμένα πολυμερή προϊόντα, τα οποία είναι κρίσιμα βασικά προϊόντα στη χημική βιομηχανία.

Οι χημικές ουσίες που βασίζονται σε βιολογικά προϊόντα διαφέρουν από τις παραδοσιακές διαδικασίες χημικής παραγωγής καθώς παράγονται χρησιμοποιώντας συμβατικά βιο-υλικά ως πρώτες ύλες. Έχουν ορισμένα ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα στον κύκλο του άνθρακα, στη χρήση καθαρής ενέργειας και στον ανταγωνισμό της αγοράς. Η πρόοδος στην τεχνολογία παραγωγής χημικών προϊόντων με βιολογική βάση, ειδικά η ευρεία εφαρμογή μετά τη λήξη ορισμένων διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας και η πλησιέστερη αιχμή του άνθρακα, έχουν αυξήσει σημαντικά την προσοχή της βιομηχανίας στα χημικά με βιολογική βάση.

Με βάση τα εθνικά πρότυπα, τα χημικά με βιολογική βάση μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με τα χαρακτηριστικά των υλικών και τα σενάρια εφαρμογής σε χημικές ουσίες βιολογικής βάσης, πολυμερή βιολογικής βάσης, πρόσθετα υλικών βιολογικής βάσης, χημικές ίνες βιολογικής βάσης, σύνθετα υλικά βιολογικής βάσης, καουτσούκ βιολογικής βάσης , επιστρώσεις βιολογικής βάσης και άλλες χημικές ουσίες βιολογικής βάσης. Οι δευτερεύουσες ταξινομήσεις μπορούν να διαφοροποιήσουν περαιτέρω περισσότερους τύπους.

Δεδομένου ότι υπάρχουν πολυάριθμα χημικά προϊόντα με βάση τα βιολογικά προϊόντα, τα βασικά χημικά μπορούν να παραχθούν και να κατασκευαστούν ως βιολογικά προϊόντα και δεν υπάρχει σαφής έννοια ταξινόμησης σε επίπεδο ταξινόμησης. Ως εκ τούτου, πολλές βιομηχανίες έχουν τα πρότυπα ταξινόμησης τους. Ωστόσο, ανεξάρτητα από την ταξινόμηση, τα χημικά με βιολογική βάση μπορούν να επιτύχουν τις ίδιες λειτουργίες και ιδιότητες με τα παραδοσιακά χημικά, ακόμη και να παρουσιάζουν ανώτερα χαρακτηριστικά σε ορισμένους τομείς.

Σύμφωνα με τη βιομηχανική αλυσίδα, τα χημικά με βιολογική βάση μπορούν να χωριστούν στις ακόλουθες διεργασίες: βιομάζα (πρώτη ύλη) - ενδιάμεσο προϊόν (μεταβατικό προϊόν) - χημικές ουσίες βιολογικής βάσης (κύριο προϊόν) - προϊόντα (τελικές εφαρμογές). Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες πρώτες ύλες βιομάζας είναι το άμυλο, η κυτταρίνη, η λιγνίνη, τα φυτά και οι πρωτεΐνες, μεταξύ άλλων. Σύμφωνα με ελλιπή στατιστικά στοιχεία, περισσότεροι από 40 τύποι χημικών ουσιών με βιολογική βάση έχουν επιτύχει βιομηχανική παραγωγή στην Κίνα, με ορισμένα προϊόντα να επιτυγχάνουν μαζική παραγωγή άνω των 100,000 τόνων.

Επί του παρόντος, οι χημικές ουσίες βιολογικής βάσης στην κινεζική αγορά έχουν φτάσει σε μια αρχική κλίμακα, με την ποικιλία των προϊόντων να αυξάνεται συνεχώς και την κλίμακα παραγωγής να επεκτείνεται.

Οι χημικές ουσίες που βασίζονται σε βιολογικά προσελκύουν την προσοχή για διάφορους λόγους: βιωσιμότητα και ανανεώσιμη ικανότητα πρώτων υλών, ευθυγράμμιση με τις τρέχουσες περιβαλλοντικές πολιτικές, ταχεία αύξηση της κατανάλωσης στην αγορά, ευρεία εφαρμογή και σημαντικές κοινωνικές επιπτώσεις.

Πρώτον, οι βιολογικές χημικές ουσίες παράγονται από πράσινες ανανεώσιμες πηγές χρησιμοποιώντας μεθόδους βιολογικής μετατροπής. Υλικά όπως τα φύλλα, το άχυρο, τα δημητριακά, τα λαχανικά και άλλα φυτά και ζώα μπορούν να χρησιμεύσουν ως βασικές πρώτες ύλες για χημικές ουσίες βιολογικής βάσης. Στο πλαίσιο της μείωσης των παγκόσμιων πετροχημικών πόρων, η βιωσιμότητα και η ανανεώσιμη δυνατότητα αυτών των πρώτων υλών δίνουν στις χημικές ουσίες που βασίζονται σε βιολογικά ένα σημαντικό πλεονέκτημα. Πολλές πόλεις με φτωχούς πόρους αναπτύσσουν ενεργά χημικές ουσίες βιολογικής βάσης για να αποφύγουν τα μειονεκτήματα των αστικών πόρων και να επιτύχουν την περιφερειακή ανακύκλωση των πόρων. Ωστόσο, το τρέχον κύριο ζήτημα με τις χημικές ουσίες με βιολογική βάση είναι το υψηλό κόστος, ιδιαίτερα το κόστος των πηγών άνθρακα, και υπάρχει ανταγωνισμός για τους πόρους τροφίμων. Αυτά τα ζητήματα πρέπει να αντιμετωπιστούν μέσω καινοτομιών στις πρώτες ύλες ή την τεχνολογία.

Δεύτερον, οι χημικές ουσίες που βασίζονται σε βιολογικά προϊόντα είναι φιλικές προς το περιβάλλον σε σύγκριση με τις παραδοσιακές χημικές ουσίες που βασίζονται κυρίως σε μη ανανεώσιμους ορυκτούς πόρους όπως το πετρέλαιο, ο άνθρακας και το φυσικό αέριο. Οι διεργασίες παραγωγής χημικών που βασίζονται σε βιολογικά προϊόντα είναι πιο φιλικές προς το περιβάλλον, παράγουν λιγότερη ρύπανση και παράγουν υποπροϊόντα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ζωοτροφές, χωρίς σχεδόν τρία απόβλητα. Αυτό ευθυγραμμίζεται με τους ολοένα και πιο αυστηρούς νόμους και κανονισμούς για την προστασία του περιβάλλοντος, πληροί τις απαιτήσεις πολιτικής διπλού άνθρακα και αντικατοπτρίζει τη βιώσιμη κοινωνική ανάπτυξη.

Τρίτον, η κλίμακα παραγωγής και η προσφορά στην αγορά κατανάλωσης νέων υλικών βιολογικής βάσης αυξάνονται ραγδαία. Σύμφωνα με σχετικά στοιχεία, μέχρι το τέλος του 2023, η παραγωγή νέων υλικών με βιολογικά υλικά της Κίνας είχε ξεπεράσει τους 1,9 εκατομμύρια τόνους, σημειώνοντας αύξηση περίπου 9% ετησίως τα τελευταία χρόνια. Ξεκινώντας το 2021, η παραγωγή νέων υλικών βιολογικής βάσης στην Κίνα επιταχύνθηκε, με μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης να ξεπερνά το 13%. Με την τεχνολογική πρόοδο και τις καινοτομίες, η κλίμακα παραγωγής νέων υλικών βιολογικής βάσης στην Κίνα αναμένεται να συνεχίσει να αυξάνεται με ταχείς ρυθμούς, ενώ ο συνολικός ρυθμός ανάπτυξης άλλων προϊόντων με βάση τα ορυκτά προϊόντα μειώνεται.

Όσον αφορά την αύξηση της ζήτησης για χημικά προϊόντα βιολογικής προέλευσης, η κατανάλωση αυξάνεται σταθερά τα τελευταία εννέα χρόνια, με την κατανάλωση χημικών βιολογικών προϊόντων στην Κίνα να ξεπερνά τους 1,9 εκατομμύρια τόνους έως το 2023, αυξάνοντας με μέσο ετήσιο ρυθμό περίπου 12%. Οι χημικές ουσίες βιολογικής βάσης στην Κίνα εφαρμόζονται με δύο τρόπους: ειδικές εφαρμογές για χημικές ουσίες βιολογικής βάσης, όπως σε φαρμακευτικά προϊόντα και αποικοδομήσιμες καταναλωτικές αγορές, και ως υποκατάστατα παραδοσιακών χημικών προϊόντων, όπου οι απαιτήσεις κόστους δεν είναι υψηλές. Η σημαντική ανακάλυψη σε μεγάλης κλίμακας χημικές ουσίες με βιολογική βάση είναι το μεγαλύτερο όφελος για την αγορά χημικών ουσιών με βιολογική βάση.

Όσον αφορά την αξία παραγωγής των χημικών ουσιών που βασίζονται σε βιολογικά προϊόντα, η αξία παραγωγής της Κίνας έφτασε τα 26 δισεκατομμύρια γιουάν έως το 2023, αυξάνοντας με μέσο ετήσιο ρυθμό περίπου 11% τα τελευταία εννέα χρόνια, συμπεριλαμβανομένης της αξίας των εξαγωγών. Τα χημικά με βιολογική βάση στην Κίνα έχουν αγορές ειδικών εφαρμογών, με τις τιμές της αγοράς να παρουσιάζουν σχετικά σταθερή ανοδική τάση. Ωστόσο, οι καταναλωτικές αγορές στην Ευρώπη και τη Βόρεια Αμερική είναι μεγαλύτερες, καθιστώντας τις εξαγωγές σημαντική κατεύθυνση πωλήσεων για τα κινεζικά χημικά προϊόντα βιολογικής προέλευσης.

Η μέση μοναδιαία αξία χημικών προϊόντων βιολογικής προέλευσης στην Κίνα αυξήθηκε σταδιακά τα τελευταία εννέα χρόνια, φτάνοντας τα 13,000 γιουάν ανά τόνο έως το 2023, με την υψηλότερη τιμή να υπερβαίνει τα 14,000 γιουάν ανά τόνο, αυξάνεται με αργό ρυθμό περίπου 2% ετησίως. Σε σύγκριση με άλλα χημικά προϊόντα, οι τιμές πολλών προϊόντων μειώθηκαν σταδιακά λόγω της αυξημένης προσφοράς, του εντεινόμενου ανταγωνισμού και του διατηρούμενου πληθωρισμού, αλλά οι τιμές αγοράς των χημικών προϊόντων βιολογικής προέλευσης συνέχισαν να αυξάνονται, προσελκύοντας επιχειρήσεις. Ωστόσο, πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη το «φωτοστέφανο» των υψηλών τιμών, καθώς οι υψηλές τιμές μπορεί να γίνουν μειονέκτημα εάν στο μέλλον ανταγωνίζονται πλήρως τα χημικά με βάση τα πετροχημικά.

Τέλος, οι χημικές ουσίες με βιολογική βάση έχουν ευρείες εφαρμογές και σημαντικές κοινωνικές επιπτώσεις. Έχουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως διαφορετικούς τύπους, σύνθετες δομές, προηγμένη τεχνολογία προετοιμασίας, μοναδική απόδοση, χαμηλό κόστος προετοιμασίας και σύντομο κύκλο παραγωγής. Είναι απαραίτητα στην ιατρική, τη γεωργία, τα τρόφιμα, την προστασία του περιβάλλοντος, την ενέργεια και άλλους τομείς. Για παράδειγμα, στην ιατρική, οι χημικές ουσίες με βιολογική βάση έχουν επιτύχει σημαντικά αποτελέσματα σε αντιβιοτικά και αντιιικά φάρμακα. Στον τομέα της προστασίας του περιβάλλοντος, νέα ανακυκλώσιμα υλικά με βάση τη βιολογική βάση, όπως οι θερμοσκληρυνόμενες εποξειδικές ρητίνες, ερευνώνται και αναπτύσσονται, επηρεάζοντας δυνητικά σημαντικά τον τομέα των περιβαλλοντικών υλικών.

Η ανάπτυξη και η εφαρμογή χημικών ουσιών που βασίζονται σε βιολογικά συμβάλλουν στην επίλυση του προβλήματος των ελλείψεων πετροχημικών πόρων, προωθούν την ανάπτυξη της βιολογικής βιομηχανίας και διευκολύνουν τον μετασχηματισμό και την αναβάθμιση της οικονομικής δομής. Η φιλικότητα προς το περιβάλλον συμβάλλει επίσης στη βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος και του βιοτικού επιπέδου.

Αυτοί οι παράγοντες οδηγούν συλλογικά την ταχεία αύξηση της προσοχής στις χημικές ουσίες που βασίζονται σε βιολογικά προϊόντα.

Το κράτος έχει εισαγάγει πολυάριθμες πολιτικές από νωρίς για να ενθαρρύνει την ανάπτυξη χημικών ουσιών με βιολογική βάση.

Τον Οκτώβριο του 2021, το Συμβούλιο της Επικρατείας εξέδωσε το «Σχέδιο Δράσης για την Κορύφωση του Άνθρακα πριν το 2030», με κύριους στόχους τη σημαντική πρόοδο στη βελτιστοποίηση των βιομηχανικών και ενεργειακών δομών κατά την περίοδο του «14ου Πενταετούς Σχεδίου», νέα πρόοδο σε πράσινο και χαμηλό έρευνα και εφαρμογή τεχνολογίας άνθρακα και ευρεία υιοθέτηση της πράσινης παραγωγής και του τρόπου ζωής. Το σύστημα πολιτικής που ευνοεί την πράσινη, χαμηλές εκπομπές άνθρακα και κυκλική ανάπτυξη θα βελτιωθεί περαιτέρω. Μέχρι το 2025, η αναλογία της κατανάλωσης ενέργειας από μη ορυκτές πηγές θα φτάσει περίπου το 20%. Αυτή η πολιτική καθορίζει την κλίμακα, το χρονοδιάγραμμα και την τάση για ανάπτυξη με βάση τα βιολογικά προϊόντα, προτείνοντας σαφείς αναπτυξιακούς στόχους για τη βιομηχανία που βασίζεται σε βιολογικά προϊόντα.

Τον Δεκέμβριο του 2021, το Υπουργείο Βιομηχανίας και Τεχνολογίας Πληροφορικής εξέδωσε το «14ο Πενταετές Σχέδιο για την Ανάπτυξη της Βιομηχανίας Πρώτων Υλών», υπογραμμίζοντας τη μηχανική ολόκληρης της τεχνολογίας παρασκευής βιομηχανικής αλυσίδας για υλικά βιολογικής βάσης ως βασική κατεύθυνση για την τεχνολογική την καινοτομία, την εφαρμογή βασικών πρωτοποριακών δράσεων για τα υλικά συμφόρησης και την υποστήριξη επιχειρήσεων παραγωγής υλικών και εφαρμογής για από κοινού διεξαγωγή έρευνας σε βιο-βασισμένα υλικά και βιοϊατρικά υλικά. Αυτή η πολιτική διευκρινίζει τα κύρια σενάρια εφαρμογής για νέα υλικά με βάση τα βιολογικά προϊόντα και κατευθύνει την εφαρμογή χημικών ουσιών με βιολογική βάση στην Κίνα.

Τον Ιανουάριο του 2023, το Υπουργείο Βιομηχανίας και Πληροφορικής, μεταξύ άλλων, κυκλοφόρησε το «Τριετές Σχέδιο Δράσης για την Επιτάχυνση της Καινοτομίας και Ανάπτυξης Βιο-Βασισμένων Υλικών Χωρίς Κόκκους», ορίζοντας ότι έως το 2025, η βιο- Η βιομηχανία βασισμένων υλικών θα σχηματίσει ένα οικοσύστημα καινοτομίας και ανάπτυξης με ισχυρές ανεξάρτητες δυνατότητες καινοτομίας, ένα συνεχώς εμπλουτισμένο σύστημα προϊόντων και ένα πράσινο κυκλικό σύστημα χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Η τεχνολογία αξιοποίησης και εφαρμογής πρώτων υλών βιομάζας από μη δημητριακά θα είναι βασικά ώριμη και ορισμένα προϊόντα βιολογικής βάσης χωρίς δημητριακά θα είναι ανταγωνιστικά με τα προϊόντα με βάση τα ορυκτά, με ένα υψηλής ποιότητας, βιώσιμο σύστημα προμήθειας και κατανάλωσης που είχε αρχικά καθιερωθεί. Αυτή η πολιτική διευκρινίζει την κατεύθυνση και τους στόχους εφαρμογής των χημικών ουσιών που δεν βασίζονται σε κόκκους και προσδιορίζει περαιτέρω τα σενάρια εφαρμογής.

Επί του παρόντος, παγκόσμιοι γίγαντες που βασίζονται σε βιολογικά προϊόντα, όπως η Genomatica, η Cathay Biotech, η Mitsubishi Chemical και η DuPont έχουν διπλώματα ευρεσιτεχνίας για ορισμένες χημικές ουσίες βιολογικής βάσης που πρόκειται να λήξουν ή έχουν ήδη λήξει. Πολλοί ξένοι ειδικοί και μελετητές επιστρέφουν στην Κίνα για ανάπτυξη. Αυτό φέρνει άφθονους πόρους και τεχνολογία για την ανάπτυξη χημικών προϊόντων βιολογικής βάσης στην Κίνα. Με την υποστήριξη και την ενθάρρυνση των κινεζικών πολιτικών, η βιομηχανία χημικών προϊόντων βιολογικής βάσης στην Κίνα αναμένεται να το κάνει.