神奇的生物质塑料 生物技术与“行” 胥临轩14302010048 前言 在21世纪,人类面临这一个巨大的问题,那就是能源的缺乏。我们每天 都要依靠燃烧大量的汽油等不可再生的能源来让汽车、轮船和飞机等交通工具行 动,然而,我们知道这些资源总有一天会消耗殆尽,并且给我们的生态环境造成 不可逆的危害。所以,要想解决这个问题,找到一种可代替石油、天然气的可再 生能源当然是我们最好的选择,然而,现如今我们还不可能找到一种完全替代石 油的能源,毕竟从石油中能分解出大量的副产品,比如沥青、汽油和各种石油化 工产品,它们早已渗透到我们生活中的方方面面。其广泛的用途和作为燃料高热 能值,以及与生物燃料相比的成本,都是我们现在无法完全只用生物柴油或者生 物石油来代替它的原因。(如下图) 化石油 凝结的汽油 汽油发动机的燃料 上升的石油蒸气 常 蒸 飞机燃料 朵面 煤油炉的燃料 柴油发动机的燃料 C以上 甫路 (沥青 压E 蒸 参间 那么,难道我们就只能等待某一天出现了一种可以完全替代煤、原油、天然 气等能源而又不污染环境的物质出现吗? 答案当然是否定的。除了找到替代能源,我们还可以通过在同样的产能下最 大限度地降低能耗这个方法来满足工业生产和减少污染。据统计,汽车的重量每
神奇的生物质塑料 ——生物技术与“行” 胥临轩 14302010048 一、前言 在 21 世纪，人类面临这一个巨大的问题，那就是能源的缺乏。我们每天 都要依靠燃烧大量的汽油等不可再生的能源来让汽车、轮船和飞机等交通工具行 动，然而，我们知道这些资源总有一天会消耗殆尽，并且给我们的生态环境造成 不可逆的危害。所以，要想解决这个问题，找到一种可代替石油、天然气的可再 生能源当然是我们最好的选择，然而，现如今我们还不可能找到一种完全替代石 油的能源，毕竟从石油中能分解出大量的副产品，比如沥青、汽油和各种石油化 工产品，它们早已渗透到我们生活中的方方面面。其广泛的用途和作为燃料高热 能值，以及与生物燃料相比的成本，都是我们现在无法完全只用生物柴油或者生 物石油来代替它的原因。（如下图） 那么，难道我们就只能等待某一天出现了一种可以完全替代煤、原油、天然 气等能源而又不污染环境的物质出现吗？ 答案当然是否定的。除了找到替代能源，我们还可以通过在同样的产能下最 大限度地降低能耗这个方法来满足工业生产和减少污染。据统计，汽车的重量每
降低10%它的燃油效率能够提高6%到8%,汽车的质量每降低一百公斤油耗可 降低5到6升。使用塑料及其复合材料取代金属应用于汽车零部件上已成为汽车 轻量化的发展必然趋势和最重要的手段之一。目前,汽车塑料约占汽车车声总重 量的10%,以2010年我国的汽车总产量超过1800万辆计算,需求的塑料量超过 几百万吨。这无疑加剧了石化产品的消耗。 在轻量化这个方面,科学家早就已经做出了许多突破。而生物技术在这个方 面发挥了巨大的作用,比较有代表性的一个成果就是生物质塑料的发明和制造。 技术名称 生物质塑料,顾名思义,就是一种利用生物技术制造的塑料,指的是以木本 禾本和藤本植物及林产品废弃物等可再生生物质资源为原料,通过生物化工技术 加工制造的高分子材料。生物质塑料是从原料的角度来分的,与之相对的是以石 油等不可再生资源为原料的石油基塑料。目前生物质塑料主要可以分为三大类 天然高分子材料、完全生物质合成高分子材料以及部分生物质合成高分子材料。 三、生物质塑料的优缺点 1、环保:传统塑料是由石油炼制的产品制成的,石油资源是有限的,且会 生产过程中会污染环境。生物塑料的研制都是从纯植物中获取,植物中含有大量 淀粉和蛋白质,这也是生物塑料中丙烯酸、聚乳酸的主要来源,在植物中提取的 丙烯酸、聚乳酸等再经过各种工艺生产制成生物可降解塑料材料,这在很大程度 上避免了对环境的污染和破坏,这是传统塑料无法比拟的优越性
降低10%它的燃油效率能够提高6%到8%，汽车的质量每降低一百公斤油耗可 降低5到6升。使用塑料及其复合材料取代金属应用于汽车零部件上已成为汽车 轻量化的发展必然趋势和最重要的手段之一。目前，汽车塑料约占汽车车声总重 量的10%，以2010年我国的汽车总产量超过1800万辆计算，需求的塑料量超过 几百万吨。这无疑加剧了石化产品的消耗。 在轻量化这个方面，科学家早就已经做出了许多突破。而生物技术在这个方 面发挥了巨大的作用，比较有代表性的一个成果就是生物质塑料的发明和制造。 二、技术名称 生物质塑料，顾名思义，就是一种利用生物技术制造的塑料，指的是以木本、 禾本和藤本植物及林产品废弃物等可再生生物质资源为原料，通过生物化工技术， 加工制造的高分子材料。生物质塑料是从原料的角度来分的，与之相对的是以石 油等不可再生资源为原料的石油基塑料。目前生物质塑料主要可以分为三大类： 天然高分子材料、完全生物质合成高分子材料以及部分生物质合成高分子材料。 三、生物质塑料的优缺点 1、环保：传统塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的，且会 生产过程中会污染环境。生物塑料的研制都是从纯植物中获取，植物中含有大量 淀粉和蛋白质，这也是生物塑料中丙烯酸、聚乳酸的主要来源，在植物中提取的 丙烯酸、聚乳酸等再经过各种工艺生产制成生物可降解塑料材料，这在很大程度 上避免了对环境的污染和破坏，这是传统塑料无法比拟的优越性
2、高强度、低密度:汽车行业的生物质塑料具有比普通塑料强度更高、更 轻和更可持续发展的特点,某些生物质塑料能够达到质量轻30%,而强硬3~4 倍的程度,从而在保证汽车安全性和舒适度的前提下减少了汽车的重量,减轻了 燃油的消耗,提髙了单位耗油量所提供的动能,是实现汽车轻量化的必不可少的 3、机械性:除了减重外,生物质塑料与传统汽车塑料相比还具有更大的耐 热、耐汽油、耐水和耐氧气损伤性。 四、生物质塑料的技术原理 由于生物质塑料是一个统称,所以没有一个通用的制备过程,实际上,在 辆汽车中,不同的生物质塑料也有着不同的用途,比如光泽度、透明性和手感良 好的生物质塑料可以用在汽车内饰上,而具有高强度,低密度和抗冲性好的生物 质塑料可以被用于汽车门板上 这里为大家介绍其中一种生物质塑料——PLA(聚乳酸)及其制备过程 (1)聚乳酸的分子式是(C3H402)n,结构式是 CH3 O O—cHC 中文别名也叫做聚丙交酯,聚乳酸的热稳定性好,加工温度170~ 230℃,有好的抗溶剂性,可用多种方式进行加工,如挤压、纺丝、双 轴拉伸,注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外,生物相容性、 光泽度、透明性、手感和耐热性也很好。 (2)制备技术 原料:乳酸,也有利用农副产品发酵产生乳酸,进而生产聚乳酸 生产工艺示意图
2、高强度、低密度：汽车行业的生物质塑料具有比普通塑料强度更高、更 轻和更可持续发展的特点，某些生物质塑料能够达到质量轻30%，而强硬3~4 倍的程度，从而在保证汽车安全性和舒适度的前提下减少了汽车的重量，减轻了 燃油的消耗，提高了单位耗油量所提供的动能，是实现汽车轻量化的必不可少的 一环。 3、机械性：除了减重外，生物质塑料与传统汽车塑料相比还具有更大的耐 热、耐汽油、耐水和耐氧气损伤性。 四、生物质塑料的技术原理 由于生物质塑料是一个统称，所以没有一个通用的制备过程，实际上，在一 辆汽车中，不同的生物质塑料也有着不同的用途，比如光泽度、透明性和手感良 好的生物质塑料可以用在汽车内饰上，而具有高强度，低密度和抗冲性好的生物 质塑料可以被用于汽车门板上。 这里为大家介绍其中一种生物质塑料——PLA（聚乳酸）及其制备过程： （1）聚乳酸的分子式是(C3H4O2)n，结构式是 中文别名也叫做聚丙交酯，聚乳酸的热稳定性好，加工温度170～ 230℃， 有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双 轴拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、 光泽度、透明性、手感和耐热性也很好。 （2）制备技术 原料：乳酸，也有利用农副产品发酵产生乳酸，进而生产聚乳酸 生产工艺示意图：
-H2O HO (3)方法 1、直接缩聚法 缩聚法就是把乳酸单体进行直接缩合,也称一步聚合法。在脱水 剂的存在下,乳酸分子中的羟基和羧基受热脱水,直接缩聚合成低 聚物。加入催化剂,继续升温,低相对分子质量的聚乳酸聚合成更 高相对分子量的聚乳酸。 2、二步法 使乳酸生成环状二聚体丙交酯,再开环缩聚成聚乳酸。这一技术 较为成熟,主要过程是原料经微生物发酵制得乳酸后,再经过精制、 脱水低聚、高温裂解,最后聚合成聚乳酸。 3、反应挤出制备高分子量聚乳酸 用间歇式搅拌反应器和双螺杆挤出机组合,进行连续的熔融聚合 实验,可获得由乳酸通过连续熔融缩聚制得的分子量达150000的聚 乳酸。利用双螺杄挤出机将低摩尔质量的乳酸预聚物在挤出机上进 步缩聚,制备出较高摩尔质量的聚乳酸。在反应温度为150℃、催 化剂用量为0.5%、螺杆转速为75r/min时可通过双螺杆反应挤出缩 聚法快速有效地提高聚乳酸的摩尔质量,而且反应挤出产物分散系 数减小,均匀性变好。通过DSC曲线的比较发现,通过反应挤出缩聚 法制得的聚乳酸的结晶度有所降低,这对改善聚乳酸材料在使用过 程中表现出较大的脆性是有益的。 (4)流程 1、取材 将玉米等壳类作物碾碎后,从中提取淀粉,然后将淀粉制成未精 化的葡萄糖。很多高技术已克服减去了碾碎的过程,直接从大量的
（3）方法 1、直接缩聚法 缩聚法就是把乳酸单体进行直接缩合,也称一步聚合法。在脱水 剂的存在下, 乳酸分子中的羟基和羧基受热脱水, 直接缩聚合成低 聚物。加入催化剂, 继续升温, 低相对分子质量的聚乳酸聚合成更 高相对分子量的聚乳酸。 2、二步法 使乳酸生成环状二聚体丙交酯，再开环缩聚成聚乳酸。这一技术 较为成熟，主要过程是原料经微生物发酵制得乳酸后，再经过精制、 脱水低聚、高温裂解，最后聚合成聚乳酸。 3、反应挤出制备高分子量聚乳酸 用间歇式搅拌反应器和双螺杆挤出机组合，进行连续的熔融聚合 实验，可获得由乳酸通过连续熔融缩聚制得的分子量达150000的聚 乳酸。利用双螺杆挤出机将低摩尔质量的乳酸预聚物在挤出机上进 一步缩聚，制备出较高摩尔质量的聚乳酸。在反应温度为150℃、催 化剂用量为0.5%、螺杆转速为75 r/min时可通过双螺杆反应挤出缩 聚法快速有效地提高聚乳酸的摩尔质量，而且反应挤出产物分散系 数减小，均匀性变好。通过DSC曲线的比较发现，通过反应挤出缩聚 法制得的聚乳酸的结晶度有所降低，这对改善聚乳酸材料在使用过 程中表现出较大的脆性是有益的。 （4）流程 1、取材 将玉米等壳类作物碾碎后，从中提取淀粉，然后将淀粉制成未精 化的葡萄糖。很多高技术已克服减去了碾碎的过程，直接从大量的
农作物中提取原料 2、发酵 以类似生产啤酒或酒精的方式来发酵葡萄糖,而葡萄糖发酵后变 成类似于食物添加用于人体肌肉组织内中的乳酸。 3、中间型产物 将乳酸单体以特殊的浓缩制程,转变成中间型产物——减水乳酸 即丙交酯。 4、聚合 丙交酯单体经过真空净化后,再以一种不使用溶剂的溶解制程来 完成开环的动作,使单体聚合。 5、聚合物修饰 由于聚合物的分子量与结晶度的不同,可使材料特性的变化空间 很大,所以因不同应用的产品,将PLA做不同的修饰。 五、生物质塑料的应用 生物质塑料的发展前景无疑是广阔的。2011中国的秸秆总量在7亿吨,农 业部最新统计2015年秸秆总量将达到年9亿旽,很明显,秸秆是一个很大的资源, 当然,类似秸秆的农副产品资源是很丰富的,如果能够利用这些资源,将会产生 不可想象的收益,而生物质塑料就是这些废弃资源的一个很好的出口。 我相信,随着生物科技的不断发展,未来的生物质塑料有希望替代汽车里更 多的零部件,甚至有可能生产一辆从方向盘到发动机等所有的部件全部都是由可 再生的生物质塑料制造的“全塑料”汽车 六、结语 生物技术给人类带来的收益是持久的、不可忽视的,所以,我们每个人都应 当重视这方面的成果,我相信,生物技术一定会为建设绿色社会贡献更多的力量!
农作物中提取原料。 2、发酵 以类似生产啤酒或酒精的方式来发酵葡萄糖，而葡萄糖发酵后变 成类似于食物添加用于人体肌肉组织内中的乳酸。 3、中间型产物 将乳酸单体以特殊的浓缩制程，转变成中间型产物——减水乳酸， 即丙交酯。 4、聚合 丙交酯单体经过真空净化后，再以一种不使用溶剂的溶解制程来 完成开环的动作，使单体聚合。 5、聚合物修饰 由于聚合物的分子量与结晶度的不同，可使材料特性的变化空间 很大，所以因不同应用的产品，将PLA做不同的修饰。 五、生物质塑料的应用 生物质塑料的发展前景无疑是广阔的。2011年中国的秸秆总量在7亿吨，农 业部最新统计2015年秸秆总量将达到年9亿吨，很明显，秸秆是一个很大的资源， 当然，类似秸秆的农副产品资源是很丰富的，如果能够利用这些资源，将会产生 不可想象的收益，而生物质塑料就是这些废弃资源的一个很好的出口。 我相信，随着生物科技的不断发展，未来的生物质塑料有希望替代汽车里更 多的零部件，甚至有可能生产一辆从方向盘到发动机等所有的部件全部都是由可 再生的生物质塑料制造的“全塑料”汽车。 六、结语 生物技术给人类带来的收益是持久的、不可忽视的，所以，我们每个人都应 当重视这方面的成果，我相信，生物技术一定会为建设绿色社会贡献更多的力量！