生質材料在工業應用的新機會(上)

 

刊登日期:2010/10/21
  • 字級

生物塑膠市場每年以8~10%的速度快速成長,目前生物塑膠大約占全球塑膠市場的10~15%,預測到2020年將可擴展至25~30%。生物塑膠的市場非常的巨大,2007年已達到10億美元,隨著產能的增加與新應用產品的開拓,預測在2020 年可以超過100億美元,越來越多的公司進入並投資此市場。過去由於具生物可分解的特性,使其主要聚焦於包裝市場,近年來生質來源結合CO2減量的概念,使得生質材料在汽車、電子、家電等產業獲得創新與應用的新機會,並帶動生質材料市場的快速攀升。

PLA材料的崛起
生質材料的發展以PLA材料技術與產品應用最為成熟,PLA主要使用玉米、甜菜、蔗糖和小麥做為生質原料,所形成的三個碳之乳酸(Lactic Acid)為Building Block,其發展歷程如下:1932年Carothers等人首先發表由丙交酯開環聚合獲得PLA,然而高分子量的PLA卻到1954年由杜邦在美國專利(US2668162)揭露,主要的技巧在於丙交酯純化技巧的改善,1993年Cargill公司發表純化丙交酯的連續製程方法,方實現PLA的量產可能性。目前PLA全球最大生產廠商為美國Natureworks公司,耗資6億美元在美國Nebraska州的Blair工廠所建的兩條PLA生產線,其年產量可達14萬噸(商品名為IngeoTM)。PLA材料之所以能快速崛起,主要是因為以目前的工業生物技術,由Pyruvate轉變為Lactic Acid (C3)的轉換率為100%,LacticAcid轉換成PLA的轉換率為80%,相對於C2的PE和C4的PBS有較佳的產率(圖二)。


圖二、由Glucose到不同生質塑膠之產率

Cargill’s 3HP化工平台概念
Cargill公司看好3-Hydroxy Propionic Acid的應用前景,設定為該公司繼Lactic Acid 之後主要發展的重點。從3-Hydroxypropionic Acid可進一步衍生的生質特化品為Malonic Acid、Acrylic Acid、Acrylamides、1,3-Propanediol等,如圖四所示。其中Acrylic Acid是一種高附加價值的工業產品,用途非常廣泛,如高吸水材料、塗料、黏著劑、分散劑等,每年全球需求約310萬噸,且年成長率達4%。傳統的Acrylic Acid是由石化的丙烯製備而成,然而隨著石油的波動影響丙烯的售價(430 USD/metric ton at 2000 vs. 1450 USD/metric ton at 2008),進而提高Acrylic Acid的製造成本。在美國能源部的支持下,由Cargill 公司主導,結合Codexis和PNNL兩家公司致力於發展Bio-Acrylic Acid。其中Cargill負責整個Bio-Acrylic Acid製程的設計、整合和經濟評估,結合Codexis在前端轉換酵素的開發,Cargill的發酵製程及後端由3HP到Acrylic Acid的反應觸煤與化工製程,如圖五所示。


圖五、Cargill 在Bio-Acrylic Acid開發合作架構

DuPont的可再生來源生物基材料
DuPont公司致力於開發與自然相和諧的科學技術,生產一系列商品名為DuPontTMRenewably SourcedTM Materials的生物基材料。目前DuPont再生來源材料是全部或部分由可再生農產品(諸如玉米、大豆、甘蔗及小麥等)製成的高性能生物基材料,將來DuPont還希望能夠使用生長迅速的能源農作物(草等)及農副產品(諸如玉米秸等)的纖維素原料,DuPont所發展的生物基材料主要是Bio-PDO之生質化學品及其衍生物。

由Bio-PDO所開發的Sorona®為含有37%可再生來源的PTT聚酯高分子,如圖六所示生產Sorona®之產品生命週期評估(Life Cycle Assessment, LCA)所使用的能源,與傳統石化製程相比,減少約40%。Sorona®具有柔軟、優異的拉伸與回彈性,以及容易染色和可印刷等特色,目前在紡織品及地毯等纖維產品應用已有商品化產品推出,並積極開拓在汽車內裝及包裝材的應用…以上內容為重點摘錄,如欲詳細全文請見原文

作者:廖聖茹/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌286期」,更多資料請見:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=8888


分享