一、前言
塑料的发明与应用极大改变了人类的生产生活方式。1950—2015 年，世界共生产了约 7.8×109 t 塑料制品，其中的 9% 得到回收利用，12% 通过焚烧去除，79% 成为垃圾废弃物；若不采取有效措施，预计到 2050 年世界塑料废弃物可达 1.2×1010 t [1]。地球上没有可完全降解塑料的生物体系，废弃塑料制品在自然环境中需要数十年以上的时间才能逐步崩解形成微塑化颗粒 [2,3]。废弃塑料制品及其微塑化颗粒已对环境造成极大破坏，大面积的污染严重威胁着农作物的耕作、野生动物与人类的健康安全。为此，全面治理“白色污染”已成为全球共识，世界各国积极推动实施限塑、禁塑等强制性法律法规，着力开发和使用生物可降解塑料等替代品。
我国是世界最大的塑料制品生产国和消费国，年消费塑料制品约为 1.3×108 t [4]，其中的 12% 成为“白色污染”释放入环境，对国家生态安全和绿色可持续发展构成威胁。为此，近年来国家层面高度关注并出台政策，明确要求：积极应对塑料污染，有序禁止或限制部分塑料制品的生产、销售和使用，积极推广可循环易回收可降解的替代产品；全面实施秸秆综合利用和农膜、农药包装物回收行动，加强可降解农膜研发推广。
聚乳酸材料在“白色污染”治理方面不可或缺，是引领生物可降解材料工业发展、拓展相关应用领域的核心要素；涵盖我国经济与社会的众多领域（见图 1），以制造业中的应用最为突出，至少涉及其中的 25 个门类及其细分领域。例如，快递、包装、一次性餐具、个人护理、城市卫生与环境维护、农林生产资料与农用器具等方面大量使用塑料制品，因辐射地域的高度分散性而成为我国“白色污染” 综合治理中的优先方向；每年释放的塑料制品市场份额超过 7×106 t [5]，是生物全降解聚乳酸材料的首要应用对象。此外，聚乳酸材料在纺织服装、体育用品、儿童玩具 / 用具、日用品、医疗 / 医用材料、建筑装饰、科研教学等领域存在大量需求，在化肥与农药缓释、机械部件现场制造、药物与疫苗封装、现代种植与养殖等新兴应用领域正在引导新的技术变革。因此，全面理解聚乳酸产业链技术现状，克服国内聚乳酸产业链中存在的技术壁垒以贯通全产业链，合理有序实施产业链的提前布局，对我国聚乳酸产业高质量发展意义重大。
图 2 聚乳酸产业的基础原料
甘油可作为乳酸单体生产的理想大宗原料。油脂加工行业产出的质量占比约为 10% 的甘油副产物，是未来乳酸单体规模化生产量大价廉的新原料。以甘油为原料制造乳酸单体的技术已趋于成熟，体现了我国学者的重要学术贡献 [6,8,9,26]。目前，我国甘油供给主体依赖进口，是化工行业的主要原料；以甘油作为国产乳酸单体生产原料尚不具备成本优势，但可作为未来国际市场布局的重点方向。
蔗糖不仅是乳酸单体生产的优质大宗原料，还可以为我国糖业带来新的发展机遇。由于世界糖品消费结构的深度变革，蔗糖消费量逐年下降，导致国际蔗糖价格与生产成本倒挂。可以预判，来源于甘蔗和甜菜种植业的蔗糖与糖蜜，必然会成为乳酸单体生产的另一种大宗原料。我国从蔗糖生产乳酸单体的技术也已经成熟，可以直接实施工业化应用。我国作为甘蔗和甜菜种植大国，服务此行业的劳动力投入巨大但收入较低；需要合理配置资源，发挥聚乳酸产业的带动作用，驱动甘蔗和甜菜种植业的发展与转型，显著改善种植业从业人员的经济收入。
秸秆等农林生物质作为乳酸单体生产原料，具有良好的发展前景。相关技术可行，但因秸秆运输、预处理、糖化、综合利用等成本过高，当前暂不具备经济可行性，需要实施技术攻关以取得应用突破。①在高效廉价复合酶制剂方面，现有商业化生产的纤维素酶、半纤维素酶可用于特定秸秆的糖化，但糖化效率不足、酶制剂用量过大、秸秆用酶成本过高，需要在提高酶制剂酶解效率的同时大幅降低酶制剂的制造成本；现有酶制剂酶活构成需要调整优化，以针对性提升特定秸秆的单糖转化率。②在高效发酵生产技术与装备方面，需深入研究并优化适合秸秆原料的高效发酵生产工艺，尤其是结合生产菌种的进一步改良，发展同步糖化发酵工艺技术及其配套装备、乳酸单体后提取与精制技术与装置、水循环利用设备等。③在综合生产技术体系方面，需要寻求秸秆主要组分综合开发利用新的技术突破，实现秸秆全利用和经济价值，如木质素的高附加值开发利用、木糖及阿拉伯糖等高附加值糖的同步回收等。
其他可能的乳酸单体生产原料。在分子克隆技术发明 50 年后、人类基因组计划实施 30 年后的今天，对选定出发菌株的特定基因和 / 或全基因组修饰与精细调整已经成为现实，这将赋予生产菌株以更好的原料利用属性和生产属性。因此，合成生物学技术为未来聚乳酸生产提供了全新的可能性：通过底盘生物的创制、分子遗传模块（如生长繁殖模块、特殊代谢模块、乳酸单体合成模块、聚乳酸合成模块）的优化组合，有可能利用废弃生物质、沼气、天然气、合成气、CO2 等，为直接原料生物合成乳酸单体甚至直接生物合成聚乳酸（见图 2）。
（二）提升现代发酵生产工艺、技术与装备水平
应对单体纯度、生产成本的要求，新菌种、新技术、新工艺、新装备的发明与运用正在驱动乳酸单体发酵生产技术及其下游的工程技术出现变革（见图 3）。我国聚乳酸产业的高质量发展，应以技术优化、工程化实施技术与装备研制为重点。
图 4 聚乳酸全产业链的产品生态
1. 聚乳酸全产业链的产品多样性与均衡协调发展
在乳酸单体方面，聚合级乳酸单体（如 L- 乳酸单体、D- 乳酸单体）是保障聚乳酸产业链健康发展的物质基础，需同步实施工业化并保持协调发展；在食品（L- 乳酸）、动物饲料添加剂（L- 乳酸）、环境保护与治理（L- 乳酸、D- 乳酸）、药物或除草剂合成（D- 乳酸、L- 乳酸）、土壤改良（L- 乳酸、 D- 乳酸）、电镀、电渗析等方面具有重要应用价值，需完善相关生产技术并保持产品的均衡布局。
在乳酸盐、乳酸酯方面，作为乳酸直接衍生物，具有品种与级别多样、待开发产品多样、应用广泛等特点。L- 乳酸钠、L- 乳酸钙、L- 乳酸锌、L- 乳酸镁等，L- 乳酸甲酯、L- 乳酸乙酯、D- 乳酸甲酯、D乳酸乙酯等，在食品、饲料、种植与养殖、医药特别是透析（血透、腹膜透析）、香精香料、特殊冷却剂等方面具有重要应用价值。聚乳酸生产体系的有机组合也是解决非聚合级乳酸单体及其尾料去路的重要途径，有利于提升聚乳酸全产业链的综合经济效益，需就现有技术与装备进行升级或创建新的生产体系。
在聚乳酸方面，依据乳酸单体或丙交酯光学构型的差异、是否有其他单体的参与，制得产品类型至少有聚 L- 乳酸、聚 D- 乳酸、共聚立构聚乳酸（聚 L-/D- 乳酸）、共聚乳酸（如聚乳酸羟基乙酸）等；按照聚合度、纯度的不同，可将聚乳酸产品细分为注塑级、成膜级、纺丝级、工业级、食品级、医疗级、注射级等；根据功能性呈现与应用特性的差别，聚乳酸及其衍生产品可分为透明型、抗菌型、抗紫外线型、阻燃型、抗溶剂型、热稳定型等。因此，在乳酸单体、丙交酯的质量和纯度均适用的基础上，为满足聚乳酸系列产品的市场需求，需进一步研究乳酸聚合及产品分级的技术与装备，优化聚乳酸改性技术与加工装备；在规模化、低成本制备各类聚乳酸的同时，科学研判市场需求的轻重缓急，稳步开展市场亟需产品的工业化，定向实施技术创新和产品多样性创制。
2. 聚乳酸制品及其优先发展方向
一次性塑料制品的应用领域极为广泛，涵盖产品包装、居家生活、医疗护理、种植养殖、快递餐饮、家庭生活等诸多方面，但应用场景高度分散、回收困难或回收价值低，成为“白色污染”治理的重点和难点。以聚乳酸为基础材料制得的生物全降解产品，在功能上可完全替代一次性塑料制品，将是高效治理“白色污染”的关键；对聚乳酸种类、聚合度的质量要求相对较低，可与其他生物可降解材料（如淀粉、聚己二酸 / 对苯二甲酸丁二醇酯、植物纤维）共混制得，或通过制品表面的后喷涂来制得。此外，由超临界流体发泡等先进加工技术制备的超轻质聚乳酸发泡材料，兼具良好的吸音、隔热、缓冲性能，是取代石油类聚合物的理想新材料 [27]。
农业薄膜与现代种植密不可分，如农业地膜覆盖种植技术的推广应用提高了农产品产量约 30%，在保障农产品安全供给方面发挥了重要作用。然而因现有农业薄膜不易回收、几乎不被降解、回收再利用技术缺乏，数十年的地膜应用（仅 2020 年全国农业薄膜使用量就超过 2.5×106 t）与环境积累所形成的“白色污染”已经成为种植业可持续发展的重大难题。近些年曾采用的光解薄膜产品、添加淀粉或秸秆的塑料薄膜产品，本质上仍为非生物降解制品，使用后崩解为塑料碎片或微塑颗粒，潜在的污染危害性更大。因此，以聚乳酸为基础的生物降解地膜是替代传统地膜、解决地膜残留污染的直接措施和有效手段，建议大力推广应用。此外，可控生物降解聚乳酸复合材料制得的种子纸、包衣种子、缓释肥料、缓释营养物等，有望在种植业全自动化、精准化发展方面发挥积极作用。
聚乳酸纤维为纺织服装提供先进面料。高聚合度的聚乳酸通过溶液纺丝、熔融纺丝等技术制得聚乳酸纤维，可制成长丝、短丝、单丝、编织物、布匹、无纺布等，由此生产的织物面料具有良好的手感、悬垂性、回弹性、水扩散性、抗紫外线、抗污性、低可燃性、加工性能、卷曲性及卷曲稳定性、缩率控制性。相关布料适用于各种时装、休闲装、个人护理用品、体育用品、卫生用品，同样具有可观的市场需求 [28]。
医用聚乳酸具有良好的生物相容性，除了一次性医用口罩、手套、床单、护垫、药物盒、器皿之外，在体内医用材料方向也有广泛应用，如采用聚乳酸制得的可吸收螺钉、可吸收手术线，可用作人体组织修补的纤维编织物或膜材料，骨折内固定材料，眼科植入材料，组织工程支架材料等。医用聚乳酸也可用作药物控释材料，在现代药物与剂型升级发展方面具有特殊的应用价值，如药物分子封装与缓释 / 控释制剂、疫苗封装、定位植入药物的缓释 / 控释制剂等 [17,29]。此外，经酶法或全细胞催化直接合成获得的生物级聚乳酸，在未来医用聚乳酸材料制造方面具有一定前景，但现有的技术水平、产品聚合度与纯度等有待进一步提升 [30,31]。
在机械制造领域，聚乳酸通过注塑加工、挤压与锻造、增材制造，可快捷制造材料零件或部件（如汽车的车身、车门、轮圈、车座、天棚、备用轮胎箱盖、脚垫等），实现轻量化整体制作、便捷安装、单独拆卸、回收再加工。聚乳酸材料零部件的使用，对产品的小批量、短周期、个性化、柔性化生产，产品就地维修及二手产品翻新与升级也具有价值，也可挖掘在国防军工、航空航天等重大领域中的应用。
在电子产品领域，如电脑 / 手机部件、红外线接收配件、电子产品机壳、光盘与盘片、芯片 / 大规模集成电路包装带等方面，聚乳酸展现出了重要应用价值。运用聚乳酸及其复合 / 改性材料（如聚乳酸合金），实现可折叠、可扭曲、可锻制、可伸展的电子材料加工制备，推动电子皮肤、假肢、机器人、健康监测、生物医学仪器等的创新发展 [32]。
在儿童玩具 / 用品方面，应对相关消费快速上涨的市场需求（年消费超过 300 元），匹配安全、多样、益智、创造、新颖、功能性等产品技术需求，聚乳酸材料不但能够替代现有儿童玩具用品的几乎所有材料，还可拓展全新的产品生态与高生物安全性应用场景；与新材料体系相匹配的设计与制造方法、款式更新速度、旧款回收再加工等方面也将得到新的发展。这是聚乳酸产业发展的重要领域之一。
在体育用品方面，聚乳酸材料可应用于运动服饰、运动护具、户外运动休闲用品、健身器材器械、康体器材器械、竞赛项目用品、体育场馆、体育关联用品等，应用前景良好、产业规模较大。随着《全民健身计划（2021—2025 年）》的推动实施，健康绿色环保的体育用品市场必将获得快速发展，对聚乳酸材料产业的发展规模和质量起到牵引促进作用。
在科研、教学、学习用品方面，聚乳酸材料可应用于笔、纸、文具、书包、教具、校服、饰物、布景、运动器具、一次性科研教学耗材（如手套、试管、量筒、量杯、离心管、移液枪头、标签、扎线、包装纸 / 膜等）、模具模型及其现场制作、研究用药品试剂及标准品等，需尽快形成系列化、全景化的制品体系，满足在校学生、从业人员（总量约3亿人）的产品消费需求。通过革新材料应用方式、增强居民环保意识，形成聚乳酸产业的长效逸外效应。
（四）建立健全聚乳酸产品质量控制体系、环境释放管理体系
产品质量控制体系、环境释放管理体系是聚乳酸产业高质量、可持续发展的前提，已有的基础条件包括：设立了专业机构及其分支机构，如中国塑协降解塑料专业委员会、中华环保联合会可降解塑料专业委员会、全国生物基材料及降解材料制品标准化技术委员会等，成立了各类产业技术联合研究院（所）、协同创新中心、产业联盟，涵盖高校、科研院所、优势企业。由于我国聚乳酸产业发展时间较短，相关要素仍需逐步完善以更好规范并指导聚乳酸产业发展。
作为一项系统工程，聚乳酸产品质量控制体系、环境释放管理体系宜充分借鉴发达国家相关产业、我国部分优势产业的运作经验，立足国情、前瞻需求、接轨国际，系统研究并高标准制定；纳入产业链的全部质量控制关键结点，建设服务产业链条全部产品、具有行业权威性的质量鉴测机构与数据共享平台；针对国产聚乳酸产品的环境释放过程，开展覆盖产品生命周期的基础研究，如专一降解聚乳酸的高效微生物菌种选育，高效酶制剂的创制、制备与应用等，保障产品生产技术革新、应用技术拓展的中长期发展潜力。
（五）实施积极的聚乳酸产业发展政策
我国聚乳酸产业当前仍处于起步阶段，产业链发展不平衡问题较为突出。建议实施积极的产业政策以提供引导与扶持，突出产业链布局的科学性和前瞻性，促进聚乳酸产业快速发展。前端布局应与生产原料供给相匹配，着力带动当地大宗农副产品的加工精度、深度与综合加工水平，推动种植业（如甘蔗、甜菜、木薯、玉米、红薯等品种）的转型升级和工业化进程。中端布局宜依托高端装备制造发达地区在技术、人才、资金、市场等方面的优势，消化已有聚乳酸产能及生产装置，快速形成新的专业性产业集群。末端布局可针对产品（制品）类别、应用多样性、现有企业分布等，合理开展整合与聚集以驱动产业升级。
建议国家级科技研发渠道给予专项支持，联合国内优势技术力量、注重“产学研用”结合，重点开展聚乳酸产业链条相关的关键技术攻关、关键装备原型开发，如自动化、智能化特大型发酵装备，分离纯化精制新装置，丙交酯纯化新装置，聚乳酸聚合与分级新装置，聚乳酸改性与加工新装置等。同步加强复合型人才培养，针对聚乳酸产业发展亟需，支持高校、科研院所、有条件的企业联合设立研究机构、产业学院，开展学历教育、培养产业人才，保障一流专业人才队伍需求。
五、结语
聚乳酸作为典型的碳中和、可再生、生物全降解高分子材料，是继石化高分子材料之后又一变革性新材料，必将逐步成为我国国民经济和社会发展的基础性大宗原材料，有力带动其他生物可降解材料、关联产业及周边产业的发展。经过 20 年的技术研究与应用实践，我国已具备规模化工业实施聚乳酸产业发展的雄厚基础。着眼未来，通过“政产学研用”层面的通力合作，多学科跨界组合创新，全产业链技术与装备融通，在切实解决制约行业发展和自主化水平“卡脖子”技术难题的同时，有望快速实现聚乳酸创新链、产业链、人才链、供应链的合理布局与协调运转，驱动聚乳酸产业高质量发展，实现聚乳酸材料为民所想、为民所用目标。
致谢：
天津科技大学路福平、王红星、韩金玉、程博闻等同志在工业发酵与工业菌种、乳酸单体纯化与丙交酯制备、化学工程、纺织工程等方面给予建设性指导，作者所在实验室的多位研究生协助整理部分专业数据，在此谨致谢意。