丙交酯是聚乳酸生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵原料。當(dāng)今國(guó)內(nèi)外企業(yè)普遍使用“兩步法”制造聚乳酸， 即首先將乳酸制成丙交酯，丙交酯再開環(huán)聚合成聚乳酸。如果說BDO是PBAT價(jià)格的卡脖子問題，那么丙交酯就是PLA產(chǎn)業(yè)鏈的卡脖子之處。

聚乳酸“兩步法”制備流程示意圖

本文將介紹丙交酯的市場(chǎng)行情、生產(chǎn)制備與技術(shù)難點(diǎn)。

一、丙交酯市場(chǎng)行情

作為聚乳酸合成的重要單體，1單位L-丙交酯可以合成0.95單位的聚乳酸，能獲得多少噸丙交酯，也就決定了我國(guó)企業(yè)能生產(chǎn)多少噸聚乳酸。

目前，國(guó)內(nèi)聚乳酸生產(chǎn)企業(yè)的丙交酯主要依賴進(jìn)口。國(guó)際上有能力生產(chǎn)丙交酯的企業(yè)主要是Nature Works和道達(dá)爾-科碧恩公司， 其中前者的丙交酯不對(duì)外銷售，因此我國(guó)的丙交酯主要由道達(dá)爾-科碧恩公司提供。而隨全球高端聚乳酸產(chǎn)品（包括醫(yī)用&醫(yī)美材料、紡織纖維等）對(duì)高品質(zhì)丙交酯需求度的不斷增長(zhǎng)，道達(dá)爾-科碧恩也在逐漸停滯對(duì)外銷售。

國(guó)內(nèi)外聚乳酸主要生產(chǎn)企業(yè)&產(chǎn)能（截至2020年數(shù)據(jù)）

同時(shí)，2020年來，受益聚乳酸行業(yè)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)聚乳酸現(xiàn)有產(chǎn)能開工率逐漸提升，新增產(chǎn)能加速建設(shè)。根據(jù) 《聚乳酸生產(chǎn)技術(shù)及市場(chǎng)分析》（劉玲等，《化學(xué)工業(yè)》 （2021,39(03),87-90））數(shù)據(jù)，2021年后，我國(guó)已有百萬噸級(jí)聚乳酸產(chǎn)能新增計(jì)劃公布待建。根據(jù)中糧科技2021年9月29日投資者問答，丙交酯根據(jù)化學(xué)光學(xué)純度不同價(jià)格差別較大，目前市場(chǎng)價(jià)格在18000元-20000元左右。

因此我們測(cè)算，至2025年，對(duì)應(yīng)100萬噸聚乳酸原材料，或存至少200億元丙交酯市場(chǎng)規(guī)模；至我國(guó)目前已公布聚乳酸產(chǎn)能假設(shè)可全部投產(chǎn)，則前述市場(chǎng)規(guī)模存翻倍可能。而我國(guó)目前丙交酯產(chǎn)能不足10萬噸，這意味著，我國(guó)丙交酯市場(chǎng)同樣是一個(gè)5年有望增長(zhǎng)10倍的高速發(fā)展市場(chǎng)，且競(jìng)爭(zhēng)壁壘較聚乳酸市場(chǎng)更高、入局難度更大，有能力進(jìn)入丙交酯市場(chǎng)的企業(yè)將在行業(yè)發(fā)展進(jìn)入成熟期前享有較聚乳酸市場(chǎng)更好的利潤(rùn)分享機(jī)制。

二、丙交酯的制備

用乳酸原料生產(chǎn)丙交酯，主要是利用乳酸先縮聚生成乳酸寡聚體，而后乳酸寡聚體再解聚環(huán)化生成丙交酯。

整個(gè)過程需要在高溫、負(fù)壓以及催化的條件下進(jìn)行，期間為了提高整體收率，未反應(yīng)物要回流重復(fù)利用，最后通過一定的提純手段獲得合格的丙交酯產(chǎn)品。

丙交酯生產(chǎn)工藝主要包括縮聚、解聚環(huán)化和提純幾個(gè)單元：

三、丙交酯生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)

1、反應(yīng)器材質(zhì)要求苛刻

目前用于丙交酯的生產(chǎn)溫度為140~210°C之間，過程中會(huì)產(chǎn)生高濃度乳酸，其反應(yīng)物腐蝕性很強(qiáng)，需要在縮聚、解聚反應(yīng)器以及物料輸送泵和管道等關(guān)鍵單元用上耐高溫、耐腐蝕的特殊材質(zhì)，且在負(fù)壓環(huán)境下材質(zhì)要有一定的耐久度。同時(shí)因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求控制成本，材質(zhì)的成本不宜過高。

2、反應(yīng)體系黏度過大

無論是縮聚反應(yīng)過程中的寡聚乳酸體系，還是解聚反應(yīng)中的寡聚乳酸體系，在反應(yīng)過程中流量逐漸減小，黏度逐漸增大，這個(gè)過程會(huì)顯著阻礙體系生成物的揮發(fā)，從而抑制反應(yīng)向正向進(jìn)行。

而且體系會(huì)形成黏度更大的釜?dú)?，釜?dú)堅(jiān)跍囟冉档椭蠛茈y采用泵連續(xù)排料的方式排出，容易堵塞管道，使整個(gè)連續(xù)化生產(chǎn)失敗。需要采用具有特殊功能的蒸發(fā)反應(yīng)器和泵裝置，克服體系黏度大，反應(yīng)產(chǎn)物無法及時(shí)揮出的障礙。

3、反應(yīng)條件難以控制

整個(gè)反應(yīng)須在負(fù)壓環(huán)境下進(jìn)行。由于設(shè)備較多，系統(tǒng)與外界的接口也多，從而導(dǎo)致系統(tǒng)密封難的特點(diǎn)，須要借助系統(tǒng)真空度較高的真空泵，但真空泵負(fù)荷過高容易造成設(shè)備老化，故需要經(jīng)過改良的真空系統(tǒng)來維持整個(gè)體系的負(fù)壓。

此外，體系的熱交換方式也要經(jīng)過慎重選擇，高壓蒸汽熱交換無法達(dá)到較高的溫度，而導(dǎo)熱油或電加熱方式又成本較高，且對(duì)缸體材料有更高的要求。故該體系的反應(yīng)條件需要多種設(shè)備協(xié)調(diào)配合或者巧妙設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)。

4、催化劑難以選擇

目前，生產(chǎn)丙交酯主流采用金屬催化劑，主要是鋅和錫的化合物，如氧化鋅、辛酸亞錫、氯化亞錫等，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)最新發(fā)現(xiàn)有機(jī)胍類催化劑和堿金屬催化劑也可以用于丙交酯和聚乳酸的生產(chǎn)。當(dāng)前使用的催化劑主要有以下幾個(gè)問題: 

1）部分催化劑由于是粉末狀固體，與乳酸難以完全互溶且很難直接加入真空系統(tǒng)，最終影響丙交酯收率。 

2）金屬類催化劑易在丙交酯內(nèi)形成殘留，不利于綠色環(huán)保的理念，必須嚴(yán)格控制金屬殘留量。

3）有機(jī)胍類催化劑不含金屬元素，是未來極具發(fā)展?jié)摿Φ木G色催化劑，但此類催化劑尚未在世界范圍內(nèi)廣泛使用，其化學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性還有待于在工程放大實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

5、綜合收率難以提高，工藝路徑需優(yōu)化設(shè)計(jì)

要顯著提高丙交酯綜合收率，須對(duì)整個(gè)丙交酯工藝路徑進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，識(shí)別每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備參數(shù)對(duì)產(chǎn)物綜合收率的影響，從而妥善選擇每個(gè)步驟的反應(yīng)器和反應(yīng)條件。目前，用乳酸生產(chǎn)丙交酯主要有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)影響綜合收率: 

1）縮聚反應(yīng)中難以控制產(chǎn)生5~10個(gè)乳酸的寡聚體，一般反應(yīng)條件下，乳酸傾向于縮聚生成二三乳酸聚合體，而如果水分不能及時(shí)蒸出，反應(yīng)就停留在二三聚體，并使后續(xù)解聚反應(yīng)出現(xiàn)爆濺;而如果水分能夠順利蒸出，又很難控制反應(yīng)停留在產(chǎn)物為5~10個(gè)乳酸寡聚體階段，極易繼續(xù)反應(yīng)生成超過5000Da的乳酸多聚體。 

2）各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的乳酸、低聚乳酸以及高聚乳酸難以回收利用。這些反應(yīng)物產(chǎn)生于反應(yīng)器的各個(gè)環(huán)節(jié)，并且沸點(diǎn)不一，所處的壓力環(huán)境不一，難以充分回流。而如果浪費(fèi)掉這些反應(yīng)物，則丙交酯的綜合收率勢(shì)必會(huì)受到影響。