掘金生物基材料赛道之——2,5-呋喃二甲酸（FDCA）

随着“双碳”政策的不断推进，可持续材料的需求正在不断递增。其中生物基材料有着得天独厚的优势，不仅因为它们选择了可再生的原料，而且一些植物基的原料在生长过程中产生光合作用，这意味着在最终制品的整个生命周期中，其产生的碳足迹更低，对环境更为有益。



生物基材料在市场上的火热并不完全归功于“双碳”政策，消费者对日常用品的安全焦虑，也使生物基产品被贴上了“天然”、“安全”的标签。品牌商在行业竞争中，除了在设计端构建优势外，又多了一个新的方向——在材料端选择更为环保的生物基材料。



我国生物基材料发展迅速，但目前主要还是基于粮食原料。由于我国人均耕地较少、粮食保有量低等现实情况，发展生物基材料必须树立并贯彻“大食物观”，实施“藏粮于技”战略，防范化解“与民争粮”“与畜争饲”等矛盾。为引导基于大宗农作物秸秆及剩余物等非粮生物质的生物基材料产业创新发展，2023年1月国家工信部等六部门联合发布《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》。当前，我国生物基材料产业正逐渐朝着工业规模化和产业化方向发展，未来市场潜力巨大。



整个产业链涵盖了：上游生物基原料、中游生物基单体、下游生物基材料产品及终端应用。

FDCA的生产工艺

2,5-呋喃二甲酸（FDCA）是一种极具发展潜力的生物基化学品。FDCA可以用于制备多种聚合物，如聚酯、聚酰胺、聚氨酯等。


早在2004年，美国能源部从300多种源于生物质的化合物出发，筛选出了最具有代表性的12种生物基平台化合物，其中FDCA是芳族生物基平台化学品的代表，被认为是石油衍生物对苯二甲酸（PTA）的最合适的替代物。



FDCA 的合成技术路线主要包括5-羟甲基糠醛（HMF）路线、己糖二酸路线、糠醛路线和二甘醇酸路线。其中，HMF路线最受重视，已取得显著进展，并有望率先实现工业化生产。



HMF路线通常分为两步法和一步法：



两步法即首先从糖类脱水得到HMF，将HMF分离、纯化后，再氧化合成FDCA。



一步法是通过糖类脱水得到HMF，HMF不经分离直接被氧化得到目标产物FDCA。

在全球市场，较多国家在研究FDCA，我国在此领域的研究也在不断深入，技术水平与国际巨头处在同一水平线。我国“十四五”国家重点研发计划“先进结构与复合材料”重点专项中提出，要发展低成本生物基工程塑料的制备与产业化，FDCA包含其中。



国外方面，Avantium是FDCA领域最为活跃的企业。该公司于2016年与巴斯夫成立合资公司 Synvina共同推进YXY技术（FDCA生产技术）商业化。后来因在FDCA投产时间上的分歧，巴斯夫退出合资公司，Avantium收购其股份。Avantium于2021年12月宣布最终投资决定：在2023年建设年产5000吨的FDCA工厂。



国内方面，一些FDCA的代表性企业近年来获得了大额的融资。



比较有代表性的企业是利夫生物，是中科大重点科技成果转化项目，已建成了千吨级FDCA生产线。2023年，利夫生物基完成了近两亿元B轮融资，本轮资金主要用于呋喃二甲酸（FDCA，以下简称FDCA）的产业化生产及万吨级产线的建设。据悉，利夫生物已经突破了以非粮生物质糖为原材料到FDCA的制备工艺。万吨级FDCA产线计划于2023年底开始建设，2025年正式投产。

中科国生2022年完成了近亿元Pre-A轮融资，资金将主要用于核心管线产品 5-羟甲基糠醛（HMF）、2,5-呋喃二甲酸（FDCA）、2,5-四氢呋喃二甲醇（THFDM）产能放大及下游衍生物的持续开发。中科国生开创了连续化生产工艺，由果糖生产HMF、FDCA的技术引起业界关注，区别于传统釜式的间歇生产，FDCA纯度高，大幅提升了FDCA的转化率。继2022年5月份公司完成国内首个吨级FDCA订单交付后，又陆续交付多个FDCA吨级订单。中科国生的千吨级产线已于2022年7月30日在江苏泰兴完成奠基仪式，预计2023年投产。





利夫生物-FDCA



江苏赛瑞克2022年完成了数千万元的天使轮融资，本轮资金将主要用于团队扩充、后续研发、以及国际范围内的专利布局。江苏赛瑞克突破了以葡萄糖为原料以葡萄糖二酸为中间体的技术路线。该公司表示，葡萄糖作为原料来源比竞争技术路线的果糖丰富，并且价格低很多；另外赛瑞克技术路线的转化效率非常高，生产1吨FDCA只需要消耗不到2吨的葡萄糖；更重要的一点，赛瑞克开发的葡萄糖到FDCA的连续化生产工艺与现有的PTA的生产工艺兼容，这就意味着将来赛瑞克可以收购一个现有的PTA装置进行改造就能转产FDCA。据赛瑞克团队测算，当FDCA的装置规模达到50万吨/年的时候，使用赛瑞克的技术路线和生产工艺能够把FDCA的生产成本降低到到1万元/吨以下，这是完全可以和PTA竞争的水平，特别是当原油价格高于60美元/桶的时候。

生物基PEF

FDCA被认为是石油衍生物对苯二甲酸（PTA）的最合适的替代物。PTA是石油基有机合成中间体，主要用来合成聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。PET是常见聚酯材料，在包装领域应用广泛，此外还可以应用在电子电气、汽车、医疗、建筑等领域。PET在特定条件下可降解，但在自然条件下难以降解，并且其降解产物是乙醛、二氧化碳等，对环境会产生危害。



以FDCA为单体制备的PEF，其在力学性能、耐高温性、阻气性等方面优于PET，且环保性更优，有望替代PET应用在食品包装领域，也可应用在电子、家电、汽车以及服装纺织等领域。PEF是新一代聚酯，由于其环保安全性高，特别是在包装领域市场前景更为广阔。



生物基聚氨酯胶粘剂

2023年，汉高与Avantium签署了一项为期五年的承购协议，根据该协议，Avantium将向汉高提供由Avantium的FDCA旗舰工厂（目前正在荷兰Delfzijl建设）生产的FDCA。



汉高已经测试并积极评估了FDCA用于聚氨酯胶粘剂的可行性 。通过购买Avantium的100%植物基FDCA，汉高将在电子应用中推出创新的、高性能的聚氨酯胶粘剂，使客户能够实现其可持续发展目标。汉高方面表示，将FDCA用于电子应用的聚氨酯胶粘剂，这只是一个开始，随着进一步的合作，将探索更多应用领域（包装、木结构或纺织品层压）存在的机会。

但由于技术壁垒所导致的成本过高以及产业链各方之间沟通效率较低等问题，HMF市场化进程的推进一直十分艰难。“这其实是一整个产业的问题，HMF的工业化生产过往没成熟的经验，反应过程与传统石油化工在走向上差异较大。需要有针对性地设计适合于HMF生产的工艺路线、工业化装置、催化剂等，加之该过程比传统石油化工在副产物控制上难出许多，所以技术一直难以攻克，继而导致成本居高难下，规模化应用更是天方夜谭。”

中科国生在成立之初便是致力于用这种最高效的、连续化的工艺去真正地解决HMF的成本问题。在王磊看来，HMF归根到底还是大宗底层平台化合物，虽然可以在一些高附加值应用场景先让客户接受，但这种接受也只是阶段性的，如果成本不能降至下游客户可以以万吨为单位进行采购，那整个行业也就难有真正的发展可言。

而正如上文所述，降低成本需要多要素的全方位配合，这个过程是量变带来质变。中科国生自成立之初便对HMF规模化生产所需的各项要素进行突破，经过不断地尝试、改进，最终其打破技术壁垒，成为率先实现HMF稳定连续生产的企业。

果糖在高效催化脱水形成HMF时，糖原料和HMF易自聚形成大分子物质，导致反应器堵塞，大大降低生产效率以及产品产率，其独创的“SMART”催化反应体系可以抑制糖原料和HMF的自聚，在反应过程中确保不出现浆态和粘稠物料（不堵塞管道反应器），最终使HMF连续化生产。

而在技术上实现产品稳定连续生产只是第一步，找到合适的应用场景、合理定价、客户愿意买单、可以稳定供货等都是中科国生面临的挑战。