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甲壳质高值化利用技术带来产业发展新机遇

来源:中国循环经济 作者: 2011-8-8

摘要: 甲壳质/壳聚糖是一种天然的生物高分子,属线性多糖类,以其独特的各种功能性质,在废水处理、食品工业、纺织、化工、日用化学品、农业、生物工程和医药等方面具有广泛的用途,其中甲壳质及其衍生物复合物在组织工程、基因载体和药物载体、医学应用、农业应用、废水治理等方面研究非常活跃。甲壳质/壳聚糖的商业产品已经遍......


  甲壳质/壳聚糖是一种天然的生物高分子,属线性多糖类,以其独特的各种功能性质,在废水处理、食品工业、纺织、化工、日用化学品、农业、生物工程和医药等方面具有广泛的用途,其中甲壳质及其衍生物复合物在组织工程、基因载体和药物载体、医学应用、农业应用、废水治理等方面研究非常活跃。甲壳质/壳聚糖的商业产品已经遍布全球,其产业渗透性之大、应用领域之广、均已超过其他资源产业。



  甲壳质的年生物合成量约为100亿吨,是地球上的第二大类有机资源,是人类取之不尽的宝库。甲壳质及其衍生物在21世纪生物材料的研究和应用中扮演着及其重要的角色,目前,美、中、欧盟、日、韩等国家和地区,是甲壳质及其衍生物产品开发制造及消费大户,年需求量超过25万吨。我国高度重视甲壳质的开发利用,形成了一定的产业群,并取得了一批较高水平的技术成果,中国已经逐渐成为亚洲乃至世界在这方面研究的主要力量。我国甲壳质及其衍生物生产已经初具规模,年产甲壳质及衍生物3~4万吨,产值百亿元以上,涉及领域包括医用材料(抗癌药物、药物载体)、农业(新型农药、功能肥料)、保健食品及美容化装品等各个方面。但我国甲壳质生物技术产业以粗加工以及原料中间体销售为主,同时在产业中处于弱势的甲壳质资源主要是作为原料低价出口或作为低附加值中间体进行开发出口,这一产业格局,不仅造成了资源的极大浪费,也对海洋环境与资源保护带来了极大的损害。



  跨越发展障碍



  目前,日、美、英、德等发达国家每年要从发展中国家购进大批甲壳质原料投入使用。在我国,国家高度重视甲壳质的开发利用,形成了一定的产业群,并取得了一批较高水平的技术成果,中国已经逐渐成为亚洲乃至世界在这方面研究的主要力量。我国甲壳质及其衍生物生产已经初具规模,年产3~4万吨甲壳质及衍生物,年产值百亿元以上,涉及领域包括医用材料(抗癌药物、药物载体)、农业(新型农药、功能肥料)、保健食品及美容化装品等各个方面。但相对我国30余万吨的甲壳质可开发资源而言,还存在着严重的资源浪费现象。



  目前限制甲壳质资源的开发利用的关键因素是:



  1.目前的甲壳质标准体系不健全,没有针对各个行业制定相应的质量标准,标准体系的建设是我国甲壳质及其衍生物生产行业走向国际化的必然需求。



  2.加工技术粗放,对环境的二次获三次污染严重;甲壳质原料化加工工艺存在着对环境严重的污染问题,导致甲壳质生产技术一直不能形成工业化生产。同时,由于甲壳质在应用领域生产成本过高,由于工艺技术问题,造成甲壳质自身资源和附属资源的严重浪费,同时由于废物排放,造成对环境的严重污染,此类技术瓶颈问题不能得到有效解决,对产业发展极为不利。



  3.我国从事自主创新的应用基础研究比较少,产品高值化研究薄弱。近年来,虽然有一些科学工作者重视了基础研究,但目前研究力量还比较薄弱,限制了我国甲壳质产业的国际竞争力。其衍生物生产成本过高、品种少、性能不稳定致使产品附加值低等问题已成为了制约我国甲壳质生物资源开发的根本性问题。因此,研究开发甲壳质及其衍生物产品的共性技术,开展新型高效绿色海洋生物制品高值化研究,对于确保我国充分利用甲壳质生物资源都具有十分重要的意义。



  生物寡聚物产业实现可持续发展,就必须从生态经济大系统的整体优化出发,着眼于降低生物寡聚物及其衍生物生产活动对资源的过度使用和对人类及环境的破坏,要求企业在开发利用向社会提供生物新材料的同时,兼顾社会效益和环境效益,同时强化产业的管理创新和技术创新,进一步理顺产业内部及外部关系,以实现生物寡聚物产业的可持续发展。我国的生物寡聚物产业沦为发达国家的生产车间,靠赚取微薄的加工费维持产业的发展,这种靠拼资源消耗、拼劳动力和牺牲环境的产业发展模式难以持续。因此要实现生物寡聚物产业的可持续发展,必须创新模式,走新型高值化工业化道路,在强化产业自主创新能力上下功夫,在提高附加值产品开发应用上下功夫,真正实现由生产大国转为制造强国及应用强国。



  推动行业进步



  甲壳质衍生物源农药和功能性水溶肥的关键技术的开发,有利于促进农业持续健康和谐发展。



  目前,甲壳质资源在农业生产领域的应用日益受到重视,可产业化的生物源农药及功能性肥料100余种,年产值超过10亿元。产业规模逐步扩大,其原因是化学农药和化肥的大量连续使用造成了诸多环境和生态问题,导致土壤板结沙化、土壤肥力降低、环境受到污染,使农作物产量和品质受到严重影响,制约着农业的发展。同时,近年来越来越多的有害残留限量标准,正成为国际间食品、农产品贸易的绿色壁垒,我国传统农产品的出口因此正受到越来越严重的挑战,目前,新的欧盟食品及饲料安全管理法规已经实施,日本也将正式施行食品中残留农业化学品肯定列表制度。这两项新法规大幅提高了农产品出口的技术门槛,将增加我国现行一些优势农产品出口的竞争难度和成本。利用丰富的甲壳质生物资源,开发安全性高、残留量低、无公害、生物活性高、选择性强的生物农药及功能性肥料已成为当今我国现代农业发展的趋势和迫切需要。



  提升甲壳质生物资源精深加工技术水平,是促进甲壳质及其衍生物在医用材料领域方面发挥积极作用的关键。



  我国甲壳质及其衍生物作为医用材料的研究与开发尚处在初始阶段,甲壳质生物资源精深加工量不足10%,技术水平较低。目前,我国其中已开发成具有自主知识产权的新药产品不足10种。严重制约我国甲壳质医用材料产业的发展。通过甲壳质衍生物的关键技术突破,对甲壳质在医用材料领域的应用产生巨大的推动作用。



  开展甲壳质活性物质与新型制品技术的研究,提高附加值是甲壳质生物资源利用持续健康和谐发展的保障。



  近20年来,我国甲壳质生物技术产业以粗加工以及原料销售为主,同时在产业中处于弱势的甲壳质资源主要是作为原料低价出口或作为低附加值动物饲料与肥料进行开发,这一产业格局,不仅造成了资源的极大浪费,也对海洋环境与资源保护带来了极大的损害。甲壳质资源的高值化新产品开发,可以有效地解决甲壳质生产的环境问题,资源浪费问题、生产成本问题,为企业产生巨大的经济效益,同时还可以调整产业格局,促进企业技术升级。因此,高值化开发是保护及有效利用甲壳质资源最佳途径。



  引发国际探索热潮



  1811年,法国科学家braconnot首次分离出甲壳素(chitin)以来。科学家对寡聚物(主要是生物寡聚糖)的开发产生了浓厚的兴趣,主要侧重于甲壳素/壳聚糖在自然界中的分布、分离、性质及其在各方面的应用。各国相续投入了大量的人力、物力和财力进行该领域方向的研究及工业化应用。自1977年在美国波士顿召开了第一届甲壳素/壳聚糖国际会议以来,迄今为止已经召开了十次甲壳素/壳聚糖国际会议,国外也出版了多本甲壳素/壳聚糖的专著,推动了寡聚物及衍生物的基础研究和应用研究。目前甲壳素的研究开发及其商业产品已出现了全球竞争趋势,并将保持持续稳定的高速增长。发达国家争相投入大量资金对甲壳素进行深入研究开发。



  日本在该领域的研究和应用比较突出,许多研究成果居于领先地位,1985年日本文部省就资助13所大学研究机构从事寡聚糖在工农业等十多个领域应用的研究开发。如今日本通产省已经开始了无公害塑料计划,日本UNITIKA公司以寡聚物为成分开发了世界上最早的人造皮肤(beschitin-W),1993年日本国立健康营养研究所确认了寡聚糖对人体具有降低胆固醇的作用,1994年日本科学工作者使用寡聚糖粉末,解决了因俄罗斯核子船队在日本海中投入核能废料引起的日本海域污染海域生态问题。日本在生物寡聚糖的衍生物研究方面也取得了长足的进展合成了许多新颖的寡聚糖衍生物,推动了生物寡聚糖及其衍生物的基础研究和应用研究。目前甲壳素是日本政府唯一准许宣传疗效的机能性食品。1993年日本厚生省受理了甲壳素作为癌细胞转移抑制剂静脉注射药品的申请。1996年,甲壳素又通过了美国药品、食品管理局(FDA)及欧共体(EC)检定,核准在美国、欧洲销售。



  近10年来,由于环境友好功能材料的发展和各学科的相互交叉渗透,寡聚物的化学修饰方法不断拓展,对甲壳质进行衍生化成为该领域未来重要的发展方向,这些修饰不仅有利于构效关系研究,而且有助于开发特定的功能高分子材料。基于甲壳质优良的理化特性和多功能性,通过不同的化学基团接枝改性研究可开发新产品,拓宽其应用领域,开发生物功能材料。从设计到制备特定分子结构上,甲壳质衍生物都有各自的优点,增加了甲壳素/壳聚糖的附加值,进行了甲壳素/壳聚糖高值化研究。



  目前有关生物寡聚物(主要是生物寡糖)应用研究和产品开发空前活跃,在全球已经形成了通过生物寡糖及其衍生物的研究提高其附加值的开发热潮,各国都加大了对其产品的开发研究力度。生物寡糖的及其衍生物复合物在组织工程、基因载体和药物载体、医学应用、农业应用、废水治理等方面研究非常活跃,表明甲壳素/壳聚糖的及其衍生物在21世纪生物材料的研究和应用中扮演着及其重要的角色。



  市场需求广阔



  由于甲壳素特殊的生理机能不断被发现,引起全球科技界和产业界的重视,国际社会已先后召开过十届国际甲壳素学术会议。每年有关甲壳素研究开发的论文上万篇,同时也有许多专著和专利问世。日本平均每3天就有一份申请甲壳素应用专利的报告。全世界从事甲壳素产业化开发的企业已达数千家,其年销售额已经超过50亿美元。甲壳素的研究开发已成为世人瞩目的高新科技领域和获利颇丰的新兴产业。



  美国、欧盟、日本、韩国、台湾等国家和地区,是寡聚物类产品开发制造及消费大户,年需求量超过25万吨,其中对壳寡糖的需求量为6万吨左右(食品级壳寡糖原料2万吨、医药级壳寡糖原料1万吨、壳寡糖保健食品系列1.5万吨、壳寡糖生物农药系列1.5万吨、壳寡糖饲料免疫添加1万吨),大部分欧、美、韩、日厂商在各自的领域中直接利用寡聚糖进行高端生产,涉及领域包括抗癌药物、保健食品、新型农药、美容化装品等各个方面。



  根据国家轻工总会的预计,到2018年,壳聚糖业的市场容量将有1  650吨之巨,其中壳寡糖的市场容量将达到620吨,发展前景无限。在我国这个具有13亿人口的世界大国,潜在市场能力极大。随着社会的不断发展和人民生活水平的逐步提高,以及人们健康保健意识的提升与普及,对于寡聚糖类产品的需求呈现了陡增的趋势。仅仅以壳寡糖的国内需求为例,据不完全统计,目前,我国年生产壳寡糖原料粉剂折纯仅为30吨,而年实际需求量却高达1  000吨,供需缺口更加巨大。之前,国内因生产技术水平限制,基本上采取自行以甲壳类原料加工成壳聚糖,出口至日美欧发达国家,由其在进一步深加工成壳寡糖,然后由国外再返销到国内。如此这般,我国国内市场上的壳寡糖原料粉剂(折纯)的市场售价每吨竟高达200万元,增加了下游产业(如食品、保健食品、药品、农药、肥料、饲料等)的成本负担,制约了上述行业的健康发展,无法使国人享用到价位适宜的氨基寡糖素产品,满足不了日益增长的消费需求。



  据国际化学会统计,目前国际化学分析和实验室用高纯度窄分子量分布壳寡糖试剂(化学纯、分析纯级)的年需求量高达45吨。



  另外,再从壳寡糖产品的国内市场推广网络来分析其市场现况与发展前景。壳寡糖产品在农业上应用已逐步形成了稳定的销售渠道,农业应用每年需要约77吨优质壳寡糖原料中间体。国内制药企业每年亦需要壳寡糖原料中间体约20多吨。随着壳寡糖在食品、饲料、化妆品等功能上的不断开发,市场前景广阔。



  据统计,我国每年生产海蟹、海虾约5  000多万吨,由此产生的虾蟹壳资源在1  000多万吨左右,可生产甲壳素及其衍生产品30多万吨。全国规模以上的只有20多家,各家生产规模差异不大,但目前我国甲壳素产量还只有3万多吨,且99%是作为原料出口。目前我国甲壳素产业还主要停留在为国外生产厂家提供原料的初级阶段,所以要加强产、学、研的联合,尽快把科研、学术成果转化为生产力;统一行业标准、规范市场,不断开发具有自主知识产权的甲壳素名牌产品,推动我国甲壳素产业发展。



  总体上看,我国甲壳素产业的发展尚处在起步阶段,甲壳素生产规模和开发利用水平有待进一步提高。中国甲壳素研发和生产直到进入90年代才在国际开发背景的推动下形成研发热潮。目前开发出数十种甲壳素及其衍生物的产品。现拥有百余家甲壳素生产企业,生产的产品主要包括甲壳素、甲壳胺、盐酸氨基葡萄糖、硫酸氨基葡萄糖、乙酰氨基葡萄糖、羧甲基甲壳素和壳寡糖等,其中前三种产品的产量、生产能力有较快提高。



  综合效益显著



  甲壳质及其衍生物高值化综合利用关键技术的产业化实施,将实现以我国丰富的甲壳素生物质资源为主要原料的天然高分子多糖的系列深加工产品的工业化规模生产,在采用甲壳素精深集成加工创新工艺后,将以较低的成本和能耗工业化制备甲壳质及相关高附加值系列产品。这些利用集成新工艺技术生产的下游产品链主要有:替代型寡糖素系列生物农药和肥料系列、新型药物载体及新型药物供体产品等系列产品。



  “绿色、环保、健康”是21世纪人类追求的生存价值取向,以甲壳质衍生物为原料的无公害农药肥料、天然产物中药、绿色保健食品及食品添加剂、生物源列化妆品的市场需求正呈现出不断递增的趋势。因此,利用新工艺技术投资建设甲壳素深加工系列产品的产业化基地正当其时,市场前景广阔。



  甲壳质及其衍生物高值化利用成套技术的产业化,可形成年产1  000吨替代型植物诱抗剂无公害生物农药、年产5  000吨无公害功能性水溶性肥料、500吨衍生物原料(壳寡酸、医药供体及医药载体衍生物),预计基地建成后年产值50  000~100  000万元,年利润总额为5  000~8  000万元,增加社会就业机会500~1000余个。



  利用甲壳素集成新工艺技术,开发具有地方资源优势的绿色环保生物系列产品,符合国家政府科技开发支持的方向,是甲壳生物资源可持续开发利用的需要。该技术工艺的推广应用将带动农业及医用材料等相关产业链的互动和健康和谐发展,有利于地方经济的持续发展及地方财政税收的持续增加。通过产业技术的不断改造、升级和换代,促进科技成果的产业化转化,确保企业核心竞争力的持续提升。



  通过节能降耗环保新工艺技术,加大地方优势的甲壳素资源的开发利用,将有利于企业开发新的经济增长点,有利于环境保护和生态平衡,有利于农户的增产增收,有利于提高相关产品的国际竞争力。因此,本项目的顺利开展是利国利民的一大创举,将起到“一业兴、兴百业”的巨大关联产业链的拉动效应,必将获得国家政府的大力支持,开发前景广阔。



  甲壳质及其衍生物高值化利用成套技术的研发,将提高甲壳质利用的经济效益和环境效益,建立新兴产业集群,拓宽和拉长产业链,最终实现经济增长点产业化,项目投资回报率在大于30%,具有很好的经济可行性。

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