丙交酯是聚乳酸生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵原料。當今國內(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行情、生產(chǎn)制備與技術(shù)難點。

一、丙交酯市場行情

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，也就決定了我國企業(yè)能生產(chǎn)多少噸聚乳酸。

目前，國內(nèi)聚乳酸生產(chǎn)企業(yè)的丙交酯主要依賴進口。國際上有能力生產(chǎn)丙交酯的企業(yè)主要是Nature Works和道達爾-科碧恩公司， 其中前者的丙交酯不對外銷售，因此我國的丙交酯主要由道達爾-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）對高品質(zhì)丙交酯需求度的不斷增長，道達爾-科碧恩也在逐漸停滯對外銷售。

國內(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，2020年來，受益聚乳酸行業(yè)快速發(fā)展，國內(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)及市場分析》（劉玲等，《化學工業(yè)》 （2021,39(03),87-90））數(shù)據(jù)，2021年后，我國已有百萬噸級聚乳酸產(chǎn)能新增計劃公布待建。根據(jù)中糧科技2021年9月29日投資者問答，丙交酯根據(jù)化學光學純度不同價格差別較大，目前市場價格在18000元-20000元左右。

因此我們測算，至2025年，對應100萬噸聚乳酸原材料，或存至少200億元丙交酯市場規(guī)模；至我國目前已公布聚乳酸產(chǎn)能假設(shè)可全部投產(chǎn)，則前述市場規(guī)模存翻倍可能。而我國目前丙交酯產(chǎn)能不足10萬噸，這意味著，我國丙交酯市場同樣是一個5年有望增長10倍的高速發(fā)展市場，且競爭壁壘較聚乳酸市場更高、入局難度更大，有能力進入丙交酯市場的企業(yè)將在行業(yè)發(fā)展進入成熟期前享有較聚乳酸市場更好的利潤分享機制。

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。

整個過程需要在高溫、負壓以及催化的條件下進行，期間為了提高整體收率，未反應物要回流重復利用，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)化和提純幾個單元：

三、丙交酯生產(chǎn)技術(shù)難點

1、反應器材質(zhì)要求苛刻

目前用于丙交酯的生產(chǎn)溫度為140~210°C之間，過程中會產(chǎn)生高濃度乳酸，其反應物腐蝕性很強，需要在縮聚、解聚反應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)，且在負壓環(huán)境下材質(zhì)要有一定的耐久度。同時因為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求控制成本，材質(zhì)的成本不宜過高。

2、反應體系黏度過大

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

而且體系會形成黏度更大的釜殘，釜殘在溫度降低之后很難采用泵連續(xù)排料的方式排出，容易堵塞管道，使整個連續(xù)化生產(chǎn)失敗。需要采用具有特殊功能的蒸發(fā)反應器和泵裝置，克服體系黏度大，反應產(chǎn)物無法及時揮出的障礙。

3、反應條件難以控制

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

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到較高的溫度，而導熱油或電加熱方式又成本較高，且對缸體材料有更高的要求。故該體系的反應條件需要多種設(shè)備協(xié)調(diào)配合或者巧妙設(shè)計真空系統(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，南京大學研究團隊最新發(fā)現(xiàn)有機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)。當前使用的催化劑主要有以下幾個問題: 

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，必須嚴格控制金屬殘留量。

3）有機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，其化學性能和經(jīng)濟性還有待于在工程放大實驗中進一步驗證。

5、綜合收率難以提高，工藝路徑需優(yōu)化設(shè)計

要顯著提高丙交酯綜合收率，須對整個丙交酯工藝路徑進行重新設(shè)計，識別每個環(huán)節(jié)的設(shè)備參數(shù)對產(chǎn)物綜合收率的影響，從而妥善選擇每個步驟的反應器和反應條件。目前，用乳酸生產(chǎn)丙交酯主要有以下幾個環(huán)節(jié)影響綜合收率: 

1）縮聚反應中難以控制產(chǎn)生5~10個乳酸的寡聚體，一般反應條件下，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蒸出，反應就停留在二三聚體，并使后續(xù)解聚反應出現(xiàn)爆濺;而如果水分能夠順利蒸出，又很難控制反應停留在產(chǎn)物為5~10個乳酸寡聚體階段，極易繼續(xù)反應生成超過5000Da的乳酸多聚體。 

2）各個環(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。這些反應物產(chǎn)生于反應器的各個環(huán)節(jié)，并且沸點不一，所處的壓力環(huán)境不一，難以充分回流。而如果浪費掉這些反應物，則丙交酯的綜合收率勢必會受到影響。