合成生物學(xué)（synthetic biology）是繼“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”、“基因組技術(shù)”之后的第三次生物科技革命，合成生物學(xué)可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、能源、化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域，集低碳、可持續(xù)、低成本等多優(yōu)勢于一體。
2023年6月，凱賽生物與招商局集團(tuán)達(dá)成合作協(xié)議，招商局集團(tuán)投資66億元成為凱賽生物的間接股東，并將與凱賽生物開展系列生物基聚酰胺材料采購協(xié)議，推動(dòng)生物基聚酰胺在中國率先進(jìn)入應(yīng)用環(huán)節(jié)。除凱賽生物外，伊品生物和萬華化學(xué)等企業(yè)也大力推動(dòng)在戊二胺領(lǐng)域的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
01 戊二胺多領(lǐng)域應(yīng)用前景
二胺作為平臺(tái)化合物可以在材料、農(nóng)業(yè)及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。由于戊二胺具有與石油基單體己二胺相似的分子結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有原料為生物質(zhì)和等綠色屬性，所以戊二胺被認(rèn)為是理想的己二胺綠色替代品。在材料領(lǐng)域，以戊二胺為原料可以與多種二元酸聚合，生成尼龍5X系列的生物基尼龍產(chǎn)品，其中尼龍56是主要的下游產(chǎn)品，具有比尼龍66更優(yōu)異的物理性能和環(huán)保特性。另外，戊二胺的下游產(chǎn)品PDI（五亞甲基戊二異氰酸酯）也可替代HDI（六亞甲基二異氰酸酯）作為TPU（熱塑性聚氨酯彈性體）的原料。除此之外，在農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域戊二胺也可以替代己二胺作為農(nóng)用肥料或醫(yī)藥中間體使用。
目前下游最主要的產(chǎn)品是生物基尼龍PA5X系列產(chǎn)品。相較于傳統(tǒng)PA66，PA5X引入了含有奇數(shù)碳原子的二元胺，改變了分子結(jié)構(gòu)的氫鍵強(qiáng)度，從而影響了分子間的相互作用力，導(dǎo)致材料的整體性能的變化，適用于戶外運(yùn)動(dòng)、羊毛針織等不同面料需求的紡織領(lǐng)域。相較于石油基PA66，由于PA56“解放氫鍵”的獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)，讓面料更柔韌、更耐溫、更干爽。PA56的斷裂強(qiáng)度與PA6相近，回潮率、斷裂伸長性和彈性回復(fù)性等性能優(yōu)于PA6和PA66長絲，在毛紡領(lǐng)域，PA56可以與羊毛、棉、腈綸進(jìn)行混紡，提升面料的性價(jià)比，同時(shí)大大提高其耐磨性、延長使用壽命、降低使用成本，未來應(yīng)用前景廣闊。
戊二胺除生成生物基尼龍應(yīng)用外，也用于制備五亞甲基二異氰酸酯(PDI)。PDI是目前唯一生物基的異氰酸酯產(chǎn)品，PDI分子結(jié)構(gòu)和HDI類似，與脂肪族二異氰酸酯HDI對比，PDI具有脂肪族非對稱性結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢及使制品柔韌性提高，透明性更高，成為生物基聚氨酯，特別是生物基熱塑性聚氨酯彈性體的重要原材料之一。南京工業(yè)大學(xué)與中國兵器工業(yè)集團(tuán)旗下子公司甘肅銀光聚銀化工有限公司聯(lián)合開發(fā)PDI及其下游應(yīng)用，由南京工業(yè)大學(xué)提供生物基戊二胺，聚銀化工生產(chǎn)PDI。當(dāng)前聚銀化工已經(jīng)完成產(chǎn)品中試，PDI生物基含量可達(dá)到70%，該產(chǎn)品已開始小規(guī)模在市場銷售。
在農(nóng)業(yè)方面，戊二胺可以有效提高坐果并促進(jìn)果實(shí)發(fā)育，從而提高果實(shí)的產(chǎn)量；在醫(yī)學(xué)方面，戊二胺可以用來治療痢疾等疾病，以1,5-戊二胺為原料合成的喹嗪堿可用于治療心律不齊，另外還具有催產(chǎn)、緩解低血糖等功效，盡管這些應(yīng)用場景仍處于開發(fā)探索階段，但發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>
02 彎道超車，中國企業(yè)率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)
最初，國內(nèi)企業(yè)為打破“卡脖子”的己二腈生產(chǎn)技術(shù)壁壘，紛紛加大了對戊二胺合成工藝及應(yīng)用開發(fā)的相關(guān)研究，2021年，凱賽生物投產(chǎn)5萬噸/年的戊二胺，標(biāo)志著我國成為全球第一個(gè)也是目前唯一實(shí)現(xiàn)戊二胺商業(yè)化生產(chǎn)的國家。目前在海外市場上宣稱實(shí)現(xiàn)戊二胺生產(chǎn)的企業(yè)有日本東麗公司、日本味之素公司和韓國Daesang公司等，其中以韓國Daesang公司最為活躍，其以自有賴氨酸產(chǎn)品為基礎(chǔ)，在2023年實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)路徑的打通。
國內(nèi)企業(yè)以凱賽生物為代表近年來依靠菌種培育等核心技術(shù)突破，率先實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，呈現(xiàn)龍頭企業(yè)領(lǐng)航的新局面。當(dāng)前戊二胺國內(nèi)的代表企業(yè)有：凱賽生物和伊品生物。凱賽生物的戊二胺的技術(shù)為自主研發(fā)，于2021年6月實(shí)現(xiàn)了5萬噸/年的生物基戊二胺和10萬噸/年生物基聚酰胺項(xiàng)目的投產(chǎn)，伊品生物則以其自產(chǎn)的賴氨酸為原料，依托中科院的脫羧法進(jìn)行戊二胺的生產(chǎn)，并已經(jīng)在黑龍江生產(chǎn)基地布局戊二胺與生物基尼龍56等新材料產(chǎn)品，目前已建成1萬噸/年戊二胺、2萬噸/年尼龍56鹽產(chǎn)能。
兩家企業(yè)的戰(zhàn)略選擇略有不同，但整體發(fā)展方均是圍繞自身優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行延伸。凱賽生物以合成生物學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物化工技術(shù)開發(fā)傳統(tǒng)化學(xué)合成法無法生產(chǎn)或成本較高的產(chǎn)品，凱賽生物是當(dāng)前生產(chǎn)DC18（18個(gè)碳原子的長鏈二元酸）的主要企業(yè)，也生產(chǎn)DC12（月桂二酸）、DC13（巴西酸）等生物法長鏈二元酸，全球市占率80%以上。通過布局戊二胺產(chǎn)品，凱賽生物實(shí)現(xiàn)了戊二胺與其優(yōu)勢的二元酸產(chǎn)品的協(xié)同，生產(chǎn)的一系列PA5X生物基尼龍產(chǎn)品是全球最主要的生物基尼龍產(chǎn)品。
伊品生物是賴氨酸行業(yè)的龍頭企業(yè)，2021年賴氨酸市場占有率全球第一。依托上游原料的成本優(yōu)勢，伊品生物于2022年著手布局戊二胺以及下游生物基尼龍產(chǎn)品PA56產(chǎn)能。不同于凱賽生物開發(fā)PA5X系列產(chǎn)品，伊品生物聚焦PA56產(chǎn)品及其終端在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用，目前也已經(jīng)推出新一代功能性生物基尼龍PA56伊綸牌號(hào)，并在紡織服務(wù)領(lǐng)域進(jìn)行了推廣。
03 戊二胺生產(chǎn)工藝簡析
戊二胺生產(chǎn)工藝有化學(xué)法和生物法兩類，常用的戊二胺化學(xué)法工藝是將戊二腈的無水乙醇溶液煮沸后，以較快的速度加入金屬鈉，反應(yīng)完后加入水，將乙醇蒸出；剩余的反應(yīng)物用過熱蒸汽蒸餾，餾出物用稀鹽酸中和，蒸干，剩余物以冷無水乙醇洗滌；之后再用少量固體氫氧化鉀及水分解所得的鹽酸鹽，蒸去水，減壓蒸餾，即得戊二胺。化學(xué)法工藝存在的問題是其相比生物法工藝，工藝流程復(fù)雜，成本高；同時(shí)化學(xué)法中需要使用金屬鈉等危險(xiǎn)化學(xué)品，且反應(yīng)難度較大的要求，目前不具備工業(yè)化的條件。
生物法的生產(chǎn)工藝主要有兩種：一是賴氨酸脫羧法、二是生物發(fā)酵一步法。賴氨酸脫羧法是1,5-戊二胺在賴氨酸脫羧酶作用下由L-賴氨酸直接脫羧生成，故反應(yīng)條件溫和；生物發(fā)酵一步法則是直接由淀粉等生物質(zhì)發(fā)酵后直接生成1,5-戊二胺，原料來源廣泛，碳排放量低、能耗低，但轉(zhuǎn)化率相對于賴氨酸法略低。
化信觀點(diǎn)
隨著合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，中國企業(yè)如凱賽生物和伊品生物在戊二胺的生產(chǎn)和應(yīng)用上取得了顯著進(jìn)展。兩家企業(yè)不僅將進(jìn)行產(chǎn)能上進(jìn)行了擴(kuò)張，在下游的紡織領(lǐng)域也與紡織企業(yè)進(jìn)行了合作研發(fā)，隨著生物基材料逐漸進(jìn)入大眾視野，預(yù)計(jì)戊二胺將呈現(xiàn)供需雙升的局面。
政策的支持是戊二胺行業(yè)發(fā)展的主要影響因素。2023年工業(yè)和信息化部、發(fā)改委等部委聯(lián)合發(fā)布《加快非糧生物基材料創(chuàng)新發(fā)展三年行動(dòng)方案》，方案中的含碳化學(xué)品部分明確提及推動(dòng)戊二胺產(chǎn)品的發(fā)展。未來隨著政策的進(jìn)一步細(xì)化，戊二胺行業(yè)也將迎來快速發(fā)展新機(jī)遇。
在產(chǎn)業(yè)端，戊二胺憑借生物質(zhì)原料來源、生產(chǎn)過程較低的碳足跡等特性成為綠色產(chǎn)品，是替代傳統(tǒng)己二胺的理想選擇。但隨著國內(nèi)己二腈技術(shù)的突破，PA66的生產(chǎn)成本大幅下降，導(dǎo)致PA56的成本優(yōu)勢逐漸減弱。在成本優(yōu)勢消失的大背景下，生物基尼龍亟需轉(zhuǎn)變發(fā)展思路，利用綠色屬性的優(yōu)勢聚焦探索中高端市場，同時(shí)持續(xù)挖掘擁有較大應(yīng)用潛力的新領(lǐng)域。
綜上，在政策的積極支持下，戊二胺作為平臺(tái)型的化工產(chǎn)品將迎來新的發(fā)展機(jī)遇，特別是戊二胺在聚氨酯和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是未來新材料和農(nóng)用化學(xué)品綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向。
