生物基碳認證研究綜述

姚逸,李震,張少華,曾祥斌

（1. 珠海金發生物材料有限公司，廣東 珠海 519050； 2. 金發科技股份有限公司企業技術中心，廣州 510520）

0 引言

生物基材料［1］是指以可再生生物質資源為原料制備而來或經生物制造得來的材料，如通過生物合成、生物加工和生物煉制等途徑獲得的生物基有機酸、生物醇和烴類，以及通過生物基單體通過化學合成、加工獲得的生物基聚合物［2］。生物基材料應用廣泛，包括化學品、生活用品及醫用材料等領域。相比于由石化資源制備而來的石油基材料，生物基材料［3］具有綠色低碳、環境友好和資源節約等優勢。近些年來，隨著生物基材料被納入“十四五”原材料工業規劃［4］和中國制造2025［5］，生物基產業的發展可謂是日新月異，已逐漸成為我國新興的戰略性發展產業。生物基產業核心技術不斷突破，產品種類得到不斷擴充，在能源、環境、社會發展和醫療健康等方面成為熱點，經濟效益顯著增強，顯現出強勁的發展勢頭，聚焦了多方產業投資。

然而，隨著生物基產業的飛速發展［6-7］，生物基材料的品質也得到了廣泛地關注。生物基材料在銷售和使用的過程中，特別是出口國外時，產品存在以假亂真、偷梁換柱的風險。因此，為了對生物基產品進行嚴格的質量監管，保障產品生物基碳含量的真實性、準確性及可追溯性，國外政府或測試認證公司推出了多種生物基碳認證標簽或計劃，并授權第三方檢測機構對樣品進行嚴格的檢驗，當一種產品的生物基碳含量達到所申請標簽規定的質量標準，即可獲得此類標簽的官方認證。作為強制性措施，生物基碳認證是生物基產品進入市場的通行證，獲得認證意味著此類產品通過了官方公正、科學的質量控制，具備銷售許可權。

1 生物基碳認證標簽

國內外相繼推出了符合自身發展需要及通過測試，即可在當地銷售的生物基碳認證計劃或標簽，其中北美洲和歐洲的認證標簽認可度較高。例如，美國農業部頒布的生物優先計劃（USDA BioPreferred Program）、比利時TüV AUSTRIA 公司創立的OK biobased 認證標簽，以及德國DIN CERTCO 認證組織開創的DIN-Gepruft 生物基認證標簽。據統計，目前已誕生約20 種生物基認證標簽，不同的認證標簽適用的產品范圍、產品需要，達到生物基碳限值及測試所依據的標準不盡相同。

1.1 北美洲

1.1.1 USDA 生物優先計劃

USDA 生物優先計劃（U. S. Department of Agriculture’s BioPreferred Program）［8］是由美國農業部（USDA）依據2002 年農村安全和農村投資法案（Farm Security and Rural Investment Act of 2002）而創立的，該計劃針對生物基產品，并分別于2008年、2014 年和2018 年在農業法案中不斷擴大。USDA 生物優先計劃的目標是提高消費者識別生物基產品的能力，為農產品提供新市場、刺激經濟增長、創造更多的就業機會，進而提升生物基產品的市場購買力和使用潛力。USDA 生物優先計劃為美國聯邦機構提供生物優先產品目錄，目前該目錄內共有139 種產品類別，包括清潔劑、地毯、潤滑劑和油漆，涉及原料、中間體及全部或大部分由生物產品組成的材料，每個產品類別都有特定的生物基含量最低限制。若產品種類不屬于其中任何一類，那么當該產品的生物基含量高于25%可視為合格。

聯邦采購條例中對生物基產品的采購有詳細規定，包括采購計劃、采購卡強制采購、來源選擇、強制性合同條款及一般政策和規定，各機構及其承包商都有采購要求，每個強制采購類別都規定了該類別內產品的最低生物基含量。

USDA 生物優先計劃的測試依據標準ASTM D6866，該標準采用放射性碳-14 法對產品進行測試（見圖1）。成功的申請人可在其商品和營銷材料貼上USDA Certified Biobased Product 的標簽，并附有產品實際的生物基含量百分比，消費者可以相信標簽的含義，因為制造商關于生物基成分的聲明是第三方認證的，并受到美國農業部的嚴格監控，這將為消費者提供識別商業化生物基產品做出巨大貢獻。

圖1 USDA 生物基產品認證標簽Figure 1 USDA biobased product certification labelling

1.1.2 UL 9798 標簽

UL 9798 生物基含量認證是由專業從事安全科學事業的UL 美華公司創立的認證計劃，其宗旨在于促進全球化可持續發展、環境保護和健康安全。UL 9798 認證的適用產品范圍包括原材料、半成品和成品，涉及建筑材料、化學品、塑料和電子產品等多個領域。UL 9798 的官方測試標準同樣是遵循標準ASTM D6866，通過該驗證的產品將有權使用UL 環境聲明驗證（ECV）標志，該標志會明確展示產品的生物基含量百分比。同時，獲得UL 9798 生物基含量認證的產品將入駐UL SPOT 綠色數據庫，消費者可根據公司名稱、產品類別和產品名稱等信息快速搜索到相關產品。

1.1.3 安全選擇標簽

安全選擇標簽（Safer Choice Label）［9］由美國環保署（U.S.EPA）制定，旨在幫助消費者和購買方識別產品信息。安全選擇標簽供申請者自愿參與，應用范圍包括清潔劑、洗滌劑、船和汽車護理劑、個人護理、地板護理及其他工業產品。安全選擇標簽將ASTM D6866 作為指導標準，評估時除了產品的成分，還會關注產品的性能、PH 及包裝形式，一旦產品符合要求，EPA 會進行年度審查。截至2015 年1 月，超過2 000 種產品通過審核獲得了安全選擇標簽。

1.1.4 Greencircle 標簽

Greencircle 認證標簽［10］成立于2009 年，適用于所有的生物基產品，其目的是使用適當的標準對公司的環保聲明進行獨立第三方驗證，為公司建立品牌誠信、為環境提供可持續發展服務。對于生物基產品的認證，Greencircle 將評估產品的原材料和生產運營，以檢驗和認證生物基成分含量。

1.1.5 可持續生物材料圓桌會議

可持續生物材料圓桌會議（RSB）由瑞士洛桑聯邦理工學院能源中心于2011 年發起，是一項國際認證標準，描述了先進產品供應鏈中涉及的運營商的可持續性要求，以及與產銷監管鏈、生物基含量和溫室氣體排放評估相關的要求。RSB 為運營商可能向替代市場部門提供的先進產品提供了明確的聲明，為可持續生物材料、生物燃料和生物質生產提供了經同行評審的全球認證標準。

RSB 認證標準規定了每個產品類別的要求，并定義了允許運營商使用的特定類別的產品聲明，以避免市場上的混淆。RSB 認證標準涵蓋以下產品類別：第一類，來自農業、林業、海洋或水生原料的生物基產品，這些產品來源于生物質，并且產品中生物基含量的份額不低于25%；第二類，由生物基報廢產品、副產品或殘留物制成的生物基產品；第三類，在生產系統中生產的產品，該生產系統將生物基原料、非生物基報廢產品或生產殘留物與原始化石原料結合處理，并且確保生產認證產品批次所需的原始化石原料中至少有25%被替代原料（生物基原料或非生物基報廢產品、副產品或殘留物）所取代。RSB 認證的測試標準包括ASTM D6866、EN 16640、CEN/TS 16137：2011 或ISO 16620-1：2015的測試。

1.1.6 可持續生物材料合作

可持續生物材料合作組織（SBC）的歷史可以追溯到2006 年4 月，作為促進生物基產品引進和使用的組織聯盟發布了一系列稱為BioSpecs 的采購規范，該組織提倡可持續性標準、實用工具和有效政策，以及材料、產品和包裝避免使用不能回收或堆肥的一次性產品，而選擇來自可再生原料的材料和產品，希望通過這些舉措推動和塑造這些產品的新興市場。

1.2 南美洲

I’m Green 標簽［11］由利用可再生資源為原料制造熱塑性樹脂的先驅巴西石化公司Braskem 所自創，標簽僅供Braskem 公司的客戶使用，產品中必須包含Braskem 公司的綠色塑料成分方可進行認證申請。I’m Green 標簽適用于多種應用場景，包括農業、汽車、服裝、家具和化妝品，旨在促進自然資源得到更好地利用。I’m Green 可以根據ASTM D6866標準驗證材料或產品的可再生碳含量，可再生成分的百分比是通過測試產品的碳-14 同位素來驗證的，這與考古學中用于驗證化石年齡的過程相同。

1.3 歐洲

1.3.1 OK Biobased 計劃

OK Biobased 認證計劃［12］是由比利時的測試認證機構TüV AUSTRIA 集團在2009 年啟動的生物基低碳產品環保標簽，是歐盟最權威的生物基材料認證標簽，旨在對生物基產品的可再生性進行獨立評估。OK Biobased 認證計劃適用于有機碳含量高于30%且生物碳含量高于20%的基礎原材料、中間產品和成品，如薄膜、粘合劑、包裝材料、園林及農產品。OK Biobased 認證的測試標準為EN 16640-2017 和 TS-OK20，其 中 TS-OK20 是 TüV AUSTRIA 的內部測試標準，通過測試生物碳含量（碳-14）與總碳含量的百分比，獲得產品的生物基含量信息。

OK Biobased 認證計劃的獲取時間約4 周，其流程為收集產品信息及按照認證測試標準分析產品的生物基碳含量和有機碳含量，測試大約持續4—6周。產品通過認證后，生物基百分含量和總碳含量會在報告中聲明，但是不會體現在標志上，而是采用星號來區分環保等級（見圖2）。其中，生物基含量20%—40%的產品可獲得一星級標志，生物基含量在40%—60%、60%—80%、80%—100%的產品可分別獲得二星、三星和四星級標志，作為憑證，制造商可在產品外包裝上張貼星級標簽，以區別于石油基產品。當已經通過OK Biobased 認證的單體或原材料進一步制成最終產品時，該最終產品不被視為已通過認證。

圖2 OK Biobased 認證標簽Figure 2 OK Biobased Certification Labelling

1.3.2 DIN-Geprüft 標簽

DIN-Geprüft 生物基標簽［13］是由德國萊茵集團旗下的認證組織DIN-CERTCO 發起的生物基產品認證計劃，該標簽適用于全部或者部分由生物基原材料制成的產品，但不適用于醫療產品、化石燃料，以及有毒性、酸性、致癌、致突變或者對環境有害的產品。

DIN-Geprüft 標簽認證通過需滿足雙重條件：一是，根據測試標準DIN 18128 或EN 13039，產品中的有機碳含量需不低于50%；二是，根據測試標準ASTM D6866、CEN/TS 16137 或ISO 16620，產品中的生物基碳含量需高于20%。生物基測試通過后，產品被分為3 個質量級別，分別是20%—50%、50%—85%和85%—100%，產品證書上將同步標注出DIN-Geprüft 生物基標志、產品的生物基含量以及證書申請人的注冊號碼（見圖3）。若申請產品沒有達到所規定的最低生物基含量，仍可獲得生物基含量證書，但不允許使用DIN-Geprüft 生物基證書標志。DIN-Geprüft 生物基證書的有效期為6 年，但需要在有效期內的第2 年和第4 年進行驗證測試，以確保產品質量符合標準。

當孟郊終于擺脫了“我馬亦四蹄，出門似無地”[6]的齷齪境界，“春風得意馬蹄疾，一日看盡長安花”[7]。長安城的大小莫非不是定數。當陸龜蒙遭遇了國破家亡之事，“身從亂后全家隱，日校人間一倍長”[8]。一天十二個時辰莫非還會多半個時辰？其實不然。

圖3 DIN-Geprüft 生物基標簽Figure 3 DIN-Geprüft Biobased Labelling

1.3.3 生物基含量認證計劃

2016 年，荷蘭標準化協會（NEN）推出了生物基含量認證計劃，旨在提高生物基產品的透明化和可信度。生物基含量認證計劃適用于各種含碳產品，包括生物基原料、化學品、中間體、半成品和成品，其依據EN 16785：1-2015 標準使用碳-14 測試和元素分析來測試產品中的生物基含量，這不僅涉及生物基碳含量，還涉及氮、氫和氧等元素，產品中碳-14 含量測試依據標準EN 16640 進行。

采購人員可以采用生物基含量認證計劃及生物基產品領域的其他標準來對產品的特性進行規定，而供應商則可以出示第三方檢測報告與認證證書或標簽證明自身符合這些要求。

1.3.4 歐盟生態標簽

歐盟生態標簽［14］是由歐盟委員會于1992 年發起的一項自愿標簽計劃，旨在促進循環經濟及鼓勵生產商在生產過程中減少廢物和二氧化碳的排放，許多公司把歐盟生態標簽當做最佳的環保實踐指南。歐盟生態標簽適用于整個歐盟、挪威、冰島和列支敦士登，主要針對于潤滑油的生物基碳含量檢測。根據歐盟潤滑油的生態標簽標準，如果使用“生物基”或“生物潤滑劑”等詞語，最終產品的生物基碳含量至少應達到25%。通過提交申請，參照ASTM D6866、EN 16807、DIN CEN/TS 16137、EN 16640和EN 16785-1 等測試標準進行測試，根據這些標準的測試報告來證明其合格性。

1.4 澳洲

澳大利亞良好環境選擇認證標簽（GECA）［15］是與澳大利亞非營利性標準制定組織同名的生物基認證標簽，創立于2001 年。該標簽的目標在于為產品的環保性建立基準，主要應用于文具和辦公用品［16］，特別是OHP 薄膜、介質盒、OA 過濾器（帶框架）、透明文件夾（文件）及在透明窗口部分使用植物基塑料的紙信封。GECA 標簽的測試標準為ASTM D6866 或ISO 16620-2，若產品中的生物基聚合物含量高于25%，則可獲得認證，表明產品環境友好、對身體健康沒有影響、符合道德標準。

1.5 亞洲

1.5.1 Biomass Pla 標簽

Biomass Pla 標簽［17］由日本生物塑料協會（JBPA）于2006 年7 月創立，產品的認證申請和Biomass Pla 標志的使用批準僅限于已加入JBPA 的成員。Biomass Pla 標簽旨在幫助消費者識別被定義為高分子材料的生物質塑料，這類生物質塑料以生物基為基礎，平均分子量高于1 000，可通過生物或化學合成手段從含有可再生有機資源的原料中獲得，但不包括化學上未改性的非熱塑性天然有機高分子材料。

JBPA 將“生物質塑料比”定義為原料和產品中來源于的生物質塑料的成分或熱固塑料原料中來源于生物質的成分占總重量的比例（重量百分比）。Biomass Pla 標簽最新版測試標準ASTM D6866-18，要求產品的“生物質塑料比”至少為25%。

1.5.2 生態標志計劃

生態標志計劃（Eco Mark Program）［18］是由日本環境協會（JEA）發起的環境標簽程序，旨在提高消費者的環保意識，鼓勵企業努力改善環境。該計劃將不同產品類別建立了認證標準，如按用途和特性進行歸類，分為文具、建筑材料和發動機油。在某些產品類別中，使用植物來源的材料是一項認證要求。生態標志計劃指定ASTM D6866 和ISO 16620 作為測試標準，適用產品范圍是含有植物成分的產品，如紡織品、家具、服裝、辦公用品、家具、可循環使用的鞋類和容器。對于植物基塑料，如果用ISO 16620-3 中規定的測試方法計算生物基合成聚合物的含量，則必須通過ISO 16620-2 或ASTM D6866中規定的碳-14 方法計算生物基碳含量和元素組成，以此作為認證程序附件提交。

1.5.3 BP 標簽

BP 標簽是由韓國生物材料包裝協會（KBMP）于2011 年推出的一項生物基標簽認證計劃，旨在為消費者提供減碳產品以及如何合理使用的有效信息，從而促進生物基產品的消費力。BP 標簽適用于生物基樹脂及其衍生物，可分為材料、產品和包裝，測試標準為ASTM D6866 或KBMP-0107：2011，產品的生物碳含量需達到25%以上。

1.5.4 Green Mark 標簽

Green Mark 環保標簽［19］是由中國臺灣環保署于1992 年8 月頒布的自愿性環境標簽計劃，旨在減少污染、保護自然環境和加強資源的循環利用。Green Mark 環保標簽適用于生物基塑料制品，依據ASTM D6866 測試產品中生物碳與非生物碳的含量百分比，要求產品的生物基含量不得低于25%。部分生物基碳認證標簽對比結果列于表1。

表1 部分生物基碳認證標簽對比Table 1 Comparison of some biobased carbon certification labels

2 測試標準

碳-14 是碳元素的一種放射性同位素，自然界的生物體在進行新陳代謝的過程中碳-14 會在生物體內積累，當生物體死亡后新陳代謝也隨之停止，碳-14 循環進入生物體內的過程就停止了。隨著碳-14的放射性衰變，生物體內碳-14 含量將不斷降低，通常超過5 萬年的物質中不含有碳-14。簡而言之，全生物基產品含有100%的放射性碳含量，而石油基產品的放射性碳含量為0%，部分成分為生物基產品的放射性碳含量則介于0%—100%之間。因此，碳-14 可作為檢測產品生物基含量的示蹤劑，通過檢測產品中碳-14 的含量比，即可計算出產品的生物基含量。

2.1 ASTM D6866

ASTM D6866 使用放射性碳分析測定固體、液體和氣體樣品的生物基含量的標準試驗方法［20］是生物基含量檢測最權威的標準，適用于任何含有碳基成分的產品，包括固體、液體和氣體［21］。ASTM D6866 的測試方法包括液體閃爍計數法（LSC）、加速器質譜法（AMS）和同位素比值質譜（IRMS）技術。值得注意的是，ASTM D6866 僅測量樣品的總有機碳，排除了無機碳和碳酸鹽的干擾。

2.2 EN 16640-2017

EN 16640-2017 生物基產品-生物基碳含量-用放射性碳法測定生物基碳含量［22］使用碳-14 法測定生物基產品中生物基碳含量，適用于任何含碳產品，其分析方法與ASTM D6866 中描述的方法兼容［23］，包括液體閃爍計數法（LSC）、β-離子化（BI）和加速器質譜法（AMS）。

2.3 EN 16785

EN 16785 包括EN 16785-1：2015 用放射性碳分析和元素分析測定生物基含量［24］和EN 16785-2：2018 用物料平衡法測定生物基含量［25］兩部分，其同樣適用于任何含碳的固體、液體和氣體，因此可應用與各類產品。EN 16785-1：2015 中元素分配規則指出：若反應物完全來自生物質，則產品生物基含量為100%；若反應物均非生物質，則產品的生物基含量為0%；若反應物來自生物質和非生物質，則適用于氧（O）和/或氫（H）和/或氮（N）元素與來源于生物質的碳（C）結合，則他們被視為生物基含量的一部分。

2.4 EN 17228-2019

EN 17228-2019 生物基聚合物和塑料的術語、特征和交流等規定［26］制定了生物基聚合物和塑料（包括半成品和復合材料）的術語、表征方法和報告模板，作為取代CEN/TR 15932：2010、CEN/TS 16137：2011、CEN/TS 16295：2012 和CEN/TS 16398：2012 的測試標準，借鑒參考了EN16640、EN 16785-1 和ISO 16620-2 使用碳-14 分析的測試標準。EN 17228-2019 適用于生物基聚合物和塑料，但不適用于生物相容性聚合物和物料。除了生物基含量，EN 17228 還包含了生命周期評價和可持續性方面的內容。

2.5 ISO 16620

ISO 16620［27］分為5 個部分，分別規定了塑料的生物基含量、生物基碳含量、生物基合成聚合物含量、生物基質量含量以及生物基碳含量，適用于由生物基原料或化石基原料制成的塑料、聚合物樹脂、單體或添加劑，測試方法包括液體閃爍計數法（LSC）、β-離子化（BI）和加速器質譜法（AMS）。生物基含量測試標準對比結果列于表2。

表2 生物基含量測試標準對比Table 2 Comparison of biobased content testing standards

3 結語

減少石化資源依賴是當今時代可持續發展的必然趨勢，2020 年9 月22 日，我國在第75 屆聯合國大會上正式提出2030 年實現碳達峰、2060 年實現碳中和的“雙碳目標”［28］，這無疑成為了推動生物基材料發展的有效助力。生物基材料對環保和健康的意義重大［29-30］，擁有巨大的發展潛力，但目前其成本普遍高于石油基材料。未來，相信隨著核心技術的不斷突破，生物基材料的成本將趨近甚至低于石油基材料，市場規模將不斷拓展，生物基產業將迎來春天［31-32］。

生物基含量認證作為產品的驗證聲明，能夠確定一種產品是否通過生物質可再生資源轉化而來、是否達到了與常規產品同等的性能和質量標準，以及是否符合可持續發展的原則和要求。此外，生物基含量認證能夠為生產者、購買者和使用者提供產品精確、真實的生物基含量信息，能夠加強對生物基產品質量和安全的管控，進而增強消費者對產品的信任度，提升企業的品牌形象，拓展生物基產品的市場。因此，生物基材料的蓬勃發展離不開生物基碳認證的全方位監管［33］，生物基碳認證的推廣和應用也將有助于促進生物基產業的高質量發展。