▲ 2023年4月26-28日，BDO研究院、生物降解材料研究院将在重庆举办“BDO与锂电材料NMP、PVDF产业论坛”，并将走访中润新材料、巴斯夫、川维化工、华陆新材、恩捷、双象、新宙邦。诚邀专家学者、上下游企业共同探讨BDO、NMP、PVDF等锂电材料的黄金赛道发展趋势。第一次工业革命至今，人类借助化石能源，实现了前所未有的巨大进步，但伴随而来的是不可再生石化资源储量日渐枯竭、碳排放量远超自然碳平衡能力。目前全球和我国的能源结构中，煤炭、石油等化石燃料仍占据主导地位，然而化石能源已在可预见的时间周期内面临枯竭风险。在能源安全和全球“碳中和”话语体系之下，基于可再生生物质原料的新生产范式将成为未来趋势，生物基材料（bio-based materials）应运而生。
按照规划，我国未来现代生物制造产业产值超1万亿元，生物基产品在全部化学品产量中的比重达到25%。当前，我国生物基材料处在产业化发展关键时期，光源资本也在持续关注产业上下游的投融资机会。我们发现，尽管粮食作为碳源的技术路线已经得到验证，然而从产量、价格以及政策三方面因素综合来看，以粮食作为主流碳源无法支撑生物基产业规模化发展，发展非粮碳源将成为重中之重。在对比当前市场上可规模化应用于生物基产业的新型碳源后，我们认为，秸秆在易得性与工业化应用角度已有一定验证，是目前最具规模化利用潜力的新型碳源。
本篇研究，我们将从新型碳源的产业链意义切入，深入探讨生物基材料产业在规模化发展的关键时期，有哪些可能的选择。
负责人 | 李昊，专注于大消费、碳中和、合成生物等行业
研究团队 | 光源合成生物小组 刘梦苏、纪鸿思
联系方式 | mengsuliu@lighthousecap.cn
生物基材料指利用可再生生物质原料，通过生物、化学、物理等手段制造的一类新型材料。区别于用煤、石油等不可再生石化资源为原料生产的传统化工材料产品，生物基材料具有原料可再生、减少碳排放、节约能源等特性，部分品类还具有良好的生物可降解性，是新材料产业发展的重要方向。根据全球经济合作与发展组织（OECD）预测，到2030年全球至少20%的石化产品将被生物基产品替代，对应市场空间8,000亿美元。
目前，大部分生物基产品的规模化应用受限于自身成本高企。对于下游终端应用场景而言，碳税、碳减排支持政策等在短期内具备阶段性溢价，能够为生物基产品带来部分市场机会，但从长期来看，终端应用方采购的核心决策要素仍然是产品性能与成本的匹配性，最终生物基产品也将直面与石油基产品在价格层面的竞争。
碳源
生物基产业最直接且高效的降本途径
拆解生物基产品的成本结构，主要的潜在降本途径包括采用新型碳源、缩短生产工艺、提高转化率、降低产线设备投入。
1） 采用新型碳源
生物基产品成本构成中，碳源的成本占比高，是影响产品价格的核心因素。在 PHA、PLA 的生产中，制造所用底料（葡萄糖或淀粉）占总成本约50%；在生物基丁二酸的生产中，糖的成本占比近40%。
当前生物基产品的原料主要依赖粮食，但粮食的价格体系无法支撑生物基产品的大规模低成本生产，寻求低价的原料替代方案将是生物基产品最为直接的降本方式。基于生物废弃物/工业废弃物的“变废为宝”有望降低生物质原料价格，业内也已经有多家公司/科研机构正在积极推进农作物秸秆、工业尾气等的原料化利用研发和产业化。例如，据丰原集团数据，利用秸秆生产混合糖，每吨混合糖对应的原料秸秆成本不超过1,500元/吨，考虑副产品冲抵成本后，混合糖成本不超过3,300元/吨，比市场葡萄糖价格低1,000元/吨。
2）缩短工艺流程
生物基产品的生产需要经历一系列步骤，通过生产工艺革新缩减其中部分环节将有效降低生产成本。在批次生产流程中，每个间隔环节都会带来生产效率的降低和延迟，并增加产品缺陷和操作失误的概率。
相比而言，连续化生产能够通过不间断的流程更快、更稳定、更经济、更安全地生产。由于连续生产工艺集成度高、自动化程度高，因此可减少人工成本。连续生产可以实现设备小型化，高效利用厂房空间，大幅度缩小厂房的使用面积，减少固定资产的投资。例如，在 HMF 生产领域，中科国生开发出固定床连续化的 HMF 先进生产工艺，实现 HMF 低成本的规模化生产，目前其 HMF 每吨成本已实现3万左右，并有望在近2-3年内达到1万左右。
3）提高转化率
在生物基材料生产中，可以通过菌株优化、催化剂选择等途径来提高转化率，从而降低目标产品的生产成本。例如，在1,3-丙二醇合成领域，自然界一些微生物将甘油转化为1,3-丙二醇的理论转化率为0.75mol/mol；19世纪初，杜邦公司开创了以葡萄糖为原料的生物合成途径，构建出的细胞工厂1,3-丙二醇产量达135g/L，并将转化率提高至0.83mol/mol；2022年，国内清华大学应用化学研究所团队首次实现了以谷氨酸棒杆菌为底盘细胞通过系统的代谢网络模拟1,3-丙二醇合成过程，将原料转化率提高至0.99mol/mol。
4）降低产线设备投入
通过生产工艺创新，替换传统生产线及设备，实现更低的产线设备投入和折旧成本。例如，在维生素 E 生产领域，武汉大学药学院与能特科技合作，创造性采用微生物发酵合成的法尼烯为中间体来合成维生素E前体异植物醇，进而合成维生素 E，半生物法维生素 E 的单吨产线设备投资额为3.05万元/吨，相较国内维生素龙头化学全合成技术的单吨投资额10.5万元/吨降低了71%。
从上述各降本路径的可行性来看，考虑潜在降本空间、技术突破难度和所需时间周期，在生物基规模化生产阶段，碳源将是成本优化最为关键的要素。
主流碳源无法支撑规模化发展
探寻新型碳源迫在眉睫
粮食是目前生物基产品的主要原料，其中玉米由于淀粉含量高、生长周期短成为现阶段最主要的碳源。玉米富含淀粉、蛋白质，不仅可以为微生物发酵提供必要的碳源，还可以提供部分氮源和无机盐等。同时，玉米的生长周期仅为小麦的一半，使用玉米作为原料可以减少仓储压力，提高土地利用效率。
当前，生物基产业还处于小规模生产阶段，以粮食作为主流碳源的生产技术已较为成熟。然而，从量、价和政策三重因素长远来看，粮食无法支撑生物基产业的规模化发展，需要拓展新型碳源。
1） 量——主流碳源粮食供不应求
国内玉米供不应求，需要大量进口，生物基产业的发展可能进一步加剧供需不平衡。2022年我国玉米产量达到2.77亿吨，近5年产量 CAGR 仅有1.4%左右，增速已明显放缓。2022年玉米消费量达到2.95亿吨，比较近5年来玉米产量与消费量，国内平均每年玉米供给缺口超3,000万吨。
生物基产业正在逐步下沉至大宗市场，将需要巨大的原料消耗。受粮食转化率限制，产品下沉到大宗市场将导致玉米等粮食原料消耗大幅提升。
乙醇：生产每吨乙醇需消耗3-4吨玉米原料，按照国内乙醇产量300万吨计算，如果全部用玉米为原料生产，玉米消耗量将超过1,000万吨，达到国内产量的近4%。
尼龙：生产每吨尼龙需消耗3吨左右的玉米原料，全球尼龙市场1,000万吨，若其中的50%以生物基尼龙替代，玉米消耗量将达到1,500万吨。
PHA：生产每吨PHA需消耗5吨左右玉米，据测算，未来3-5年内PHA需求量约为180万吨，对应玉米消耗量约为900万吨。
PLA：生产每吨 PLA 需消耗2.5吨左右玉米，按照国内 PLA 产量20万吨计算，对应玉米消耗量将达到50万吨；按照全球2024年预计 PLA 的需求量102万吨，玉米消耗量将达到255万吨。
随着生物基产业化发展，需要减少对粮食作物的依赖，拓展原料来源。目前，生物基材料采用的原料主要还是以玉米为主的粮食作物，但随着产业化发展，粮食耗用量也会成倍增加，粮食安全将成为制约生物基材料大规模生产的阻碍。大规模采用玉米作为原料，会加剧“与粮争地、与人争粮”的问题，特别是我国作为人口大国和粮食进口国，粮食安全和大规模生物基产业的矛盾或更加突出。因此，寻求新型碳源作为原料，是我国生物基产业发展必须解决的问题。
2）价——主流碳源不具备价格竞争力
在终端应用场景，未来生物基产品将直面与石油基产品在价格层面的竞争。从成本占比来看，原材料是生物基产品的最大成本构成，玉米价格的波动将制约生物基产品的价格竞争力，需要寻找新的低价原料供给。由于饲用和工业用玉米用量增速较快，导致玉米价格上涨，2016年以来，国内玉米价格和玉米进口价格均出现较大幅度的上涨，其中国内玉米市场价从2016年底的1,518元/吨上涨到2022年底的2,823元/吨，玉米进口价格从2016年底的1,681元/吨上涨到2022年底的2,824元/吨，分别增长了86%和68%。由于生物基产业规模较小、产业链还处于发展初期，许多下游终端产品价格波动依然与石油基产品挂钩，原料价格波动难以快速传导到下游终端产品，因此玉米价格的大幅上涨也导致了生物基产品在许多领域难以取得成本优势。3）政策——倡导发展非粮碳源
在粮食安全层面，我国长期坚持“不与人争粮，不与粮争地”的原则，将玉米等粮食用于大规模生物基产业是不现实的。2023年2月14日，中央一号文件部署的第一项任务，就是抓紧抓好粮食和重要农产品稳产保供，强调全方位夯实粮食安全根基。我国人多地少，粮食安全的压力长期存在，所以不可能以牺牲粮食安全为代价来发展生物基产业，未来生物基产业的发展可能会面临粮食作为原料的政策限制，因此未来发展需要充分利用非粮新型原料。在非粮原料发展层面，我国大力支持非粮生物质原料的利用和应用。2023年1月工信部等六部门印发《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》，提出到2025年，非粮生物基材料产业基本形成自主创新能力强、产品体系不断丰富、绿色循环低碳的创新发展生态，非粮生物质原料利用和应用技术基本成熟，部分非粮生物基产品竞争力与化石基产品相当，高质量、可持续的供给和消费体系初步建立。在原料自主可控层面，产业链供应链安全稳定是构建新发展格局的基础，我国持续关注提升重点产业链的供应链自主可控能力。2021年政府工作报告中将“优化和稳定产业链供应链”作为重点工作之一，并强调增强产业链供应链自主可控能力。在生物基材料领域，原料的自主可控对于保障产业链供应链安全稳定意义重大，需要寻找不依赖进口、可支撑生物基材料大规模发展的新型原料。面向未来的新型碳源
目前，全球范围内都在寻求可规模化应用于生物基产业的新型碳源，包括生物废弃物（如农作物秸秆、甘蔗渣、城市有机垃圾）、工业废弃物（如工业尾气、废塑料、废弃木头）、非粮作物（如木薯、海滨锦葵、麻风树等）等。从应用成熟度来看，大部分新型碳源仍在实验室或小试阶段，当前较为成熟的、已有商业化验证的技术路线主要是农作物秸秆和合成气。1） 农作物秸秆
农作物秸秆属于生物废弃物，是重要的非粮生物质资源。对秸秆进行资源化利用，作为重要原料参与生物基产业的过程，既可以解决生物基产业原料获得性问题，又可以通过生产更高附加值的产品，提高上游收购价格，让生物废弃物秸秆的再利用产生经济杠杆。相比于玉米，秸秆储量丰富、价格低廉、具有高含糖量，有望替代粮食作为新型碳源广泛应用，秸秆高值化利用的支持政策也将加速秸秆的产业化进程。从储量丰富性角度，我国每年秸秆产量超过8亿吨，产量远高于玉米产量（不到3亿吨），其中可收集的秸秆资源量占产量85%左右，即每年约有7亿吨的秸秆可以作为原料进行大规模生产。从原料价格角度，秸秆的回收价格约为300-500元/吨，远低于玉米价格（近3,000元/吨），价格更为低廉。从化学成分角度，玉米主要由55-70%的淀粉（多糖）、10-20%的水和3-8%的油脂组成，秸秆主要由30-40%的纤维素（多糖）、15-20%的半纤维素（多糖）和30-40%的木质素（苯基类丙烷等聚合物）组成，二者含糖量相当。从政策支持角度，秸秆高值化利用和资源化利用是我国2030年碳达峰行动方案中的重要内容，行动方案中指出要加快推进秸秆高值化利用，完善收储运体系，严格禁烧管控。同时，非粮生物基材料已受到国家重视，将加大政策引导，统筹秸秆高效综合利用和分布式非粮生物质糖化生产点建设，培育一批打通从农作物秸秆处置利用到下游制品全产业链路径的骨干企业。现阶段，已有不少生物基新材料企业跑通了以废弃秸秆为新型碳源的技术体系，并开始推进规模化量产进程。例如，圣泉集团目前已具备15万吨秸秆处理能力，其在黑龙江大庆建设的100万吨生物质精炼一体化项目（一期）正在调试中，一期规划每年在当地收购生物质秸秆50万吨；凯赛生物正在推进1万吨秸秆制乳酸项目；2023年2月，丰原集团1.5万吨/年秸秆制糖联产黄腐酸有机肥示范生产线全线贯通。
在生物基产品的生产中，往往需要先将原料转化为糖平台，再进一步转化为其他高附加值产品，与常见的原料玉米相比，秸秆的转化过程更为困难。由于玉米的化学组成相对简单，仅通过淀粉酶即可快速转化为单糖，几乎不用进行复杂的预处理技术；而秸秆是由纤维素、半纤维素、木质素等相互交织形成的具有坚固分子结构的高分子物质，在进行糖平台转化过程前，必须通过预处理打破秸秆致密的抗降解屏障，实现高效糖化，同时减少微生物抑制剂的形成。从具体秸秆糖化利用难点来看，主要在于纤维提取、水解糖化以及其他副产物处理。纤维提取：秸秆的纤维素/半纤维素/木质素等不同成分的分子间作用力强，秸秆利用的第一步技术难点在于需要高效、高纯度地分离三个核心成分。在进入糖化阶段之前，需要把木质素基本去除，并把纤维和半纤维素打成松散状态。目前行业内有多种技术路径，包括硫酸蒸煮、蒸汽爆破等，但在产品纯度、抑制物含量、生产成本、环保问题等方面仍有优化的空间。因此，在纤维提取环节，需要核心关注是否能够以低能耗环保工艺，实现低成本、低抑制物、高纯度的核心成分分离。水解糖化：在完成纤维提取后，需要对纤维素和半纤维素进行糖化，将其转化为糖平台，再应用到下游微生物代谢或其他生产环节。目前行业内主流的方法包括酸法糖化、酶法糖化等，其中酸法糖化的反应条件需要高温高压，能耗较高，且易产生酸渣，废物难以处理；酶法糖化目前主要以霉菌为底盘，难点在于需要处理纤维里的多种化学键，对于酶工程的要求较高。因此，在水解糖化环节，需要核心关注酶工程能力，且考虑到下游生产环节对于五碳糖、六碳糖的利用适配度，未来能够分别对纤维素和半纤维素进行糖化利用的技术将在下游更具竞争力。副产物处理：秸秆糖化利用之外，对于木质素等其他产物的处理方式决定了能否可以将秸秆“吃干榨净”，从而影响秸秆的全流程利用效率和成本。因此，在秸秆其他产物的产品化上具备突破的公司将能够实现一体化利用，降低全局成本。
2）合成气
合成气是一类以一氧化碳、二氧化碳和氢气为主要组分、可用于化工生产的原料气。其来源广泛，可由含碳矿物质如煤、石油、天然气、污泥和生物质等制备而来，钢铁、煤化工企业排放的废气也是合成气的来源之一。从全生命周期分析的角度来看，利用合成气进行发酵是接近“零碳”甚至是“负碳”的技术路线，即整个生产过程的碳排放量极低甚至为负，这是与传统发酵产业的最大区别之一，有望在助力我国“双碳”目标的实现过程中发挥重要作用。近年来，合成气的生物转化引起了极大关注。自然界中存在可利用合成气中一氧化碳和二氧化碳的化能自养型细菌，主要为梭菌属、醋酸杆菌属和穆尔氏菌属。这类微生物在吸收、利用合成气的同时能够生成少量有机酸（如乙酸和丁酸）和有机醇（如乙醇、丁醇、己醇），因而合成气的生物转化具有潜在的工业应用价值。在工业化生产方面，已验证尾气发酵生产燃料乙醇具有成本、减排的双重优势。该技术的推广应用将为我国循环经济、尾气利用探索新的路径，为节能减排、减少温室气体排放以及碳中和做出贡献。与现有的工业化生产乙醇大多采用纤维素或粮食发酵的工艺相比，以工业尾气为原料生产乙醇的碳转化率可以达到88%，能量转化率达到58%，不仅节约大量粮食，还可以实现连续发酵生产，降低了产品成本。利用尾气生物发酵生产燃料乙醇具有减排优势。以钢铁工业煤气为原料生产燃料乙醇，每生产1吨燃料乙醇，可减少 CO2 排放1.9吨。在汽油中添加10%的燃料乙醇后，汽车尾气的 CO 排放可减少30%，CO2 减排30%-35%。当前，已有少数企业成功将合成生物技术与 CCUS 有机结合，将含碳的工业尾气直接转化为乙醇、微生物蛋白等高价值产品，并开始小规模生产。例如，美国的 LanzaTech 已验证利用工业尾气制备乙醇的技术，通过技术授权和合作开发的模式，在全球范围内建立多个商业废气利用工厂。首钢朗泽则于2018年在河北建成全球首套4.5万吨/年钢铁尾气生物发酵工业化装置，并于2021年在宁夏建成全球首套4.5万吨/年铁合金尾气生物发酵工业化装置。
目前合成气生物发酵技术的工业应用已初具规模，但仍只局限于乙醇、乙酸等少数产品，将合成气通过生物转化生产价值更高的中、长碳链燃料以及大宗化学品，对于拓展合成气转化途径、实现合成气高值化利用具有重要意义。目前技术路线在微生物底盘设计、生产工艺等方面仍存在不足，亟需改进和优化。在核心微生物底盘细胞和分子元件的开发与设计方面需要进一步突破，从而解决基于合成气的生物制造产业的瓶颈问题，拓展产品种类。在生产工艺方面需要优化气源净化、产品提取等环节。不同来源的合成气组成成分差异较大，通常含有一氧化碳、二氧化碳和氢气中的一种或多种，并且还存在一些杂质，比如烷烃、烯烃、焦油等。因此，在工艺和工程方面，需要针对不同的气源，选择适合的净化设备，并调整优化相应的工艺参数，以实现较高的气体转化率和目标产品的产率。在产品提取方面，也需要耦合微生物生长和代谢的参数，优化后处理方法，在过程中减少能耗，提高得率，兼顾效率和经济性。
新型碳源公司如何布局？
1）重点关注秸秆利用相关公司：生物基材料规模化发展将依赖于非粮碳源驱动，其中秸秆在易得性与工业化应用角度已有一定验证，是目前最具规模化利用潜力的新型碳源。2）具备商业化价值的创新技术路线：目前新型碳源仍处于发展前期，技术路线百花齐放，如在秸秆糖化利用领域，能够在纤维提取、水解糖化、副产物处理等核心环节具备高壁垒技术专利布局的公司将率先突破行业技术难点，推进至放大生产的下一阶段。3）生产工艺得到量产验证，产能规划领先：生物基产业具备工业属性，生产工艺需在大规模量产状态下调试和定型，验证技术路线可行性以及产品品质/价格符合市场需求，同时领先的规模化落地产能将有力支撑公司在下游产品验证和订单交付的能力。4）上游合作成熟，打通一体化应用：当前新型碳源规模化应用的难点之一在于产业链不成熟，导致上游供应不稳定且成本不可控。在上游（如秸秆收储运或工业气体供给）进行战略合作布局，可提前锁定关键材料供给，保障供应链安全，并通过一体化合作有效降低成本。5）下游品类选择清晰，商业化应用明确：碳源需要适配下游具体品类，无论公司是自用碳源生产下游产品，或向下游合作方供给碳源，均需要在下游品类方面谨慎选择。综合考虑市场规模、供需关系、同类化工产品价格带、技术成熟度等因素，选取化工产品中极具生物基替代潜力的核心品类作为主要产品方向，将有利于新型碳源公司快速推进商业化。
纳米纤维素交流群、生物基呋喃新材料、HMF产业交流群