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生物制造將催生革命性變化

由于更具成本和環保優勢，在生物燃料、生物基化學品、生物基材料、生物制藥、食品行業、酶制劑等領域，生物制造前景廣闊

在全球積極推動可持續發展的大背景下，生物制造產業正逐漸成為實現綠色低碳目標的關鍵力量。近年來，生物制造產業快速發展，生物基材料產業技術也在加快創新，預示著合成材料產業依賴化石資源的局面將會發生革命性的變化。

充分利用非糧生物質資源發展可持續的生物基材料，既是合成材料產業降碳的有效途徑，又是合成材料產業向綠色、高質量轉型發展的重要方向。

我國高度重視生物基產業的發展，將其視為戰略性新興產業和實現“雙碳”目標的重要支撐。近年來，相關政策密集發布，形成了從戰略規劃到行動方案的政策體系。從產業布局看，發達地區領航生物制造并各具特色。從產業鏈看，生物制造正從傳統生產方式向先進生物制造/合成生物制造演進。從應用領域看，生物制造持續突破，產業化品種不斷增加。

生物制造主要有六大應用領域。生物燃料方面，包括生物乙醇、生物柴油等在內的全球生物燃料市場規模已達千億美元級，且年均復合增長率達7%。生物航煤需求巨大，但面臨原料廢棄食用油的制約。

北京首鋼朗澤科技公司通過合成生物技術（核心技術為氣體連續生物發酵技術），將含一氧化碳/二氧化碳的工業尾氣轉化為生物乙醇及蛋白等高價值產品。其一代技術固碳率33%，二代技術固碳率達100%，生產1噸乙醇可直接消耗0.5噸二氧化碳。該公司于2018年建成投產全球首套含一氧化碳鋼鐵尾氣工業示范裝置，目前擁有并運營4家工廠，合計產能21萬噸/年乙醇、2.3萬噸/年蛋白。目前，該公司正在內蒙古地區籌建國內首套生物乙醇制生物航煤（SAF）的（ATJ）裝置，計劃于2026年建成投產。

生物基化學品方面，大宗化學品正由傳統化工工藝向生物制造演進，行業內更多聚焦成熟品種的制造路徑變革，這些品種多為低附加值的平臺型化合物，具有需求量大、成本敏感度高的特點，因此生物制造的成本及環保優勢將更為明顯。比如，在有機酸領域，平臺化合物丁二酸生物法路線與石化路線相比成本下降20%，二氧化碳減排90%；1,3-丙二醇的生物法路線相比石化路線能耗降低40%，溫室氣體排放減少20%；1,4-丁二醇生物法路線實現萬噸級規模生產，比石化路線減少56%的溫室氣體排放。

生物基材料方面，各行業對新材料需求迫切，生物基材料恰逢其時。我國將非糧生物質作為發展生物基材料的原料，加快建立高質量、可持續的供給和消費體系。根據經合組織報告，2030年全球將有大約5%的化學品和其他工業產品來自生物制造，其中20%的石化產品（約8000億美元）可由生物基產品替代，而目前替代率仍不到5%，市場提升空間近6000億美元。如生物基尼龍就是能源結構調整下的重要轉型方向。

生物制藥方面，我國還處于發展初期，但未來隨著居民可支付能力提高、患者群體增長及醫保覆蓋范圍擴大，我國生物制藥市場具有強勁的增長潛力。

食品行業方面，生物制造正顛覆傳統方式，替代蛋白或將迎來前景。生物制造通過細胞工廠生產淀粉、蛋白、油脂及其他營養功能因子，將顛覆現有食品的生產與加工方式，擺脫人類所需營養素及天然化合物對資源依賴和以環境破壞為代價的發展。麥肯錫預計，隨著合成生物技術突破，2023～2030年替代蛋白領域將迎來重大突破，2030～2040年功能性營養組分、細胞培養肉等領域將蓬勃發展。

酶制劑方面，生物制造的意義更多在于對酶蛋白進行分子設計和改造，創造高性能工業酶、降低生產成本、提升產業競爭力。我國飼用酶制劑產量占全球的14%，但在工業酶制劑領域落后國際領先企業，未來應立足創新驅動，向高端酶制劑領域邁進。

生物基橡膠的中國解決方案

與國外以生物基烯烴單體為原料不同，我國生物橡膠以生物基醇酸單體為原料，成本低且可生物降解。

橡膠材料具有不可或缺的戰略地位，在航空航天、國防軍工等領域均有大量應用。我國橡膠年消耗量已突破千萬噸，總產值超過1萬億元。高性能化、功能化和綠色化是重點發展方向。

我國天然橡膠超過85%依賴進口，合成橡膠主要依賴化石資源，資源及減排壓力大。國際巨頭很關注合成橡膠的可持續發展，如法國米其林輪胎公司計劃2030年40%的原材料來自植物或可持續來源，2050年這一比例提高至100%，所有工廠實現碳中和。美國固特異輪胎公司計劃2030年推出首款100%可持續輪胎。德國大陸輪胎公司開發的蒲公英橡膠輪胎已實現商業化。

北京化工大學研制的生物基橡膠原料選擇產量較大且價格相對便宜的衣康酸，這也是美國能源部提出的12種具有高附加值的生物基平臺化學品之一。具體工藝路線為：采用生物發酵得到衣康酸和生物一元醇，再酯化得到衣康酸酯，通過共聚合或官能化改性，得到生物基膠乳及干膠，其生物基含量在40%～80%。

目前，生物基衣康酸酯橡膠已實現產業化，用其制備的輪胎抗濕滑性和節油性均達到歐盟標簽法A級水平，是世界首批雙A級生物基子午線輪胎。北京化工大學還與企業合作試制了世界首條生物基輸送帶，在鐵礦石巨頭力拓集團使用。此外，生物基橡膠在鞋材、膠乳手套、耐油橡膠等領域也有良好前景。

我國原創生物基合成橡膠品種的開發，有助于打破我國合成橡膠缺乏原創產品、長期處于追趕和模仿國外產品的現狀。

在生物基橡膠方面，國內外主流思路不同。

國外主流思路是以生物基烯烴單體為原料，通過傳統聚合路線合成傳統生物基橡膠，其優勢是結構性能與傳統橡膠一致，無須進行市場驗證；不足是成本高、產能低，僅實現生物基，無法生物降解。

國內則以生物基醇酸單體為原料，設計合成新型的生物基橡膠，其優勢是生物基醇酸單體易得且成本相對較低，具有獨特的可生物降解性能；不足是新結構、新性能需要市場接受周期。

張立群院士領導的研發團隊通過近20年努力，以生物基二元醇、二元酸、羥基酸等為核心單體，通過多元共聚首創了全球唯一生物基可降解橡膠產品系列，成功用于耐油、聚氯乙烯增塑、聚乳酸增韌等領域，還開發了高分子量、交聯速度可控的丁烯二醇基生物基可降解橡膠，聯合玲瓏輪胎試制出全球首批生物基可降解輪胎，聯合李寧推出了全球首款全降解運動鞋。

風電葉片中的新材料機遇

大型化和低碳化是風電葉片未來的發展趨勢。隨著風電葉片越來越長，基體樹脂、膠粘劑、泡沫芯材、增強材料、表面涂料等都對高分子材料提出新要求

全球風電形勢穩中向好，裝機量穩步提升，我國年裝機量全球第一，發電量占比已超12%。目前，海上風力發電的度電成本已基本與火電持平，未來隨著技術進步和規模化發展，成本有望進一步降低，競爭力將進一步提升。越來越長的風電葉片為新材料發展提供了重大機遇。

作為風電機組里捕獲風能的核心部件，風電葉片的材料經歷了從木質到金屬再到復合材料的演變。其最核心的要求是高強度、高韌性、輕量化和耐腐蝕。在復合材料風電葉片中，基體樹脂、增強纖維、泡沫芯材、表面涂料等材料均與高分子材料緊密相關。

大型化和低碳化是風電葉片未來的發展趨勢。風電機組大型化是提升捕風效率、降低度電成本最關鍵的技術路徑。我國已下線全球最長的陸上10兆瓦/120米級、海上20兆瓦/140米級葉片。此外，退役風電葉片的處置問題日益突出，可回收風電葉片將是未來發展的主要方向。

基體樹脂包覆連接各增強材料，起到傳遞和分散載荷、保護纖維的作用，是復合材料綠色回收的關鍵研發對象。目前的主流選擇是環氧樹脂，但難以回收處置；聚氨酯回收相對容易，但對水敏感，工藝難度大；不飽和聚酯成本較低，性能低于環氧樹脂，有環保、安全風險，主要用于中小型葉片和對成本敏感的陸上風電項目。

膠粘劑用于風電葉片部件粘接的關鍵材料，傳遞結構載荷并維持葉片結構完整性。結構膠方面，環氧樹脂膠是絕對主流；密封膠方面，聚氨酯膠用于特定非主要承力部位；快速修補膠方面，丙烯酸膠用于緊急維修。

泡沫芯材與玻璃鋼形成三明治結構，填充葉片內部空間，主要有三類材料。輕木90%產自南美，正被逐步替代；PVC泡沫以聚氯乙烯樹脂為主體，性能良好但價格較高，難以回收再利用；PET泡沫以聚對苯二甲酸乙二醇酯為主體，耐熱性、抗蠕變性、耐疲勞性良好，綠色可回收，是主要發展方向。

增強材料是葉片中承受載荷的組分，保障葉片的完整性和穩定性。玻璃纖維是最常用的纖維，成本低、實用性強，與樹脂匹配性較好。碳纖維作為無機高分子材料，憑借其輕質、高模特性，已成為當前大型風機葉片的主流材料解決方案。隨著產品穩定性提升和成本不斷降低，碳纖維已經“用得起”了。2024年風電市場碳纖維需求激增，實現120%的高速增長，超過體育休閑、航空航天軍工成為碳纖維第一大消費領域。預計2030年，全球風電碳纖維需求將達到15.9萬噸。

表面涂料通過多層防護架構（膠衣/底漆/面漆）實現物理隔絕與化學防腐，依托材料改性技術抵抗動態損傷。綜合考慮保護性能、施工便捷性、經濟性等，聚氨酯涂料目前是主流選擇。

風電葉片材料未來的發展趨勢是高性能、低成本、低碳綠色，如高性能高分子發泡材料替代輕木、高模量大絲束碳纖維支撐葉片大型化、使用可回收或生物基材料實現全可回收葉片等。其中，可回收樹脂技術路線主要分為熱塑性可回收樹脂與熱固性可回收樹脂。今年，時代新材國內首套可回收熱固性樹脂葉片完成下線。

新工藝提升傳統化學品含綠量和含金量

延長中科的甲醇制乙醇技術，過程更高效、條件更溫和、成本更低；盤錦三力中科的碳二法制甲基丙烯酸甲酯（MMA）三步工藝，工藝更簡單、綠色，成本更低

在傳統能源化工領域，不斷創新的工藝路線有力提升了傳統化學品的綠色低碳水平和市場效益。

乙醇是具有能源屬性的大宗化學品。全球乙醇年產量接近1億噸，2024年我國乙醇消費量接近700萬噸。乙醇作為優質的汽油添加劑，既可以降低尾氣排放，又可以讓汽油燃燒更充分。但受制于糧食來源有限，近幾年我國乙醇產量基本維持穩定，乙醇汽油也未能進一步擴大覆蓋面。

DMTE（甲醇制乙醇）技術是由中科院大連化物所劉中民院士帶領的科研團隊經過多年努力在世界上首次成功研發的技術。這是煤化工領域繼劉中民院士團隊甲醇制烯烴（DMTO）技術后的又一突破性進展。

其技術路線是煤制合成氣再制甲醇，脫水得到二甲醚，然后羰基化得到乙酸甲酯，再加氫制得乙醇。制得1噸乙醇的單耗為1噸二甲醚，或1.5噸甲醇，或0.75噸甲醇+1570標準立方米合成氣，或3080標準立方米合成氣（氫氣/一氧化碳=2/1）。其技術特點是：兩步轉化實現合成氣的高效利用，反應條件溫和易于規模化，常規催化有效降低成本，煤炭轉化避免“與人爭糧”。

延長石油投資建設了全球首套煤基乙醇10萬噸/年工業示范裝置，目前月度利潤在1000萬元以上。DMTE技術已實現國內外技術許可425萬噸/年。

甲基丙烯酸甲酯（MMA），主要用于合成有機玻璃（亞克力玻璃），可用于飛機懸窗、高鐵和汽車玻璃等領域，還廣泛用于合成涂料、黏合劑、潤滑劑等。

目前全球MMA產能600萬噸/年，碳二法（乙烯法）占7%、碳三法（丙酮氰醇法，即ACH法）占62.4%、碳四法（異丁烯/叔丁醇氧化法）占30.6%；國內產能約270萬噸/年，碳一法（甲醇-醋酸甲酯法）占0.4%、碳四法占25%、碳三法占74.6%。

其中，碳三法“三廢”較多，對環境不友好，技術相對落后。碳四法工藝復雜，生產成本較高。巴斯夫的碳二法是四步工藝，工藝煩瑣、成本較高，后來三菱璐彩特改進了工藝，提高了產率，但技術不對我國轉讓。

三力中科研發的碳二法是三步工藝，乙烯與合成氣氫甲酰化得到丙醛，與甲醛縮合得到甲基丙烯醛，再與甲醇氧化酯化制得MMA。生產1噸MMA，需要乙烯0.345噸、甲醇0.845噸、合成氣571標準立方米，大大減少了水資源使用和廢棄物排放，具有自主知識產權，成本較低，產品純度高，可滿足高端領域應用。