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麥肯錫全球研究所的研究發現［當今全球經濟中多達 60% 的物質投入要么是生物材料（木材或飼養動物），要么原則上是可以使用生物手段生產或替代的非生物材料（水泥或塑料）］。

在接下來的10～20 年中，在材料、化學品和能源生產中利用生物學的進步可能會使全球市場增長2000億～3000億美元。隨著生物創新正在滿足下游需求，化學和材料領域的新一輪生物材料變革正在展開。

從傳統的木制房屋到羊毛服裝，生物材料長期以來一直是我們日常生活的一部分。近二十年生物技術的進步為我們帶來了基于糖衍生的第一代生物燃料和高性能的工業酶。近幾年，我們也看到了使用基因工程微生物代替石化產品制成的尼龍、生物皮革和細菌水泥的出現。

計算機、自動化和人工智能 (AI) 領域的加速創新推動了生物科學的進步，從而引發了被稱為「生物革命」的新一輪創新浪潮。麥肯錫全球研究所的研究發現，當今全球經濟中多達 60% 的物質投入要么是生物材料（木材或飼養動物），要么是原則上可以使用生物手段生產或替代的非生物材料（水泥或塑料）。在接下來的 10 到 20 年中，在材料、化學品和能源生產中利用生物學的進步可能會使全球市場增長 2000 億到 3000 億美元。

那么是什么將推動這種巨額的增長？從過去歷史中看，生物基材料大規模應用的原因在于其擁有獨特性能，或者具有成本優勢。不過原有的成本優勢很難與高度發達的大規模現代技術相比。但是，由于企業對可持續性發展的承諾不斷加快，以及生物材料幫助企業實現其目標的能力亦在增強，形勢正在發生變化。隨著生物創新正在滿足下游需求，化學和材料領域的新一輪生物材料變革正在展開。

1.生物材料的三輪創新浪潮

第一輪生物材料的浪潮在石油時代之前跨越了數千年。來自植物或動物的生物基材料成為與社會發展聯系最緊密的部分之一，并且今天仍然以木材、紙張、皮革、紡織品和許多其他用于粘合劑、肥皂、顏料和其他物質的衍生物的形式高度滲透到我們的社會發展之中。

第二輪生物材料的浪潮是由上世紀 80 年代包括 DNA 重組技術在內的多項生物技術催化。這些發展催生了現代的酶工程行業，也催生了從洗衣粉到動物飼料等產品的巨大進步。

當生物技術的進步、化石基化學原料（石油、天然氣）的高價和 2000 年代中期互聯網時代的蓬勃發展相交織時，第二輪生物材料的浪潮達到了頂峰，推動了以商業生物燃料和生物材料為重點的清潔技術發展以及生物技術投資的熱潮。然而，化石基化學原料的高位價格很快恢復正常水平，而生物材料方面的價格上漲以及玉米和糖等可再生原料的高波動性進一步削弱了任何生物材料潛在的成本優勢。隨著隨后水力壓裂開采技術和電動汽車的興起，化石基化學原料價格的持續上漲似乎越來越不現實。

石化生產路線的成本優勢吸引力迅速下降，所以生物材料領域的許多公司開始轉向生物基生產獨特的化學物質。盡管第二次浪潮以一些令人失望的結果告終，但它在給生物材料在［技術-經濟］發展上重要教訓的同時，也展示了生物技術的巨大潛力。

今天，生物材料領域繼續上演第三輪變革，在 DNA 測序、基因編輯、人工智能和其他最終有利于生物材料發展的技術方面都在取得快速進展。然而，這一次真正不同的是，可持續性的需求正在改變化學品和材料競爭的基礎。

人們從第二輪生物材料浪潮中得出的一個結論是，［綠色溢價］（綠色技術收取更高價格的能力）并不可靠：即使它們存在，其市場份額也遠低于預期。然而，最近來自三個不同群體—消費者、監管機構和投資者的推動導致企業采取了重大行動，這表明可能確實存在一個可持續化學品和材料的可觀且正在快速增長的市場。

首先，消費者對「綠色產品」的需求正在上升。麥肯錫最近對十個國家進行的一項調查發現，消費者認為可持續性越來越重要，來自于不同國家的絕大多數消費者表示愿意為可持續包裝支付更多費用—例如，中國（86% 的消費者是愿意為可持續包裝支付“很多”或“更多”）、美國（68%）和巴西（66%）。

與此同時，監管機構正在通過政府法律和國際協議等舉措推動可持續發展。兩個關鍵的監管目標是減少二氧化碳排放和不可生物降解塑料的環境泄漏。兩者都可以通過生物材料來解決。

最后，隨著環境、社會和治理（ESG）基金管理的資產越來越多，投資者對企業也施加了更大的壓力，比如要求企業通過脫碳來降低轉型風險，并確保他們能夠抓住經濟其他部分脫碳所產生的增長機遇。

在這三個群體以及企業自身的推動下，許多公司正在承諾減少其對環境的影響。例如，大多數頂級汽車制造商和領先的快消品制造商已經承諾大幅減少溫室氣體（GHG）排放。這些目標及其對采購決策和制造方式的影響，正在改變具有可持續性價值主張的產品市場的游戲規則。

2.企業的氣候承諾正在迅速加快

公司正在做出多種類型的可持續性承諾。大多數承諾與化學和材料公司有關，如材料總量優化（包裝材料的減少），材料采購的可持續性（使用可回收或可再生的生物材料），以及生命周期的可持續性（材料是否最終成為可回收、可堆肥或可生物降解的材料）。

然而，最廣泛的承諾與減少溫室氣體足跡有關。麥肯錫檢查了化學品和材料的五個終端市場，發現絕大多數領先的公司 (74%) 已經就［范圍1］和［范圍2］的排放做出了承諾。近 50% 的企業承諾減少［范圍3］溫室氣體排放，包括與原料和原料上游生產相關的排放。［范圍3］的大部分承諾計劃在 2030 年兌現。（下文對［范圍1-3］有對應的介紹）

還有一個總體趨勢是承諾到 2040 年至 2050 年實現凈零排放，而且這一趨勢正在加速（圖 2）。事實上，承諾［范圍3］削減的公司數量從 2016 年到 2021 年以 34% 的復合年增長率增長，比 2006 年到 2015 年的平均 14% 顯著增加。與［范圍3］承諾相關的企業營收份額也從 2016 年的 0.5 萬億美元增長到 2021 年的 2.6 萬億美元。

減少［范圍 3］溫室氣體排放的承諾正在加速進行

◆ 什么是［范圍 3（Scope 3）］排放？

最廣泛使用的國際排放核算工具《溫室氣體議定書（Greenhouse Gas Protocol）》將溫室氣體 (GHG) 排放分為三組或“范圍”。

［范圍1］涵蓋自有或受控來源的直接排放，包括燃料和車輛燃燒的排放。

［范圍2］涵蓋購買的電力、蒸汽、加熱和冷卻產生的間接排放。

［范圍3］ 排放不由公司直接擁有，但涵蓋了公司價值鏈中發生的所有其他間接排放。這包括上游排放（商品和服務采購、運輸和配送、商務旅行、員工通勤和運營中產生的廢物）和下游排放（所售產品的使用、所售產品的報廢處理、運輸和分銷、投資、租賃資產和特許經營權）。

［范圍3］排放也稱為［溫室氣體協議企業價值鏈（ GHG Protocol Corporate Value Chain）］，因為該協議對溫室氣體排放采取價值鏈或生命周期方法。

針對［范圍3］做出的承諾正在對化學品和材料行業約 5 萬億美元的支出產生影響（圖 3）。以汽車行業為例。自 2019 年以來，前 20 名汽車原始設備制造商（OEM）的終端市場收入的 50% 與［范圍3］減排承諾相關。這意味著彈性體、纖維、熱塑性塑料和泡沫等化學品的使用將「可持續性」考量的影響，而這些化學品為化工行業帶來了約 1100 億美元的收入。

大約有 5000 億美元的化學品和材料支出正在受到［可持續性］考量的影響

終端市場對減少「范圍 3 」排放的承諾比例約為 30% 至 35%，但公司之間差異很大（中位數減排約 30%，范圍在 20% 至 100%之間波動）。在多個行業的前 20 家公司中，做出此類承諾的公司數量最少的是包裝行業的 6 家，而數量最多的公司是快消品 (FMCG) 行業的 16 家。服裝、電子（各 8 家）和汽車（9 家）的前20名參與者中，承諾［范圍3］的比例都接近 50%。

快消品公司相對較多可能反映了這樣一個事實：即面向消費者的公司更了解客戶對可持續選擇的需求，因此公司對此方面也更加敏感。承諾減少排放亦是此類公司引領各自市場并使自己與競爭對手區分開來的機會。

3.如何將生物材料推向市場

在提高供應鏈和產品的可持續性方面，生物材料是企業可以利用的多種杠桿之一。關鍵問題是生物材料生產商如何在其他選擇中突出其產品的優勢，并為其產品制定明確的角色。總體來說，第一步需要了解從可持續性創造價值的不同產品的細節和差異有更清晰的了解，其次是確定三種不同生物材料類型的最佳應用場景。

◆ 生物材料的可持續性需要考慮多種因素

盡管生物材料比以往任何時候都更能提供可持續發展的好處，包括減少碳足跡、提高材料的生物降解性或可回收性，以及在某些應用中的卓越性能。但要確保生物材料真正對可持續發展產生積極的影響，有幾個關鍵的因素需要考慮清楚。

例如，生物材料的可持續性特征可能因不同的情形而有較大的變化，如原料選擇（例如，玉米、精制糖或者使用廢物代替食用淀粉來生產生物燃料）、農業實踐（例如，土壤碳含量、肥料施用率和土地管理效率）和土地利用政策（例如，是否為了生產某種原料而大規模砍伐森林）。也就是說，通過適當的考慮和預防措施，生物材料生產商需要在滿足客戶、監管機構、投資者和消費者等需求的過程中最大地減少適得其反的副作用。

◆ 生物材料產品類型決定終端市場和應用場景

并非所有生物材料都是平等創造的。除了簡單地降低成本和對環境的影響之外，生物材料公司還必須了解其產品的技術差異化以及銷售的價值鏈。這些因素的相對重要性在三種生物材料產品類型中各不相同，具有不同終端市場的不同應用場景，見下圖。

三種生物材料產品類型分別面向的最佳終端市場

◆Drop-ins 生物等換品：

這種生物基生產路線用于制造傳統上源自石化原料的產品，例如生物基聚乙烯。

「Drop-ins」是指在不改變工業操作的情況下，基本上可以等換現有產品中的化學品。

對于生物基等換化學品，與傳統石化路線相比，生命周期碳排放量減少 50%（或更多）是可能的，但這將根據生物基和石化路線的具體情況而有所不同。對于希望減少「范圍 3」 足跡的公司來說，這代表了一個重要的價值主張。成功采用 Drop-ins 的公司可以開發高效、具有成本競爭力（盡管不一定成本較低）的流程，并可以針對對綠色材料感興趣的特定客戶群。

Braskem給出的數據，每生產一噸生物基PE可從大氣捕捉2.5噸二氧化碳

◆ Bio-replacements 生物替代品：

對于這種產品類型，生物基化學品用于制造一種新材料，該材料在技術性能和成本等方面上與同類型石化產品基本一致，但顯著改善了環境影響，例如生物發酵來源的新型表面活性劑（用于洗滌劑）。

但這些也許是最難成功的產品，因為它們可能需要在整個價值鏈中進行復雜的改變，同時并不會提供技術上的差異化。該方面的成功需要敏銳地瞄準監管水平和測試障礙均較低的應用場景，并建立一個強大的面向消費者的市場策略。

◆ Bio-better 生物更優品：

獨特的生化合成路線可以產生全新的材料特性，例如生物技術衍生的光學薄膜。在這種情況下，技術優勢是接納產品的主要驅動力，還有提升環境形象的額外好處。傳統的特種化學品成功商業化的游戲規則基本上適用于這些產品。

此外，可持續性也提出了的許多新問題均需要通過創新來解決，這也是「Bio-better」可以著力的點，例如，不僅可以減少汽車中的碳排放且同時提供新的高性能的生物基化學品，或者通過新型可剝離粘合劑材料進一步提高車輛的可回收性，或者開發新型生物材料增加散熱來提升電池壽命并實現快速充電等。

4.生物材料想要成功需要什么

麥肯錫認為，堅持以下四項原則對于生物材料玩家在第三輪變革中獲得領導地位至關重要：

◆ 在成本和性能的基本面上表現出色，并與傳統的化工企業合作獲得更大的優勢

麥肯錫認為，對于圍繞新技術和制造過程出現的生物材料公司而言，產品形式的制定和商業化挑戰往往與對生物的理解沒有什么關系。然而，擁有傳統石化產品的老牌化工公司通常具有很強的商業應用能力和產品定制能力，并與主要客戶建立了密切聯系。將更環保（和新穎）的化學品與現有市場玩家的產品開發和市場準入專業知識相結合，可以產生更好的協同作用。

◆ 面向客戶，滿足細微需求的同時并應對不斷變化的可持續性疑慮

盡管溫室氣體排放目標是一個方向性指標，但在這些目標內部和外部存在細微差別。例如，公司如何定義「范圍 3」的 邊界將會影響生物材料的相對可持續性優勢。生物材料參與者必須認識到，隨著企業承諾隨著時間的推移而增加，其他通往更可持續材料的途徑也將隨之增加。

簡而言之，標準在上升，競爭在加劇。畢竟，其他材料也可以減少溫室氣體排放。為了保持優勢，生物材料參與者應利用生物技術發展的最新工具，并繼續優先考慮工藝創新，以實現各種 ESG 目標和可持續性標準。

◆ 通過「商業模式」和「需求承諾」降低投資風險

生物材料商業化中最常見的挑戰之一是為昂貴的資本項目融資，就像在石化領域一樣，這些項目可能耗資數億美元。鑒于首批工廠的投資風險更高，所以許多有前途的生物材料技術最終只存在于試驗規模。

消費品牌與生物材料公司之間的公開采購協議在工廠建成之前變得越來越普遍，這是降低不確定性和投資風險的一種簡單方法。因此，通過提前確定大部分計劃數量的承購，生物材料領域的玩家會使得商業模式更有吸引力。

◆ 向利益相關者提供關于可持續性屬性的清晰度和透明度

圍繞產品中的化學品和材料，公司和消費者會遇到各種各樣的標簽和品牌。「生物材料」一詞本身可能令人困惑，有時是指生物來源的材料，有時是指可生物降解的化石衍生產品。提高整個化學品和材料行業在標簽方面的一致性和協調性，有助于將對話從定義轉向優點和指標，使生物材料能夠在一個更清晰的競爭環境中競爭。