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生物制造將催生革命性變化

由于更具成本和環(huán)保優(yōu)勢，在生物燃料、生物基化學(xué)品、生物基材料、生物制藥、食品行業(yè)、酶制劑等領(lǐng)域，生物制造前景廣闊

在全球積極推動可持續(xù)發(fā)展的大背景下，生物制造產(chǎn)業(yè)正逐漸成為實現(xiàn)綠色低碳目標的關(guān)鍵力量。近年來，生物制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，生物基材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)也在加快創(chuàng)新，預(yù)示著合成材料產(chǎn)業(yè)依賴化石資源的局面將會發(fā)生革命性的變化。

充分利用非糧生物質(zhì)資源發(fā)展可持續(xù)的生物基材料，既是合成材料產(chǎn)業(yè)降碳的有效途徑，又是合成材料產(chǎn)業(yè)向綠色、高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。

我國高度重視生物基產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將其視為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和實現(xiàn)“雙碳”目標的重要支撐。近年來，相關(guān)政策密集發(fā)布，形成了從戰(zhàn)略規(guī)劃到行動方案的政策體系。從產(chǎn)業(yè)布局看，發(fā)達地區(qū)領(lǐng)航生物制造并各具特色。從產(chǎn)業(yè)鏈看，生物制造正從傳統(tǒng)生產(chǎn)方式向先進生物制造/合成生物制造演進。從應(yīng)用領(lǐng)域看，生物制造持續(xù)突破，產(chǎn)業(yè)化品種不斷增加。

生物制造主要有六大應(yīng)用領(lǐng)域。生物燃料方面，包括生物乙醇、生物柴油等在內(nèi)的全球生物燃料市場規(guī)模已達千億美元級，且年均復(fù)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(shù)（核心技術(shù)為氣體連續(xù)生物發(fā)酵技術(shù)），將含一氧化碳/二氧化碳的工業(yè)尾氣轉(zhuǎn)化為生物乙醇及蛋白等高價值產(chǎn)品。其一代技術(shù)固碳率33%，二代技術(shù)固碳率達100%，生產(chǎn)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(chǎn)全球首套含一氧化碳鋼鐵尾氣工業(yè)示范裝置，目前擁有并運營4家工廠，合計產(chǎn)能21萬噸/年乙醇、2.3萬噸/年蛋白。目前，該公司正在內(nèi)蒙古地區(qū)籌建國內(nèi)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(chǎn)。

生物基化學(xué)品方面，大宗化學(xué)品正由傳統(tǒng)化工工藝向生物制造演進，行業(yè)內(nèi)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(huán)保優(yōu)勢將更為明顯。比如，在有機酸領(lǐng)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(xiàn)萬噸級規(guī)模生產(chǎn)，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(yè)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(zhì)作為發(fā)展生物基材料的原料，加快建立高質(zhì)量、可持續(xù)的供給和消費體系。根據(jù)經(jīng)合組織報告，2030年全球?qū)⒂写蠹s5%的化學(xué)品和其他工業(yè)產(chǎn)品來自生物制造，其中20%的石化產(chǎn)品（約8000億美元）可由生物基產(chǎn)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(jié)構(gòu)調(diào)整下的重要轉(zhuǎn)型方向。

生物制藥方面，我國還處于發(fā)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(yī)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(yè)方面，生物制造正顛覆傳統(tǒng)方式，替代蛋白或?qū)⒂瓉砬熬啊Ｉ镏圃焱ㄟ^細胞工廠生產(chǎn)淀粉、蛋白、油脂及其他營養(yǎng)功能因子，將顛覆現(xiàn)有食品的生產(chǎn)與加工方式，擺脫人類所需營養(yǎng)素及天然化合物對資源依賴和以環(huán)境破壞為代價的發(fā)展。麥肯錫預(yù)計，隨著合成生物技術(shù)突破，2023～2030年替代蛋白領(lǐng)域?qū)⒂瓉碇卮笸黄疲?030～2040年功能性營養(yǎng)組分、細胞培養(yǎng)肉等領(lǐng)域?qū)⑴畈l(fā)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(shè)計和改造，創(chuàng)造高性能工業(yè)酶、降低生產(chǎn)成本、提升產(chǎn)業(yè)競爭力。我國飼用酶制劑產(chǎn)量占全球的14%，但在工業(yè)酶制劑領(lǐng)域落后國際領(lǐng)先企業(yè)，未來應(yīng)立足創(chuàng)新驅(qū)動，向高端酶制劑領(lǐng)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(zhàn)略地位，在航空航天、國防軍工等領(lǐng)域均有大量應(yīng)用。我國橡膠年消耗量已突破千萬噸，總產(chǎn)值超過1萬億元。高性能化、功能化和綠色化是重點發(fā)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(guān)注合成橡膠的可持續(xù)發(fā)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(xù)來源，2050年這一比例提高至100%，所有工廠實現(xiàn)碳中和。美國固特異輪胎公司計劃2030年推出首款100%可持續(xù)輪胎。德國大陸輪胎公司開發(fā)的蒲公英橡膠輪胎已實現(xiàn)商業(yè)化。

北京化工大學(xué)研制的生物基橡膠原料選擇產(chǎn)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(xué)品之一。具體工藝路線為：采用生物發(fā)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(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，用其制備的輪胎抗?jié)窕院凸?jié)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(xué)還與企業(yè)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(lǐng)域也有良好前景。

我國原創(chuàng)生物基合成橡膠品種的開發(fā)，有助于打破我國合成橡膠缺乏原創(chuàng)產(chǎn)品、長期處于追趕和模仿國外產(chǎn)品的現(xiàn)狀。

在生物基橡膠方面，國內(nèi)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(tǒng)聚合路線合成傳統(tǒng)生物基橡膠，其優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)性能與傳統(tǒng)橡膠一致，無須進行市場驗證；不足是成本高、產(chǎn)能低，僅實現(xiàn)生物基，無法生物降解。

國內(nèi)則以生物基醇酸單體為原料，設(shè)計合成新型的生物基橡膠，其優(yōu)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(jié)構(gòu)、新性能需要市場接受周期。

張立群院士領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)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(chuàng)了全球唯一生物基可降解橡膠產(chǎn)品系列，成功用于耐油、聚氯乙烯增塑、聚乳酸增韌等領(lǐng)域，還開發(fā)了高分子量、交聯(lián)速度可控的丁烯二醇基生物基可降解橡膠，聯(lián)合玲瓏輪胎試制出全球首批生物基可降解輪胎，聯(lián)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(fā)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(wěn)中向好，裝機量穩(wěn)步提升，我國年裝機量全球第一，發(fā)電量占比已超12%。目前，海上風力發(fā)電的度電成本已基本與火電持平，未來隨著技術(shù)進步和規(guī)模化發(fā)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(fā)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(jīng)歷了從木質(zhì)到金屬再到復(fù)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(fù)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(guān)。

大型化和低碳化是風電葉片未來的發(fā)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(guān)鍵的技術(shù)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(fā)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(fù)合材料綠色回收的關(guān)鍵研發(fā)對象。目前的主流選擇是環(huán)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(huán)氧樹脂，有環(huán)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(guān)鍵材料，傳遞結(jié)構(gòu)載荷并維持葉片結(jié)構(gòu)完整性。結(jié)構(gòu)膠方面，環(huán)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(jié)構(gòu)，填充葉片內(nèi)部空間，主要有三類材料。輕木90%產(chǎn)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(fā)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(wěn)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(zhì)、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(chǎn)品穩(wěn)定性提升和成本不斷降低，碳纖維已經(jīng)“用得起”了。2024年風電市場碳纖維需求激增，實現(xiàn)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(lǐng)域。預(yù)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(gòu)（膠衣/底漆/面漆）實現(xiàn)物理隔絕與化學(xué)防腐，依托材料改性技術(shù)抵抗動態(tài)損傷。綜合考慮保護性能、施工便捷性、經(jīng)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(fā)展趨勢是高性能、低成本、低碳綠色，如高性能高分子發(fā)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(xiàn)全可回收葉片等。其中，可回收樹脂技術(shù)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(nèi)首套可回收熱固性樹脂葉片完成下線。

新工藝提升傳統(tǒng)化學(xué)品含綠量和含金量

延長中科的甲醇制乙醇技術(shù)，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(tǒng)能源化工領(lǐng)域，不斷創(chuàng)新的工藝路線有力提升了傳統(tǒng)化學(xué)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(xué)品。全球乙醇年產(chǎn)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(yōu)質(zhì)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(chǎn)量基本維持穩(wěn)定，乙醇汽油也未能進一步擴大覆蓋面。

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

其技術(shù)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(shù)特點是：兩步轉(zhuǎn)化實現(xiàn)合成氣的高效利用，反應(yīng)條件溫和易于規(guī)模化，常規(guī)催化有效降低成本，煤炭轉(zhuǎn)化避免“與人爭糧”。

延長石油投資建設(shè)了全球首套煤基乙醇10萬噸/年工業(yè)示范裝置，目前月度利潤在1000萬元以上。DMTE技術(shù)已實現(xiàn)國內(nèi)外技術(shù)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(lǐng)域，還廣泛用于合成涂料、黏合劑、潤滑劑等。

目前全球MMA產(chǎn)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(nèi)產(chǎn)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(huán)境不友好，技術(shù)相對落后。碳四法工藝復(fù)雜，生產(chǎn)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(chǎn)率，但技術(shù)不對我國轉(zhuǎn)讓。

三力中科研發(fā)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(chǎn)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(chǎn)權(quán)，成本較低，產(chǎn)品純度高，可滿足高端領(lǐng)域應(yīng)用。