2023非粮生物质开发关键技术与产业结构解读

立足多维碳源擘画非粮蓝图Chapter 1 非粮生物质产业浪潮已至碳源迭代，引领生物产业大规模商业化04Chapter 3 非粮生物质推动产业发展与结构变革降本、扩张、提速、聚集，带来产业升级新范式123040展望41版权说明导语03Chapter 2 非粮生物质开发技术突破方向串联生物制造产业上下游的关键环节2023非粮生物质开发关键技术与产业结构解读 导语3“双碳”目标引领着广泛而深刻的变革，构建更加绿色可持续的生产制造模式成为未来发展的必然趋势，随着全球生物技术发展和产业升级的加速推进，生物制造成为实现这一转变的重要推动力。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。以非粮生物质为原料通过发酵的手段生产生物基材料，既是对秸秆等生物质高附加值的利用，也有力支撑“双碳”战略目标的实现。当前，生物基材料已形成一定市场规模、产业链已初步形成，但非粮生物质的开发尚未实现大规模技术突破，产业升级迭代潜力巨大。非粮生物质的开发有望成为生物基材料降本增效的关键环节，基于非粮碳源、通过发酵或催化实现生物基产品对石化基产品的替代和升级，成为提升生物基产品市场竞争力的重要途径。非粮生物质主要包括木薯等淀粉类经济作物、木质纤维素（如农作物秸秆、林业废弃物、薪炭林）等不是以粮食作为原材料的生物质资源。中国年产各类非粮生物质资源超过35亿吨，其中农业废弃物9.6亿吨、林业废弃物3.5亿吨，产量巨大且性质稳定，理论上是生物质资源利用中避免粮食消耗的最佳替代品。以木质纤维素为代表的非粮生物质是地球最为丰富的一种可再生资源，被认为是可持续能源和绿色化学工业的重要来源之一。非粮生物质开发作为串联生物制造产业上下游的关键环节，向上促进农业废弃利用、边际土地开发、农业育种；向下推动生物制造降本增效，助力生物基材料能源规模扩张。本报告聚焦非粮生物质开发关键技术，重点关注非粮生物质高效糖化、非粮生物质综合利用、酶与工业菌种开发，以及由非粮生物质利用带来的产业结构变革。 4非粮生物质产业浪潮已至Chapter 1生物质资源高效开发产业潜力巨大•生物质开发助力碳中和•横跨20年，全球生物质产业政策支持全面展开碳源迭代，非粮生物质引领大规模商业应用•边际土地利用与秸秆开发，助力粮食安全•全球非粮生物质开发模式•生物基材料成为非粮生物质产业应用的潮流方向生物质非粮生物质非粮生物基材料生物能源 生物质资源高效开发产业潜力巨大5生物质资源是全球最大的可再生资源，占可再生资源的55%，占全球供应的6%以上，从2010年到2021年，现代生物质资源的使用平均每年增长7%，且呈上升趋势。据国际能源署（IEA）预测，2021至2030年国际生物质利用规模将以每年10%的速度增长，到2030年50%的生物质资源的供应来自不需要土地使用的废物和残留物。当前中国生物质能总资源量达到37.95亿吨，开发潜力为4.6亿吨标准煤，生物质资源产生量呈不断上升趋势，到2030年中国生物质总资源量将达到37.95亿吨，到2060年我国生物质资源量将达到53.46亿吨。当前中国生物质资源真正转化为能源利用的不足0.6亿吨标准煤。中国生物质产值已达到10万亿规模，未来全球生物经济的规模预计可以达到30万亿美元，未来生物质产业发展潜力巨大。图1丨全球生物质资源供应（数据来源：国际能源署）*能源作物：包括常规能源作物、粮食能源作物和短周期木本作物*废物和残留物：包括农业残留物、食品加工、工业和城市废物流、林业和木材加工残留物4.9%12.9%19.6%4.6%12.8%50.6%14.1%13.3%9.8%25.1%24.4%0.0%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%201020202030（预测）能源作物*废物和残留物*林业种植传统利用手段传统利用手段林业种植废物和残留物*能源作物* 生物质开发助力碳中和62017年国际能源署（IEA）将生物资源描述为“最重要的可再生能源”。2021年9月，中共中央、国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出合理利用生物质能。2022年6月国家发展改革委、国家能源局等部门联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》，提出稳步推进生物质能多元化开发。据估计，全球植物每年光合作用产生的干物质高达1500-2000亿吨，是地球上唯一可超大规模再生的实物性资源。中国每年产生的农业作物秸秆有7亿多吨，相当于3.5亿吨标准煤，森林采伐加工剩余物1000多万吨，蔗渣400多万吨，但每年用于工业过程或燃烧的纤维素资源仅占2%左右，绝大部分还未被利用。到2030年中国利用生物资源将减碳超9亿吨，到2060年将减碳超20亿吨。生物质开发在减少化石资源使用、实现碳减排中发挥重要作用的途径主要涵盖能源、产品和过程三个方面：能源能源替代是最简单的生物质利用方式，如生物乙醇和生物柴油替代化石燃料；产品生物基化学品每1吨生产，可减少约300吨煤碳使用、近800千克二氧化碳排放；过程在工业过程中每使用1千克酶制剂，相比化学法可减排100千克二氧化碳。非粮生物基开发贯穿能源、产品、过程三大方面，堪称生物质资源利用中“尚未被完全开发的宝藏”。0.012.41.80.62.42.34.52.4432.44.6012345BECCS技术*化肥替代生物质液体燃料生物天然气生物质清洁供热生物质发电2030年减排能力2060年减排能力图2丨生物质各碳减排路径下碳减排量（单位：亿吨；数据来源：BEIPA）*BECCS技术即生物能源与碳捕获和储存技术 横跨20年，全球生物质产业政策支持全面展开7由于生物制造技术在资源节约和碳减排中的重要作用，世界主要国家均积极推进生物制造技术的发展和应用，生物制造已经得到全球范围内各界的广泛重视与支持。地区时间概述欧盟&英国2021年英国《工业生物技术报告：标准和法规的战略路线图》确定生物燃料、精细和特种化学品、塑料和纺织品等领域发展路线图2020年欧盟《战略创新与研究议程（SIRA2030）》报告，提出“2050年建立循环生物社会”的愿景2012年欧洲生物经济战略启动，旨在解决可再生生物资源的生产及其转化为重要产品和生物能源的问题美国2023年计划于5年内生产超过20种商业上可行的生物产品；20年内大规模取代当今90%以上的塑料和其他商业聚合物2022年启动《国家生物技术和生物制造计划》，斥资1.78亿美元用于生物能源研究，以推进可持续技术突破和改善碳储存2012年提出“国家生物经济蓝图”中将发展生物基产品作为发展生物经济的主要内容之一2000年颁布《生物质研发法案》为生物能源研发提供统一基准，要求采用财政和金融等手段鼓励生物能源研发中国2023年《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》引导大宗农作物秸秆及剩余物等非粮生物质的生物基材料产业创新发展2022年《“十四五”生物经济发展规划》提出生物基材料替代传统化学原料、生物工艺替代传统化学工艺等进展明显目标2012年国务院发布《生物产业发展规划》，推进生物基材料生物聚合、化学聚合等技术的发展与应用2001年国民经济和社会发展第十个五年计划纲要，提出深入加强沼气等新节能技术，以加强农村能源综合建设表1丨全球主要国家和地区生物质产业支持政策（来源：公开资料、DeepTech） 碳源迭代，非粮生物质引领大规模商业应用8生物质资源利用根据原材料和利用方式的区别，可以划分为三个代际技术迭代：第一代开发技术以粮食作物、糖类为原料，是当前阶段主要的生物质开发手段。工业上广泛应用的发酵原料是淀粉，淀粉主要存在于谷物籽粒和植物根茎，基于粮食原料的生物基开发可能造成“与粮争地”。第二代开发技术以非粮生物质为原料，主要包括木薯等淀粉类经济作物、木质纤维素（农作物秸秆、林业废弃物、薪炭林、木本油料林、灌木林）、有机生活垃圾、畜禽粪污、生活污水污泥等。中国年产农业废弃物9.6亿吨、林业废弃物3.5亿吨。第三代开发技术以生物细胞工厂利用大气中的二氧化碳来进行生物生产，其发展落后于现有生物制造技术路线，对生物固碳过程中涉及的各个步骤需要进行深入理解和优化，当前仍处于早期阶段，距离大规模产业应用尚有距离。以非粮生物质为核心的产业，通过不断迭代开发，技术积累已基本完备，将秸秆转化用于较高价值产品，成为开启非粮生物质大规模商业应用的关键技术。在可持续发展的趋势下，成为产业界越来越关注的领域。图3丨非粮生物质纤维结构（来源：Value-ChainofBiofuels） 边际土地利用与秸秆开发，助力粮食安全9在中国的粮食安全战略下，采取多种措施以确保粮食供应稳定，满足人民对粮食的需求。中国是全球生物发酵第一大国，当前各类生物发酵的原料仍以粮食为主，发酵产品年产量近2000多万吨，消耗粮食近5000万吨。中国生物基产品正向大宗产品渗透，粮食势必无法大量规模用于生物制造产业。发展“不与民争粮”的生物质碳源平台，是实现中国农业和生物制造业可持续发展的重要前提。开展盐碱地综合利用，是一个战略问题，必须摆上重要位置。要立足我国盐碱地多、开发潜力大的实际，发挥科技创新的关键作用，加大盐碱地改造提升力度，加强适宜盐碱地作物品种开发推广，有效拓展适宜作物播种面积，积极发展深加工，做好盐碱地特色农业这篇大文章。——2023年习总书记考察黄骅市旱碱地麦田边际土地的开发和秸秆的充分利用可以作为替代方案，促进生物发酵的可持续发展。边际土地是指那些不适合传统农作物生产的土地，如荒山、沙漠边缘、盐碱地等。通过合理开发利用这些土地，可以减少对肥沃农田的压力，保护和提高主要农作物的产量和品质。利用边际土地种植木薯等非粮作物，一方面为生物制造提供淀粉等原料，另一方面有利于对边际土地的改良，最终形成可用于粮食种植的耕地，助力粮食安全。农作物秸秆中国秸秆资源量巨大，2022年秸秆综合利用市场规模为2065.4亿元，同比上年增长6.41%。秸秆在传统农业生产中被视为副产品或废弃物，农作物秸秆的价格仅是粮食的十分之一，糖类物质含量与粮食籽粒相近（粮食约70%，秸秆约65%），产量巨大且性质稳定，同样是生物质资源利用中避免粮食消耗的最佳替代品之一。 全球非粮生物质开发模式10非粮生物质淀粉油脂纤维素生物乙醇平台化学品聚合物材料生物柴油生物乙醇脂肪酸糖化图4丨非粮生物质高效开发途径（来源：DeepTech）发酵美国利用产能过剩的玉米生产生物乙醇，通过财政补贴等形式提高农民收入，改进能源安全，但其他国家粮食作物结构情况难以效仿。直接燃烧/发电丹麦是世界上最早应用秸秆发电的国家之一，1988年建成了世界第一座秸秆生物燃料发电厂。德国推广固体成型技术，利用技术将秸秆压块，其燃烧值大幅提高，便于用户家庭取暖。意大利直接将秸秆资源经过处理成型生产出瓦楞状成型燃料。美国建立了350余个生物质发电站。发酵/生物能源巴西利用甘蔗和农作物秸秆资源生产燃料乙醇，该项技术位于处于世界先进水平。积极开展纤维素乙醇技术研发并初步实现试点生产和运营的国家还有美国、加拿大、意大利、英国等。粗放利用美国、加拿大将2/3左右的秸秆用于直接还田外，另有1/5左右的秸秆被用做饲料。德国沼气发电量已占全国发电总量的7.5%，开发沼气、堆肥等以沼气为纽带的秸秆循环利用模式。 生物基材料成为非粮生物质产业应用的潮流方向11中国生物基材料正处于科研开发走向产业化规模应用关键时期，2021年中国生物基材料产量700万吨、产值超过1500亿元，占化工行业总产值的2.3%，并在塑料制品、纺织纤维、医药器械、涂料、农业物资、表面活性剂等方面得到广泛应用。当前阶段生物基材料生产中培养基成本占60%以上，生物基材料成本普遍高出同类石油基产品30%以上，市场替代优势弱、推广应用难。以非粮生物质为原料，在技术突破的基础上，有望进一步降低生物基材料成本提升