生物质是植物通过光合作用生成的有机物，它包括植物（也包括海洋植物）、动物及其排泄物、垃圾及有机废水等几大类。生物质是太阳能最主要的吸收器和储存器，生物质通过光合作用能够把太阳能富集起来，储存于有机物中，这些能量是人类发展所需能源的源泉和基础。

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，它是地球上最为丰富的可再生资源，被认为是可持续能源和绿色化学工业的重要来源之一。

1、塑料，也能来自天然

塑料，也就是高分子聚合物，自从以石油为原料的工业合成的技术发明后，就以其独特的可塑性、透明度、手感、韧性等诸多优势，迅速在全球普及开来，成为人们日常生活中不可替代的存在。

乍听塑料的名字，人们容易将其与《禁塑令》中的白色污染形象相关联。殊不知，高分子聚合物本就源起天然树脂，它们并非完全来源石油，也并非都不环保。

所有的高分子聚合物，都能基于“是否来自石油”，以及“是否可在自然环境中降解”被分成如下图所示的四大类：

并非所有塑料都来源于石油，也并非所有塑料都是不可降解的。只有不可降解的材料，才是环境的最大杀手，也就是人们常说的白色污染。为了满足非石油来源的双碳要求，我们把目光放在了那些由自然物质生成，且可被降解的塑料上。

2、PHA

PHA（聚羟基脂肪酸酯）被视为最有未来潜力的材料选择。

这是一类早已在自然界微生物细胞中广泛存在的天然聚合物。1926年，一个叫 Lemoigne 的法国人在巨大芽孢杆菌中发现了一种天然高分子材料。

随着人们对 PHA 的研究加深，发现它竟然能在相当多的微生物菌株里自然合成，以储存能量。人们发现，这类叫PHA的材料已经在地球上存在了十亿年以上，并且在某些微生物的野生菌株体内，PHA 含量甚至可以达到70%，天然具备生物相容性。

PHA 作为微生物的一种储存能量的形式，天然可降解是它的第一性。在土壤和水体环境中，通常3-6个月时间就足以让 PHA 消失得无影无踪，而这个过程，传统塑料可能需要数百年。

后来人们借自然界合成 PHA 的方式，利用合成生物学技术不断筛选、迭代生产 PHA 的菌株，让它们在精密设计的工业产线中，也能在体内源源不断生产 PHA，并逐渐提高合成效率，彻底为人所用。

它源于自然，又能归于自然，还有什么能比它更环保的呢？

更难能可贵的是，PHA 在海洋中也保持了这种优异的降解特性，其海洋降解率与纸和棉麻中的纤维素降解率持平，而另一种也被认为是可降解塑料的 PLA（聚乳酸），海洋降解率几乎为0。

PLA 是目前另一种被产业界关注的高分子聚合物，作为以淀粉为来源的产品，在工业堆肥环境下的降解性能优于传统塑料。只可惜自然界并不天然提供工业堆肥的生物环境。本质上看，堆肥降解就是在微生物作用下发生的化学及酶促水解反应，这对环境中的温度、湿度和特异微生物数量都有一定要求。但这些条件在自然环境中很难满足，尤其在高盐、低温的海洋环境中，并不存在这样的条件。

因此，2019年6月5日欧洲议会和理事会发布《关于减少某些塑料制品对环境影响的指令（EU）2019/904》，委员会出台《关于一次性塑料制品的指南》。明确建议 PBAT 和 PLA 等人造高分子聚合物不能用于制造一次性用品或添加到天然纤维中。

为响应号召，今年6月，全球乳酸巨头 Corbion（科碧恩）公司甚至宣布，终止其在法国的10万吨 PLA 项目建设 。起码目前可以这样认为，截至目前，完全生于自然，也能归于自然的 PHA，就是全域可降解高分子材料的终极方案。

3、BDO

目前全球生物基产能为7.5万吨/年左右。海外厂商分别为意大利Novamont和德国巴斯夫，产能均为3万吨/年，均采用Genomatica公司研发的一步法生产工艺，其生产的生物基BDO自用，用于制造生物基PBAT，不对外出售。山东元利化学是国内唯一一家生物基BDO厂商，产能约为1.5万吨/年，所使用的原料生物基丁二酸采购于山东兰典生物科技，产能约为3万吨/年，生产工艺为两步法。

1）生物基BDO生产工艺

一步法：也叫直接发酵法，将糖类物质与水、无机盐和微生物混合在一起，通过微生物的发酵过程，将糖类物质直接转化为BDO。

一步法生产工艺主要由Genomatica公司掌握，它通过在筛选过的大肠杆菌群中引入一个或多个编码DNA使其具有 4–HBCoA 或腐胺途径酶，从而满足BDO生物合成的代谢设计。此外，Genomatica还发明了一种用于增强甲醇还原当量的代谢途径，通过提高还原用甲醇当量从而进一步提高BDO的产率。一步法的原料目前主要使用小麦秸秆和玉米秸秆。

两步法：两步法利用微生物发酵将葡萄糖转化为丁二酸，再用生成的生物基丁二酸来生产BDO。两步法生产工艺由中国科学院研发。

2）生物基BDO厂商情况

除了现有的产能外，一些企业也开始布局生物基BDO。

山东兰典生物科技拟新建2万吨/年生物基BDO产能，使用自己生产的生物基丁二酸，工艺是两步法。

2021年6月，美国Cargill与德国Helm合资成立Qore®，并在美国建立首个商业规模的生物基BDO装置，预计总投资3.0亿美元，将生产6.5万吨/年的生物基BDO，计划于2024年投入运营。

金发科技于2022年成立辽宁金发生物材料有限公司，积极布局生物基单体及生物基材料技术研究，稳步推进1万吨/年生物基BDO项目建设，项目预计2023年底投产。

3）生物基BDO的商业化应用

生物基PBAT：

从当前产能的应用情况来看，生物基BDO主要应用于制造生物基PBAT。巴斯夫和Novamont生产的生物基均自用不外售，以生产生物基PBAT。

在中国，由于近年来的禁限塑政策，PBAT作为可降解塑料袋的重要材料，该行业的发展速度惊人，已经形成了较为完整的产业链。而这些PBAT是化石基的产品，其原料BDO、AA（己二酸）等也都是化石基。

那么，为何有些企业选择用生物基BDO生产生物基PBAT呢？据悉，欧盟对PBAT制成的生物降解膜袋，要求达到一定的生物基含量(60%）。目前因为生物基BDO产能未得到大幅提升，标准执行并不严格。但随着产能进一步提升，生物基BDO仍具有投资前景。

生物基氨纶：

2022年9月，为纺织服装行业开发创新纤维和技术解决方案的全球领导者莱卡公司，宣布已与Qore®签订协议，成为全球首个大规模使用新一代的1,4-丁二醇(BDO）QIRA®作为主要原料进行生物基氨纶商业化生产的公司。

通过这次合作，LYCRA®（莱卡®）纤维70％的成分将来自每年可再生的原材料。与由化石燃料的原料所制成的同等产品相比，这一变化有望将LYCRA® (莱卡®)纤维的碳足迹最高减少44％，同时保持与传统 LYCRA® （莱卡®）纤维相同的高质量性能参数。

4、发展“不与民争粮”的生物制造势在必行

据国际能源署（IEA）预测，到2030年，50%的生物质资源的供应来自不需要土地使用的非粮生物质。

作为全球生物发酵第一大国，当前我国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t，消耗粮食近5000万t。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。

非粮原料合成生物学属于第二代生物质资源利用技术范畴，核心原料为以农作物秸秆为代表的非粮生物质。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，同比增长率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为粮食十分之一，糖类物质含量却与粮食籽粒相近（粮食70% vs. 秸秆约65%），产量巨大且性质稳定，是生物质资源利用中避免粮食消耗的最佳替代品之一。

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。

同时，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。因而，发展“不与民争粮”的非粮生物质资源高值化利用技术具有重要意义。

文章来源： 生物基生态，虎嗅，南通润丰石油化工