2023非粮生物质开发关键技术与产业结构解读.pdf
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1、立足多维碳源擘画非粮蓝图2023非粮生物质开发关键技术与产业结构解读了了了 立足多维碳源立足多维碳源 擘画非粮蓝图擘画非粮蓝图Chapter 1 Chapter 1 非粮生物质产业浪潮已至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 Chapter 3 非非粮生物质推动产业发展与结构变革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展望展望41版权说明版权说明导语导语03Chapter 2 Chapter 2 非粮生物质开发技术突破方向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
2、与产业结构解读导语导语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
3、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。非粮生物质非粮生物质 主要包括木薯等淀粉类经济作物主要包括木薯等淀粉类经济作物、木质纤维素木质纤维素(如农作物秸秆如农作物秸秆、林业废弃林业废弃物物、薪炭林薪炭林)等不是以粮食作为原材料的生物质资源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、
4、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重点关注非粮生物质高效糖化、非粮生物质综非粮生物质综合利用合利用、酶与工业菌种开发酶与工业菌种开发,以及由非粮生物质利用带来的产业结构变革以及由非粮生物质
5、利用带来的产业结构变革。4非粮生物质产业浪潮已至非粮生物质产业浪潮已至Chapter 1Chapter 1生物质资源高效开发产业潜力巨大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生物质非粮生物质非粮生物质非粮生物基材料非粮生物基材料生物能源生物能源生物质资源生物质资源高效开发产业潜力巨大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
6、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
7、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
8、“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206
9、0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 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2
10、030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横跨2020年,年,全球全球生物质产业政策支持全面展开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。地区地区时间时间概述概述欧盟&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(SIRA 2030)报告,提出“2050
11、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
12、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:第一代开发技术第一代开发技术以粮食作物、糖
13、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
14、距离。以非粮生物质为核心的产业以非粮生物质为核心的产业,通过不断迭代开发通过不断迭代开发,技术积累已基本完备技术积累已基本完备,将秸秆转化将秸秆转化用于较高价值产品用于较高价值产品,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。在可持续发展在可持续发展的趋势下的趋势下,成为产业界越来越关注的领域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-Chain of Biofuels)边际土地利用与秸秆开发,助力粮食安全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
15、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
16、案,促进生物发酵的可持续发展。边际土地边际土地 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
17、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全球非粮生物质开发模式10非粮生物质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。直接燃烧直接燃烧/发电发电丹麦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。意大利意大利直接将秸秆资
18、源经过处理成型生产出瓦楞状成型燃料。美国美国建立了350余个生物质发电站。发酵发酵/生物能源生物能源巴西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美国、加拿大加拿大、意大利意大利、英国英国等。粗放利用粗放利用美国美国、加拿大加拿大将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。生物基生物基材料成为非粮生物质产业应用的潮流方向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
19、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竞争力。同时,非粮生物质标准化采收保存、工业菌种与酶蛋白功能元件制备、非粮生物质高效糖化等关键平台技术正处于攻关爬坡阶段,将产生巨大的商业机会。图5丨中国生物基材料产业(数据来源:工信部)工业和信息化部:工
20、业和信息化部:中国中国生物基材料产业发展迅速,构建了较为完整的产业技术体系,产业规模不断扩大,骨干企业逐步壮大,重点产品应用渐广。但目前生物基材料主要还是基于粮食原料。由于我国人均耕地、粮食保有量与部分资源丰富国家相比差异很大,虽然我国粮食连年丰收、供应充裕、市场稳定,若是基于粮食原料发展生物基材料也难以为继,必然面临“与民争粮”“与畜争饲”等矛盾。因此,我国发展生物基材料,必须树立并贯彻“大食物观”,实施“藏粮于技”战略,将传统意义上“非粮生物质”转换为发展生物基材料的原料,防范化解“与民争粮”“与畜争饲”等矛盾,间接提高我国单位耕地“粮食”产出,为端牢中国饭碗再贡献一份力量。2021202
21、1年年力争到力争到20252025年年中国生物基材料产量中国生物基材料产量700700万吨万吨产值超过产值超过15001500亿元亿元占化工行业总产值占化工行业总产值2.3%2.3%形成骨干企业形成骨干企业5 5家左右家左右建成生物基材料产业集群建成生物基材料产业集群3 3-5 5个个12非粮生物质开发技术突破方向非粮生物质开发技术突破方向Chapter 2Chapter 2非粮生物质开发全产业链技术路线非粮生物质开发全产业链技术路线源头:边际土地开发是扩大生物碳源的有效途径上游:秸秆收储运规模化困难,糖平台原料未来可期中游:4大技术难点突破助力产业大规模应用高效糖化 除抑制物 解碳阻遏 综合
22、开发下游:非粮生物质赋能高效开发下游产品相关研究学者相关研究学者非粮生物质开发全产业链技术路线非粮生物质开发全产业链技术路线13秸秆等纤维素非粮生物质原料秸秆等纤维素非粮生物质原料酶解葡萄糖葡萄糖(C6C6)原料分离预处理纤维素纤维素半纤维素半纤维素木质素木质素造纸纺织品纳米纤维秸秆混合糖秸秆混合糖(C5+C6C5+C6)活性炭碳纤维生物树脂芳香族化合物有机肥其他原料其他原料油脂蛋白质无机盐果胶木糖木糖(C5C5)木薯等淀粉基木薯等淀粉基非粮生物质原料非粮生物质原料酶解酶解糠醛糠酸呋喃聚酯(PEL)乙醇工业乙醇燃料乙醇乳酸PLA有机酸类有机酸类氨基酸类氨基酸类维生素类抗生素类PHA等醇类醇类其
23、他其他柠檬酸丁二酸苹果酸乳酸PBSPLA等戊二胺尼龙乙醇乙二醇丁二醇丙二醇PETPBTPTTTMC聚碳酸酯异氰酸酯聚氨酯赖氨酸纺织纺织涂料涂料胶黏剂胶黏剂发泡剂等发泡剂等纤维纤维塑料塑料工程材料工程材料生物涤纶生物涤纶生物能源生物能源图6丨非粮生物质高效开发技术路线(来源:DeepTech)上游收储运中游糖化发酵下游产物合成源头育种改良优良农作物品种选育优良农作物品种选育边际土地开发利用边际土地开发利用非粮生物质开发全产业链技术路线非粮生物质开发全产业链技术路线14过去的生物制造中,产业界更加偏好原料的易用性,淀粉成为生物制造中理想的高分子糖,玉米、小麦等淀粉含量较高的粮食作物成为优先选择,为
24、微生物提供碳源。随着生物制造产业由高附加值的小品类下沉至大宗市场,原料的成本成为限制其规模的重要因素,非粮生物质开发成为了重要的选择方案。良种选育良种选育 耐盐碱 抗旱 高产新品种边际土地利用边际土地利用 土壤改良 生物肥料施用源头育种改良源头育种改良关键酶开发关键酶开发生物质糖化生物质糖化菌种开发菌种开发发酵技术发酵技术产物提取纯化产物提取纯化中游糖化发酵中游糖化发酵化合物化合物 中间化合物 平台化合物产品产品 塑料/聚合物 溶剂 表面活性剂下游产物合成下游产物合成图7丨非粮生物质开发产业链(来源:公开资料、DeepTech)秸秆收运秸秆收运 分散模式 集中模式秸秆储存秸秆储存 干储 湿储上
25、游收储运上游收储运源头育种改良源头育种改良是解决生物质来是解决生物质来源的重要手段源的重要手段,开发适应边际土地的非粮糖源、淀粉等作物,为生物制造提供稳定的高质量碳源。上游秸秆收储运目的是有效管理和利用农作物秸秆资源,包括将其从田间收集到集中储存,并通过适当的运输手段将其运送到利用或加工的目的地。在实际操作中,需要考虑到产量、收集和储存设施的可行性,以及运输成本和效率等因素,综合考虑选择合适的收储运方案。中游糖化发酵日益凸显产业链关键环节价值中游糖化发酵日益凸显产业链关键环节价值,上游供给充足但高值化利用不足,下游产业链成熟但成本居高,中游原料来源的复杂性会使技术的复杂度提升,以技术手段解决痛
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