2023非粮生物质开发关键技术与产业结构解读.pdf

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、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 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。20212021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，以技术手段解决痛点，有助于打通上下游产业链。中游碳源的供给成为关键平台原料，秸秆糖化的技术突破，是大规模产业应用的关键。生物基下游产业技术路线已基本建立，而以非粮生物质为出发点的生物制造尚未形成规模，与现有工艺技术进行耦合衔接亟待突破。边际土地开发是扩大生物碳源的有效途径边际土地开发是扩大生物碳源的有效途径15随着生物制造产业的迅速发展，对大量碳源的需求日益增长，传统的粮食作物供应已经无法满足这一需求，实现可持续发展的根本途径之一是扩大供给，以满足不断提升的产业需求。当前生物制造产业仍以淀粉为主，为了更好与现有生物制造产业衔接，开发边际土地种植淀粉类非粮作物，成为从源头扩充产能的重要手段。盐碱地盐碱地在中国的总面积为5.4亿亩，其中耕地中盐碱化面积达到1.3亿亩，占全国耕地面积6.62%，主要分布在北方地区以及长江以北沿海地带。主要包括两种类型：第一类是盐碱障碍耕地，主要种植作物有粮食作物、大豆、甜菜、牧草等，但产量效益均不稳定；第二类是尚未进行农业利用的盐碱地，生产开发潜力较大。自然食物生产开发自然食物生产开发，针对当地自然生态系统中的菌类、植物、动物产品等进行采集，食物资源密度较小。盐碱土壤治理盐碱土壤治理，通过洗盐过程减轻土壤盐分，配套微生物菌剂改良土壤、精准施肥、农业病虫害防控等。抗逆农业育种抗逆农业育种，通过筛选和培育耐盐、耐旱的粮油作物、饲草与经济作物进行种植，在不增加工程和改良材料投入的前提下有效扩增盐碱地的农作物数量和种类。未来技术方向未来技术方向CRISPR技术可以准确地编辑目标基因或调控序列，目前已被广泛用于小麦、水稻、烟草和拟南芥等多种植物，展现出强大的克服农业育种各项挑战的潜力。CRISPR技术在耐盐作物育种中的几个应用方向包括：关键基因的精确编辑、转录因子的调控、潜在基因功能验证和筛选、引入抗性相关基因等。秸秆收储运规模化困难，糖平台原料未来可期秸秆收储运规模化困难，糖平台原料未来可期16在边际土地利用和农作物育种外，非粮生物质的开发另一个重要领域是农作物秸秆的利用。尽管目前秸秆利用仍然面临一系列问题，但秸秆在糖含量和可获得性方面有着巨大的优势，具有开发的重要意义。若将中国半数被浪费的田间作物秸秆利用起来，可以生产约五千万吨以上的乙醇。粮食糖含量粮食糖含量 淀粉成分：淀粉成分：7070%-糖苷键聚合 非淀粉成分：非淀粉成分：3030%外壳、米糠、灰分秸秆糖含量秸秆糖含量 纤维成分：纤维成分：6565%-糖苷键聚合 非纤维成分：非纤维成分：3535%木质素、灰分目前国内秸秆收储运模式主要以分散性收集和集中性收集为主，产生差别的原因主要是由于地理位置以及当地的经济发展水平。秸秆收储运主要有三大环节：收集，储藏，运输。图8丨秸秆收储运系统流程（来源：河南农大）未来技术方向未来技术方向受限于秸秆密度低、易燃的特性，不适用于长距离运输，可预见未来秸秆处理不具备超大型集中工厂的条件，生产企业宜逐产地建厂，但秸秆处理产品秸秆糖可以集中收储与运输，未来糖原料或将成为市场主要需求。4 4大技术难点制约非粮生物质大规模应用大技术难点制约非粮生物质大规模应用17当前非粮生物质的工业应用大多局限于生产乙醇等低值产品，难以形成较高的利润空间，普遍难以实现商业化运作。由于非粮生物质中农作物秸秆及农业剩余物中含有大量的纤维素，在原料预处理、糖化和发酵效率等方面难度更大，如何实现高效、低成本的综合开发成为非粮生物质产业化应用的关键问题之一。秸秆与其他木质纤维素（如木材等）类似，其中约65%为纤维素成分，同时还含有半纤维素和木质素。纤维素纤维素是组成植物细胞壁的主要成分，由几百至几千个-1,4糖苷键连接的葡萄糖单元组成，是自然界中最丰富的有机聚合物，蕴藏着植物界50%以上的碳。半纤维素半纤维素是由戊糖（木糖、阿拉伯糖等）和己糖（葡萄糖、甘露糖）组成的异质多聚体，其中木聚糖为主要组成部分。木质素木质素是一种天然的酚类高分子化合物，通过共价键与半纤维素连接，含有丰富的芳环结构、脂肪族和芳香族羟基以及醌基等活性基团。秸秆高效糖化困难秸秆高效糖化困难大多数发酵用菌株因缺乏相应地纤维素、半纤维素、木质素水解酶，几乎无法直接利用此类多糖合成产物，因此需要通过预处理降解多糖，以释放可发酵糖类（木糖、葡萄糖、阿拉伯糖和甘露糖等）。高分子量和复杂的大分子结构使非粮生物质中纤维素的降解分离和低成本处理及综合利用成为制约生物质能源利用的关键，需要通过许多转化方法进行糖化。同时，当使用纤维素酶降解木质纤维素时，分解出的纤维二糖、葡萄糖等会对酶解产生较强的反馈抑制作用，更有效和更具成本效益的酶的开发进展缓慢。微生物生长抑制物微生物生长抑制物在非粮生物质预处理过程中除产生微生物可利用的碳源外，还会产生多种抑制微生物生长的有机抑制物如弱酸、醛和酚等。若采用酸/碱预处理，残留的无机离子也会对微生物生长产生抑制作用。4 4大技术难点制约非粮生物质大规模应用大技术难点制约非粮生物质大规模应用18副产物即在生产过程中伴随目标产物产生的物质，副产物的产生会降低整体底物利用率，甚至产生抑制物。以发酵法生产乳酸举例，利用葡萄糖为原料生产乳酸，可以完全转化，无副产物；利用木糖等五碳糖作为底物，将产生乙酸或乙醇等副产物，此时乳酸最大得率仅为60%，不仅降低生产效率还会增加下游分离纯化成本。高效综合开发高效综合开发面对非粮生物质开发问题，学术界与产业界均在积极寻找解决方案，如为了缓解抑制物对微生物的毒害作用，探索与了预处理液脱毒、改变发酵工艺或筛选出具有耐抑制物能力的生产菌株等方案。通过非粮生物质的降解分离通过非粮生物质的降解分离和低成本处理及综合利用开发和低成本处理及综合利用开发，很大程度上将会打造全新的利用很大程度上将会打造全新的利用生物质资源的供应链生物质资源的供应链，具有广阔具有广阔的市场价值和应用前景的市场价值和应用前景。目前工业生产菌株大多基于粮食原料开发，依赖于葡萄糖或淀粉，若对木糖等五碳糖的利用不佳，会出现碳代谢阻遏现象，即葡萄糖被优先利用，直到葡萄糖耗尽才开始利用其他糖，使得部分糖在发酵结束时未被利用，从而降低发酵效率。此外，不同来源的秸秆成分差别巨大，故而水解液中糖的组成也千差万别，对工业菌株的开发造成一定困难。碳代谢阻遏碳代谢阻遏图9丨非粮生物质利用存在的问题乳酸为例（来源：Journal of Biotechnology）利用生物质发酵的先决条件是高浓度的可发酵糖。纤维素作为植物细胞壁的主要成分，自然界中具有支撑作用，故结构紧密难以降解。高效糖化成为大规模非粮生物质利用的关键问题。当前基本的预处理方法主要有三类：物理法、化学法和酶解法。物理法物理法主要通过粉碎减小生物质颗粒尺寸，常见的物理法大致可分为机械破碎和高能辐射两大类，包括研磨、热解和蒸汽爆破等，有效减少颗粒尺寸以及降低木质纤维素的聚合度，从而增加纤维素酶的附着表面积。化学法化学法主要用于降解或分离木质纤维素结构，常见的化学法有酸法、碱法、有机溶剂等，酸法通过溶解纤维素外包裹的半纤维素结构，打开木质纤维素的结构，降低一定的结晶度，来增加纤维素的可及性。碱法可对木质素有明显溶解作用。但会面临化学试剂消耗高、高污染、高耗能的问题。生物法生物法预处理因其能耗低、环境条件温和而被认为是一种环保的木质素降解方法，降解机制主要是基于微生物释放的分泌物，包括木聚糖酶、果胶酶、甘露聚糖酶、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和阿魏酸酯酶等，这些分泌物使纤维多糖原料基质更容易降解。然后通过洗涤消除部分抑制作用，为后续酶解提供了性能良好的底物。高效糖化：多重策略预处理成为技术突破方向高效糖化：多重策略预处理成为技术突破方向19任何单一方法都无法使原料完全降解，有学者尝试联合使用多种预处理方法*，增强对生物质结构的破坏，提高预处理和酶解效率、缩短转化时间，从而有效地促进糖的生成。联合使用汽爆预处理、周期性仿生蠕动、分批补料补酶的方案。汽爆去除了部分半纤维素、增加了纤维素的相对含量、减少了酶活性抑制物的产生；周期性仿生蠕动提高传质效率，缩短液化时间；通过分批补料补酶，减少酶的添加量。图10丨秸秆酶解多重增强策略（来源：Applied Biochemistry and Biotechnology）*参考资料：10.1007/s12010-022-03969-7未来技术方向未来技术方向高效糖化：纤维素酶水解活性成为研究核心高效糖化：纤维素酶水解活性成为研究核心20酶解是实现木质纤维素原料水解糖化的最主要的一步，酶解的效率决定木质纤维素糖化效率，如何提高酶解的效率成为了木质纤维素生物质资源利用的关键。纤维素酶主要由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶以及-葡萄糖苷酶三种酶组成，使纤维素降解为纤维二糖和葡萄糖；一些辅助性的酶，如葡萄糖醛酸酶、乙酰酯酶、木聚糖酶、-木糖苷酶、半乳甘露聚糖酶和葡萄糖甘露聚糖酶也可催化降解半纤维素。在众多水解方法中，酶解法的反应条件温和、副产物少、无环境污染。络合络合在纤维素酶催化结构域的活性位点内络合纤维素表面微纤维水解水解催化结构域活性位点内糖苷键的水解，以释放溶解的产物。水解效率取决于有效结合的纤维素酶比率解吸附解吸附纤维素酶从固体表面转移到液相。酶活性可能会由于变性或与底物的不可逆结合而下降吸附吸附游离纤维素酶与纤维素表面结合，由碳水化合物结合模块介导图11丨纤维素酶水解纤维素过程（来源：DeepTech、Biotechnologyand bioengineering）底物浓度：提升底物浓度增加反应速率和产率，但底物浓度过高会引起底物抑制；底物结构特征：受预处理影响较大，包括纤维素结晶度、纤维素聚合度；木质素脱除率：木质素与纤维素酶结合导致纤维素酶无效吸附，抑制水解；水解产物浓度：葡萄糖、木糖等对酶活性有糖反馈抑制作用;水解反应条件:如温度、pH值等，影响酶分子结构和酶动力模型；综合成本：随酶使用量的提高催化效率提升减缓，需综合投入产出比计算用酶量。纤维素酶水解影响因素纤维素酶水解影响因素高效糖化：纤维素酶改造是提升酶解效率的更优方案高效糖化：纤维素酶改造是提升酶解效率的更优方案21提升酶的催化效率可以通过三方面实现，其一，提升纤维素酶与底物的有效结合与催化；其二，提高酶产量，利用突变筛选、合成生物学手段提升纤维素酶菌株产量；其三，利用蛋白组学对酶蛋白进行改造，提高单位酶活。商业商业纤维素酶制剂经过近20余年的发展，酶制剂公司（如诺维信、杜邦杰能科）已大幅减少纤维素酶生产成本，使之接近酶的最低理论生产成本，达到每千克大约10-20美元，但纤维素酶的用酶成本仍然在秸秆糖化产业中排名首位。纤维素的有效水解涉及多个反应步骤，鉴于只有有效吸附的纤维素酶才能催化纤只有有效吸附的纤维素酶才能催化纤维素中糖苷键的水解并形成产物维素中糖苷键的水解并形成产物。建立水解过程中可被催化位点相对于纤维素剩余量的动态关系，成功把握纤维素水解的结束时间点，建立纤维素水解动力学模型，是提高酶解效率和酶利用率的关键。为降低纤维素酶的无效吸附，加入非催化助剂可减少木质素表面的纤维素酶结合位点，进而减少纤维素酶活的损失，因此添加助剂（如表面活性剂、蛋白质或氨基酸）来提高纤维素酶水解转化率受到研究者广泛关注。为提升纤维素酶水解效率，有研究者对天然酶开展结构解析，通过一定的手段对纤维素酶进行修饰，改变纤维素酶的物理化学特性，减少其被无效吸附。还有研究学者以天然酶为模板，设计能够取代围绕天然酶活性位点的肽，再将这些肽类物质组装，提供高密度的活性位点，通过精确地组织高密度的活性位点，并调整其局部环境以调控催化活性。人工改造的酶还具有高稳定性的特征，能够解决天然酶不稳定的缺陷，如在高温下保持活性等。未来技术方向未来技术方向除抑制物：原位脱毒成为绿色解决方案除抑制物：原位脱毒成为绿色解决方案22在秸秆处理中往往除了生成木糖、葡萄糖、阿拉伯糖和甘露糖等可发酵糖外还会产生一些有抑制作用的化合物，这些抑制物主要分为呋喃衍生物、弱酸类、酚类。为了缓解抑制物对微生物的毒害作用，需要在预处理后对水解液进行脱毒处理，将其转变为高纯度且无抑制的可发酵糖。常用的脱抑制物的方法包括物理法、化学法和生物法。纤维糖纤维糖除抑制物除抑制物化学法物理法生物法 膜分离法（微滤、超滤、纳滤、反渗等）离子交换树脂 活性炭吸附 电渗析图12丨常见预处理脱毒技术（来源：DeepTech）原位脱毒 中和法 液液萃取 酶降解（褐腐菌、漆酶等）微生物处理木质纤维素基吸附剂未来技术方向未来技术方向当前有研究利用酶解糖化后的残渣，生产高效廉价的木质纤维素基吸附剂，通过木质纤维素基吸附剂对发酵抑制物的高效吸附，实现不添加外源物质的除抑制物处理（原位脱毒），最终建立起自给自足的清洁生产体系，达到低能耗和环境友好，其效果不亚于商业活性炭。也有技术路线将“除抑制物”这一环节舍弃，以实现更好大宗产品生产成本优势，与此替代的是预处理环节中尽可能多地分离杂质和抑制物。解碳阻遏：混菌、多联、碳共利用是有效技术手段解碳阻遏：混菌、多联、碳共利用是有效技术手段23木质纤维素水解液中除葡萄糖（C6）外还存在大量的木糖、阿拉伯糖等五碳糖（C5），然而许多生产用菌株在利用混合糖进行发酵时却无法利用其中的五碳糖。有些菌株虽可利用五碳糖但在代谢时存在碳代谢阻遏作用碳代谢阻遏作用即葡萄糖被优先利用，直到葡萄糖耗尽才开始利用其他糖，非同步的糖利用使得部分糖在发酵结束时未被利用从而降低发酵效率增加生产成本。为了解决这个问题，研究者们尝试多种方式解决碳代谢阻遏。秸秆多产品联产秸秆多产品联产混菌发酵利用混菌发酵利用C5C5、C6C6混菌发酵是指利用两种或两种以上的微生物混合共培养的发酵技术，包括直接共培养、间接共培养和共固定化混菌培养等。混菌发酵能够利用共培养微生物种间的协同代谢、诱导作用、基因转移及种间群体感应等，使发酵系统持续稳定地运行。混菌发酵能够结合不同菌株的优势，通过合理组合利用微生物之间的代谢关系，不仅可以避免多种微生物共同代谢产生较多的副产物，还能进一步提高产量。将功能性代谢途径整合到不同的宿主菌中，利用混菌技术共利用C5/C6可以避开复杂的微生物代谢调控过程。采用多种方法对秸秆预处理后优先利用C5，以达到最终糖化液中降低C5的目的。首先采用预处理技术制取低聚木糖、木糖等化学原料，然后纤维素酶进一步水解得到葡萄糖液。该手段可以有效地坏纤维素的结晶结构，提高酶水解过程的纤维素可及性，增加酶水解效率，提高碳水化合物保留率，进而提高酶水解过程生成的可发酵糖浓度。采用联产手段亦可在工程菌代谢改造某些无法循环的通路，使副产物高值化，但值得注意的是，多产品联产后的分离纯化也增加了产业化的成本，仍需下游进一步开发。为实现在其他菌株中的糖分共利用，研究学者利用合成生物学策略，对菌株进行理性改造与设计，重构代谢途径，获得秸秆发酵能力较强的工程菌株；针对不同菌株或产物分离需要个性化设计发酵工艺条件的同时兼顾工艺功能区模块化、组合化，降低工艺设计成本。构建构建C5C5、C6C6共利用工程菌株共利用工程菌株综合综合开发开发：策略晋升，：策略晋升，CBPCBP、CBSCBS渐成主流方向渐成主流方向24*参考资料：10.1016/j.biortech.2021.125441作为一项综合性的工程产业，工业生产上往往追求“最优解”，技术方案也经历不断迭代，以追求更高的综合经济价值。在分步糖化发酵（SHF）技术之上，不同研发阶段分别开发了同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）、统合生物加工（CBP）和整合生物糖化（CBS）等技术方案。采用SSF和SSCF工艺可以有效降低体系中的糖浓度，避免酶解反馈抑制，也可以减少酶制剂用量、缩短反应周期，但由于酶解和发酵同时进行，需要酶和菌种的反应条件接近，进而需要开发嗜热和耐酸的发酵菌种，同时用酶成本也相对较高。技术策略技术策略技术解析技术解析分步糖化发酵（SHF）先进行纤维素的水解，后开展生产发酵，两者在不同的反应器中进行，且各反应均在其最适宜条件下执行同步糖化发酵（SSF）纤维素的水解和生产发酵在同一反应器中进行同步糖化共发酵（SSCF）纤维素的水解和生产发酵在同一反应器中进行，且发酵菌种同步利用各种可发酵糖统合生物加工（CBP）直接转化法，目标产物各生产过程（包括木质纤维素的预处理、水解、发酵等）均在一个反应器中进行整合生物糖化（CBS）将酶的生产与水解步骤有机整合，以可发酵糖这一平台化合物作为目标产物未来技术方向未来技术方向表2丨非粮生物质综合开发技术策略（来源：公开资料、DeepTech）CBP工艺化繁为简，将纤维素酶的生产、木质纤维素底物酶解、最终产物发酵等多个过程使用一个或多个菌种同时完成，是当前较好的解决方案之一。CBS的可发酵糖可以自由偶联下游产业开发，更具有产业灵活性。有学者建立基于产纤维小体的热纤梭菌开发的糖化技术路线*，已经建成百吨级秸秆糖化中试示范。综合综合开发开发：高效高效菌种开发，菌种开发，建立技术壁垒建立技术壁垒25工业菌种是发酵产业的竞争焦点和关键，被誉为产业的“芯片”。虽然中国氨基酸、有机酸、维生素等产品产量占全球总产量的60%80%，但菌种知识产权占比却低于5%，自主菌种的生产水平距国际先进菌种仍存在一定差距。中国正在基于基因组数据提升菌种知识产权自主可控能力，已规模化应用的菌种包括谷氨酸、赖氨酸、丙氨酸、丁二酸、乳酸等。图13丨核心菌种突破的关键技术（来源：DeepTech）合成生物学技术合成生物学技术 研发先进的基因编辑、基因表达调控技术 关键基因元件挖掘，提升代谢调控能力 代谢途径设计重构，理性设计人工生物体系0202非模式菌种开发非模式菌种开发 诸多非模式菌株天然具有理想细胞工厂所需的优异特性 典型特征包括性能稳定、耐受极端环境条件等 筛选独特优势的潜力菌株，如热纤梭菌、运动发酵单胞菌等01010303高通量自动化菌种筛选高通量自动化菌种筛选“BT+IT”的融合模式赋能工业菌种设计和创制 基因克隆、基因组编辑、编辑序列等自动化实现 流式细胞、液滴微流控、全基因组测序等高通量筛选技术0404工业化菌种开发工业化菌种开发 开发适应工业化生产的高鲁棒性细胞 结合纤维水解糖糖现状，开