摘要：工信部等六部委近日印发《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》，使得生物基材料产业成为2023年第一批受到关注的投资热点。本文从技术脉络与政策脉络角度，回顾了生物基材料产业的发展缘由及历程。通过对行业的深度研究，本文认为：
当前生物基材料产业处于“政策驱动发展”向“商业驱动发展”的过渡阶段。面对政策利好与产能扩张，企业仍需保持理智，以终为始。投资者则需：
（1）秉持“终端思维”，审慎对待市场规模：在选择投资标的时，需根据不同品类的发展阶段与产业链成熟情况进行逐一辨析。
（2）关注“产能-价格-市场规模”的联动机制：生物基材料的终局是大宗商品，核心是“算账”问题。“产能-价格-市场规模”的联动机制是大宗商品“算账”的重要依据。
（3）在技术侧，寻找具备更高的原子经济性，更简洁的合成路径：合成路径创新是生物基材料产业的根本性创新。
（4）设备与助剂也值得关注：设备与助剂是行业从“科学发现”走向“技术实现”的重要前提。具备自有技术的创新型公司依然具有关注价值。
1939年10月25日的《纽约时报》曾登载这样一则消息：“由6位不愿意透露姓名的制造商采用某公司新型纱线生产的尼龙袜今天首次上市销售，受到妇女们的热烈欢迎。当天的大部分时间里，柜台前始终排着3列长长的顾客，人群中既有很多男人，又有很多来自外地的人。”
新闻中提到的“新型纱线生产的尼龙袜”即指由杜邦公司研发的尼龙66（PA66）。1935年，杜邦公司尼龙66的面世象征着现代高分子化学产业的发轫。1941年，日本东丽公司紧随其后，快速完成了尼龙6（PA6）的基础研究并筹建工厂。而东丽公司用于生产尼龙6的原料则是来自中国东北的石油和煤炭。
反观中国，由于尼龙66合成的关键单体己二腈长期垄断在英威达、巴斯夫、奥升德等化学巨头手中，直到2022年8月，我国才拥有第一套自主研发的己二腈生产装置。
然而，生物基尼龙的出现为我国尼龙行业开辟了新的道路。2018年，凯赛生物全球第一条年产10万吨的PA5X生物基尼龙生产线试车成功。相比尼龙66，生物基尼龙（尼龙56）原料来自秸秆等生物质资源，利用微生物发酵进行加工，在生产过程上更加绿色环保，材料性能不逊色于尼龙66的同时，生产成本大大降低。尼龙56为我国尼龙行业绕开己二腈制约开启了新道路，也极大拓展了人们关于轻量化材料的想象空间。
01
“辨其由来”：何为生物基材料？
在技术的脉络中思考生物基材料，需将其置于高分子材料的大框架中。
高分子材料，也称为聚合物材料，其相对分子质量较大，一般在103-106之间。20世纪下半叶以来，航空航天等下游场景对于耐高温、高强度材料提出越来越高的需求。与此同时，高效催化剂的研发成功与化学合成方法的不断改进促使合成高分子材料快速发展，并迅速应用至能源、信息、工业、农业、交运与日常消费的诸多场景。究其原料，目前主要使用的高分子材料基本全部来自石油、煤、天然气。在石化资源日渐枯竭、环境污染日益剧烈等因素的推动下，降低高分子材料对于石化资源的依赖变成当务之急。生物基材料应运而生。
生物基材料，是指利用淀粉、秸秆等可再生的生物质资源为原料，利用生物转化获得的一类材料或其单体。生物质资源包括动植物和微生物资源，较为常见的淀粉、蔗糖、秸秆等生物质均为植物生物质。而植物生物质的细胞壁中均含有纤维素、木质素和半纤维素。利用植物生物质的首要步骤是破坏其细胞壁结构。通用方式可归结为三类：物理转化、化学转化、生物转化。物理转化技术难以将生物质转化为可替代石油基的产品。化学转化与生物转化是当前获得生物基材料的主要手段。
按照制造方式分类，生物基材料可分为以下四类：天然高分子材料及其衍生物；生物合成高分子材料；生物基单体化学法合成高分子材料、修饰生物基单体化学法合成高分子材料，后两者均属化学合成路径。
生物基材料也需要遵循高分子材料的合成路径，即以单体为原料，经过一定的聚合反应得到聚合物。常用的聚合反应包括逐步聚合、自由基聚合、离子型聚合、配位聚合、开环聚合及共聚合。
在生物合成路径中，“细胞工厂”与生物反应器取代了传统化学反应的“反应釜”。通过对细胞进行工程改造，并在生物反应器中发酵即可得到相应材料。最具代表性的为聚羟基脂肪酸酯（PHA）。将微生物置于生物反应器（发酵罐）中，给其提供适宜的养分和成长条件，微生物可大量繁殖并积累PHA。后续将微生物富集并进行统一提取纯化，即可得到原始的PHA材料。
然而，目前大部分生物基材料尚不能完全通过“细胞工厂”获得，还需经过一部分化学合成的步骤。如目前发展较为成熟的聚乳酸（PLA）产业，其原料乳酸主要是利用乳酸菌、大肠杆菌等菌种，以小麦、玉米、马铃薯等为原料，将单糖、二糖或容易水解的多糖转化形成。但要想获得PLA，还需将乳酸脱水生成丙交酯，丙交酯开环聚合得到聚乳酸。
朱锦、刘小青教授将常见的生物基材料及其对应单体与原料进行总结。可见，几乎所有现有的石化基材料都可以从生物质资源中获得。以乙烯工业为例，乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，是聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）等通用塑料的重要原料。每吨石油可以制得200kg乙烯。2022年，我国原油进口依存度高达71%。以石油为主要原料的乙烯工业面临巨大的资源挑战。而生物乙烯可在化学催化剂作用下从生物乙醇中脱水获得，为乙烯工业的发展“解燃眉之急”。
值得注意的是，某些重要的单体也称为“平台化合物”，兼具产品和原料两种功能。典型的生物基平台化合物有乳酸、丁二酸（琥珀酸）、糠醛、赖氨酸等。利用平台化合物可合成一系列颇具市场规模与高附加值的产品。煤化工与石油化工的发展均离不开重要平台化合物的合成。如煤化工中的苯、乙炔、甲烷；石油化工中的三烯三苯。生物基材料的发展也不能离开生物基平台化合物。如同“三烯三苯”取代了煤化工产品一样，生物基平台化合物也将取代石油基平台化合物。
按照化学结构进行区分，生物基平台化合物分为一碳（C1）至六碳（C6），以及芳香平台化合物。
与石化基材料不同，生物基材料侧重于其原料来源为生物质，核心是含有“生物碳”，即碳-14。因此，严格意义上， “生物基材料”与“生物降解材料”二者并不完全重合。
生物基材料侧重强调原料的生物性，但生物原料不一定可降解。如生物基聚乙烯，主要采用蔗糖为原材料，但却无法进行生物降解。因此，生物基聚乙烯属于“生物基材料”，但却不属于“生物降解材料”。生物降解材料侧重于材料在微生物或堆肥作用下可被降解。目前国家大力推广的地膜材料“聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯”（PBAT），由己二酸(AA)、对苯二甲酸(PTA)和丁二醇(BDO)聚合而成，为典型的石化基材料。由于芳香族聚合物化学结构的特殊性，PBAT在合适土壤中可以完全生物降解。因此，严格意义上PBAT属于“生物降解材料”，但却不属于“生物基材料”。
02
在政策的脉络中思考生物基材料，需将其置于全球生物经济发展的浪潮中。
早在1999年，美国克林顿总统时期就发表《开发和推进生物基产品和生物能源》总统令，在世界范围内率先喊出“生物经济”的口号。生物经济时代被视为继农业经济、工业经济、信息经济之后的新经济形态。生命科学与生物技术的进步将使人类的生产方式和生活方式发生重大变革。世界经合组织（OECD）预测，2020年，全球生物产业将进入快速成长阶段，2030-2070年，生物产业达到成熟阶段。
而就全球生物技术产业本身发展历程而言，发改委宏观经济研究院生物产业发展战略专家韩祺曾总结了“红色生物技术”、“绿色生物技术”、“白色生物技术”三波发展。分别指代医药研发产业；农业生物技术产业；工业、能源、环境生物技术产业。
生物技术从医疗场景走向农业、工业、能源、环境等多个场景的核心驱动因素在于基因科技的发展。伴随基因测序技术革命性的进展，基因检测成本快速下降，微生物基因组学与蛋白质组学得到发展。生物经济迎来了发展的内生动力，逐渐从“政策驱动发展”走向“商业驱动发展”。
生物基材料处于生物技术与传统制造业的“交叉路口”，底层驱动是“更绿色”、“更环保”、“可持续发展”的需求。传统制造业高污染、高排放，化工材料产业尤甚。从而形成生物基材料产业发展的“推力”。而“细胞工厂”、酶催化、生物反应器等生物底层技术的成熟则形成生物基材料的产业发展“拉力”。
海外生物基材料产业起步较早，在克林顿总统于1999年喊出“生物经济”的口号后，美国能源部于2002年将生物燃料、生物能源和生物基产品组合成统一的生物质计划。2004年，美国能源部首次提出12种生物基平台化合物。
日本与欧盟紧随美国的步伐。2002年，日本政府推出《生物技术战略大纲》。2005-2010年，欧盟连续发布3份以生物经济为主题的战略报告，将生物基材料作为生物经济的重要组成。
在政策引导下，海外生物基材料产业获得了初步发展。以PLA产业为例。美国的PLA生产始于1988年，美国嘉吉公司就开始调研乳酸和聚乳酸市场，并于1994年投产4000吨聚乳酸进行测试。1997年，嘉吉与陶氏化学合资成立NatureWorks公司，专注生产乳酸与聚乳酸。2001年，NatureWorks建成世界首套年产7万吨的聚乳酸生产装置。NatureWorks生产的聚乳酸已被应用至食品包装、餐具、服装、个护等多个领域。2014年，NatureWorks与3DOM合作开发适用于3D打印的聚乳酸纤维。目前BASF、瑞士Sulzer、日本Teijin等公司均有PLA产能布局。
在目前发展较为成熟的PLA、PHA、PA领域，海外厂商仍然占据主导位置。
与国际生物基材料发展水平相比，我国起步较晚。但考虑到我国生物基材料的原料成本与融资成本上具有显著优势，在长期的政策支持下，仍然存在“弯道超车”的机遇。
在政策方面，自2001年“十五”计划以来，我国连续20年倡导生物制造业、生物基材料的发展。连续四个“五年计划”中，对于生物基材料产业的措辞也逐渐成熟。 “十五”期间，我国尚未形成“生物基材料”的概念，而是以“生物降解材料”作为替代。在发展态度上只是 “积极发展”。“十一五”期间，我国逐渐明确生物基材料中的重点材料——乙烯、聚乳酸等大宗原料。 “十二五”期间，提出生物基材料产业要突破“产业化瓶颈”，并明确提出率先发展的应用场景——纺织、造纸、制革。“十三五”期间，生物基材料产业的发展重点在于“持续提升产品经济性和市场竞争力”、实现“链条式、集群化、规模化”发展。
生物基材料产业的发展并非“无源之水、无本之木”。 从“积极发展”到“规模化发展”，生物基材料产业已度过20年的“风雨兼程”。在20年的发展中，我国也涌现了金丹科技、海正生材、家联科技、凯赛生物等优秀的生物基材料厂商。
在生物经济发展的时代脉络下，生物基材料是全球生物技术产业发展至“白色生物技术”的必然体现。在我国长达20年的政策倡导中，生物基材料的发展一直是“生物制造”行业腾飞的重要体现。
03
“解其政策”：《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》
2023年，引爆生物基材料产业的当属《关于印发加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案的通知》。该政策由工信部、发改委等六部委联合发布，紧承2021年《“十四五”生物经济发展规划》中“生物产业融合发展实现新跨越”的发展目标，对“生物基材料替代传统化学原料”的具体品类、应用领域、发展方法进行了系统论述。
“三年行动方案”直指“非粮”与“规模化”两大要点，一方面强调生物基材料发展要杜绝“与人争粮”；另一方面对于生物基材料重点发展品类与场景进行明确，在PLA、PHA、生物基尼龙等大宗生物化工材料及其单体生产再次引发关注。
碳源问题是生物基材料产业规模化发展的“第一座大山”。
以往几十年的生物基材料发展离不开玉米。玉米化学组成简单，仅通过淀粉酶即可快速转化为单糖，是非常理想的生物基材料的原料。早在2002年，卡杰尔-道氏公司就用玉米淀粉发酵生产了PLA和其他聚合物塑料。
然而，玉米作为碳源面临极大的资源限制。每吨生物乙醇需消耗3.3吨玉米、每吨PLA需消耗2.25吨玉米、每吨PHA需消耗6吨玉米。凯赛生物在山西建设的4万吨二元酸生产厂一年可消耗高达240万吨的玉米。
自2020年以来，我国玉米总产量维持在2.6亿-2.7亿吨[1]，进口量维持在2000万-3000万吨左右。饲料用粮和工业用粮的持续增长促使我国玉米进口量居高不下，生物基材料产业已经出现“与民争粮”、“与畜争饲”的苗头。粮食市场面临结构性短缺的矛盾，危及国家粮食安全。
其次，资源约束必然传导至价格。工业葡萄糖的价格约为4000元/吨、玉米深加工而成的果糖价格基本是玉米原料价格的2-3倍，最贵可接近10000元/吨。以农产品深加工产物为碳源，从成本端考虑也无法支持大宗产品的发展。
因此，摆脱原料端的“粮食依赖”成为生物基材料产业规模化发展要解决的第一大问题。在本文第五部分会对如何摆脱原料端“粮食依赖”进行具体解答。
相比于“十五”至“十四五”期间对于生物基材料具体品类的描述，“三年行动计划”进一步明确了政策鼓励的发展方向以及重点下游市场。在鼓励方向方面，分为化学品与聚合物两大类。在化学品方面的鼓励品类与其下游应用如下表总结。
在聚合物方面，则重点鼓励聚乳酸（PLA）、聚酰胺（PA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、聚氨酯（PU）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚对苯二甲酸-己二酸（ 丁二酸） -丁二酯聚碳酸酯（PBAT）、聚四氢呋喃聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）、生物基弹性体的发展。以上化学品与聚合物对应塑料制品、纺织纤维、医疗器械、生物降解地膜与滴灌工具等大宗商品场景。
在产能规划方面，“三年行动目标”明确要推动年产十万吨级乳酸、万吨级戊二胺、万吨级聚羟基脂肪酸酯生产线，形成“替代示范”效应。在令人激动的政策和绿色发展的环境下，各生物基材料厂商也在谋划快速进行产能扩张。以PLA为例，虽然2022年仅有24万吨产能，但规划中的在建产能高达160万吨。
不可忽视的是，大宗商品核心是“算账”问题，即产能与成本问题。下表总结了主要生物基材料的性能、价格与具体应用场景。
目前市面主流应用的石化基高分子材料由于经过几十年发展，在产能和价格方面都相对成熟。以PET为例，国内产能早已突破千万吨级别，价格稳定在5000-7000元/吨。虽然生物基材料并非石化基材料的“完全替代”，而是在部分性能上有所超越，但就其市场终局而言，生物基材料仍然会作为大宗商品出现，也绕不开“算账”问题。
[1] 数据来自国家统计局关于2020、2021、2022年粮食产量数据的公告
04
由于不同材料自身的合成路线、技术难点以及应用市场存在较大差异，对于生物基材料的行业扫描需要针对不同的终端材料逐一辨析。
如从技术角度出发，PLA产业的公认难点在于丙交酯合成、PEF产业的公认难点在于呋喃二甲酸（FDCA）合成、PBAT产业的难点则在于对苯二甲酸（PTA）、己二酸（AA）、1,4-丁二醇（BDO）等单体。而在单体层面，也需要区分是石化法还是生物法，并逐一比较成本。
以本文篇幅难以穷尽各类生物基材料的行业扫描，因此，此处仅以发展相对成熟的PLA产业为例。
PLA上游由中粮集团、金丹科技提供纯乳酸，中游有安徽丰原、海正生材、同杰良等公司进行合成路线的研发。目前只有同杰良采用“一步法”合成，其余均采用“两步法”。在缩聚为聚乳酸后，道恩股份、家联科技、碧嘉材料等公司会进行进一步的材料改性、发泡以满足下游客户使用需求。
行业的核心话语权集中在中上游合成路线研发企业。具备合成能力的企业通常也会向下游改性扩展，自己做制品，对接终端客户。
从终端市场来看，目前仅有餐饮行业中部分领军企业，如肯德基、汉堡王、喜茶等企业对于PLA包装袋、吸管有采购需求。在一次性餐盒、托盘、汤碗市场，国内仍以PP，PP+淀粉等半降解材料为主。
虽然“禁塑令”的推行为PLA带来发展机遇，但2020年1月1日政策颁布以来，目前国内仅有海南省单独立法执行禁塑，其他省市均无落地政策。加上PLA整体成本是传统塑料的3倍左右，导致下游客户对于PLA材料的需求不强。
当前PLA规划产能高达160万吨，但其年需求量仅为10万-20万吨。市场是否能消纳不断扩增的产能是关键问题。新行业在发展早期，往往会出现无序熵增式产能与投资规模“双扩张”，与市场实际需求不匹配，从而造成产能过剩和利用率不足。要想实现行业系统性发展，则有赖于原料端、技术端、工艺生产端与产品端全产业链共同发力。
05
现有生物基材料原料局限于淀粉、蔗糖、植物油等粮食加工产品。如本文第一部分所述，生物质的处理方法分为物理法、化学法、生物法。当前生物基材料之所以主要依赖粮食作为原料，核心原因在于对其他生物质原料的处理能力不足。生物基材料“系统性发展”的第一步是利用创新手段利用粮食以外的生物质原料。其中，生物法实现秸秆高值利用与气体发酵法处理农林废弃物值得关注。
秸秆是我国规模最大的农业废弃物，年产量8亿吨，远高于玉米年产量。其中，近7亿吨秸秆可作为原料进行规模化工业生产。
现有的秸秆利用方式以肥料化、饲料化、燃料化为主。即秸秆还田、替代水稻和小麦当做饲料还有玉米秸秆发酵制乙醇，产生的经济效益最高不到300元/吨。虽然我国早有利用秸秆糖化生产碳源的想法，但秸秆的集中化处理技术与供应链问题长期限制了秸秆的高值利用。
秸秆具有坚固的分子结构，因此，在进行糖平台转化过程前必须通过预处理。当前预处理的方法有物理法、化学法和生物法。较为主流的化学法需利用硫酸和氢氧化钠，会造成设备的严重腐蚀，处理后的木质素很难利用，直接成为废弃物、产物品质很差。而生物法则利用黑曲霉和纤维素酶等生物手段进行秸秆糖化，不仅更绿色环保，也可促进后续的水解和生物反应。
除了糖化技术外，秸秆处理需要的空间面积远超过秸秆本身，只能进行集中化处理。而集中处理则面临秸秆的“收”、“储”、“运”问题。秸秆收购半径在100公里以内，来源分散，农户坐地起价、运输过程中秸秆糖流失以及运输成本高等问题也局限了秸秆实现高值利用。
因此，实现秸秆综合利用一方面需要在预处理环节提升脱木素处理技术以及纤维素酶使用技术，另一方面也需要具有丰富秸秆资源的地方政府提供强力支持。
气体发酵技术的相关研究最早可以追溯到上世纪八十年代。碳源/能源均可以气体形式提供给微生物。将生物质汽化后，可制得富含氢气和一氧化碳的合成气。合成气可生产甲醇、烯烃等系列化学品。气体发酵技术的核心是生物质汽化与发酵技术。
在生物质汽化阶段，汽化炉是核心设备。农林废料、城市垃圾等废弃物输入汽化炉内，汽化炉的设计不仅需要克服工程问题，如漏气问题，还需考虑尽可能提高一氧化碳与氢气的得率，减少C和H的流失。
在发酵阶段，气源直接输入发酵罐中。核心在于选择可利用合成气且对于进料气组分具有较高宽容性的微生物。目前可利用合成气的微生物均为厌氧菌。部分企业自研菌种对于CO和CO2的转换率均高达95%以上。
当前气体发酵技术的主要桎梏在于上游气源的获取。企业需与煤化工或钢铁工业合作，形成紧密的共同体。目前利用气体发酵技术的主要产物为生物燃油与微生物蛋白。然而，气体发酵技术在材料生产上颇具前景，利用合成气进行材料生产指日可待。
追求高原子经济性反应和低能耗高效分离是材料合成的永恒目标。无论是在生物合成还是化学合成手段中，合成路线创新都有至关重要的作用。
1,3-丙二醇（PDO）是生产聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）纤维的重要单体，也可用于化妆品、食品和制药行业。
在生物法PDO生产技术发明之前，壳牌化学公司于1941年率先申请了利用丙烯醛制备PDO的专利。但当时受限于催化剂与聚合装置不成熟，PDO难以规模化生产。之后，迪高沙、杜邦、日立等公司陆续研发出新型催化剂与反应装置，降低了PDO生产成本。但化学法PDO的生产过程毒性较大，存在极高的环保风险。
2001年，杜邦公司利用玉米、淀粉、葡萄糖等多元醇多步发酵菌种基因整合在大肠杆菌基因组合中，实现一步发酵制备。经过发酵优化后，大肠杆菌可将葡萄糖高效转化为PDO，生产效率达到3.5g/（L·h）。2003年，生物法PDO可实现规模化生产。
2009年，壳牌公司宣布永久关停PDO及PTT生产线。此前，迪高沙公司已关停PDO生产线。目前，全球PDO产能约为十几万吨。而杜邦占据了PDO 70%以上的市场，形成垄断地位。其生产成本约为1.18万元/吨，市场售价低时2万元/吨，高时可达3.1万元/吨。究其成功原因，核心在于杜邦找到了更简短的合成路径，同时实现了PDO的“经济性”与“绿色性”。
即使不采用“细胞工厂”的合成方式，在化学合成路径中，“一步法”通常也被认为比“两步法”或“多步法”更具前景。以PLA制备为例，目前主流制备技术为丙交酯开环聚合法（两步法），即乳酸脱水生成丙交酯，再开环聚合制成聚乳酸。“两步法”也是目前工业生产的主流方法。
然而，同杰良公司采用“一步法”工艺，将乳酸单体直接脱水缩聚形成聚乳酸，受到投资界与产业界的巨大关注。虽然目前“一步法”还面临生产过程中副产物难以去除等问题，但其胜在流程、工艺简单、产率高。一旦成功实现规模化聚乳酸生产，很有可能完全颠覆现有的“两步法”。
工艺路线的创新可以减少反应步骤，实现更短的生产路线、更精简的设备投入，从而具备更好的经济性。本质而言，合成生物学也是利用对细菌的改造，实现更短通路、更高效的生产。而在化学合成中，随着核心卡点技术的突破，更简单、更具原子经济性的生产方式无疑会快速占据市场主流。
目前大宗化学品生产过程仍然依赖有毒、有害的溶剂或催化剂，生产过程原子利用率低。金属催化剂因适用范围广且高效，仍然是主流的催化剂。但金属催化剂长期存在反应过程苛刻，资源限制、贵重金属催化剂成本较高，可能导致环境污染等问题。而生物催化剂恰好弥补了金属催化剂的弱点。
生物催化剂通常具有更好的选择专一性，可更有效生产目的产物，减轻环境负担。目前已发现超3000种不同的酶类，但由于其对极端环境的耐受力有限，在应用过程中易出现不稳定性，在高温、强酸、强碱环境中易失活。而酶的专一性也导致其反应底物选择较窄。
仍然以PTT纤维生产为例。在得到核心单体PDO后，仍然需要与精对苯二甲酸（PTA）或对苯二甲酸二甲酯（DMT）进行聚合。生产流程如下图所示。
利用PDO与PTA反应的方式称为“直接酯化法”，是目前主流的PTT合成方式。但相比于杜邦合成的PTT，国内利用直接酯化法合成的PTT纤维粘度更低，难以达到纺丝要求。核心在于国内合成PTT使用的催化剂活性高、水热稳定性低，易在酯化阶段水解氧化。
因此，从原料到终端产品，离不开催化体系的创新。伴随AI技术、大数据与底层计算能力的进步，催化剂筛选等环节的效率也可进一步提高。催化体系创新一方面侧重于利用AI高通量筛选，挖掘更具竞争力的催化剂，另一方面金属-酶复合催化体系也颇具前景。
工厂自动化、过程制造智能化是工业制造4.0时代的核心体现。生物基材料在生产过程中也无法脱离对于实体工厂的精细化管理。从技术角度上，无论是生物合成法还是化学合成法，反应器作为物质转化的装置，是实际工艺过程中非常重要的组成部分。
一方面，现有反应器体系亟需智能化改造更新。从摇瓶到发酵罐，搅拌、通气方式，压力与剪切力都存在巨大差异。反应器内的流动、传递、反应过程具有典型的多尺度、随机、非线性、非均匀和非平衡特点，因此，实验室规模到工业规模的反应器放大以及工艺强化时，是否能反映化学反应器中真实，复杂的物理及化学过程成为核心挑战。
为了适应生物基材料产业的规模化发展，反应器体系不仅要提供反应场所，更应该实现智能传感系统进行反应调控、及时的数据收集并与过程控制数据打通、反应数据分析甚至数字孪生发酵等功能。配合反应器的进步，具备高集成度、高自动化程度的连续化生产技术也有待提升。
另一方面，新型反应器的研发也不容忽视。反应器设计的核心是深入认识反应器中传递-流动耦合机制及放大规律。美国公司EnginZyme、HydRegen均着眼于反应器创新，模拟细胞自然运作方式，在标准的化工固定床反应器中连续运行经过实验室设计的多功能生物催化剂，实现了设备层面的“生物制造”。
06
由“政策驱动发展”到“商业驱动发展”，生物基材料仍然“道阻且长”。
在“政策驱动发展”阶段，国家倡导是行业发展的核心变量。出于迎合消费者需求，树立品牌形象的需求，部分大型企业会先在部分产品中采用生物基材料以示表率。如2014年，可口可乐、达能纷纷投资PEF厂商Avantium。当时，达能纽迪希亚包装中心总监曾评论：“我们参与这一项目是因为我们相信未来生物基塑料将用于我们的包装，有可能会极大地降低二氧化碳的排放量。”
然而，自Avantium成立以来，已经过去了22年。PEF仍然没有得到主流应用。究其原因，在于成本。Avantium的产品售价约为1万欧元/吨，年产能仅在20吨左右。
在“商业驱动发展”阶段，成本是核心竞争力。面对政策鼓励以及投资热情，企业除了思考“造出来”的问题，更需要不断思考“怎么卖？”、“卖给谁？”、“什么价格？”、“优势在哪？”。
而作为投资者，则需要始终秉持“终端思维”，关注产能-价格-市场的联动机制。在寻找“根本性创新”的同时兼具产业链的延伸思维。
作为技术的生物基材料或许适用“从头合成”的思考角度，但作为生意的生物基材料必须从终端市场开始思考。
生物基材料面临原料市场和产品市场的“双重市场”问题。从原料到产品，市场规模可能相差数十倍。有些产品看似终端消费量很大，但原料市场可能远远小于终端市场。但有些平台化合物，因其对应的下游终端产品众多，反而不局限于某一类产品的发展。
此外，生物基材料具有与其他新材料细分领域共同的问题：市场规模大则想象力可达百亿、千亿，但小则只有几亿、十几亿。市场规模大，必然会出现分工合作，则首要是寻找产业链核心环节，其次是在产业链各环节布局龙头。而市场规模小，则很有可能以垂直整合的商业模式为主，这类公司极有可能形成局部垄断，或者具备改变赛道早期发展局势的作用，也非常具有关注价值。
产能直接影响价格，产能越大，价格越有下降的预期。市场规模与价格成反比。价格影响生物基材料对石油基材料的替代率。“产能-价格-市场”规模形成联动。
当生物基材料处于6-7万元/吨的成本时，对应的市场规模可能是公斤级别，只能以小规模送样为主。如果处于3-5万元/吨的成本区间，会产生存在ESG需求的公司进行采购，从而出现细分行业的头部，企业年营收可实现千万级别，但实现上亿营收仍有难度。若成本可降至与石油基材料持平（1万-2万元/吨），即使略贵于石油基材料，也会出现大规模的材料更迭需求。
面对“产能-价格-市场”的联动机制，创业者需思考企业生存的milestone问题，至少需“两步走”战略。
在产能低、价格高、市场规模有限的“第一步”，厂商可利用生物基材料超越石化基材料的优越性能寻找存量市场中存在品牌溢价需求的客户，以及增量市场。以PEF为例，除了替代PET瓶材外，PEF材料在新能源、柔性OLED封装等高价值、低用量场景也存在应用空间。创业者需思考如何抓住下游产业发展机遇，进入增量场景，形成企业早期现金流。
在产能提升、价格下降、市场规模扩大的“第二步”，厂商则应以产能占据市场与客户心智，从高价值垂直场景走向大众消费市场。
在传统化学合成过程中，理想的原子经济反应是原料分子中原子100%转化为产品，不产生废弃物且资源利用率高。在生物合成中也是一样，更简洁的路径，更高的原子经济性，就意味着更高的反应效率、更高的得率、同样投入下更低的生产成本。
合成生物学的发展为合成路径提供了新的想象空间。微生物基因组学、蛋白质组学、代谢网络与代谢工程的基础知识发展会不断引发以生物为载体的新合成手段进步。生物合成材料领域很可能完全颠覆传统化学合成方法。如Conagen公司通过生物发酵实现了骨螺紫染料商业化生产。利用生物合成手段，很有可能实现无需染色步骤，直接“收获”含有各种颜色的材料，从而颠覆传统纺织、染色行业。
毋庸置疑的是，具备高原子经济性的合成路线创新在任何材料领域都当属根本性创新。
“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展”。在生物基材料生产过程中的反应器、分离纯化设备以及各类助剂的使用是工艺know how的核心体现。
除了传统的化学反应釜外，现有的生物反应器可分为机械搅拌式发酵罐、鼓泡式发酵罐、气升式发酵罐、膜生物反应器、自吸式发酵罐以及固态物料发酵罐。世界各国在生物技术专用反应器的制造与销售方面都已形成较为成熟的体系，如美国的NBS公司、ColeParmer公司、Wheaton公司、德国B.Braun公司等，均有专业的适用于实验室、中试规模的全自动细胞培养器、微生物发酵罐与生产反应器系统。
而我国生物制造产业刚刚萌芽，各厂商仍需从市面购买标准反应器然后进行个性化改造，对于生物反应器的投入和研发力量不足。同时，新型催化剂的筛选也会得以于AI高通量筛选技术的进步。生物制造产业腾飞有赖于仪器设备和助剂体系的同步发展。
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结语：二十一世纪不止是生物学的世纪
2007年物理学家Freeman Dyson在《纽约书评》上写： “二十一世纪是生物学的世纪”。然而，伴随我国信息技术与金融产业的快速发展，“生物学的世纪”成为迷思。以至于“知乎”上有网友自嘲到：“学生物的同学们在营销、保险、金融、计算机等各个领域作出贡献，难道不是生物的世纪吗？”
在节能减排、绿色发展已经超越“一国之策”，成为全球共识的当下，生物技术以其天生的绿色、低碳、环保、可持续属性再次立于产业变革的潮头。不过，是与化学技术一起。
曾有学者断言，面对石化资源枯竭的命运，人类社会不得不进入“后化石经济时代”。如何改变目前依赖于化石的高消耗、高污染的经济发展模式？如何寻求化石资源的替代？生物基材料便是生物技术在材料化工产业中给出的答案。
参考文献：
[1]韩祺：《寻找新一轮经济增长的驱动力——对信息经济和生物经济的研究与思考》，北京：科学技术文献出版社 , 2018.
[2]李全林：《现代生物工程》，南京：东南大学出版社，2008.
[3]何鸣元：《绿色过程制造发展报告》，北京：科学出版社，2022.
[4]朱锦，刘小青：《生物基高分子材料》，北京：科学出版社，2022.
[5]陈洪章，王岚：《生物质生化转化技术》，北京：冶金工业出版社，2012.
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