于建榮 李禎祺 許 麗 施慧琳

（中國科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心，上海 200031）

全球生物基化學(xué)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

于建榮 李禎祺 許 麗 施慧琳

（中國科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心，上海 200031）

于建榮，碩士，研究館員，碩士研究生導(dǎo)師。主要從事生命科學(xué)及相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域，尤其是“人口健康與醫(yī)藥創(chuàng)新領(lǐng)域”、“先進(jìn)工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域”的學(xué)科情報(bào)和戰(zhàn)略情報(bào)研究 。

E-mail:jryu@sibs.ac.cn

隨著全球石油資源日益匱乏，溫室氣體排放問題日趨嚴(yán)重，環(huán)境友好型的生物基化學(xué)品與生物基材料制品不斷獲得人們的青睞。目前，全球生物基化學(xué)品的生產(chǎn)設(shè)施、產(chǎn)品類型與產(chǎn)能均連續(xù)數(shù)年保持良好的增長態(tài)勢(shì)。文章對(duì)全球生物基化學(xué)品產(chǎn)業(yè)的總體發(fā)展態(tài)勢(shì)與市場(chǎng)前景進(jìn)行概述，分別從生產(chǎn)企業(yè)與產(chǎn)品類型兩個(gè)角度對(duì)該領(lǐng)域的代表性公司與典型產(chǎn)品展開分析，并針對(duì)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出參考性建議與未來展望。

生物基化學(xué)品是指利用除糧食以外的秸稈等木質(zhì)纖維素類農(nóng)林廢棄物所生產(chǎn)出的環(huán)境友好型化工產(chǎn)品。在競(jìng)爭(zhēng)日益加劇的能源市場(chǎng)，選用生物廢棄物作為原料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料生產(chǎn)大宗或精細(xì)化學(xué)制品，不僅在經(jīng)濟(jì)成本上具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也響應(yīng)了構(gòu)建環(huán)境友好型社會(huì)的全球號(hào)召。目前，發(fā)展生物基產(chǎn)業(yè)在全球掀起一股熱潮。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（Organisation for Economic Cooperation and Development，OECD）在“面向2030生物經(jīng)濟(jì)施政綱領(lǐng)”戰(zhàn)略報(bào)告中預(yù)測(cè)，至2030年全球?qū)⒂写蠹s35%的化學(xué)品和其他工業(yè)產(chǎn)品來自生物制造1；歐洲生物基化工圓桌會(huì)議討論了生物基化學(xué)品的發(fā)展機(jī)遇，提出了歐洲地區(qū)擁有原料成本低廉且易于獲取的優(yōu)勢(shì)，在政府支持下，歐洲有機(jī)會(huì)將生物基化工占化工行業(yè)的市場(chǎng)值提高，解決目前含碳可再生資源使用量僅占9%的問題2。為了達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，減少對(duì)石油資源的依賴，開發(fā)自主創(chuàng)新技術(shù)，完善生物基產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，在保持大宗化學(xué)品生物產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，大力發(fā)展依托生物技術(shù)的精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)將成為世界各國的統(tǒng)一發(fā)展方向。

OECD.The bioeconomy to 2030: designing a policy agenda.Paris:OECD Publishing, 2009.

2 參考文獻(xiàn)

ICIS Chemical Business.Bio-based chemicals: bio-based economy is on the horizon.(2015-03-06)[2016-06-07].http://www.icis.com/ resources/news/2015/03/06/9866305/bio-basedchemicals-bio-based-economy-is-on-the-horizon/.

3 參考文獻(xiàn)

GOLDEN J S, HANDFIELD R B, DAYSTAR J, et al.An economic impact analysis of the US biobased products industry: a report to the Congress of the United States of America.Industrial Biotechnology, 2015, 11(4): 201-209.

4 參考文獻(xiàn)

鄭寧來.2018 年全球生物基材料和化學(xué)品產(chǎn)能將超 740 萬噸.石化技術(shù)與應(yīng)用, 2015, 33(3): 268-268.

1 全球生物基化學(xué)品產(chǎn)業(yè)概述

生物基化學(xué)品的生產(chǎn)過程主要是將生物質(zhì)廢棄物作為原料，經(jīng)過不同的預(yù)處理進(jìn)入精煉平臺(tái)，進(jìn)一步合成平臺(tái)基礎(chǔ)化學(xué)品或多聚物中間體，最終合成相應(yīng)的材料和化學(xué)品3（圖1）。

圖1 生物基化學(xué)品代表性原料、產(chǎn)品與流程

隨著生物技術(shù)的不斷更新與迅猛發(fā)展，生物基化學(xué)品與材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)市場(chǎng)，其經(jīng)濟(jì)效益不容小覷。據(jù)美國Rennovia公司預(yù)測(cè)，到2020年，全球生物基化學(xué)品市場(chǎng)將增至120億美元以上。美國Lux Research咨詢公司預(yù)測(cè)全球生物基材料與化學(xué)品產(chǎn)能將于2018年躍升至740萬噸以上4，在原材料選用方面會(huì)從糖與淀粉為主導(dǎo)更多地轉(zhuǎn)向生物質(zhì)木質(zhì)纖維素的利用，而且以中間體和聚合物為代表的生物基化學(xué)品將迅速發(fā)展?？茽柲幔ˋ.T.Kearney）咨詢公司的調(diào)研結(jié)果顯示，全球已形成了良好的生物基產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)5（圖2）。盡管我國的生物基化學(xué)品研究起步較晚，但生物產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要板塊，得到國家發(fā)展和改革委員會(huì)的大力支持。在“十二五”國家科技支撐計(jì)劃中，生物基材料和生物基化學(xué)品被列為研究核心，生物基材料應(yīng)用和商業(yè)模式的發(fā)展獲得大力推動(dòng)。

圖2 生物基產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)

不同國家或地區(qū)對(duì)生物基化學(xué)品在化工產(chǎn)品的替代比例制定了相關(guān)目標(biāo)。歐盟提出了到2030年生物基原料替代6%～12%化工原料、30%～60%精細(xì)化學(xué)品由生物基制造的目標(biāo)；美國預(yù)測(cè)至2030年，生物基化學(xué)品將替代25%有機(jī)化學(xué)品和20%的石油燃料；中國2020年生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)為“10%～12%的化學(xué)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)生物基制造”，其中“精細(xì)化學(xué)品中生物基產(chǎn)品替代率達(dá)到20%”。綜上所述，生物基化學(xué)品將是今后化工產(chǎn)品生產(chǎn)發(fā)展的主流模式。

生物基化學(xué)品得益于產(chǎn)業(yè)環(huán)境的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)效益的提升，它不僅減輕了全球?qū)θ找婢o張的化石資源的依賴性，而且其環(huán)境友好的生產(chǎn)模式獲得世界各國的一致認(rèn)可。在目前發(fā)展迅速的生物基化學(xué)品中，假設(shè)由生物基化學(xué)品替代化石基化學(xué)品，對(duì)于減少全球溫室氣體CO2排放量的影響是巨大的6（表1）。由此可見生物基化學(xué)品的環(huán)境效益優(yōu)勢(shì)，生物基化學(xué)品的產(chǎn)業(yè)化塑造刻不容緩。

表1 生物基化學(xué)品生產(chǎn)對(duì)于溫室氣體CO2減排效果

5 參考文獻(xiàn)

HELLER R, VAN TERM J P, GERHARDT C, et al.The Bio-based Industry: Collaborative Models for Commercialization.(2015-11) [2016-06-07].http://www.atkearney.nl/ chemicals/ideas-insights/featured-article/-/asset_ publisher/4rTTGHNzeaaK/content/the-bio-basedindustry-collaborative-models-for-commercializa tion?inheritRedirect=false&redirect=http%3A%2 F%2Fwww.atkearney.nl%2Fchemicals%2Fideasinsights%2Ffeatured-article%3Fp_p_id%3D101_ INSTANCE_4rTTGHNzeaaK%26p_p_ lifecycle%3D0%26p_p_state%3Dnormal%26p_ p_mode%3Dview%26p_p_col_id%3Dcolumn-2%26p_p_col_count%3D1.

6 參考文獻(xiàn)

DE JONG E, HIGSON A, WALSH P, et al.Bio-based chemicals value added products from biorefineries.(2012-02)[2016-06-07].http://www.ieabioenergy.com/wp-content/uploads/2013/10/ Task-42-Biobased-Chemicals-value-addedproducts-from-biorefineries.pdf.

7 參考文獻(xiàn)

National Research Council.Industrialization of biology: a roadmap to accelerate the advanced manufacturing of chemicals.Washington, DC: The National Academies Press, 2015.

8 參考文獻(xiàn)

LANE J.Genomatica, Solazyme, Amyris, BASF take top slots in the 30 hottest companies in biobased chemicals & materials for 2014-15[EB/ OL].(2014-11-10)[2016-06-07].http://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2014/11/10/genomaticasolazyme-amyris-basf-take-top-slots-in-the-30-hottest-companies-in-biobased-chemicalsmaterials-for-2014-15/.

9 參考文獻(xiàn)

The Society of the Plastics Industry.Bioplastic industry overview guide.(2012-04) [2016-06-07].http://www.plasticsindustry.org/files/ about/BPC/Industry%20Overview%20Guide%20 Executive%20Summary%20-%200912%20-%20 Final.pdf.

10 參考文獻(xiàn)

AESCHELMANN F, CARUS M.Biobased building blocks and polymers in the world: capacities, production, and applications–status quo and trends towards 2020.Industrial Biotechnology, 2015, 11(3): 154-159.

2 全球主要生產(chǎn)企業(yè)及其發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，生物基化學(xué)品已成為大型跨國公司競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)7（圖3）。歐洲的巴斯夫（BASF）集團(tuán)、帝斯曼（DSM）集團(tuán)、龍沙（Lonza）集團(tuán)、德固賽（Degussa）集團(tuán)和羅氏（Roche）集團(tuán)都將發(fā)展方向轉(zhuǎn)向工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域。在美國，杜邦（Dupont）公司是世界上首個(gè)用生物法生產(chǎn)1，3-丙二醇（PDO）的公司；NatureWorks公司是全球聚乳酸生物基行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，產(chǎn)品幾乎獨(dú)占全球市場(chǎng)；陶氏（Dow）等精細(xì)化工品公司都在不斷提高以生物催化手段生產(chǎn)生物基化學(xué)品的研發(fā)能力。目前，日本將生物基化學(xué)品研發(fā)重點(diǎn)放在多聚物材料上，開發(fā)的聚丁二酸丁二醇酯（PBS）纖維與樹脂實(shí)現(xiàn)了一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。中國市場(chǎng)除了獲得政府支持的自主研發(fā)型新興生物制造企業(yè)的關(guān)注外，還受到日本天野酶制品株式會(huì)社（A m a n o Enzyme）、丹麥諾維信（Novozymes）公司、美國克迪科思（Codexis）公司等跨國企業(yè)的青睞。

圖3 生物基產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)⑦

11 參考文獻(xiàn)

HARMSEN P F H, HACKMANN M M, BOS H L.Green building blocks for bio-based plastics.Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 2014, 8(3): 306-324.

12 參考文獻(xiàn)

華夏行業(yè)投資咨詢網(wǎng).2013～2017年中國生物基市場(chǎng)需求分析預(yù)測(cè).(2014-01-01)[2016-06-07].http://www.hx-consulting.com/news/yybj/ shwzhy/20140101/2431.html.

13 參考文獻(xiàn)

LANE J.The DOE's 12 Top Biobased Molecules-what became of them?.(2015-04-30) [2016-06-07].http://www.biofuelsdigest.com/ bdigest/2015/04/30/the-does-12-top-biobasedmolecules-what-became-of-them/.

14 參考文獻(xiàn)

中國科學(xué)院國家科學(xué)圖書館區(qū)域信息服務(wù)中心.丁二酸技術(shù)分析報(bào)告.(2012-03)[2016-06-07].124.16.173.17/tib/UserFiles/File/f0af4ec0d4f3 4cde922f88fc618c9e78.doc.

15 參考文獻(xiàn)

李雅麗.美Gevo在馬來西亞建生物基異丁醇生產(chǎn)裝置.石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì), 2012, 28(4):18.

隨著生物技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，以合成生物學(xué)等新型手段為代表的技術(shù)應(yīng)用掀起了生物基化學(xué)品產(chǎn)業(yè)化的浪潮。在生物基化學(xué)品的生產(chǎn)過程中，為了提高目的產(chǎn)物的產(chǎn)率和選擇性，許多企業(yè)均采用了合成生物學(xué)技術(shù)，獲得基因工程微生物或特定的酶改造產(chǎn)物，進(jìn)而應(yīng)用于生物燃料與生物基化學(xué)品的生產(chǎn)。美國奧奇能（Algenol）生物燃料公司通過藻類利用二氧化碳、水和光照合成乙醇，其年產(chǎn)能力達(dá)18噸/英畝（1英畝≈4046.86平方米）。與利用玉米或甘蔗為原料生產(chǎn)相比，乙醇產(chǎn)率分別提高了16倍或6倍。美國阿米瑞斯（Amyris）公司是一家主營可再生專業(yè)化學(xué)品和轉(zhuǎn)化燃料的企業(yè)，其利用微生物改造技術(shù)控制特定的代謝途徑，將甘蔗和甜高粱轉(zhuǎn)化為特定的目標(biāo)化學(xué)品。該公司生產(chǎn)的表面活性劑將會(huì)是傳統(tǒng)壬基酚聚氧乙烯醚（NPE）材料的有效替代物（目前NPE全球市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到10億美元/年以上）。Codexis公司致力于開發(fā)利用麥秸和甘蔗渣這類富含纖維素的生物質(zhì)原料合成生物基乙醇。美國Gevo公司利用合成生物學(xué)和化學(xué)手段生產(chǎn)石油基化學(xué)品替代產(chǎn)品，通過酶工程技術(shù)，將廢棄物和纖維原料轉(zhuǎn)化為丁醇和異丁醇，是丁醇、生物基丁醇和異丁醇合成領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)。美國合成基因組學(xué)（Synthetic Genomics）公司結(jié)合基因工程技術(shù)以及合成生物學(xué)研究方法，通過微生物定向代謝生產(chǎn)生物基乙醇和氫氣，該合成方式將有利于清潔能源的開發(fā)使用?？傊铣缮飳W(xué)技術(shù)成為各大生物基化學(xué)品企業(yè)研發(fā)平臺(tái)的主要技術(shù)研究發(fā)展方向之一，推進(jìn)生物基化學(xué)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

生物基化學(xué)品和材料領(lǐng)域的企業(yè)在發(fā)展中不斷開展技術(shù)創(chuàng)新，獲得了引人注目的成果與榮譽(yù)。以此為標(biāo)準(zhǔn)，《生物燃料文摘》（Biofuels Digest）公布了2014～2015年度該領(lǐng)域30個(gè)熱門企業(yè)的排名8（表2）。從發(fā)布結(jié)果可以看出，許多化工企業(yè)都將發(fā)展重點(diǎn)從石油基化學(xué)品逐漸轉(zhuǎn)向生物基化學(xué)品，生物基化學(xué)品的商業(yè)化成為大勢(shì)所趨。

3 典型生物基化學(xué)品商業(yè)化現(xiàn)狀與趨勢(shì)

3.1 生物塑料

生物塑料是一類商品的總稱，主要包括能否生物降解或是否含生物基前體的塑料產(chǎn)品。就產(chǎn)業(yè)布局來看，北美洲是生物塑料產(chǎn)業(yè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，一些生物塑料領(lǐng)軍企業(yè)在此展開產(chǎn)業(yè)規(guī)劃9（表3）。

從生物塑料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中的典型材料產(chǎn)能份額可以發(fā)現(xiàn)，這些產(chǎn)品的產(chǎn)能在短期內(nèi)都有一定提升，但在生物塑料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中的比例將會(huì)發(fā)生一定的變化10（表4）。

表2 2014～2015年度30個(gè)熱門生物基化學(xué)品和材料企業(yè)的排名

16 參考文獻(xiàn)

李雅麗.低油價(jià)下Green Biologics繼續(xù)推進(jìn)生物基正丁醇開發(fā)進(jìn)程.石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì), 2015, 3: 5.

17 參考文獻(xiàn)

鄭寧來.巴西將建生物基丁醇廠.合成技術(shù)與應(yīng)用, 2013, 3: 54-54.

18 參考文獻(xiàn)

WOOD M.Boosting butanol's role in the biofuel wold.High Plains Journal, 2014, 132(48): 8.

19 參考文獻(xiàn)

殷福珊，鄭耀坤，黃霍輝.甘油加工工業(yè)市場(chǎng)和技術(shù)進(jìn)展.中國油脂化工, 2012, 2: 16-23.

20 參考文獻(xiàn)

沈瑤瑤，于建榮，毛開云.生物基1,3-丙二醇技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì).生物產(chǎn)業(yè)技術(shù).2014, 4: 38-43.

21 參考文獻(xiàn)

MOLEL E, PHILLIPS H, SMITH A.1,3-propanediol from crude glycerol.(2015-05-04)[2016-06-07].http://repository.upenn.edu/cgi/ viewcontent.cgi?article=1070&context=cbe_sdr.

22 參考文獻(xiàn)

李惠鈺.生物基聚氨酯向主流挺近.(2015-01-06)[2016-06-07].http://news.sciencenet.cn/ htmlnews/2015/1/310908.shtm.

23 參考文獻(xiàn)

BOMGARDNER M M.Making rubber from renewables.Chemical & Engineering News, 2011, 89(50): 18-19.

24 參考文獻(xiàn)

BURRIDGE E.Versalis and genomatica develop bio-based rubber.(2016-02-18)[2016-06-07].http://www.chemanager-online.com/en/ news-opinions/markets-companies/versalis-andgenomatica-develop-bio-based-rubber.

生物基聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）發(fā)展迅速，預(yù)計(jì)其產(chǎn)能占生物塑料總產(chǎn)能的比例將從2013年的37%上升到2018年74.3%，可見在整個(gè)生物塑料產(chǎn)業(yè)中的主導(dǎo)地位不可動(dòng)搖。其主要用于食

表3 北美洲生物塑料產(chǎn)業(yè)的主要生產(chǎn)企業(yè)

表4 生物塑料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局

品包裝材料，如作為瓶裝飲料包裝的主要原料，或用于服裝行業(yè)中生產(chǎn)羊絨服飾的纖維制品。生物基PET主要依靠中間體乙二醇和對(duì)苯二甲酸聚合而成。其中，乙二醇的生物合成方式可以來自于乙烯的氧化，也可以源于木糖醇、山梨醇或是甘油的氫解作用；而對(duì)苯二甲酸的生物制法相對(duì)來說比較復(fù)雜，主要依靠酵母發(fā)酵，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為異丁醇，最終通過異丁烯轉(zhuǎn)化成對(duì)二甲苯。生物基PET在全球的快速發(fā)展，主要依賴于可口可樂（Coca-Cola）公司提出的植物PET技術(shù)合作創(chuàng)新計(jì)劃（PTC）。2011年，Coca-Cola公司宣布與美國Gevo公司、Virent能源系統(tǒng)公司及荷蘭Avantium公司合作，開發(fā)100%生物基瓶裝材料。PET 2013年的產(chǎn)能為60萬噸，預(yù)計(jì)到2020年可以上升至700萬噸。

據(jù)預(yù)測(cè)，2018年，生物塑料產(chǎn)能比重中排名第二位的材料將發(fā)生變化，由聚乙烯（PE）變?yōu)榫廴樗幔≒LA）。這說明近期PLA發(fā)展形式優(yōu)于PE，成為更具有市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Φ纳锘芰?。PLA完全采用生物方法，通過丙交酯的開環(huán)聚合反應(yīng)合成，具有無毒、無刺激性、強(qiáng)度高和可塑性好等優(yōu)點(diǎn)，且能在自然界中被完全降解。PLA主要應(yīng)用于包裝材料和紡織品纖維，包括箔材、泡沫托盤等，其在電子和汽車零件中應(yīng)用比例也逐年增長。全球乳酸生產(chǎn)企業(yè)主要有荷蘭普拉克（Purac）公司、比利時(shí)Galactic公司、美國NatureWorks公司和美國阿徹丹尼爾斯米德蘭（ADM）公司。Purac公司生產(chǎn)乳酸和丙交酯，將之出售給荷蘭Synbra公司等企業(yè)進(jìn)一步生產(chǎn)PLA泡沫材料；NatureWorks公司和Galactic公司是聚乳酸的領(lǐng)軍企業(yè)，后者還進(jìn)行PLA材料的循環(huán)利用，將PLA產(chǎn)品進(jìn)一步降解成乳酸11。我國的浙江海正、同杰良等生物材料公司都已加大聚乳酸的生產(chǎn)投入，其中前者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)萬噸級(jí)生產(chǎn)規(guī)模。為了滿足市場(chǎng)對(duì)PLA需求的增長，需要實(shí)現(xiàn)PLA可持續(xù)的規(guī)?；a(chǎn)。這就要求生產(chǎn)企業(yè)增加對(duì)非糧生物原料的使用，現(xiàn)在的研發(fā)方向已轉(zhuǎn)向木質(zhì)纖維素的利用。相較于葡萄糖和淀粉，木質(zhì)纖維素中含有復(fù)雜的碳源結(jié)構(gòu)，這對(duì)預(yù)處理技術(shù)提出了更高的要求。

目前，生物塑料的發(fā)展尚存在一定瓶頸，雖然它具有性能優(yōu)越和可循環(huán)再生的優(yōu)勢(shì)，但與化學(xué)方法相比，生產(chǎn)成本較高。盡管市場(chǎng)需求增長率可期，但據(jù)預(yù)測(cè)，至2022年生物基材料在塑料方面的使用比例依舊低下，甚至不到1%12。為了能在塑料材料市場(chǎng)占有更大的份額，在提高技術(shù)含量的同時(shí)縮小價(jià)格差距將是需要解決的首要問題。

3.2 生物基琥珀酸

生物基琥珀酸不僅是典型的平臺(tái)化學(xué)品，也是合成許多高附加值化合物的前體，用于PBS、合成聚氨酯的聚酯多元醇、涂料與復(fù)合樹脂的生產(chǎn)，最終可應(yīng)用于包裝類等材料。目前，生物基琥珀酸主要以淀粉、纖維素、乳清等生物質(zhì)為原料，依靠以大腸桿菌、產(chǎn)琥珀酸厭氧螺菌、琥珀酸放線桿菌和曼海姆產(chǎn)琥珀酸菌為代表的微生物進(jìn)行合成。

全球首家生物基琥珀酸生產(chǎn)商、美法合資的BioAmber公司于2010年建成世界上第一套商業(yè)化規(guī)模生物琥珀酸生產(chǎn)裝置，年產(chǎn)能約550噸。此后，該公司與日本三菱會(huì)社合作，分別于2013年在加拿大、2014年在泰國建立了年產(chǎn)能為3.4萬噸與6.5萬噸的生物基琥珀酸生產(chǎn)線。2 0 1 3年1 2月，BioAmber公司宣布與比利時(shí)歐利安（Oleon）公司展開為期5年的合作，將其獨(dú)家供應(yīng)的生物基琥珀酸用于后者的琥珀酸潤滑劑生產(chǎn)。2014年7月，BioAmber公司與美國維馬（Vinmar）國際有限公司簽署了“照付不議”的生物基琥珀酸合同，每年由前者向后者在加拿大薩尼亞市的琥珀酸生產(chǎn)基地供應(yīng)1萬噸生物基琥珀酸13。

同時(shí)，美國麥里安（Myriant）技術(shù)有限公司作為琥珀酸生產(chǎn)巨頭，其生產(chǎn)的高純度生物基琥珀酸已快速替代石化琥珀酸并占據(jù)一定的市場(chǎng)份額。荷蘭DSM集團(tuán)和法國的羅蓋特（Roquette）集團(tuán)于2012年在意大利合建產(chǎn)能1萬噸/年的生物基琥珀酸生產(chǎn)設(shè)施。此外，BASF集團(tuán)、Purac公司、我國安慶和興化工有限公司等也建成了一定規(guī)模的琥珀酸生物合成生產(chǎn)裝置。生物基琥珀酸企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模還在不斷壯大，力求在琥珀酸全球市場(chǎng)中占據(jù)更多的份額。

化學(xué)合成法生產(chǎn)琥珀酸的原料成本為1.1美元/千克，而生物基琥珀酸原材料成本僅有0.55美元/千克，因此生物法在生產(chǎn)成本的控制上占據(jù)很大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于全球市場(chǎng)年需求量在30萬噸的琥珀酸產(chǎn)業(yè)來說，生物基琥珀酸具有非常大的市場(chǎng)潛力。此外，由于以生物基琥珀酸為前體合成的多聚物PBS極具發(fā)展前景，而生產(chǎn)1噸PBS就需要0.62噸琥珀酸，這對(duì)于生物基琥珀酸的產(chǎn)能將是重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)14。

3.3 生物基丁醇

丁醇既是典型的大宗化學(xué)品，又是繼乙醇后的一種極具發(fā)展前景的新一代液體燃料。 生物基丁醇主要依靠產(chǎn)溶劑梭菌Clostridia的厭氧發(fā)酵，將一定的碳水化合物轉(zhuǎn)化為丙酮、丁醇和乙醇等溶劑（即ABE發(fā)酵）。丁醇主要用于制造鄰苯二甲酸二丁酯和脂肪族二元酸丁酯類增塑劑，廣泛用于各種塑料和橡膠制品的生產(chǎn)，還可用來生產(chǎn)丁醛、丁酸、丁胺和醋酸丁酯，市場(chǎng)前景廣闊。

近年來，生物異丁醇/正丁醇工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)施相繼問世。2011年，美國Gevo公司在明尼蘇達(dá)州投運(yùn)了全球首套生物異丁醇工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備，該廠以蔗糖為生產(chǎn)原料。同時(shí)，Gevo公司已與馬來西亞東海岸經(jīng)濟(jì)特區(qū)發(fā)展理事會(huì)（ECERDC）和BiotechCor生物技術(shù)公司簽署合作協(xié)議，在馬來西亞居茶（Kertih）地區(qū)建立1套以纖維素為原料的發(fā)酵裝置，用以生產(chǎn)生物基異丁醇，預(yù)計(jì)于2016年投運(yùn)15。2014年 12月，英國綠色生物制劑（Green Biologics）公司收購了美國Central Minnesota Ethanol Cooperative （CMEC）公司，并將CMEC的乙醇生產(chǎn)裝置轉(zhuǎn)產(chǎn)生物基正丁醇和丙酮，擬于2016年中期開始生產(chǎn)；同時(shí)，該公司還計(jì)劃在歐洲、巴西等地區(qū)建設(shè)生產(chǎn)裝置，擴(kuò)大生物基丁醇的產(chǎn)能16。巴西GranBio公司以甘蔗秸稈和甘蔗渣為原料，利用生物法生產(chǎn)正丁醇，在巴西建立全球首個(gè)基于生物質(zhì)的正丁醇

生產(chǎn)裝置，并于2015年正式投產(chǎn)17。

目前，生物基丁醇存在的問題是主要以玉米、谷物等淀粉質(zhì)糧食類原料為利用底物，因此要大力發(fā)展生物基丁醇，必須采用非糧食類底物（如木質(zhì)纖維素、木薯、菊芋等）來擴(kuò)大生物基丁醇產(chǎn)能。美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)署（USDA-ARS）發(fā)現(xiàn)，大麥稈和玉米秸稈這兩種農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品可以用作廉價(jià)的原料來生產(chǎn)生物基丁醇，通過使用氣體剝離的方法能夠大幅度提高丁醇產(chǎn)率。這是利用生物質(zhì)纖維生產(chǎn)丁醇的一大技術(shù)突破18。除此以外，生物基丁醇雖然具有環(huán)境友好、低碳經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，但由于ABE發(fā)酵液中丁醇濃度不高，在發(fā)酵液中除了60%的丁醇外，還會(huì)產(chǎn)生30%的丙酮和10%的乙醇。與高商業(yè)價(jià)值的丁醇（12 000元/噸）相比，丙酮（8500 元/噸）和乙醇（5000元/噸）屬于低附加值產(chǎn)品，因此必須通過技術(shù)手段提高發(fā)酵產(chǎn)物中生物基丁醇合成的選擇性，提高轉(zhuǎn)化效率，這才能使得其在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中更具競(jìng)爭(zhēng)力。

3.4 生物柴油、生物基甘油及其衍生物

目前，甘油主要來自于油脂化工企業(yè)和生物柴油企業(yè)。隨著人們對(duì)全球溫室效應(yīng)和能源安全的重視，生物柴油的生產(chǎn)受到眾多企業(yè)的關(guān)注。2013年，全球生物柴油產(chǎn)量達(dá)到0.2億噸。除了美國、德國和巴西，許多東南亞國家都成為了生物柴油重要的制造廠商。其中，印尼、馬來西亞、泰國盛產(chǎn)的棕櫚油具有高產(chǎn)率低成本的優(yōu)勢(shì)，成為制備生物柴油的重要生產(chǎn)原料。生物甘油是生物柴油生產(chǎn)過程中的主要副產(chǎn)物，每生產(chǎn)10噸生物柴油可以產(chǎn)生1噸粗甘油。生物甘油的生產(chǎn)不僅增加了生物柴油的利用率，同時(shí)增加了甘油的產(chǎn)量，降低了甘油的生產(chǎn)成本。由于作為副產(chǎn)物的生物甘油中含有大量甲醇水、無機(jī)鹽、游離的甘油酸酯及其他有機(jī)化合物，因此不能直接進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)，而是進(jìn)一步衍生出一系列高附加值的化學(xué)品19（表5）。

在生物甘油一系列的衍生產(chǎn)品中，采用生物技術(shù)合成PDO的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程近年來有非常大的突破。生物法的技術(shù)體系是在脫水酶作用下，將甘油轉(zhuǎn)化成3-羥基丙醛，再通過NAO+的氧化還原酶還原成PDO。目前已有多家企業(yè)開發(fā)了生物基PDO產(chǎn)業(yè)鏈，美國DuPont公司于2011年建成6.35萬噸/年的生產(chǎn)線；法國代謝探索者（Metabolic Explorer）公司在馬來西亞生物技術(shù)工業(yè)園區(qū)的生產(chǎn)設(shè)備終產(chǎn)能可以達(dá)到5萬噸/年；我國的辰能生物、華美生物、盛虹集團(tuán)分別在2010～2013年形成2萬噸/年的生產(chǎn)規(guī)模20。研究報(bào)告指出，亞洲正在大力開發(fā)PDO產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，中國將于2019年成為全球最大的PDO生產(chǎn)和出口國21。市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，2014 年P(guān)DO的全球市場(chǎng)價(jià)值達(dá)到31億美元，并將以每年10.4%的比率增長，于2021年達(dá)到62億美元。

以甘油等多元醇為中間體的聚氨酯材料具有耐磨、抗撕裂、抗撓曲性好等特點(diǎn)。據(jù)美國市場(chǎng)研究公司Grand View Research最新發(fā)布的研究報(bào)告顯示，至2020年，全球聚氨酯市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)736億美元。而亞太地區(qū)是全球最大的聚氨酯區(qū)域市場(chǎng)，中國則是亞太地區(qū)最大的聚氨酯消費(fèi)國，2013年需求量在該區(qū)域占25%以上。中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國聚氨酯產(chǎn)品2014年產(chǎn)量達(dá)到938萬噸。如果采用生物甘油代替石油基多元醇，每生產(chǎn)454噸聚氨酯可節(jié)省2200桶石油，總體能源消耗降低23%，非可再生資源消耗降低61%，溫室氣體排放減少36%22。

表5 生物甘油及其衍生化學(xué)品

甘油及其一系列衍生產(chǎn)品的巨大市場(chǎng)需求，要求生物甘油產(chǎn)能需進(jìn)一步提升，利用生物柴油為原料，在一定程度上可以有效降低甘油的制造成本，進(jìn)而有利于提高生物甘油和衍生化學(xué)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3.5 生物異戊二烯與生物橡膠

橡膠主要有兩種類型，包括源自巴西橡膠樹的天然橡膠以及來自化石資源的合成橡膠。據(jù)國際橡膠研究組織（International Rubber Study Group，IRSG）預(yù)測(cè)，全球橡膠需求將從2011年的2.57億噸上升至2020的3.59億噸，其中天然橡膠與合成橡膠的比例將各占一半23。合成橡膠主要依靠石油材料合成，隨著石油資源的價(jià)格攀升，以及人們對(duì)于環(huán)境友好型生產(chǎn)方式的日益重視，利用生物方法合成橡膠前體，進(jìn)一步生產(chǎn)生物橡膠成為產(chǎn)業(yè)研究熱點(diǎn)。利用生物發(fā)酵生產(chǎn)生物橡膠的方法目前仍在研究階段，進(jìn)一步的產(chǎn)業(yè)化放大還有待優(yōu)化。

目前，美國丹尼斯克（Danisco）公司（該公司隸屬于DuPont集團(tuán)）旗下的杰能科公司（Genencor）和固特異輪胎與橡膠公司（Goodyear）展開合作，開發(fā)從糖類生產(chǎn)生物異戊二烯，兩家公司于2010年3月起合作開發(fā)一體化發(fā)酵、回收和提純系統(tǒng)，用于從可再生原材料生產(chǎn)生物異戊二烯，即用杰能科工程化細(xì)菌有效地將來自甘蔗、谷物、谷物穗軸、換季牧草或其他生物質(zhì)中的糖類轉(zhuǎn)化成異戊二烯。據(jù)公開資料表明，在發(fā)酵情況下，杰能科可生產(chǎn)超過60g/L當(dāng)量的生物異戊二烯單體。根據(jù)計(jì)劃，杰能科和固特異將實(shí)現(xiàn)生物橡膠的商業(yè)化。此外，意大利石化生產(chǎn)商Versalis公司及能源部附屬組織Eni（Ente Nazionale Idrocarburi，埃尼集團(tuán)，也稱為國家碳化氫公司）與美國生物工程企業(yè)Genomatica公司于2013年展開合作，成功地在中試規(guī)模利用生物基丁二烯合成生物橡膠聚丁二烯（BD）。這種通過非糧生物質(zhì)以中試規(guī)模生產(chǎn)BD的方式是生物橡膠產(chǎn)業(yè)重要的里程碑。測(cè)試結(jié)果表明，產(chǎn)出的生物基丁二烯和生物基順丁橡膠符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)24。

4 生物基化學(xué)品產(chǎn)業(yè)展望

生物基化學(xué)品具備環(huán)境友好、低碳經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，其產(chǎn)業(yè)化規(guī)模不斷壯大。在目前全球石油資源日益緊張、溫室氣體排放區(qū)域限制的背景下，發(fā)展生物基化學(xué)品產(chǎn)業(yè)迫在眉睫。盡管生物基化學(xué)品的市場(chǎng)份額在一定程度上逐年增加，但其產(chǎn)業(yè)發(fā)展中必須解決相關(guān)的問題。

4.1 利用生物質(zhì)廢棄物代替糧食類作物作為可持續(xù)的原料供應(yīng)

生物基化學(xué)品的生產(chǎn)必須依靠穩(wěn)定充足的原材料供應(yīng)。目前許多產(chǎn)品由于技術(shù)限制，仍利用糧食類作物進(jìn)行生物合成。對(duì)糧食類作物的生產(chǎn)模式的依賴不僅會(huì)給當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)帶來壓力，同時(shí)也在一定程度上限制了其產(chǎn)能和可持續(xù)發(fā)展?jié)撃堋Ｍㄟ^技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展以木質(zhì)纖維素等生物質(zhì)為原料的生產(chǎn)模式，將為生物基化學(xué)品產(chǎn)業(yè)的開拓提供原料保障，同時(shí)能夠進(jìn)一步降低原料成本，使其更具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

4.2 生物合成選擇性的改善與生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率的提升

生物基化學(xué)品的發(fā)展模式必須以綠色反應(yīng)為前提，實(shí)現(xiàn)原子經(jīng)濟(jì)。目前許多化學(xué)品在利用生物原料合成的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，使得原子利用率偏低，進(jìn)而影響其生產(chǎn)價(jià)值。因此在技術(shù)研發(fā)層面，通過開展合成生物學(xué)、基因工程等技術(shù)手段，針對(duì)目的產(chǎn)物進(jìn)行相應(yīng)的合成途徑通量優(yōu)化，是生物基化學(xué)品企業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

4.3 高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)是專業(yè)化學(xué)品與聚合物材料產(chǎn)業(yè)未來的 發(fā)展方向

目前針對(duì)大宗化學(xué)品，生物基產(chǎn)業(yè)技術(shù)比較成熟，而且存在一定程度的產(chǎn)能過剩。但對(duì)于附加值更高的專業(yè)化學(xué)品，如何利用生物技術(shù)合成并放大到工業(yè)生產(chǎn)，還有待進(jìn)一步加大投入。開發(fā)新型、高性能的專業(yè)化學(xué)品與高端材料將是生物基化學(xué)品產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向。

［致謝：本項(xiàng)目得到國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）項(xiàng)目（2014AA021503）的支持。］

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.04.002