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。
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。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。
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。
站在中国生物经济、生物制造新一轮技术和产业升级节点，DeepTech 联合红杉中国、水木络绎，正式发布《 2023 非粮生物质开发关键技术与产业结构解读》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、非粮生物
质综合利用、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。
碳源迭代，非粮生物质引领大规模生物制造，产业浪潮已至
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。据国际能源署预测，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。
图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
横跨 20 年，全球生物质产业政策支持全面展开
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。
图丨中国生物质产业部分支持政策（来源：公开资料、DeepTech）
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：
以粮食作物、淀粉为原料：现阶段主要原料，存在突出的“与粮争地”问题，长期大量用作发酵碳源可能造成粮食短缺
以非粮生物质为原料：淀粉类经济作物、木质纤维素、有机生活垃圾等替代传统碳源
以无机碳源为原料：需要特殊菌种开发，对光合作用的机制研究待深入，尚未大规模产业化
以非粮生物质为开发核心的产业，通过不断迭代开发，技术积累已基本完备，将秸秆转化用于较高价值产品开发，成为开启非粮生物质大规模商业应用的关键技术。在可持续发展的趋势下，成为产业界越来越关注的领域。
图丨非粮生物质开发途径（来源：DeepTech）
技术进化，产业链关键环节全覆盖，蜕变一触即发
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。
图丨非粮生物质高效开发技术路线（来源：DeepTech）
源头：边际土地开发是扩大生物碳源的有效途径
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（盐碱地）种植淀粉类非粮作物，成为从源头扩充产能的重要手段。中国盐碱地主要包括两种类型：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。
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，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。
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。
上游：秸秆收储运规模化困难，糖平台原料未来可期
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。
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。
图丨粮食作物与秸秆主要成分含量（来源：DeepTech）
中游：4 大技术难点突破助力大规模应用
秸秆与其他木质纤维素（如木材等）类似，其中 40-50% 为纤维素成分，同时还含有半纤维素和木质素。纤维素是组成植物细胞壁的主要成分，由几百至几千个 β-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。
①高效糖化：多重策略预处理与纤维素酶改造
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。任何单一方法都无法使原料完全降解，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。
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。为提升纤维素酶水解效率，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。
图丨纤维素酶水解纤维素过程（来源：DeepTech）
②除抑制物：原位脱毒成为绿色解决方案
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对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，处理秸秆等非粮生物质为高纯度且无抑制的可发酵糖。
当前有技术路线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，实现不外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。
③解碳阻遏：混菌、多联、碳共利用是有效技术手段
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。解决碳阻遏可以通过混菌发酵利用 C5、C6 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；也可以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；或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。
④综合开发：高效菌种开发，建立技术壁垒
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大公司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。
图丨核心菌种突破的关键技术（来源：DeepTech）
下游：非粮生物质赋能高效开发产品
生物基材料成为非粮生物质产业应用的潮流方向，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，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。
产业进化，把握 10 倍速增长机遇，创新突破奇点
降本——非粮生物质开发提升生物制造的核心竞争力
在生产过程中培养基总成本占有较大比重，按垂直领域的不同成本可达 38%-72%，有机碳源通常是发酵成本中的主要组成。在成熟的发酵产业链中，各参与企业的竞争，实质上是对工艺、成本、稳定性和规模的控制，提升整个生物反应效率，降低成本，才能真正实施于大规模生产。
应该可以看到，成熟的淀粉糖产业市场已处于平稳期，开发技术手段已难以推动淀粉糖成本持续下降，秸秆的高效开发利用仍处上升阶段，且已经实现成本的大幅度下降，当上下游产业被激活，成本方面未来仍有大幅度下降的空间。
扩张——非粮生物质助力生物制造打破规模壁垒
根据经合组织预测，2030 年全球至少 20% 化工品被生物质产品替代，对应市场空间 8000 亿美元，未来全球生物经济的规模预计可以达到 30 万亿美元。生物产业正由“小而美”走向“大而全”，在已形成一定规模的医药、饲料、食品添加剂等领域，市场年需求在万吨至 10 万吨级，而在生物基能源、塑料、纤维、橡胶、涂料、复合材料、助剂等能源和材料领域，未来产业容量可达到千万吨级。
开展大规模生物制造的前提是原料的稳定供应，非粮生物质开发极大推进此产业进程。生物产业与传统化工正在由“错位竞争”到“直接竞争”。在市场的竞争格局中，传统化工已有成熟的供应链和生态，生物基产业需要打破现有壁垒，“新玩家”才能在竞争中脱颖而出，非粮生物质开发提供了重要的机会。
提速——合成生物学正在加速重构生物制造产业
以合成生物学为代表的生物制造新兴市场，利用工程原理对生物系统进行改造，以实现新的功能和特性，为非粮生物质开发提供了技术支持和创新途径，有望推动生物制造行业的发展，实现环境友好和可持续性目标。合成生物学成为催生生物经济的颠覆性力量。
与传统微生物发酵生产模式不同，合成生物创造全新的人工生物体系，实现原料向产物的高效、快速转化。从不同下游行业应用来看，工业化工产品为最主要的三大应用行业之一，预计到 2026 年全球市场规模将超过 60 亿美元。基于“非粮生物质+合成生物学”的全新生物制造范式，将助力突破原料资源瓶颈限制与生物制造生产过程“黑箱”解析，推动新型可持续发展的绿色工业化进程。
聚集——中国正在形成非粮生物质开发分布式聚集区
产业集群是推动生物基材料产业转型升级、引领区域经济发展的重要载体。受限于秸秆等非粮生物质不适用于长距离运输的特点，可预见未来秸秆“收储运”处理宜逐产地建厂，依托丰富的非粮生物质原料，就地取材。工信部计划到 2025 年，形成 5 家左右具有核心竞争力、特色鲜明、发展优势突出的骨干企业，建成 3-5 个生物基材料产业集群。各地出台支持政策，未来将形成分布式非粮生物质综合利用格局，具有区域优势的技术创新、产品创新、市场创新高地也正在形成。
表丨部分生物质资源开发政策（来源：公开信息、DeepTech）
图丨中国非粮生物质开发的部分企业图谱（来源：公开信息）
生物制造未来已来，追寻产业变革
利用微生物技术来提高发酵的经济效益，开发新的发酵工艺，甚至生产具有全新性能的新材料，日益成为研发的主流。但除少数产品外，规模并没有像过去预期的那样大，部分原因是与现有的成本竞争力、规模化挑战和供应链约束有关，以下是实现商业化和有效规模化的可行性未来路径。
降本增效是竞争关键因素，在成熟的石油化工产业背景下，由于研发和原料等生产固定成本高，材料生产的创新应用现阶段仍比石油基产品更昂贵，降低生产成本至商业上可竞争的水平是关键因素。非粮生物基的开发将重点解决成本问题，与此同时，需降低引入的其他成本（如预处理、纤维素酶等），以达到整体的降本增效，提升生物基产品竞争力。
与现有发酵过程耦合，发酵过程的优化和改进是一项极其重要的工作，非粮生物质的碳化产物——秸秆糖可以作为碳源原料被引入发酵过程，开发与菌种适配的条件可控的工艺流程。
非粮生物质糖化、直接发酵技术路线并行，非粮生物质糖化路径、非粮生物质直接发酵产品是当前阶段并行的两个开发路线，当前阶段很难界定哪项技术更具备未来潜力。非粮生物质糖化路径更具灵活性，能有效地与现有产业耦合衔接，为下游产业强力赋能；非粮生物质直接发酵生产可以规避当前非粮生物质预处理耗能高、纤维素酶垄断、水解效率偏低的问题。随着未来技术的发展，将展现不同的生物制造“魅力”。
新入局参与者的创新契机
在生物制造即将大规模开展的新时代前夜，非粮生物质的深入开发带来了一系列契机:
创新农业育种技术与边际土地改良，农业育种是提高作物产量和抗逆性的关键领域，开发育种技术和工具，如基因编辑技术、遗传标记和高通量筛选方法等，加速作物品种改良的进程。开发新的土壤改良技术，如生物肥料、微生物制剂、土壤调理剂等，从而改善边际土地环境。
开发生物基材料和化学品生产的新途径 ，寻找更有效、更可持续的生产方式，非粮生物质成为越来越重要的原料之一。包括纺织业、化妆品、天然提取物、制药和化学品等市场，如新型塑料、纳米纤维素、蛋白质纤维等新技术仍处于早期阶段。通过挖掘适用于生物技术制造的新材料，具有新的功能和性能，将开辟全新的市场，如生物质基微纳米功能材料规模化制备，可广泛应用于以纸代塑、纸张轻量化、水性漆与涂料、新能源电池、日化用品及生物医用等各大重要市场领域。
非粮生物质向蛋白、淀粉转化的酶法新路径，非粮生物质制备微生物蛋白方面，经过生物安全菌种发酵，生产食品或饲料级别的微生物蛋白，为人类和动物供给蛋白质营养。非粮生物质向淀粉转化以酶法将糖苷键定向重排使纤维素转化为淀粉，人造淀粉可被用于高端工业制造。
IT+BT 在工业领域带来的范式变革，以数据驱动的生物制造新范式，已在生物医药领域展现出强劲的推动力，未来在非粮生物质开发的工业领域将广泛推动底层开发，包括菌种的基因组尺度代谢网络模型，高品质数据和新型数据挖掘和分析算法等，将显著促进改造靶点预测和指导代谢工程改造等领域。
面向未来的 3-5 年，生物制造在材料、化学品和能源领域的创新将对各行业产生巨大影响，有望实现更高效、更可持续的生产方式。虽然生物制造仍面临诸多挑战，但随着非粮生物质开发的技术进步和跨行业合作的深入，市场份额将逐渐扩大。未来将出现更多具有变革性的生物制造产品和应用，在成本、性能、产业规模和可持续性之间找到平衡，并获得市场的认可和接受，必将深刻改变人们的生产方式和日常生活。
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