生物基材料发展现状

分析8种已经进入商业化阶段的生物基化学品和材料，可见绝大部份产品具备与化石基替代品一致甚至更好的性能优势，近一半产品具备成本优势，且每种产品至少有40%以上的碳排放量减少。

图|生物基产品与石油基产品性能对比

上游生物基原料包括木质素、纤维素、淀粉、多糖和植物油，通过生物合成、生物加工、生物炼制过程获得乙醇、乙烯、丁二酸、乳酸等生物基单体，进一步加工得到生物基材料产品。

图|从生物质原料到生物基高分子材料的产业链

淀粉是多羟基天然聚合物，由多个α-葡萄糖构成。根据葡萄糖排列结构不同，又可由直链淀粉和支链淀粉组成，占比分别为80%和20%。淀粉来源广泛、成本低，具备无毒、生物相容性和可生物降解性好等特点。改性后淀粉可解决天然淀粉耐水性差、机械性能差等问题，是替代石油基脂肪族化合物最主要材料。

图|葡萄糖结构

图|直链淀粉与直链淀粉结构示意图

纤维素分子由β-葡萄糖分子构成，每个葡萄糖分子之间以β-1，4糖苷键结合形成，分子的重复单元简单而均一，无分支，也不发生卷曲，故结构稳定。纤维素是植物细胞壁的主要成分，占植物界碳含量的50%以上。

世界现存的纤维素量高达万亿吨，每年新生成的纤维素为1000亿-1500亿吨，来源广泛，且非食用性，以其为原料代替玉米等粮食淀粉，将更具成本优势，是未来生产脂肪族化学品最理想的生物质碳源。

木质素系替代石油基芳香族化合物的最主要生物质碳源。木质素是含量仅次于纤维素的天然高分子，主要由苯基丙烷单元通过醚键和碳-碳键连接而成,属于具有三维空间结构的芳香族天然高分子化合物。基本组成单体为三种酚，羟基苯基(H,4-hydroxyphenyl)，4-羟基-3-甲氧基苯基(G,guaiacyl)，3,5-二甲基-4-羟基苯基(S,syringyl)。

由于木质素单体的分子结构与石油中分离出的芳香族分子结构非常相似，因此是目前自然界中少有能够提供可再生芳基化合物的生物质碳源之一。木质素转化过程成本高且工艺复杂，大规模工业化利用有限。当前，绝大部分木质素被当做残渣用于燃烧提供能源，仅有2%用于制造轮胎、混凝土和沥青填料及其他高附加值的材料。

图|木质素的基本组成单体 芳香族基础化工原料

图|全球纤维素、木质素、原油产量对比

生物基塑料、生物基纤维、生物基橡胶三大品类有代表性产品。生物基塑料品类的聚乳酸(PLA)、二氧化碳共聚物(PPC)、聚羟基烷酸酯(PHA)、聚己内酯(PCL)、生物基聚酰胺(PA)、生物基聚氨酯(PU)等。生物基纤维品类的PLA纤维、PHBV与PLA共混纤维、PTT纤维、PBT纤维以及纤维(天丝)、竹浆纤维、麻浆纤维等。

生物基橡胶品类中的聚酯型生物基合成橡胶、生物基衣康酸酯橡胶、大豆油基弹性体、生物基聚氨酯弹性体等。生物基材料已经广泛应用到包装、餐饮、电子、汽车、农林、园艺、玩具、纺织品等多个终端细分市场。包装是生物基材料最大的应用领域。2020年全球生物基材料总消费量211万吨，包装领域占比47%，餐饮与纺织领域紧随其后，分别占比12%和11%。

图|2020年全球生物基材料消费需求占比

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