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1、立足多維碳源立足多維碳源 擘畫非糧藍圖擘畫非糧藍圖Chapter 1 Chapter 1 非糧生物質產業浪潮已至非糧生物質產業浪潮已至碳源迭代，引領生物產業大規模商業化04Chapter 3 Chapter 3 非非糧生物質推動產業發展與結構變革糧生物質推動產業發展與結構變革降本、擴張、提速、聚集，帶來產業升級新范式123040展望展望41版權說明版權說明導語導語03Chapter 2 Chapter 2 非糧生物質開發技術突破方向非糧生物質開發技術突破方向串聯生物制造產業上下游的關鍵環節2023非糧生物質開發關鍵技術與產業結構解讀導語導語3“雙碳”目標引領著廣泛而深刻的變革，構建更加綠色可持

2、續的生產制造模式成為未來發展的必然趨勢，隨著全球生物技術發展和產業升級的加速推進，生物制造生物制造成為實現這一轉變的重要推動力。2023年1月，工信部等六部門印發加快非糧生物基材料創新發展三年行動方案，提出到2025年，非糧生物基材料產業基本形成自主創新能力強、產品體系不斷豐富、綠色循環低碳的創新發展生態，非糧生物質原料利用和應用技術基本成熟，部分非糧生物基產品競爭力與化石基產品相當，高質量、可持續的供給和消費體系初步建立。以非糧生物質為原料通過發酵的手段生產生物基材料，既是對秸稈等生物質高附加值的利用，也有力支撐“雙碳”戰略目標的實現。當前，生物基材料已形成一定市場規模、產業鏈已初步形成，但

3、非糧生物質的開發尚未實現大規模技術突破，產業升級迭代潛力巨大。非糧生物質的開發有望成為生物基材料降本增效的關鍵環節，基于非糧碳源、通過發酵或催化實現生物基產品對石化基產品的替代和升級，成為提升生物基產品市場競爭力的重要途徑。非糧生物質非糧生物質 主要包括木薯等淀粉類經濟作物主要包括木薯等淀粉類經濟作物、木質纖維素木質纖維素（如農作物秸稈如農作物秸稈、林業廢棄林業廢棄物物、薪炭林薪炭林）等不是以糧食作為原材料的生物質資源等不是以糧食作為原材料的生物質資源。中國年產各類非糧生物質資源超過35億噸，其中農業廢棄物9.6億噸、林業廢棄物3.5億噸，產量巨大且性質穩定，理論上是生物質資源利用中避免糧食消

4、耗的最佳替代品。以木質纖維素為代表的非糧生物質是地球最為豐富的一種可再生資源，被認為是可持續能源和綠色化學工業的重要來源之一。非糧生物質開發作為串聯生物制造產業上下游的關鍵環節，向上促進農業廢棄利用、邊際土地開發、農業育種；向下推動生物制造降本增效，助力生物基材料能源規模擴張。本報告聚焦非糧生物質開發關鍵技術本報告聚焦非糧生物質開發關鍵技術，重點關注非糧生物質高效糖化重點關注非糧生物質高效糖化、非糧生物質綜非糧生物質綜合利用合利用、酶與工業菌種開發酶與工業菌種開發，以及由非糧生物質利用帶來的產業結構變革以及由非糧生物質利用帶來的產業結構變革。4非糧生物質產業浪潮已至非糧生物質產業浪潮已至Cha

5、pter 1Chapter 1生物質資源高效開發產業潛力巨大生物質資源高效開發產業潛力巨大生物質開發助力碳中和橫跨20年，全球生物質產業政策支持全面展開碳源迭代，非糧生物質引領大規模商業應用碳源迭代，非糧生物質引領大規模商業應用邊際土地利用與秸稈開發，助力糧食安全全球非糧生物質開發模式生物基材料成為非糧生物質產業應用的潮流方向生物質生物質非糧生物質非糧生物質非糧生物基材料非糧生物基材料生物能源生物能源生物質資源生物質資源高效開發產業潛力巨大高效開發產業潛力巨大5生物質資源是全球最大的可再生資源，占可再生資源的55%，占全球供應的6%以上，從2010年到2021年，現代生物質資源的使用平均每年增

6、長7%，且呈上升趨勢。據國際能源署（IEA）預測，2021至2030年國際生物質利用規模將以每年10%的速度增長，到2030年50%的生物質資源的供應來自不需要土地使用的廢物和殘留物。當前中國生物質能總資源量達到37.95億噸，開發潛力為4.6億噸標準煤，生物質資源產生量呈不斷上升趨勢，到2030年中國生物質總資源量將達到37.95億噸，到2060年我國生物質資源量將達到53.46億噸。當前中國生物質資源真正轉化為能源利用的不足0.6億噸標準煤。中國生物質產值已達到10萬億規模，未來全球生物經濟的規模預計可以達到30萬億美元，未來生物質產業發展潛力巨大。圖1丨全球生物質資源供應（數據來源：國際

7、能源署）*能源作物：包括常規能源作物、糧食能源作物和短周期木本作物*廢物和殘留物：包括農業殘留物、食品加工、工業和城市廢物流、林業和木材加工殘留物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（預測）能源作物*廢物和殘留物*林業種植傳統利用手段傳統利用手段林業種植廢物和殘留物*能源作物*生物質開發助力碳中和生物質開發助力碳中和62017年國際能源署（IEA）將生物資源描述為“最重要的可再生能源”。2021年9月，中共中央、國務院印發的關于完整準確全

8、面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見提出合理利用生物質能。2022年6月國家發展改革委、國家能源局等部門聯合印發“十四五”可再生能源發展規劃，提出穩步推進生物質能多元化開發。據估計，全球植物每年光合作用產生的干物質高達1500-2000億噸，是地球上唯一可超大規模再生的實物性資源。中國每年產生的農業作物秸稈有7億多噸，相當于3.5億噸標準煤，森林采伐加工剩余物1000多萬噸，蔗渣400多萬噸，但每年用于工業過程或燃燒的纖維素資源僅占2%左右，絕大部分還未被利用。到2030年中國利用生物資源將減碳超9億噸，到2060年將減碳超20億噸。生物質開發在減少化石資源使用、實現碳減排中發揮重要作用

9、的途徑主要涵蓋能源、產品和過程三個方面：能源能源 能源替代是最簡單的生物質利用方式，如生物乙醇和生物柴油替代化石燃料；產品產品 生物基化學品每1噸生產，可減少約300噸煤碳使用、近800千克二氧化碳排放；過程過程 在工業過程中每使用1千克酶制劑，相比化學法可減排100千克二氧化碳。非糧生物基開發貫穿能源、產品、過程三大方面，堪稱生物質資源利用中“尚未被完全開發的寶藏”。0.012.41.80.62.42.34.52.4432.44.6012345BECCS技術*化肥替代生物質液體燃料生物天然氣生物質清潔供熱生物質發電2030年減排能力2060年減排能力圖2丨生物質各碳減排路徑下碳減排量（單位：

10、億噸；數據來源：BEIPA）*BECCS技術即生物能源與碳捕獲和儲存技術橫跨橫跨2020年，年，全球全球生物質產業政策支持全面展開生物質產業政策支持全面展開7由于生物制造技術在資源節約和碳減排中的重要作用，世界主要國家均積極推進生物制造技術的發展和應用，生物制造已經得到全球范圍內各界的廣泛重視與支持。地區地區時間時間概述概述歐盟&英國2021年英國工業生物技術報告：標準和法規的戰略路線圖確定生物燃料、精細和特種化學品、塑料和紡織品等領域發展路線圖2020年歐盟戰略創新與研究議程（SIRA 2030）報告，提出“2050年建立循環生物社會”的愿景2012年歐洲生物經濟戰略啟動，旨在解決可再生生物

11、資源的生產及其轉化為重要產品和生物能源的問題美國2023年計劃于5年內生產超過20種商業上可行的生物產品；20年內大規模取代當今90%以上的塑料和其他商業聚合物2022年啟動國家生物技術和生物制造計劃，斥資1.78億美元用于生物能源研究，以推進可持續技術突破和改善碳儲存2012年提出“國家生物經濟藍圖”中將發展生物基產品作為發展生物經濟的主要內容之一2000年頒布生物質研發法案為生物能源研發提供統一基準，要求采用財政和金融等手段鼓勵生物能源研發中國2023年加快非糧生物基材料創新發展三年行動方案引導大宗農作物秸稈及剩余物等非糧生物質的生物基材料產業創新發展2022年“十四五”生物經濟發展規劃提

12、出生物基材料替代傳統化學原料、生物工藝替代傳統化學工藝等進展明顯目標2012年國務院發布生物產業發展規劃，推進生物基材料生物聚合、化學聚合等技術的發展與應用2001年國民經濟和社會發展第十個五年計劃綱要，提出深入加強沼氣等新節能技術，以加強農村能源綜合建設表1丨全球主要國家和地區生物質產業支持政策（來源：公開資料、DeepTech）碳源迭代，非糧生物質引領大規模商業應用碳源迭代，非糧生物質引領大規模商業應用8生物質資源利用根據原材料和利用方式的區別，可以劃分為三個代際技術迭代：第一代開發技術第一代開發技術以糧食作物、糖類為原料，是當前階段主要的生物質開發手段。工業上廣泛應用的發酵原料是淀粉，淀

13、粉主要存在于谷物籽粒和植物根莖，基于糧食原料的生物基開發可能造成“與糧爭地”。第二代開發技術第二代開發技術 以非糧生物質為原料，主要包括木薯等淀粉類經濟作物、木質纖維素（農作物秸稈、林業廢棄物、薪炭林、木本油料林、灌木林）、有機生活垃圾、畜禽糞污、生活污水污泥等。中國年產農業廢棄物9.6億噸、林業廢棄物3.5億噸。第三代開發技術第三代開發技術以生物細胞工廠利用大氣中的二氧化碳來進行生物生產，其發展落后于現有生物制造技術路線，對生物固碳過程中涉及的各個步驟需要進行深入理解和優化，當前仍處于早期階段，距離大規模產業應用尚有距離。以非糧生物質為核心的產業以非糧生物質為核心的產業，通過不斷迭代開發通過

14、不斷迭代開發，技術積累已基本完備技術積累已基本完備，將秸稈轉化將秸稈轉化用于較高價值產品用于較高價值產品，成為開啟非糧生物質大規模商業應用的關鍵技術成為開啟非糧生物質大規模商業應用的關鍵技術。在可持續發展在可持續發展的趨勢下的趨勢下，成為產業界越來越關注的領域成為產業界越來越關注的領域。圖3丨非糧生物質纖維結構（來源：Value-Chain of Biofuels）邊際土地利用與秸稈開發，助力糧食安全邊際土地利用與秸稈開發，助力糧食安全9在中國的糧食安全戰略下，采取多種措施以確保糧食供應穩定，滿足人民對糧食的需求。中國是全球生物發酵第一大國，當前各類生物發酵的原料仍以糧食為主，發酵產品年產量近

15、2000多萬噸，消耗糧食近5000萬噸。中國生物基產品正向大宗產品滲透，糧食勢必無法大量規模用于生物制造產業。發展“不與民爭糧”的生物質碳源平臺，是實現中國農業和生物制造業可持續發展的重要前提。開展開展鹽堿地綜合利用，是一個戰略問題，必須擺上重要位置。要立足我國鹽堿地多、開發潛力大的實際，發揮科技創新的關鍵作用，加大鹽堿地改造提升力度，加強適宜鹽堿地作物品種開發推廣，有效拓展適宜作物播種面積，積極發展深加工，做好鹽堿地特色農業這篇大文章。2023年習總書記考察黃驊市旱堿地麥田邊際土地的開發和秸稈的充分利用可以作為替代方案，促進生物發酵的可持續發展。邊際土地邊際土地 是指那些不適合傳統農作物生產

16、的土地，如荒山、沙漠邊緣、鹽堿地等。通過合理開發利用這些土地，可以減少對肥沃農田的壓力，保護和提高主要農作物的產量和品質。利用邊際土地種植木薯等非糧作物，一方面為生物制造提供淀粉等原料，另一方面有利于對邊際土地的改良，最終形成可用于糧食種植的耕地，助力糧食安全。農作物秸稈農作物秸稈 中國秸稈資源量巨大，2022年秸稈綜合利用市場規模為2065.4億元，同比上年增長6.41%。秸稈在傳統農業生產中被視為副產品或廢棄物，農作物秸稈的價格僅是糧食的十分之一，糖類物質含量與糧食籽粒相近（糧食約70%，秸稈約65%），產量巨大且性質穩定，同樣是生物質資源利用中避免糧食消耗的最佳替代品之一。全球非糧生物質

17、開發模式全球非糧生物質開發模式10非糧生物質非糧生物質淀粉油脂纖維素生物乙醇平臺化學品聚合物材料生物柴油生物乙醇脂肪酸糖化圖4丨非糧生物質高效開發途徑（來源：DeepTech）發酵美國美國利用產能過剩的玉米生產生物乙醇，通過財政補貼等形式提高農民收入，改進能源安全，但其他國家糧食作物結構情況難以效仿。直接燃燒直接燃燒/發電發電丹麥丹麥是世界上最早應用秸稈發電的國家之一，1988年建成了世界第一座秸稈生物燃料發電廠。德國德國推廣固體成型技術，利用技術將秸稈壓塊，其燃燒值大幅提高，便于用戶家庭取暖。意大利意大利直接將秸稈資源經過處理成型生產出瓦楞狀成型燃料。美國美國建立了350余個生物質發電站。發

18、酵發酵/生物能源生物能源巴西巴西利用甘蔗和農作物秸稈資源生產燃料乙醇，該項技術位于處于世界先進水平。積極開展纖維素乙醇技術研發并初步實現試點生產和運營的國家還有美國美國、加拿大加拿大、意大利意大利、英國英國等。粗放利用粗放利用美國美國、加拿大加拿大將2/3左右的秸稈用于直接還田外，另有1/5左右的秸稈被用做飼料。德國德國沼氣發電量已占全國發電總量的7.5%，開發沼氣、堆肥等以沼氣為紐帶的秸稈循環利用模式。生物基生物基材料成為非糧生物質產業應用的潮流方向材料成為非糧生物質產業應用的潮流方向11中國生物基材料正處于科研開發走向產業化規模應用關鍵時期，2021年中國生物基材料產量700萬噸、產值超過

19、1500億元，占化工行業總產值的2.3%，并在塑料制品、紡織纖維、醫藥器械、涂料、農業物資、表面活性劑等方面得到廣泛應用。當前階段生物基材料生產中培養基成本占60%以上，生物基材料成本普遍高出同類石油基產品30%以上，市場替代優勢弱、推廣應用難。以非糧生物質為原料，在技術突破的基礎上，有望進一步降低生物基材料成本提升競爭力。同時，非糧生物質標準化采收保存、工業菌種與酶蛋白功能元件制備、非糧生物質高效糖化等關鍵平臺技術正處于攻關爬坡階段，將產生巨大的商業機會。圖5丨中國生物基材料產業（數據來源：工信部）工業和信息化部：工業和信息化部：中國中國生物基材料產業發展迅速，構建了較為完整的產業技術體系，

20、產業規模不斷擴大，骨干企業逐步壯大，重點產品應用漸廣。但目前生物基材料主要還是基于糧食原料。由于我國人均耕地、糧食保有量與部分資源豐富國家相比差異很大，雖然我國糧食連年豐收、供應充裕、市場穩定，若是基于糧食原料發展生物基材料也難以為繼，必然面臨“與民爭糧”“與畜爭飼”等矛盾。因此，我國發展生物基材料，必須樹立并貫徹“大食物觀”，實施“藏糧于技”戰略，將傳統意義上“非糧生物質”轉換為發展生物基材料的原料，防范化解“與民爭糧”“與畜爭飼”等矛盾，間接提高我國單位耕地“糧食”產出，為端牢中國飯碗再貢獻一份力量。20212021年年力爭到力爭到20252025年年中國生物基材料產量中國生物基材料產量7

21、00700萬噸萬噸產值超過產值超過15001500億元億元占化工行業總產值占化工行業總產值2.3%2.3%形成骨干企業形成骨干企業5 5家左右家左右建成生物基材料產業集群建成生物基材料產業集群3 3-5 5個個12非糧生物質開發技術突破方向非糧生物質開發技術突破方向Chapter 2Chapter 2非糧生物質開發全產業鏈技術路線非糧生物質開發全產業鏈技術路線源頭：邊際土地開發是擴大生物碳源的有效途徑上游：秸稈收儲運規?；щy，糖平臺原料未來可期中游：4大技術難點突破助力產業大規模應用高效糖化 除抑制物 解碳阻遏 綜合開發下游：非糧生物質賦能高效開發下游產品相關研究學者相關研究學者非糧生物質開

22、發全產業鏈技術路線非糧生物質開發全產業鏈技術路線13秸稈等纖維素非糧生物質原料秸稈等纖維素非糧生物質原料酶解葡萄糖葡萄糖（C6C6）原料分離預處理纖維素纖維素半纖維素半纖維素木質素木質素造紙紡織品納米纖維秸稈混合糖秸稈混合糖（C5+C6C5+C6）活性炭碳纖維生物樹脂芳香族化合物有機肥其他原料其他原料油脂蛋白質無機鹽果膠木糖木糖（C5C5）木薯等淀粉基木薯等淀粉基非糧生物質原料非糧生物質原料酶解酶解糠醛糠酸呋喃聚酯（PEL）乙醇工業乙醇燃料乙醇乳酸PLA有機酸類有機酸類氨基酸類氨基酸類維生素類抗生素類PHA等醇類醇類其他其他檸檬酸丁二酸蘋果酸乳酸PBSPLA等戊二胺尼龍乙醇乙二醇丁二醇丙二醇P

23、ETPBTPTTTMC聚碳酸酯異氰酸酯聚氨酯賴氨酸紡織紡織涂料涂料膠黏劑膠黏劑發泡劑等發泡劑等纖維纖維塑料塑料工程材料工程材料生物滌綸生物滌綸生物能源生物能源圖6丨非糧生物質高效開發技術路線（來源：DeepTech）上游收儲運中游糖化發酵下游產物合成源頭育種改良優良農作物品種選育優良農作物品種選育邊際土地開發利用邊際土地開發利用非糧生物質開發全產業鏈技術路線非糧生物質開發全產業鏈技術路線14過去的生物制造中，產業界更加偏好原料的易用性，淀粉成為生物制造中理想的高分子糖，玉米、小麥等淀粉含量較高的糧食作物成為優先選擇，為微生物提供碳源。隨著生物制造產業由高附加值的小品類下沉至大宗市場，原料的成本

24、成為限制其規模的重要因素，非糧生物質開發成為了重要的選擇方案。良種選育良種選育 耐鹽堿 抗旱 高產新品種邊際土地利用邊際土地利用 土壤改良 生物肥料施用源頭育種改良源頭育種改良關鍵酶開發關鍵酶開發生物質糖化生物質糖化菌種開發菌種開發發酵技術發酵技術產物提取純化產物提取純化中游糖化發酵中游糖化發酵化合物化合物 中間化合物 平臺化合物產品產品 塑料/聚合物 溶劑 表面活性劑下游產物合成下游產物合成圖7丨非糧生物質開發產業鏈（來源：公開資料、DeepTech）秸稈收運秸稈收運 分散模式 集中模式秸稈儲存秸稈儲存 干儲 濕儲上游收儲運上游收儲運源頭育種改良源頭育種改良是解決生物質來是解決生物質來源的重

25、要手段源的重要手段，開發適應邊際土地的非糧糖源、淀粉等作物，為生物制造提供穩定的高質量碳源。上游秸稈收儲運目的是有效管理和利用農作物秸稈資源，包括將其從田間收集到集中儲存，并通過適當的運輸手段將其運送到利用或加工的目的地。在實際操作中，需要考慮到產量、收集和儲存設施的可行性，以及運輸成本和效率等因素，綜合考慮選擇合適的收儲運方案。中游糖化發酵日益凸顯產業鏈關鍵環節價值中游糖化發酵日益凸顯產業鏈關鍵環節價值，上游供給充足但高值化利用不足，下游產業鏈成熟但成本居高，中游原料來源的復雜性會使技術的復雜度提升，以技術手段解決痛點，有助于打通上下游產業鏈。中游碳源的供給成為關鍵平臺原料，秸稈糖化的技術突

26、破，是大規模產業應用的關鍵。生物基下游產業技術路線已基本建立，而以非糧生物質為出發點的生物制造尚未形成規模，與現有工藝技術進行耦合銜接亟待突破。邊際土地開發是擴大生物碳源的有效途徑邊際土地開發是擴大生物碳源的有效途徑15隨著生物制造產業的迅速發展，對大量碳源的需求日益增長，傳統的糧食作物供應已經無法滿足這一需求，實現可持續發展的根本途徑之一是擴大供給，以滿足不斷提升的產業需求。當前生物制造產業仍以淀粉為主，為了更好與現有生物制造產業銜接，開發邊際土地種植淀粉類非糧作物，成為從源頭擴充產能的重要手段。鹽堿地鹽堿地在中國的總面積為5.4億畝，其中耕地中鹽堿化面積達到1.3億畝，占全國耕地面積6.6

27、2%，主要分布在北方地區以及長江以北沿海地帶。主要包括兩種類型：第一類是鹽堿障礙耕地，主要種植作物有糧食作物、大豆、甜菜、牧草等，但產量效益均不穩定；第二類是尚未進行農業利用的鹽堿地，生產開發潛力較大。自然食物生產開發自然食物生產開發，針對當地自然生態系統中的菌類、植物、動物產品等進行采集，食物資源密度較小。鹽堿土壤治理鹽堿土壤治理，通過洗鹽過程減輕土壤鹽分，配套微生物菌劑改良土壤、精準施肥、農業病蟲害防控等?？鼓孓r業育種抗逆農業育種，通過篩選和培育耐鹽、耐旱的糧油作物、飼草與經濟作物進行種植，在不增加工程和改良材料投入的前提下有效擴增鹽堿地的農作物數量和種類。未來技術方向未來技術方向CRIS

28、PR技術可以準確地編輯目標基因或調控序列，目前已被廣泛用于小麥、水稻、煙草和擬南芥等多種植物，展現出強大的克服農業育種各項挑戰的潛力。CRISPR技術在耐鹽作物育種中的幾個應用方向包括：關鍵基因的精確編輯、轉錄因子的調控、潛在基因功能驗證和篩選、引入抗性相關基因等。秸稈收儲運規?；щy，糖平臺原料未來可期秸稈收儲運規?；щy，糖平臺原料未來可期16在邊際土地利用和農作物育種外，非糧生物質的開發另一個重要領域是農作物秸稈的利用。盡管目前秸稈利用仍然面臨一系列問題，但秸稈在糖含量和可獲得性方面有著巨大的優勢，具有開發的重要意義。若將中國半數被浪費的田間作物秸稈利用起來，可以生產約五千萬噸以上的乙醇

29、。糧食糖含量糧食糖含量 淀粉成分：淀粉成分：7070%-糖苷鍵聚合 非淀粉成分：非淀粉成分：3030%外殼、米糠、灰分秸稈糖含量秸稈糖含量 纖維成分：纖維成分：6565%-糖苷鍵聚合 非纖維成分：非纖維成分：3535%木質素、灰分目前國內秸稈收儲運模式主要以分散性收集和集中性收集為主，產生差別的原因主要是由于地理位置以及當地的經濟發展水平。秸稈收儲運主要有三大環節：收集，儲藏，運輸。圖8丨秸稈收儲運系統流程（來源：河南農大）未來技術方向未來技術方向受限于秸稈密度低、易燃的特性，不適用于長距離運輸，可預見未來秸稈處理不具備超大型集中工廠的條件，生產企業宜逐產地建廠，但秸稈處理產品秸稈糖可以集中收

30、儲與運輸，未來糖原料或將成為市場主要需求。4 4大技術難點制約非糧生物質大規模應用大技術難點制約非糧生物質大規模應用17當前非糧生物質的工業應用大多局限于生產乙醇等低值產品，難以形成較高的利潤空間，普遍難以實現商業化運作。由于非糧生物質中農作物秸稈及農業剩余物中含有大量的纖維素，在原料預處理、糖化和發酵效率等方面難度更大，如何實現高效、低成本的綜合開發成為非糧生物質產業化應用的關鍵問題之一。秸稈與其他木質纖維素（如木材等）類似，其中約65%為纖維素成分，同時還含有半纖維素和木質素。纖維素纖維素是組成植物細胞壁的主要成分，由幾百至幾千個-1,4糖苷鍵連接的葡萄糖單元組成，是自然界中最豐富的有機聚

31、合物，蘊藏著植物界50%以上的碳。半纖維素半纖維素是由戊糖（木糖、阿拉伯糖等）和己糖（葡萄糖、甘露糖）組成的異質多聚體，其中木聚糖為主要組成部分。木質素木質素是一種天然的酚類高分子化合物，通過共價鍵與半纖維素連接，含有豐富的芳環結構、脂肪族和芳香族羥基以及醌基等活性基團。秸稈高效糖化困難秸稈高效糖化困難大多數發酵用菌株因缺乏相應地纖維素、半纖維素、木質素水解酶，幾乎無法直接利用此類多糖合成產物，因此需要通過預處理降解多糖，以釋放可發酵糖類（木糖、葡萄糖、阿拉伯糖和甘露糖等）。高分子量和復雜的大分子結構使非糧生物質中纖維素的降解分離和低成本處理及綜合利用成為制約生物質能源利用的關鍵，需要通過許多

32、轉化方法進行糖化。同時，當使用纖維素酶降解木質纖維素時，分解出的纖維二糖、葡萄糖等會對酶解產生較強的反饋抑制作用，更有效和更具成本效益的酶的開發進展緩慢。微生物生長抑制物微生物生長抑制物在非糧生物質預處理過程中除產生微生物可利用的碳源外，還會產生多種抑制微生物生長的有機抑制物如弱酸、醛和酚等。若采用酸/堿預處理，殘留的無機離子也會對微生物生長產生抑制作用。4 4大技術難點制約非糧生物質大規模應用大技術難點制約非糧生物質大規模應用18副產物即在生產過程中伴隨目標產物產生的物質，副產物的產生會降低整體底物利用率，甚至產生抑制物。以發酵法生產乳酸舉例，利用葡萄糖為原料生產乳酸，可以完全轉化，無副產物

33、；利用木糖等五碳糖作為底物，將產生乙酸或乙醇等副產物，此時乳酸最大得率僅為60%，不僅降低生產效率還會增加下游分離純化成本。高效綜合開發高效綜合開發面對非糧生物質開發問題，學術界與產業界均在積極尋找解決方案，如為了緩解抑制物對微生物的毒害作用，探索與了預處理液脫毒、改變發酵工藝或篩選出具有耐抑制物能力的生產菌株等方案。通過非糧生物質的降解分離通過非糧生物質的降解分離和低成本處理及綜合利用開發和低成本處理及綜合利用開發，很大程度上將會打造全新的利用很大程度上將會打造全新的利用生物質資源的供應鏈生物質資源的供應鏈，具有廣闊具有廣闊的市場價值和應用前景的市場價值和應用前景。目前工業生產菌株大多基于糧

34、食原料開發，依賴于葡萄糖或淀粉，若對木糖等五碳糖的利用不佳，會出現碳代謝阻遏現象，即葡萄糖被優先利用，直到葡萄糖耗盡才開始利用其他糖，使得部分糖在發酵結束時未被利用，從而降低發酵效率。此外，不同來源的秸稈成分差別巨大，故而水解液中糖的組成也千差萬別，對工業菌株的開發造成一定困難。碳代謝阻遏碳代謝阻遏圖9丨非糧生物質利用存在的問題乳酸為例（來源：Journal of Biotechnology）利用生物質發酵的先決條件是高濃度的可發酵糖。纖維素作為植物細胞壁的主要成分，自然界中具有支撐作用，故結構緊密難以降解。高效糖化成為大規模非糧生物質利用的關鍵問題。當前基本的預處理方法主要有三類：物理法、化

35、學法和酶解法。物理法物理法主要通過粉碎減小生物質顆粒尺寸，常見的物理法大致可分為機械破碎和高能輻射兩大類，包括研磨、熱解和蒸汽爆破等，有效減少顆粒尺寸以及降低木質纖維素的聚合度，從而增加纖維素酶的附著表面積?；瘜W法化學法主要用于降解或分離木質纖維素結構，常見的化學法有酸法、堿法、有機溶劑等，酸法通過溶解纖維素外包裹的半纖維素結構，打開木質纖維素的結構，降低一定的結晶度，來增加纖維素的可及性。堿法可對木質素有明顯溶解作用。但會面臨化學試劑消耗高、高污染、高耗能的問題。生物法生物法預處理因其能耗低、環境條件溫和而被認為是一種環保的木質素降解方法，降解機制主要是基于微生物釋放的分泌物，包括木聚糖酶、

36、果膠酶、甘露聚糖酶、木質素過氧化物酶、錳過氧化物酶和阿魏酸酯酶等，這些分泌物使纖維多糖原料基質更容易降解。然后通過洗滌消除部分抑制作用，為后續酶解提供了性能良好的底物。高效糖化：多重策略預處理成為技術突破方向高效糖化：多重策略預處理成為技術突破方向19任何單一方法都無法使原料完全降解，有學者嘗試聯合使用多種預處理方法*，增強對生物質結構的破壞，提高預處理和酶解效率、縮短轉化時間，從而有效地促進糖的生成。聯合使用汽爆預處理、周期性仿生蠕動、分批補料補酶的方案。汽爆去除了部分半纖維素、增加了纖維素的相對含量、減少了酶活性抑制物的產生；周期性仿生蠕動提高傳質效率，縮短液化時間；通過分批補料補酶，減少

37、酶的添加量。圖10丨秸稈酶解多重增強策略（來源：Applied Biochemistry and Biotechnology）*參考資料：10.1007/s12010-022-03969-7未來技術方向未來技術方向高效糖化：纖維素酶水解活性成為研究核心高效糖化：纖維素酶水解活性成為研究核心20酶解是實現木質纖維素原料水解糖化的最主要的一步，酶解的效率決定木質纖維素糖化效率，如何提高酶解的效率成為了木質纖維素生物質資源利用的關鍵。纖維素酶主要由內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶以及-葡萄糖苷酶三種酶組成，使纖維素降解為纖維二糖和葡萄糖；一些輔助性的酶，如葡萄糖醛酸酶、乙酰酯酶、木聚糖酶、-木糖苷酶、半乳

38、甘露聚糖酶和葡萄糖甘露聚糖酶也可催化降解半纖維素。在眾多水解方法中，酶解法的反應條件溫和、副產物少、無環境污染。絡合絡合在纖維素酶催化結構域的活性位點內絡合纖維素表面微纖維水解水解催化結構域活性位點內糖苷鍵的水解，以釋放溶解的產物。水解效率取決于有效結合的纖維素酶比率解吸附解吸附纖維素酶從固體表面轉移到液相。酶活性可能會由于變性或與底物的不可逆結合而下降吸附吸附游離纖維素酶與纖維素表面結合，由碳水化合物結合模塊介導圖11丨纖維素酶水解纖維素過程（來源：DeepTech、Biotechnologyand bioengineering）底物濃度：提升底物濃度增加反應速率和產率，但底物濃度過高會引起

39、底物抑制；底物結構特征：受預處理影響較大，包括纖維素結晶度、纖維素聚合度；木質素脫除率：木質素與纖維素酶結合導致纖維素酶無效吸附，抑制水解；水解產物濃度：葡萄糖、木糖等對酶活性有糖反饋抑制作用;水解反應條件:如溫度、pH值等，影響酶分子結構和酶動力模型；綜合成本：隨酶使用量的提高催化效率提升減緩，需綜合投入產出比計算用酶量。纖維素酶水解影響因素纖維素酶水解影響因素高效糖化：纖維素酶改造是提升酶解效率的更優方案高效糖化：纖維素酶改造是提升酶解效率的更優方案21提升酶的催化效率可以通過三方面實現，其一，提升纖維素酶與底物的有效結合與催化；其二，提高酶產量，利用突變篩選、合成生物學手段提升纖維素酶菌

40、株產量；其三，利用蛋白組學對酶蛋白進行改造，提高單位酶活。商業商業纖維素酶制劑經過近20余年的發展，酶制劑公司（如諾維信、杜邦杰能科）已大幅減少纖維素酶生產成本，使之接近酶的最低理論生產成本，達到每千克大約10-20美元，但纖維素酶的用酶成本仍然在秸稈糖化產業中排名首位。纖維素的有效水解涉及多個反應步驟，鑒于只有有效吸附的纖維素酶才能催化纖只有有效吸附的纖維素酶才能催化纖維素中糖苷鍵的水解并形成產物維素中糖苷鍵的水解并形成產物。建立水解過程中可被催化位點相對于纖維素剩余量的動態關系，成功把握纖維素水解的結束時間點，建立纖維素水解動力學模型，是提高酶解效率和酶利用率的關鍵。為降低纖維素酶的無效吸

41、附，加入非催化助劑可減少木質素表面的纖維素酶結合位點，進而減少纖維素酶活的損失，因此添加助劑（如表面活性劑、蛋白質或氨基酸）來提高纖維素酶水解轉化率受到研究者廣泛關注。為提升纖維素酶水解效率，有研究者對天然酶開展結構解析，通過一定的手段對纖維素酶進行修飾，改變纖維素酶的物理化學特性，減少其被無效吸附。還有研究學者以天然酶為模板，設計能夠取代圍繞天然酶活性位點的肽，再將這些肽類物質組裝，提供高密度的活性位點，通過精確地組織高密度的活性位點，并調整其局部環境以調控催化活性。人工改造的酶還具有高穩定性的特征，能夠解決天然酶不穩定的缺陷，如在高溫下保持活性等。未來技術方向未來技術方向除抑制物：原位脫毒

42、成為綠色解決方案除抑制物：原位脫毒成為綠色解決方案22在秸稈處理中往往除了生成木糖、葡萄糖、阿拉伯糖和甘露糖等可發酵糖外還會產生一些有抑制作用的化合物，這些抑制物主要分為呋喃衍生物、弱酸類、酚類。為了緩解抑制物對微生物的毒害作用，需要在預處理后對水解液進行脫毒處理，將其轉變為高純度且無抑制的可發酵糖。常用的脫抑制物的方法包括物理法、化學法和生物法。纖維糖纖維糖除抑制物除抑制物化學法物理法生物法 膜分離法（微濾、超濾、納濾、反滲等）離子交換樹脂 活性炭吸附 電滲析圖12丨常見預處理脫毒技術（來源：DeepTech）原位脫毒 中和法 液液萃取 酶降解（褐腐菌、漆酶等）微生物處理木質纖維素基吸附劑未

43、來技術方向未來技術方向當前有研究利用酶解糖化后的殘渣，生產高效廉價的木質纖維素基吸附劑，通過木質纖維素基吸附劑對發酵抑制物的高效吸附，實現不添加外源物質的除抑制物處理（原位脫毒），最終建立起自給自足的清潔生產體系，達到低能耗和環境友好，其效果不亞于商業活性炭。也有技術路線將“除抑制物”這一環節舍棄，以實現更好大宗產品生產成本優勢，與此替代的是預處理環節中盡可能多地分離雜質和抑制物。解碳阻遏：混菌、多聯、碳共利用是有效技術手段解碳阻遏：混菌、多聯、碳共利用是有效技術手段23木質纖維素水解液中除葡萄糖（C6）外還存在大量的木糖、阿拉伯糖等五碳糖（C5），然而許多生產用菌株在利用混合糖進行發酵時卻無

44、法利用其中的五碳糖。有些菌株雖可利用五碳糖但在代謝時存在碳代謝阻遏作用碳代謝阻遏作用即葡萄糖被優先利用，直到葡萄糖耗盡才開始利用其他糖，非同步的糖利用使得部分糖在發酵結束時未被利用從而降低發酵效率增加生產成本。為了解決這個問題，研究者們嘗試多種方式解決碳代謝阻遏。秸稈多產品聯產秸稈多產品聯產混菌發酵利用混菌發酵利用C5C5、C6C6混菌發酵是指利用兩種或兩種以上的微生物混合共培養的發酵技術，包括直接共培養、間接共培養和共固定化混菌培養等?；炀l酵能夠利用共培養微生物種間的協同代謝、誘導作用、基因轉移及種間群體感應等，使發酵系統持續穩定地運行?；炀l酵能夠結合不同菌株的優勢，通過合理組合利用微生

45、物之間的代謝關系，不僅可以避免多種微生物共同代謝產生較多的副產物，還能進一步提高產量。將功能性代謝途徑整合到不同的宿主菌中，利用混菌技術共利用C5/C6可以避開復雜的微生物代謝調控過程。采用多種方法對秸稈預處理后優先利用C5，以達到最終糖化液中降低C5的目的。首先采用預處理技術制取低聚木糖、木糖等化學原料，然后纖維素酶進一步水解得到葡萄糖液。該手段可以有效地壞纖維素的結晶結構，提高酶水解過程的纖維素可及性，增加酶水解效率，提高碳水化合物保留率，進而提高酶水解過程生成的可發酵糖濃度。采用聯產手段亦可在工程菌代謝改造某些無法循環的通路，使副產物高值化，但值得注意的是，多產品聯產后的分離純化也增加了

46、產業化的成本，仍需下游進一步開發。為實現在其他菌株中的糖分共利用，研究學者利用合成生物學策略，對菌株進行理性改造與設計，重構代謝途徑，獲得秸稈發酵能力較強的工程菌株；針對不同菌株或產物分離需要個性化設計發酵工藝條件的同時兼顧工藝功能區模塊化、組合化，降低工藝設計成本。構建構建C5C5、C6C6共利用工程菌株共利用工程菌株綜合綜合開發開發：策略晉升，：策略晉升，CBPCBP、CBSCBS漸成主流方向漸成主流方向24*參考資料：10.1016/j.biortech.2021.125441作為一項綜合性的工程產業，工業生產上往往追求“最優解”，技術方案也經歷不斷迭代，以追求更高的綜合經濟價值。在分步

47、糖化發酵（SHF）技術之上，不同研發階段分別開發了同步糖化發酵（SSF）、同步糖化共發酵（SSCF）、統合生物加工（CBP）和整合生物糖化（CBS）等技術方案。采用SSF和SSCF工藝可以有效降低體系中的糖濃度，避免酶解反饋抑制，也可以減少酶制劑用量、縮短反應周期，但由于酶解和發酵同時進行，需要酶和菌種的反應條件接近，進而需要開發嗜熱和耐酸的發酵菌種，同時用酶成本也相對較高。技術策略技術策略技術解析技術解析分步糖化發酵（SHF）先進行纖維素的水解，后開展生產發酵，兩者在不同的反應器中進行，且各反應均在其最適宜條件下執行同步糖化發酵（SSF）纖維素的水解和生產發酵在同一反應器中進行同步糖化共發酵

48、（SSCF）纖維素的水解和生產發酵在同一反應器中進行，且發酵菌種同步利用各種可發酵糖統合生物加工（CBP）直接轉化法，目標產物各生產過程（包括木質纖維素的預處理、水解、發酵等）均在一個反應器中進行整合生物糖化（CBS）將酶的生產與水解步驟有機整合，以可發酵糖這一平臺化合物作為目標產物未來技術方向未來技術方向表2丨非糧生物質綜合開發技術策略（來源：公開資料、DeepTech）CBP工藝化繁為簡，將纖維素酶的生產、木質纖維素底物酶解、最終產物發酵等多個過程使用一個或多個菌種同時完成，是當前較好的解決方案之一。CBS的可發酵糖可以自由偶聯下游產業開發，更具有產業靈活性。有學者建立基于產纖維小體的熱纖

49、梭菌開發的糖化技術路線*，已經建成百噸級秸稈糖化中試示范。綜合綜合開發開發：高效高效菌種開發，菌種開發，建立技術壁壘建立技術壁壘25工業菌種是發酵產業的競爭焦點和關鍵，被譽為產業的“芯片”。雖然中國氨基酸、有機酸、維生素等產品產量占全球總產量的60%80%，但菌種知識產權占比卻低于5%，自主菌種的生產水平距國際先進菌種仍存在一定差距。中國正在基于基因組數據提升菌種知識產權自主可控能力，已規?；瘧玫木N包括谷氨酸、賴氨酸、丙氨酸、丁二酸、乳酸等。圖13丨核心菌種突破的關鍵技術（來源：DeepTech）合成生物學技術合成生物學技術 研發先進的基因編輯、基因表達調控技術 關鍵基因元件挖掘，提升代謝

50、調控能力 代謝途徑設計重構，理性設計人工生物體系0202非模式菌種開發非模式菌種開發 諸多非模式菌株天然具有理想細胞工廠所需的優異特性 典型特征包括性能穩定、耐受極端環境條件等 篩選獨特優勢的潛力菌株，如熱纖梭菌、運動發酵單胞菌等01010303高通量自動化菌種篩選高通量自動化菌種篩選“BT+IT”的融合模式賦能工業菌種設計和創制 基因克隆、基因組編輯、編輯序列等自動化實現 流式細胞、液滴微流控、全基因組測序等高通量篩選技術0404工業化菌種開發工業化菌種開發 開發適應工業化生產的高魯棒性細胞 結合纖維水解糖糖現狀，開發耐抑制物、多糖同步利用的菌種 菌種底盤特性適配發酵罐生物反應器綜合開發：綜

51、合開發：2 2個關鍵環節個關鍵環節基因調控與發酵優化基因調控與發酵優化26調控水平調控水平操作手段操作手段重要性重要性基因水平調控轉運蛋白基因優化C5、C6被轉運到胞內是被微生物代謝利用的前提，決定了代謝通量和糖利用效率抑制基因敲除敲除抑制基因、阻斷分支代謝途徑；過表達合成基因編碼的關鍵酶的活性決定了反應速率，目的為提高產物產量和目標代謝途徑碳通量過表達產物合成基因發酵技術優化細胞固定化將細胞固定于一定的結構域內，將整個固定化體系放置于液態培養基中發酵，提升微生物適應能力PH調整、副產物去除混糖發酵時，C5代謝比C6代謝對培養液酸度更敏感，低pH更容易抑制C5發酵補料方式優化采用底物利用率及轉

52、化率高、便于自動化控制、能解除產物反饋抑制和分解代謝物阻遏作用的發酵方式，如補料分批發酵通過調整代謝通路中各種基因元件的表達，以理性設計細胞網絡為手段，降低副產物，減少抑制物，提升生產效率，構建“設計-構建-測試-學習”循環的工程方法，打造高效細胞工廠。發酵過程微生物的生長狀態尚未完全解析，當前對發酵的工藝控制仍以經驗為主，需對發酵過程定向調控，提升目標產量，減少雜質產生。聚焦核心菌種的基因水平調控、下游放大生產的發酵技術優化，是高效綜合開發必然面對的兩個重要課題。表3丨綜合開發優化關鍵環節（來源：DeepTech）非糧生物質賦能高效開發產品非糧生物質賦能高效開發產品27生物能源生物能源生物質

53、化學轉化生物質化學轉化 將生物質轉化成高品位、便于儲存、易運輸的固、液及氣態燃料，如生物柴油生物降解率為傳統柴油的兩倍。液體燃料液體燃料 將非糧生物質發酵為甲醇、乙醇、甲烷、氫氣等能源產物。生物制氫生物制氫 主要利用光合細菌或厭氧細菌，通過光合作用或化能合成作用將非糧生物質分解產生氫氣。非糧生物基材料非糧生物基材料微生物在生物基材料和化學品高效合成方面取得了很大進展。包括小分子有機醇和有機酸、聚合物、塑料、生物基化學纖維、生物基橡膠、生物基涂料、生物基材料助劑、生物基復合材料及其各類生物基材料制得的制品。以下列舉部分獲得一定成果的下游產品：異酸異酸 廣泛應用于樹脂、丙烯塑料、丙烯乳膠和超吸水劑

54、的工業生產；戊二酸戊二酸 是一種重要的C5二羧酸，可用于生產尼龍；1 1,3 3-丙二醇丙二醇 一種重要的化學物質，廣泛應用于紡織、樹脂和制藥等領域，尤其是作為聚合物聚對苯二甲酸三甲醇酯（PTT）的合成單體；1 1,4 4-丁二醇丁二醇 廣泛應用于醫藥、化工、紡織、造紙、汽車及日用化學品等領域；芳香化合物芳香化合物 廣泛應用于食品、化工、醫藥和飼料等領域，如麥角酸、苯乙烯、苯二甲酸、香草醛；生物醫用化學品生物醫用化學品 主要用于保健品、藥物和化妝品，如N-乙酰葡萄糖胺、肝素等單糖和多糖成分。生物肥料生物肥料/飼料飼料肥料肥料 開發副產物有機肥料改善土壤結構、提高土壤肥力、調節土壤酸堿度，從而降

55、低鹽堿地的鹽分含量、改良土壤質量，提高農產品的品質和產量。飼料飼料 發酵單細胞蛋白飼料（DDGS）蛋白質、B族維生素及氨基酸含量均較高。相關研究學者相關研究學者28部分學者部分學者*所在機構所在機構研究領域研究領域陳洪章中科院過程所木質纖維素汽爆拆解分離和高固酶解發酵乙醇/丁醇等研究工作，在汽爆煉制、固態發酵過程強化等取得了開創性成果崔球中科院青島能源所低值生物質（如木質纖維素）的生物降解利用、微生物萜脂類產品的工業生物技術制造、過程工藝優化及裝備的設計制造段盛文中國農業科學院麻類研究所植物纖維綠色提取，纖維改性與生物轉化，以及植物纖維功能產品創制等李昌志中科院大連化物所圍繞木質素定向解聚和高

56、值化利用開展了系統性的創新研究，設計了系列以目標產物為導向的芳醚鍵選擇活化策略，實現定向解聚和去官能化制備能源化學品李福利中科院青島能源所工業微生物技術，生物質水解酶作用機制研究，能源化學品及其衍生物的合成生物技術研究李強華中農業大學木質素合成、改性與高值化應用，涵蓋制漿造紙、生物能源、農業廢棄物及其他固體廢棄物利用等領域廖強重慶大學傳熱傳質強化、多相流動和熱質傳輸、相變換熱及界面現象、微生物能源轉化、固體廢棄物能源化利用、電子元件散熱、微尺度傳輸等方面研究劉德華清華大學生物質綜合利用的生物煉制技術，側重于微生物發酵、酶催化轉化及產品純化工藝優化、設備研發及過程集成那海寧中科院寧波材料所生物質

57、轉化利用技術與應用，天然來源的多糖類生物質降解、改性及加工，實現生物質向實用性綠色環?？稍偕锘牧?、能源、食品及其原材料的轉化及應用祁峰福建師范大學微生物代謝工程、生物能源、食品微生物與發酵技術，生物能源領域關注木質纖維素的綜合利用*按首字母順序排序。如果您也是該領域研究學者，歡迎與我們聯系交流相關研究學者相關研究學者29部分學者部分學者*所在機構所在機構研究領域研究領域齊向輝江蘇大學合成生物學的基礎與應用研究，功能性糖醇與高附加值化學品的微生物合成與制造任俊莉華南理工大學生物質基化學品、能源和材料的研究，在木質纖維清潔高效預處理、半纖維素構效關系建立及其多途徑轉化孫潤倉大連工業大學木質纖

58、維生物質三大組分清潔高效分離及轉化為新材料、新能源和化學品王嵐中科院過程所生物質煉制工程應用基礎研究，發明了生物質分級煉制及高固酶解發酵過程強化系列新方法，并在固態發酵工程化方面取得了突破性進展許鳳北京林業大學農林生物質資源高值化利用應用基礎研究，包括農林生物質細胞壁超微結構解譯、主要組分分離、結構鑒定以及生物基化學品與功能材料轉化研究許建和華東理工大學生物催化與生物化工研究，酶分子工程及合成生物技術研究，新酶元件設計改造及構效機制研究，多酶級聯與合成生物系統構建楊世輝湖北大學以非模式工業微生物運動發酵單胞菌為底盤細胞，推動以木質纖維素等非糧廢棄生物質為原料厭氧發酵生產大宗醇酸平臺化合物的產業

59、化進程張軍中科院化學所發現了對纖維素材料有最強溶解能力的離子液體，經過十余年技術攻關成功實現了產業化?？梢詫Φ推焚|生物質材料實現高效溶解、清潔加工，產品可以廣泛應用于鋰電池、綠色包裝、日化、水性涂料、生物醫藥等多個行業張以恒中科院天工所體外多酶分子機器（體外生物制造）率先實現工業化。從纖維素生產人工合成淀粉、利用糖裂解水生產氫能、高能糖燃料電池、多酶肌醇合成、健康糖的新制造趙建山東大學木質纖維素的生物降解和生物轉化。優良菌株的分子生物學改造；酶的發酵生產及其應用；木質纖維素不同組分的高效分離和轉化利用技術*按首字母順序排序。如果您也是該領域研究學者，歡迎與我們聯系交流30非糧非糧生物質推動生物

60、質推動產業發展與結構變革產業發展與結構變革Chapter 3Chapter 3非糧生物質推動產業發展非糧生物質推動產業發展降本提升生物制造的核心競爭力擴張助力生物制造打破規模壁壘提速合成生物學正在加速重構生物制造產業聚集中國正在形成非糧生物質開發分布式聚集區非糧生物質推動產業結構變革非糧生物質推動產業結構變革非糧生物質綜合開發產業模型中國非糧生物質開發的部分企業圖譜非糧生物質開發產業未來趨勢新入局參與者的創新契機降本降本非糧生物質開發提升生物制造的核心競爭力非糧生物質開發提升生物制造的核心競爭力31在生產過程中培養基總成本占有較大比重，按垂直領域的不同成本可達38%-72%，有機碳源通常是發酵

61、成本中的主要組成。在成熟的發酵產業鏈中，各參與企業的競爭，實質上是對工藝、成本、穩定性和規模的控制，提升整個生物反應效率，降低成本，才能真正實施于大規模生產。以原料成本計算，1噸生物發酵產品的玉米消耗量普遍在3噸以上，糧食來源淀粉糖原料成本高（玉米價格為2800-3200元/噸），以釀酒酵母生產燃料乙醇為例，乙醇生產原料成本即8400-9600元/噸，導致綜合成本約1.1-1.2萬元/噸，除去菌體蛋白飼料帶來的收益（約4000元/噸），最后乙醇的成本約7000-8000元/噸，處于基本不盈利甚至虧損的狀態。從投入產出的經濟角度看，僅有維生素E、維生素C、PHA、尼龍等高價值產品才有盈利能力。秸

62、稈糖的開發在中試規模已可以實現成本2400元/噸左右，較淀粉糖降低22%-31%，估算秸稈糖生產燃料乙醇成本為5000-6200元/噸。成熟的淀粉糖產業市場已處于平穩期，開發技術手段已難以推動淀粉糖成本持續下降，受限于作物種植影響，淀粉糖的價格波動將更大。秸稈的高效開發利用仍處上升階段，且已經實現成本的大幅度下降，當上下游產業被激活，成本方面未來仍有大幅度下降的空間。01000020000300004000050000600007000080000圖14丨生物制造生產化學品單價與原料成本比較，單位：元/噸（來源：華安證券、DeepTech）玉米原料最低原料成本線秸稈糖最低原料成本線擴張擴張非糧

63、生物質非糧生物質助力生物制造打破規模壁壘助力生物制造打破規模壁壘32根據經合組織預測，2030年全球至少20%化工品被生物質產品替代，對應市場空間8000億美元，未來全球生物經濟的規模預計可以達到30萬億美元。生物產業正由“小而美”走向“大而全”。經過多年發展，已形成在醫藥、飼料、食品添加劑等領域的長足發展，市場年需求在萬噸至十萬噸級。隨著生物制造產業技術逐漸成熟，加之一系列政策推動，未來生物基能源、塑料、纖維、橡膠、涂料、復合材料、助劑等能源和材料領域都將有極大發展，未來產業容量可達到千萬噸級。丙烯酸800萬噸琥珀酸60萬噸維生素C22萬噸丁二醇250萬噸乙二醇3000萬噸長鏈二元酸15萬噸

64、天然產物萬噸甲醇1.1億噸黃原膠30萬噸燃料乙醇8000萬噸圖15丨生物制造橫跨十萬噸級到千萬噸級全球年需求量規模潛力（來源：公開資料、DeepTech）開展大規模生物制造的前提是原料的穩定供應開展大規模生物制造的前提是原料的穩定供應，非糧生物質開發極大推進此產業進程非糧生物質開發極大推進此產業進程。生物產業與傳統化工正在由“錯位競爭”到“直接競爭”。在市場的競爭格局中，傳統化工巨頭林立，已有成熟的供應鏈和生態，生物基產業需要打破現有壁壘，“新玩家”才能在競爭中脫穎而出，非糧生物質開發提供了重要的機會。提速提速合成生物學正在加速重構生物制造產業合成生物學正在加速重構生物制造產業33以合成生物學

65、為代表的生物制造新興市場以合成生物學為代表的生物制造新興市場，利用工程原理對生物系統進行改造利用工程原理對生物系統進行改造，以實以實現新的功能和特性現新的功能和特性，為非糧生物質開發提供了技術支持和創新途徑為非糧生物質開發提供了技術支持和創新途徑，有望推動生物制造行業的發展，實現環境友好和可持續性目標。合成生物學已經成為未來生物經濟的顛覆性力量之一。2021年全球合成生物學融資近180億美元，創歷史新高；2022年中國合成生物學領域公開融資活動60余起公開融資事件，融資規模達近百億人民幣。圖16丨2018-2021年合成生物學領域融資總額，單位：億美元（來源：SynbioBeta及BCG）17

66、383479180010020020172018201920202021現有現有（-20222022）短期短期（20232023-20302030）中期中期（20302030-20402040）長期長期（20402040-）天然產物生物農藥生物肥料香精香料織物纖維/皮革染料氨基酸、有機酸等工業酶生物燃料新型生物材料生物聚合物生物太陽能電池生物電池生物儲能表4丨生物制造在材料、化學品、能源領域爆發加速點預測（數據來源：麥肯錫、DeepTech）與傳統微生物發酵生產模式不同，合成生物創造全新的人工生物體系，實現原料向產物的高效、快速轉化。從不同下游行業應用來看，工業化工產品為最主要的三大應用行業之

67、一，預計到2026年全球市場規模將超過60億美元?；凇胺羌Z生物質+合成生物學”的全新生物制造范式，將助力突破原料資源瓶頸限制與生物制造生產過程“黑箱”解析，推動新型可持續發展的綠色工業化進程。聚集聚集中國正在形成非糧生物質開發分布式聚集區中國正在形成非糧生物質開發分布式聚集區34產業集群是推動生物基材料產業轉型升級、引領區域經濟發展的重要載體。受限于秸稈等非糧生物質不適用于長距離運輸的特點，可預見未來秸稈“收儲運”處理宜逐產地建廠，依托豐富的非糧生物質原料，就地取材。工信部計劃到工信部計劃到20252025年年，形成形成5 5家左右具有家左右具有核心競爭力核心競爭力、特色鮮明特色鮮明、發展優

68、勢突出的骨干企業發展優勢突出的骨干企業，建成建成3 3-5 5個生物基材料產業集群個生物基材料產業集群。各地出臺支持政策，未來將形成分布式非糧生物質綜合利用格局，具有區域優勢的技術創新、產品創新、市場創新高地也正在形成。省省/部委部委年份年份政策名稱政策名稱相關內容相關內容農業部2022關于做好2022年農作物秸稈綜合利用工作的通知2022年建設300個秸稈利用重點縣（附名單）、600個秸稈綜合利用展示基地，全國秸稈綜合利用率保持在86%以上黑龍江2022關于做好2022年度全省農作物秸稈綜合利用工作的通知全省秸稈綜合利用率達到92%以上，還田率達到67%以上，提升秸稈綜合利用水平，促進農業綠

69、色發展江蘇2022關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的實施意見推進農作物秸稈綜合利用，到2025年，農作物秸稈綜合利用率穩定達到95%以上河南2022河南省促進生物經濟發展實施方案培育發展非糧生物質液體燃料多聯產產品，探索開展纖維素乙醇、綠色生物煉制產業化示范；支持南陽加快研發與應用山東2022關于做好2022年全省秸稈綜合利用工作的通知建設20個以上秸稈綜合利用重點縣、40個以上秸稈綜合利用示范展示基地。全省秸稈綜合利用率穩定在95以上新疆2022自治區農業農村減排固碳實施方案（2022-2030年）以秸稈利用產業提質增效為重點，“秸稈還田和保護性耕作固碳”、“秸稈燃料化利用”、“秸稈

70、飼料化利用”山西20212022年秸稈綜合利用項目實施方案打造15個秸稈綜合利用重點縣，推動60%以上秸稈實現產業化利用且能源化利用率達30%以上內蒙古2021關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系具體措施的通知推進農作物秸稈綜合利用，以興安盟、通遼市、赤峰市、巴彥淖爾市等玉米、向日葵、小麥、水稻等糧食主產區為重點寧夏2021碳達峰碳中和科技支撐行動方案研發應用農作物秸稈、瓜菜種植廢棄物等資源化利用技術，以及葡萄、馬鈴薯等加工廢棄物再利用技術表5丨部分生物質資源開發政策（來源：公開信息、DeepTech）非糧生物質綜合開發產業模型非糧生物質綜合開發產業模型35在當前資源緊缺和環境壓力日益加劇

71、的背景下，非糧生物質的綜合開發成為了解決糧食供給不足和生物發酵產業與糧食競爭的一種重要途徑。在各非糧生物質綜合利用的研究中，總結出了秸稈供需與供應鏈之間的配置，還能較準確合理的計算出開發綜合成本，當秸稈轉化廠位于產區中心時，生物質運輸到適合大型轉化廠的平均距離為30-42公里，生物質生產和運輸的總能源效率最高，同時大氣污染物排放量最小。綜合來看在非糧生物質開發中，通過邊際土地開發種植經濟作物或秸稈收儲運體系通過邊際土地開發種植經濟作物或秸稈收儲運體系，以產區為中心建廠以產區為中心建廠，實現三素實現三素（纖維素纖維素、半纖維素半纖維素、木質素木質素）分離和可發酵糖平臺的生分離和可發酵糖平臺的生產

72、產，偶聯下游產業應用偶聯下游產業應用，同時利用副產物作為肥料和飼料同時利用副產物作為肥料和飼料，最終實現閉環利用最終實現閉環利用。邊際土地開發邊際土地開發 土壤改良 農業育種 經濟作物種植秸稈綜合利用秸稈綜合利用 收集 儲藏 運輸中心處理工廠中心處理工廠 高效清潔預處理 三素分離 可發酵糖平臺工廠選址工廠選址 靠近非糧生物質產區 政策支持/補貼地區發酵菌種研發發酵菌種研發 合成生物學 細胞工廠 工程菌種非糧生物基產品非糧生物基產品 化學品 材料 燃料閉環利用閉環利用 生物肥料 菌體蛋白飼料糧食安全 能源安全 環境安全 雙碳圖17丨非糧生物質綜合開發產業模型（來源：DeepTech）距離距離30

73、30-4242公里公里中國非糧生物質開發部分企業圖譜中國非糧生物質開發部分企業圖譜36企業名稱企業名稱*相關技術及產品布局相關技術及產品布局上市上市/融資融資中糧科技是目前國內規模最大、技術領先的玉米深加工企業之一。已攻克了秸稈轉化糖的關鍵技術，進一步加強秸稈生產聚乳酸技術的研發已上市龍力生物以玉米芯、玉米為原料，生產功能糖、淀粉及淀粉糖等產品，并循環利用玉米芯廢渣生產燃料乙醇及木質素等高分子材料產品已上市凱賽生物長鏈二元酸市場主導地位，推進秸稈制乳酸技術研究，正在開展秸稈處理和應用于乳酸生產的實驗和萬噸級示范線的建設已上市圣泉集團生物質和化學新材料解決方案提供商，投資年產10萬噸生物基硬碳負

74、極材料，基礎原材料為秸稈，副產纖維素及纖維素制品、納米纖維素、糠醛、乙酸、鉀鹽等產品已上市豐原生物以玉米、木薯、農作物秸稈等為原料，主要生產有機酸類、氨基酸類生化產品，并重點發展生物材料（聚乳酸、生物基聚氨酯、生物基碳酸酯等三大材料平臺）及其深加工產品擬上市微構工場專注于嗜鹽微生物的改造和工程化應用，新一代菌株可利用廢棄碳源，生產多種PHAA+輪德泓科技聚焦非糧生物基可降解新材料、生物合成，以秸稈等為原材料制備乳酸直至聚乳酸、聚乳酸下游應用的研發，在建全球首條生產線A輪聚維元創以秸稈為原料開發普適性、高品質的葡萄糖碳源，再經合成生物學途徑，合成目標產品，以革新現有的石油基化學合成和糧食基生物合

75、成路徑A輪*按上市/融資情況排序，截至2023.5.30，信息來源公開資料中國非糧生物質開發部分企業圖譜中國非糧生物質開發部分企業圖譜37企業名稱企業名稱*相關技術及產品布局相關技術及產品布局上市上市/融資融資一兮生物以非糧的纖維素為碳源的飼用替代蛋白技術，快速高效合成微生物蛋白，可廣泛應用于飼料等領域pre-A+輪百福安擁有合成生物學技術平臺、工業酶基因挖掘與改造平臺、化學技術平臺以及酶基綠色工藝開發技術，聚焦新分子的綠色生物合成pre-A輪循原科技利用全球領先的非糧生物質預處理技術，實現秸稈及多種農業廢棄物的高值化利用，生產可發酵糖、可催化糖及原料級酶解木質素，并布局生物基材料、生物基化學

76、品、生物基能源等下游產品天使輪格林微納突破了秸稈等天然纖維素難以清潔、高效加工的世界性難題，實現了纖維素微納米功能材料的規?；I制備，產品多樣且可控的微納米結構可泛應用于綠色包裝、新能源、日化、生物等重要市場領域未披露清大智興聚焦生物基1,3-丙二醇的生物制造技術具有更廣的底物利用譜，可以有效地利用葡萄糖、木糖、蔗糖、纖維水解液等為原料生產未披露睿嘉康開發完善系統與合成生物學技術，利用非糧生物質高效生產C2-C5大宗醇與有機酸。服務于可再生能源及生物材料綠色生物制造未披露依鎂生物以現代生物基因工程技術、微生物發酵工藝、利用玉米芯生產木糖醇、甘露醇的食品企業未披露*按上市/融資情況排序，截至2

77、023.5.30，信息來源公開資料非糧生物質開發產業未來趨勢非糧生物質開發產業未來趨勢38利用微生物技術來提高發酵的經濟效益，開發新的發酵工藝，甚至生產具有全新性能的新材料，日益成為研發的主流。但除少數產品外，規模并沒有像過去預期的那樣大，部分原因是與現有的成本競爭力、規?；魬鸷凸溂s束有關，以下是實現商業化和有效規?；目尚行晕磥砺窂?。降本增效是競爭關鍵因素降本增效是競爭關鍵因素在成熟的石油化工產業背景下，由于研發和原料等生產固定成本高，生物基材料生產的創新應用現階段仍比石油基產品更昂貴，降低生產成本至商業上可競爭的水平是關鍵因素。非糧生物基的開發將重點解決成本問題，與此同時，需降低引入

78、的其他成本（如預處理、纖維素酶等），以達到整體的降本增效，提升生物基產品競爭力。與現有發酵過程耦合與現有發酵過程耦合非糧生物質的糖化產物秸稈糖可以作為碳源原料引入發酵過程，在對傳統碳源的替代中，發酵過程優化和改進是一項極其重要的工作，開發與菌種適配的條件可控的工藝流程，是秸稈糖大規模應用的重要環節。非糧生物質糖化、直接發酵技術路線并行非糧生物質糖化、直接發酵技術路線并行非糧生物質糖化路徑、非糧生物質直接發酵產品是并行的兩個開發路線，現階段很難界定哪項技術更具備未來潛力。非糧生物質糖化路徑更具靈活性，能有效地與現有產業耦合銜接，為下游產業強力賦能；非糧生物質直接發酵生產可以規避當前非糧生物質開發

79、中面臨的實際問題，但開發難度仍然較大。隨著未來技術的發展，將展現不同的生物制造“魅力”。新入局參與者的創新契機新入局參與者的創新契機39在生物制造即將大規模開展的新時代前夜，非糧生物質的深入開發帶來了一系列契機,新入局參與者更宜尋求差異化競爭優勢，以適應市場變化和產業升級的需求。糖平臺產品：糖平臺產品：開發高性能可發酵糖，以滿足不同行業和應用的需求；菌種菌種、酶改造與升級：酶改造與升級：通過提供定制化的菌種、酶改造和升級服務，優化生產過程；快速而靈活的生產線：快速而靈活的生產線：根據市場需求敏捷、高效調整，以最小成本完成產業驗證。IT+BTIT+BT在工業領域帶來的范式變革在工業領域帶來的范式

80、變革以數據驅動的生物制造新范式，已在生物醫藥領域展現出強勁的推動力，未來在非糧生物質開發的工業領域將廣泛推動底層開發，包括菌種的基因組尺度代謝網絡模型，高品質數據和新型數據挖掘和分析算法等，將顯著促進改造靶點預測和指導代謝工程改造等領域。開發生物基材料和化學品生產的新途徑開發生物基材料和化學品生產的新途徑尋找更有效、更可持續的生產方式，非糧生物質成為越來越重要的原料之一。包括紡織業、化妝品、天然提取物、制藥和化學品等市場，如新型塑料、納米纖維素、蛋白質纖維等新技術仍處于早期階段。通過挖掘適用于生物技術制造的新材料，具有新的功能和性能，將開辟全新的市場，如生物質基微納米功能材料規?；苽?，可廣泛

81、應用于以紙代塑、紙張輕量化、水性漆與涂料、新能源電池、日化用品及生物醫用等各大重要市場領域。非糧生物質向蛋白、淀粉轉化的酶法新路徑非糧生物質向蛋白、淀粉轉化的酶法新路徑非糧生物質制備微生物蛋白方面，經過生物安全菌種發酵，生產食品或飼料級別的微生物蛋白，為人類和動物供給蛋白質營養。開發新技術如酶法纖維素向淀粉轉化，酶催化將糖苷鍵定向重排使纖維素轉化為淀粉，該淀粉可被用于高端工業制造。創新農業育種技術與邊際土地改良創新農業育種技術與邊際土地改良農業育種是提高作物產量和抗逆性的關鍵領域，開發育種技術和工具，如基因編輯技術、遺傳標記和高通量篩選方法等，加速作物品種改良的進程。開發新的土壤改良技術，如生

82、物肥料、微生物制劑、土壤調理劑等，從而改善邊際土地環境。40人類的生產力和生產方式的變革，對人類的歷史進程有著如此重要的影響，以至于直接推動了人類的三次工業革命機械革命、電氣革命和信息革命，每次變革都帶來了生產力的飛躍和社會、經濟、政治等方面的深刻變革。在人類歷史進程的第四次革命的醞釀中，生物制造扮演了極其重要的角色。歷史上向來都是技術的進步推動產業變革，從改變過去的利用方法中汲取經驗，不斷走向新的未來。過去的幾年，生物制造也正如火如荼地影響著產業變革，中國也正是認識到生物革命的重要地位，2023年加快非糧生物基材料創新發展三年行動方案正式將非糧生物質開發擺在了核心地位，助力生物經濟的可持續發

83、展，其發展洪流大勢所趨。面向未來的3-5年，生物制造在材料、化學品和能源領域的創新將對各行業產生巨大影響，有望實現更高效、更可持續的生產方式。雖然生物制造仍面臨諸多挑戰，但隨著非糧生物質開發的技術進步和跨行業合作的深入，市場份額將逐漸擴大。未來將出現更多具有變革性的生物制造產品和應用，在成本、性能、產業規模和可持續性之間找到平衡，并獲得市場的認可和接受，必將深刻改變人們的生產方式和日常生活。最后向所有對本報告完成提供寶貴的建議和指導的學術與產業界專家表示衷心的感謝*：中國科學院青島生物能源與過程研究所崔球研究員、湖北大學楊世輝教授、聚維元創生物科技創始人兼CEO張天元博士。感謝DeepTech

84、、紅杉中國、水木絡繹對本研究的支持。展望展望*排名不分先后AboutAbout UsUsDeepTech 成立于 2016 年，是一家專注新興科技的資源賦能與服務機構，以科學、技術、人才為核心，聚焦全球新興科技要素的自由鏈接，為產業、政府、高校、科研院所、資本等科技生態的關鍵角色提供服務，通過科技數據與咨詢、出版與影響力、科創資本實驗室三大業務板塊，推動科學與技術的創新進程。AboutAbout thethe ReportReport以木質纖維素為代表的非糧生物質是地球最為豐富的一種可再生資源，被認為是可持續能源和綠色化學工業的重要來源之一。非糧生物質開發作為串聯生物制造產業上下游的關鍵環節，

85、向上促進農業廢棄利用、邊際土地開發、農業育種；向下推動生物制造降本增效，助力生物基材料能源規模擴張。本報告聚焦非糧生物質開發關鍵技術，重點關注非糧生物質高效糖化、非糧生物質綜合利用、酶與工業菌種開發，以及由非糧生物質利用帶來的產業結構變革。PleasePlease useuse thethe followingfollowing toto referencereference thethe reportreport2023非糧生物質開發關鍵技術與產業結構解讀,2023.DeepTech 2023 Insights.China.DeepTech 20234142DisclaimerDisclai

86、mer本報告由 DeepTech 發布，其版權歸屬北京演繹科技有限公司（DeepTech），DeepTech 對此報告擁有唯一著作權和解釋權。沒有經過 DeepTech 的書面許可，任何組織和個人不得以任何形式復制、傳播等。任何未經授權使用本報告的相關商業行為，DeepTech 將依據中華人民共和國相關法律、法規追究其法律責任。本報告所載數據和觀點僅反映 DeepTech 于發出此報告日期當日的判斷。DeepTech對報告所載信息的準確性、完整性或可靠性做盡最大努力的追求，但不作任何保證。在任何情況下，本報告中的信息或表述均不構成任何投資等建議，本公司對該報告的數據和觀點不承擔法律責任。不同時期，DeepTech 可能會發布其它與本報告所載資料、結論不一致的報告。同時 DeepTech 對本報告所載信息，可在不發出通知的情形下做出修改，讀者應自行關注。FindFind OutOut MoreMorehttps:/https:/ContactContact UsUM：+86 M：+86 18813083977OfficeOffice北京市朝陽區亮馬河大廈上海市徐匯區淮海中路1325號浙江省杭州市余杭區文一西路998號廣東省深圳市南山區云科技大廈7層