化工废物利用方法(化工内哪些行业最赚钱)

(报告出品方/作者:华安证券,刘万鹏)

1 原料是大规模生物制造的瓶颈

当人类开始追求碳中和,物质生产的舞台上生物质产业链必将成为主角。 据美国《生物质技术路线图》规划,2030 年生物基化学品将替代 25%有机化学品和 20%的石油燃料; 据欧盟《工业生物技术远景规划》规划,2030 年生物基原料将替代 6%-12%化工原 料、30%-60%精细化学品; 我国规划未来现代生物制造产业产值超 1 万亿元,生物基产品在全部化学品产量中 的比重达到 25%; ...... 我们来推演一下,根据全球三大经济体的生物质产业链发展规划,到 2030 年预计 全球至少 20%化工品被生物质产品替代(OECD 预测),对应市场空间 8000 亿美元;

我们 按照高值产品均价计算,对应市场规模 2.8 亿吨产品;假设原料全部用玉米,且单耗按 统计下限计算,需要 8.4 亿吨玉米;2020 年全球玉米产量为 11.6 亿吨,意味着即便增 加 72%的玉米产量也无法满足需求,更何况现有技术和地理条件无法企及。因此,大规 模生物制造的前提是原料获得性瓶颈可以解决。特别是我国作为人口大国和粮食进口国, 粮食安全和大规模生物制造的矛盾或更加突出,发展生物质多元化如同发展能源多元化 一样刻不容缓。

1.1 生物制品正下沉至大宗市场,原料消耗巨大

随着生物制造和生物基材的技术成熟,加上“碳中和”和“禁塑令”等一系列 ESG 相关政策推动,生物制品的种类不断扩大,并下沉至需求巨大的大宗产品市场。回顾过 去,生物制品更多用在医药中间体、食品或饲料添加剂等市场相对较小的领域,包括丙 氨酸、缬氨酸、黄原胶、维生素 C 等,市场需求量停留在万吨到十万吨级。未来,生物 质燃料、工程塑料、可降解塑料、橡胶等领域都将成为生物制造施展的舞台,市场、应 用场景、竞争格局都将产生变化:(1)市场容量将从十万吨级拓展到千万吨级;(2)应 用场景从“小而散”到“大而全”;(3)竞争格局从几乎没有竞对到需要与传统化工企 业竞争,从“错位竞争”到“部分或全部替代”。

受粮食转化率限制,生物制品下沉到大宗市场将导致玉米等粮食原料消耗大幅提 升。以粮食作为原料,通过生物发酵的方法生产化学品的转化率并不高,单吨产品的玉 米消耗量普遍在 3 吨以上。

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(1)乙醇:我国玉米产量约为 2.6 亿吨,按照国内乙醇产量 300 万吨计算,如果 全部用玉米为原料生产,玉米消耗量将超过 1000 万吨,达到国内产量的 4%。且我国燃 料乙醇存在 1200 万吨的供给缺口,如果全部满足,需要增加超 4000 万吨的玉米消耗量 每年。2019 年,全球玉米产量 11.1 亿吨,按照全球燃料乙醇市场 8000 万吨计算,如果 全部用玉米为原料生产,玉米消耗量将达到 2.24 吨,全球产量的 20.2%。

(2)尼龙:以尼龙 56 为例,若新增市场需求达尼龙 66 国内市场的 50%,玉米消 耗量将达到 67.5 万吨;以尼龙 5X 为例,若替代尼龙国内市场 50%,玉米消耗量将达到 560 万吨;全球尼龙市场 1000 万吨,若 50%以生物基尼龙替代,玉米消耗量将达到 1500 万吨。 考虑到其他亚博体彩app官网化工品潜在的生物制造替代,目前可供使用的玉米产量是远远不够的。 特别是在现阶段,全球玉米等粮食的产量还无法完全满足日益增长人类食用或饲料用的 消费量,如果继续大规模采用玉米等粮食作为生产化学品原料,会加剧粮食安全风险。 原料端没有变革,生物制造及合成生物学的产业化、规模化发展也将遇到原料“天花 板”。

1.2 粮食是生物制品当前唯一原料

糖是微生物代谢中最重要的碳源,在微生物代谢中起到不可替代的作用,同时也 是“细胞工厂”最重要的原料。微生物正常代谢一般都需要有碳源、氮源、无机盐、水 等几大类物质。碳源是“细胞工厂”生产碳基化学品最主要的原料。氮源、无机盐、水 主要起到微生物繁殖、生长的作用。自然界中最常见的碳源是淀粉,微生物通过酶将淀 粉水解成葡萄糖加以利用。葡萄糖既可以为细胞生命活动提供所需的能量,为合成产物 提供必要的碳架,也可以为微生物或细胞的正常生长,分裂提供物质基础。

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在微生物代 谢中,TCA 循环(三羧酸循环)是三大营养素(糖类、脂类、氨基酸)的最终代谢通路, 又是糖类、脂类、氨基酸代谢联系的枢纽;EMP 途径(糖酵解途径)是生物体中普遍存 在的葡萄糖降解途径,是将葡萄糖和糖原降解为丙酮酸并伴随着 ATP 生成的一系列反应。 微生物就是通过 TCA 循环、EMP 途径等一系列通路将糖转化成所需物质并利用。在生物 制造过程中,工程菌除了自身正常的代谢外,还需要通过 EMP、TCA 等代谢通路,或人 工添加的异源代谢路径,将糖类等物质转化成目标产品。

玉米由于淀粉含量高、生长周期短成为现阶段最主要的生物制造原料。营养物质 方面,玉米富含淀粉、蛋白质,不仅可以为微生物发酵提供必要的碳源,还可以提供部 分氮源和无机盐等。生长周期方面,玉米的生长周期仅为小麦的一半,使用玉米作为原 料可以减少仓储压力,提高土地利用效率。综合考虑糖的可利用性及作物生长周期,玉 米是目前微生物利用最好的选择。

玉米是目前生物制造应用最广泛的原料之一,同时也是我国种植面积最大且产 量最高的粮食作物。我国近几年玉米产量基本保持稳定,2019 年,中国玉米产量为 6.32 吨/公顷,播种面积为 4128 万公顷,总产量 2.6 亿吨左右。我国玉米主要的产 地为黑龙江、吉林、内蒙古和山东等地。自 2015 年以来,我国玉米单位面积产量 略有上升,但播种面积略有下降,总体处于供不应求局面。

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1.3 “与人争粮”导致原料获得困难,成本高

供应链(粮食、能源、资源等)安全是一条红线,任何工业发展都应谋定而后动。 从供应链安全看,玉米国内供不应求,需要大量进口,供给缺口超过 3000 万吨。 1999 年-2009 年,我国玉米产量从 1.28 亿吨增加到 2.61 亿吨,实现了产量的翻倍。

近 五年以来产量维持在 2.6 亿吨左右。玉米产量增速在 1.5%-2.5%之间,近年来增速放缓。 我国玉米消费量从 1999 年的 1.12 亿吨增长至 2019 年的 2.91 亿吨,近几年需求在 2.9 亿吨左右,需求增速放慢。比较近年来玉米产量与消费量,玉米供给缺口均在 3000 万 吨以上。生物基材料和生物制造的发展可能进一步加剧供需不平衡。

饲用和工业用玉米增速较快,导致价格连续 4 年上涨,制约生物制造经济性。 2016 年以来,饲料用玉米用量增长绝对值最大,5 年累计涨幅达到 50%;工业用玉 米用量增长速率也达到 50%;食用玉米用量增长较小。因此,2016 年以来,国内玉 米价格和玉米进口价格均出现较大幅度的上涨,其中国内玉米均价从 2016 年的 1518 元/吨上涨到 2020 年的 2548 元/吨,玉米进口价格从 2016 年的 1329 元/吨上 涨到 2020 年的 1780 元/吨,分别增长了 67.9%和 33.9%。

由于生物制造产业规模较 小、产业链还处于发展初期,许多产品价格波动依然与石油基产品挂钩,原料价格 波动难以快速传导到下游产品,因此玉米价格的大幅上涨也导致了生物制造在许多 领域难以取得成本优势。随着合成生物学产业化、规模化发展,国内玉米供不应求 的问题会更加突出。粮食安全的前提下,大量玉米用作生物制造等工业用途,势必会挤压饲料用途和食用用途的玉米消费,玉米作为工业原料存在隐形天花板。

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仅从“本质竞争力”看,以粮食为原料的产品树较难触及规模庞大,对碳中和有 贡献的大宗化学品层级。 从经济性看,根据环评数据,在 2500 元/吨的玉米价格水平下,生产乙醇所需的玉 米原料单吨成本约为 7500 元/吨(玉米消耗量/产品产量=3),已经超过乙醇价格;生产 赖氨酸或苏氨酸所需玉米原料单吨成本约为 15000 元/吨(玉米消耗量/产品产量=6), 也已经超过赖氨酸或苏氨酸价格。

考虑到其他原料成本、能源成本、人力成本以及设备 折旧等因素,仅从主要产品来看,生物法与化学法相比是没有成本优势和生产经济性的。 对于玉米发酵生产乙醇或赖氨酸、苏氨酸的企业,通过主营产品盈利是很困难的,需要 副产品生产肥料、饲料才有可能实现盈利。目前,以玉米为原料的生物材料产业链仅有生物基尼龙等少数产品具备规模大、碳中和贡献大且有“本质竞争力”。因此,以玉米 为主的粮食作为原料生产化学品在成本上依然存在下游产品无法下沉至大宗市场的困境。 为了解决这一问题,实现更大规模化学品的生物制造替代,寻找新的低价原料是重要解 决方案。

2 进口、转基因是过渡方案

放开工业用途作物的进口或者普及转基因作物的种植都无法支撑未来如此庞大的 产业链,只能成为过渡方案。1)放开进口是否可行:从我国原油进口增长和对应政策 变化可见一斑。近十年我国原油对外依存度的快速提升,几近触及红线,因此”十四五 “规划相比”十三五“规划对炼油炼化企业的政策出现了明显掉头。从短期看,炼油炼 化的前车之鉴或影响相关政策制定,全面放开工业用途作物的进口概率不大。从长期看, 如果我国生物质产业发展只依靠外部资源,必定丧失话语权,成为全球供应链附庸。2) 普及转基因是否可行:全面普及转基因作物任重道远,需要对全社会进行消费观念的引 导。如果只是工业作物的耕地普及转基因作物,可以增产的幅度很有限,相比需求杯水 车薪。

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2.1 粮食进口配额稀缺,关税影响较大

玉米进口是我国玉米原料不足问题的临时方案,全球玉米市场同样紧平衡。据世 界粮农组织,全球玉米产量近几年都维持在 11.2 亿吨左右,其中 2020 年产量为 11.6 亿吨,较 2019 年度有所增长。与此同时,全球玉米消费量也已经连续 4 年上升,2020 年全球玉米消费量达到 11.7 亿吨,连续第三年超过全球玉米产量。玉米产业主要分布 在美国、中国、巴西、阿根廷等国家。

美国是全球第一大玉米产国,玉米产量占比 33.5%;中国玉米产量占比 22.9%,位居世界第二。多年以来,我国玉米进口量都维持 在 500 万吨以下,但由于近期国内玉米价格上涨,进口玉米价格优势明显,2020 年我国 玉米进口数量高达 1130 万吨。2021 年 1~7 月,我国玉米进口依赖加剧,进口数量达到 1816 万吨,进口金额超过 316 亿元。玉米进口是短期内国内玉米供不应求的市场选择, 但是长期来看全球玉米紧平衡的趋势导致玉米进口并不是生物制造原料问题的最终方案。

粮食关税不减让、配额不扩大,对稳定国内粮食生产至关重要。我国自 2001 年加 入世界贸易组织以来,除了 2002 年和 2003 年两年对三大主粮进口关税配额有所调整外, 2004 年至今三大主粮进口关税配额基本保持稳定。2021 年三大主粮进口关税配额分别 为小麦 963.6 万吨、玉米 720 万吨、大米 532 万吨。我国充分利用国际国内“两个市场、 两种资源”满足国内需求,保持战略定力,粮食关税不减让、配额不扩大,稳定国内粮 食生产。(报告来源:未来智库)

玉米配额审核严格,多年未新增,主要用于加工贸易,配额外进口将导致生物制 造成本大涨。根据我国玉米进口配额制度,关税内玉米配额为 720 万吨,关税为 1%, 配额外关税为 65%。获得 2020 年玉米进口关税配额且有进口实绩的企业或 2019 年玉米 年加工能力 20 万吨以上的饲料生产企业或 2019 年玉米年加工能力 45 万吨以上的其他 生产企业可申请 2021 年玉米进口配额,享受税收政策优惠。超出配额的进口部分需承 担 65%的关税。2005 年以来,我国玉米进口配额保持稳定,均为 720 万吨/年。

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2019 年 获得玉米进口配额的企业共有 27 家,规定用途均为加工贸易,主要涉及淀粉、葡萄糖、 柠檬酸、味精、饲料、黄原胶等产品。其中,进口配额超过 50 万吨的公司仅有 4 家, 包括诸城源发生物科技(100 万吨)、日照金禾博源生化(80 万吨)、山东柠檬生化(60 万吨)、潍坊盛泰药业(60 万吨)。若生物制造规模化发展,无论从总配额数量还是单 一公司配额数量来看,玉米进口配额都是远远不够的,因为仅未来凯赛生物山西基地的 玉米年处理量就将超过 240 万吨。在现有配额不变的情况下,配额外玉米进口因为高关 税导致产品不具有经济性。

自境外进入保税监管场所、海关特殊监管区域的关税配额农产品,不需提交配额 证,由海关按现行规定验放并实施监管。企业通过一般贸易、加工贸易、易货贸易、边 境小额贸易、援助、捐赠等贸易方式进口上述农产品均需申请农产品进口关税配额,并 凭农产品进口关税配额证办理通关手续。但由境外进入保税仓库、保税区、出口加工区 的产品,免予申领农产品进口关税配额证,为企业规避关税限额制度管控提供可行性。

2.2 转基因对生物制造原料的贡献有限

转基因玉米提高单位面积产量,但增产幅度有限、推广的社会阻力大只能治标不 治本。 转基因玉米是利用分子生物技术,将目标基因导入需要改良的遗传物质中,使其 获得稳定的遗传性状的新品种玉米。种植转基因品种的优势主要体现在可以增加作物单 产、降低农药费用、节约时间以及劳动力。据 2010 年美国农业资源管理调查(ARMS) 的数据,美国农民选择种植转基因玉米、棉花和大豆主要由于种植转基因品种可以提高 单产,其他原因还包括节约管理时间、促进生产(如轮作和保护性耕作)以及节约杀虫 剂成本等。

(1)抗虫方面:当有害虫出现时,转基因抗虫作物比非抗虫作物获得更高单 产,杀虫剂成本也更低,间接提高了产量;如果不发生虫害,抗虫的转基因作物不能提高产量。虫害也可以用农药防治,但是农药防治效果没有转基因效果好,而且农药防治 成本高,也污染环境。与虫害相比,杂草每年都会发生的。非转基因作物不抗除草剂, 就得宽行种植,小心翼翼打药。

(2)抗除草剂方面:抗除草剂的转基因作物可以窄行种 植,无所顾忌打药,增加了种植密度,也就增加了产量。 转基因玉米产品主要是以抗虫、抗除草剂为主。政策方面,美国对转基因食品采 取宽松的监管政策,未单独立法,管理采用实质等同原则;我国对转基因产业化审批流 程严格,但近期多个品种发放生物安全证书。

2020 年,农业农村部发布第二批农业转 基因生物安全证书(生产应用)批准清单,共计发放 21 个生物安全证书,其中包括 8 个 国产转基因玉米项目。从政策方向看,我国目前转基因作物从非食用,到间接食用到 食用的产业化路线清晰。我们认为,转基因作物用作工业用途在消费者端的抵制情绪 会相对较小,推广应用相对更容易。从另一个角度说,转基因作物从工业原料开始推广 也是更符合食品安全的发展模式。

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3 “变废为宝”是终极方案

原料体系的确认原则是“丰富+易得”;前者决定可以支撑的产业体量,后者决定产 品成本。我们认为秸秆是生物质产业最佳原料之一。我国每年秸秆产量超过 8 亿吨,即 便考虑收集率和利用率也可以支撑 1.5 亿吨左右的生物质产品。此外,相比其他废弃物, 例如厨余垃圾、排泄物、废塑料等,秸秆的分布更加集中,涉及商务对象更少,有助于 保持供应的稳定性。原料供应的稳定性会影响公司的年度甚至季度的业绩波动,地沟油 基生物柴油便是前车之鉴。

秸秆虽是很好的生物质原料,但现有技术对其利用普遍低值 化,低质产品无法替代化工品。秸秆的高值化利用势在必行,而合成生物学或成为最核 心的工具之一。此外,非粮作物(包括能源植物、工业植物等)也是生物质产业原料体 系的重要组成。我国幅员辽阔,大量贫瘠土地可以种植非粮作物,及可解决环境问题, 又可解决资源问题,一举两得。利用非粮作物同样需要合成生物学这类工具加持。

3.1 生物废弃物资源化解决原料获得性问题

生物废弃物数量巨大,目前再利用手段单一,以低价值利用为主。生物废弃物包 括农作物秸秆、甘蔗渣、人类和禽畜排泄物、餐厨垃圾等。生物废弃物过去再利用的方 式主要是堆肥、发电等,并没有充分发挥价值。此外,因为生物废弃物再利用的下游产 品附加值低,反馈到原料端的废弃物收购价格低,导致生物废弃物的收集不能产生经济 杠杆。由于生物废弃物产地分散的特点,没有经济杠杆仅有政策杠杆并不是长久之计。

我们认为,生物废弃物进行资源化利用,作为重要原料参与生物制造的过程,既可以 解决生物制造原料获得性问题,又可以通过生产更高附加值的产品,提高收购价格, 让生物废弃物再利用产生经济杠杆。 我国秸秆资源丰富,可收集资源量占比较高,或成为生物制造的主要原料。我国 秸秆产量近 10 年来稳定在 8 亿吨/年,产量远高于玉米年产量。秸秆可收集资源量占每 年秸秆产生量的 84%左右,也就是说每年有近 7 亿吨的秸秆可以作为原料进行大规模工 业生产,如果将秸秆转化成高值化产品,有望替代玉米作为合成生物学的原料的主要来 源。

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秸秆高值化利用和资源化利用是中国 2030 年碳达峰行动方案中的重要内容,国家 和地方政策陆续出台将加速秸秆产业化进程。2021 年 10 月 26 日,国务院印发了《2030 年前碳达峰行动方案》:

(1)《方案》中的循环经济助力降碳行动提出:加强大宗固废综 合利用,到 2025 年,大宗固废年利用量达到 40 亿吨左右;到 2030 年,年利用量达到 45 亿吨左右。秸秆作为农村重要的固废资源,行动中提到要加快推进秸秆高值化利用, 完善收储运体系,严格禁烧管控。

(2)《方案》中的碳汇能力巩固提升行动也提到:要 推进农业农村减排固碳,加强农作物秸秆综合利用和畜禽粪污资源化利用。目前,我国 秸秆规模化供应以北方为主,各地政府也已陆续出台相关政策,鼓励、推进秸秆的综合 化利用。以河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、江苏等为代表的地方出台了秸 秆综合利用方案与禁止焚烧的政策,采用奖惩并行的方式来禁止秸秆的焚烧。通过政策 鼓励扶持秸秆综合利用、以乡镇、村、企业或经纪人为主体建设秸秆收储站,并对秸秆 农机、秸秆三贮一化利用、秸秆综合利用能源化、收储中心建设等提供补助,也为秸秆 的利用的推进提供了动力。

现有技术下,作为另外一种重要的生物废弃物,禽畜粪便现阶段综合利用率低, 同样具有资源化利用的潜力。2020 年,我国禽畜粪便产量为 30.4 亿吨,连续十年产量 稳定在 30 亿吨左右。禽畜粪便综合利用率为 75%,仍有大量未被利用的禽畜粪便造成严 重的环境污染。

现有技术下,除了秸秆和禽畜粪便以外,甘蔗渣和餐厨垃圾等其他生物废弃物的 资源化利用也在进行。甘蔗渣可以提取阿拉伯木聚糖,结合酶法产低聚木糖并分离纤维 素。甘蔗渣 (SCB) 是一种重要的木质纤维素残留物,由糖和酒精工业大量产生。甘蔗 加工每吨加工过的甘蔗会产生大约 250-280 公斤渣类,全球每年大约产生 5400 万吨 甘蔗渣。(报告来源:未来智库)

大部分甘蔗渣在糖厂燃烧以产生能量。甘蔗渣由 14-30% 的木质素、35-50% 的 纤维素和 22-36% 的半纤维素以及有限量的提取物和灰分组成。碳水化合物含量高、灰 分含量低的化学成分使 SCB 成为制造高价值产品的合适原材料。通过将 SCB 分馏成核 心化学成分(例如纤维素、半纤维素和木质素),每个单独的成分都可用于开发各种产 品,如其他类型的木质纤维素副产品。

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3.2 工业废弃物利用在起步,解决污染和原料一箭双雕

工业废弃物同样有望成为生物制造的原料。目前,可以被生物利用的工业废弃物 包括工业尾气、废塑料、废弃木头等,这些原料经过微生物发酵等一系列步骤生产乙醇、 蛋白、塑料、精细化学品。

(1)工业尾气:利用工业尾气发酵生产燃料乙醇的工艺路线较为简单,副产蛋白 质等物质也具有较高的价值。该工艺以含有 CO、CO2 和 H2 中的一种或多种的混合尾气为 原料,借助经过合成生物学改造后的微生物发酵,利用体内的乙酰 CoA 生物化学途径生 产乙醇。具体的工艺流程包括预处理、发酵、蒸馏和脱水等,具有反应条件温和、副产 物经济价值高、对原料要求低和对原料气中的硫化物耐受性强等特点。

尾气发酵生产燃料乙醇具有成本、减排的双重优势。与现有的工业化生产乙醇大多 采用纤维素或粮食发酵的工艺相比,以工业尾气为原料生产乙醇的碳转化率可以达到 88%,能量转化率达到 58%,不仅节约大量粮食,还可以实现连续发酵生产,降低了产 品成本。利用尾气生物发酵生产燃料乙醇具有减排优势。以钢铁工业煤气为原料生产燃 料乙醇,每生产 1 吨燃料乙醇,可减少 CO2 排放 1.9 吨。在汽油中添加 10%的燃料乙醇 后,汽车尾气的 CO 排放可减少 30%,CO2 减排 30%~35%。该技术的推广应用将为我国环 经济、尾气利用探索新的路径,为节能减排、减少温室气体排放以及碳中和作出贡献。

(2)废塑料:国内外研究人员开展了各种废塑料降解微生物资源筛选和关键酶元 件的挖掘改造工作,在 PET 等聚酯型塑料的酶法解聚与催化机制方面取得了突破。 CARBIOS 公司宣布将在法国化学谷建设 PET 塑料酶法回收的工业示范工程,建立从 PET 废弃物降解到单体利用的完整工业链,预计年利用能力在 5 万吨到 10 万吨之间。

废弃木头等林木生物质资源可以转化为化学品。从化学组成上,林木也是由纤维 素、半纤维素和木质素组成的。通过合理的预处理和酶解转化工艺也可以将纤维素和半 纤维素转化成单糖被微生物利用。从林木生物质资源制取高附加值化学品主要包括两种 途径,一是以林木生物质为原料,经过一定的预处理,再通过生物或化学方法直接生产 出各种化学品。二是先对林木生物质大分子进行降解或分解,得到小分子产物,这些小 分子产物经纯化后可直接作为化学品,也可对这些小分子产物进行重整或转化,变成有 工业意义的化工产品。

3.3 非粮作物有助开发贫瘠土地,需下游先发展起来

我国仍有大量低质耕地,开发贫瘠土地耕种非粮作物也是解决生物制造原料问题 的选择之一。根据农业农村部公报,我国耕地平均等级为 4.76 等,较 2014 年提升了 0.35 个等级。目前的耕地为 20.23 亿亩,位列全球前五。我国耕地面积仅占土地面积的 12.68%,且美国、泰国、澳大利亚等国的人均耕地面积均远远高于我国的人均耕地面积。 然而,中国有三亿多亩的七到十等地,如果将该部分农田充分利用,可以在耕地质量相 对较低的区域种植一些高抗逆性的非主粮作物,则可以缓解粮食与生物制造之间的矛盾。

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4 秸秆高值利用或开启第二次“页岩气革命”

“TRY AND DELETE PART OF THE PROCESS”——Elon Musk 这是今年 8 月马斯克在 SpaceX 德州发射基地接受媒体采访时分享的五步工作法中 的第二步,即“流程简化”。由于传统秸秆处理技术需要 3 倍甚至更大于秸秆自身的体 积,因此只能集中化处理。秸秆必须从四面八方运送到集中区域。

于是供应链中才存在 “收、储、运”的问题:1)“收”存在秸秆来源分散和定价的问题;2)“储”存在糖流 失和火灾隐患等问题;3)“运”存在秸秆密度低,运输成本高的问题。凯赛生物有望利 用合成生物学技术对秸秆预处理,实现提高密度,分布处理的目的,将原本“收、储、 运”三个关键流程,减少为“收”一个关键流程,实现了“流程简化”。秸秆高值化利 用更为关键。传统“用”的方式需要针对抑制剂和杂糖问题进行多步分离纯化,步骤多 因此成本高。凯赛生物有望利用合成生物学技术实现“流程简化”,降低成本。 我们认为,秸秆高值化利用的商业意义、战略意义等同于美国“页岩气革命”。

秸 秆高值化利用与页岩气开发有许多相似之处:1)相比整装油气田,页岩气和页岩油开 采相对分散,开采周期短,但是储量巨大。秸秆高值化利用亦如此;2)页岩气和页岩 油的开采周期短、地质条件多样,需要不断的技术迭代降本增效。秸秆以及其他生物废 弃物的高值化利用亦如此;3)美国页岩气和页岩油的开采成本虽然不是全球最低的, 但因为开采量大实现了对全球油气及其下游产品(例如乙烯产业链)的供给调控能力。 秸秆高值化利用亦可如此;4)页岩气革命实现美国能源自给并出口,能源自由强化了 美国在全球贸易和政治上的话语权。秸秆高值化利用对我国生物质产业的全球话语权亦 如此。

4.1 “收、储、运”是秸秆利用的产业化难点,需企业与政府 在技术和模式上共同解决

秸秆的收、储、运是秸秆大规模资源化利用的基础,也是秸秆利用是否具有经济 性的关键之一。目前,我国秸秆的收储运模式可以分为分散型和集中型两种,主要是根 据收储点之前是否需要汽车运输作为划分。收集的方式也可以分为人工收集和机械收集 两种。

秸秆收储运装备水平仍然较低,用地矛盾突出,不适宜长时间储存。现有秸秆收 储设备普遍存在实用性和可靠性较差的问题,缺乏适合不同地形的高效秸秆收集打包机 械,同时机械价格较高、一次性投资大、季节性强、作业时间短,影响农民购机从事秸 秆收集的积极性。秸秆存储用地矛盾日益突,土地租金高或土地指标缺等因素造成收储 点建设困难。

目前,中国国家层面鼓励秸秆收储用地按临时用地管理,仅少部分省份将 其纳入农用地管理范畴。秸秆进行长期储存主要有湿储和干储两种方式,现有方法均存 在一定缺陷。湿储条件较为严苛,存储时间较长时,由于微生物的存在会导致其可溶性 糖等成分的降低,进而影响后续秸秆利用;而干储由于紧密堆积的秸秆内部温度往往较 高,容易引发火灾的事故。此外,存储密度也是影响运输成本的重要因素,高密度化的 秸秆原料才能有效降低运输成本。

4.2 秸秆商业化过程中“用”的问题来源于原料复杂性,合成 生物学有望提供新的解决方案

秸秆“用”的过程中最关键的问题是提高秸秆储存密度和减少糖的损失。秸秆长 时间储存既增加用地矛盾又有安全和霉变的问题,选择合适的预处理方法是解决秸秆收 储运现有问题的关键。秸秆利用的技术可以分为两部分,第一部分是秸秆利用的难点, 需要对秸秆进行预处理并提取纤维,再以纤维为原料来制备高品质的糖源;第二部分是 将糖源适配于不同种生物产品,从而形成产品的体系。秸秆有效的预处理技术可以打破 由纤维素、半纤维素、木质素等相互交织形成的复杂结构,决定秸秆后续利用的难易程 度。

化工废物利用方法(化工内哪些行业最赚钱)  第11张

秸秆主要由纤维素(多糖)、半纤维素(多糖)和木质素(苯基类丙烷等聚合物) 组成。从原理上,纤维素和半纤维素经过转化生成单糖后,可以被微生物所利用。对于 微生物利用而言,秸秆与玉米不同的是:玉米的化学组成相对简单,仅通过淀粉酶即可 快速转化为单糖,几乎不用进行复杂的预处理技术;而秸秆是具有坚固分子结构的高分 子物质,在进行糖平台转化过程前,必须通过预处理打破其致密的抗降解屏障。

生物法有望成为未来主流的预处理方法,也是目前重点研究的方向。由于秸秆坚 固的分子结构,因此预处理对其高效生物转化至关重要。理想的预处理方法应该能够提 高表面积的利用率和木质纤维素生物质的溶解度,使糖的损失最小化,同时减少微生物 抑制剂的形成,并降低能耗。

秸秆预处理的方法主要有四种,分别是物理法、化学法、 物化法以及生物法。物理法处理后秸秆的生物降解性得到了显著改善,但是能耗高,酶 消化率有限以及操作成本高,限制了该方法的大规模应用。化学法预虽然有处理时间短、 高溶解度和去木质素的优势,但是高昂的试剂成本、抑制剂的产生、试剂回收难以及二 次污染限制了产业化推广。生物法预处理是一种绿色、环保的方法,可增加秸秆孔径、 表面积和水解酶的可及性,同时还促进了后续的水解和生物反应。(报告来源:未来智库)

与传统的物理化学方 法相比,生物预处理具有能耗低、无化学物质、不产生抑制剂、操作简便、设备简单等 优点。目前生物预处理主要包括真菌或细菌的微生物降解和酶促水解。包括白腐真菌、 褐腐真菌和软腐烂真菌在内的真菌已被证明能够降解秸秆。而酶水解可被用于以较短时 间预处理木质素,同时促进难降解的大分子(纤维素和半纤维素)的水解和后续的生物 转化,甚至可以在没有灭菌步骤的情况下进行加工,运营成本大幅降低。

秸秆高值化利用的另一大难题是绝大多数微生物无法利用秸秆中六碳糖以外的杂 糖,导致秸秆整体的利用效率低。一般来说,微生物主要摄取葡萄糖等六碳糖作为碳源 进行生命活动,只有极少数微生物会利用木糖等五碳糖进行代谢。例如:酿酒酵母在厌 氧条件下会摄取葡萄糖,通过糖酵解过程(EMP 途径)将葡萄糖转化为丙酮酸,丙酮酸 进一步脱羧形成乙醛,乙醛最终被还原成目标产物乙醇。秸秆中纤维素和半纤维素包含 大量多糖,分解成单糖后才能被微生物利用:纤维素经过降解后可以生成葡萄糖等六碳 糖;而半纤维素经过降解后主要生成木糖等五碳糖。

由于传统发酵中微生物仅仅可以利 用葡萄糖等六碳糖,对于木糖等戊糖却不能转化和利用,导致纤维糖化液中 30%的糖类 就不能转化成目标产物,大部分的五碳糖只能被浪费。因此,该部分无法被微生物利用 的杂单糖也是限制秸秆规模化利用的阻碍,也是相同产品秸秆发酵耗用量一般为玉米发 酵两倍以上的原因。如果通过合成生物学的手段改造底盘细胞,使其可以利用五碳糖等 杂单糖或杂多糖进行代谢,那么便可以提高秸秆糖的发酵效率,秸秆杂糖含量高的问题 就可以迎刃而解。

合成生物学的出现以及“碳中和”的目标是秸秆等生物废弃物高值利用的“天时 地利”,生物制造在打通原料限制之后将大有可为。根据中科院天工所测算,与传统的 石化路线相比,生物制造的化学品平均可以实现节能减排 30-50%,未来甚至有望达到 50-70%,包括秸秆产业链在内的生物基产品未来大有可为。目前,秸秆综合利用产业 化发展缓慢,主流技术以生产乙醇为主,单一产品效益低,主要原因是高值化利用处于 发展初期,缺少相关的规模化技术和行业标准。

现阶段,秸秆生产的产品受“成本地板” 和“价格天花板”双重挤压,资源化利用成本较高,而秸秆产品价格与其相应替代的商 品价格比较不具优势。秸秆利用的标准技术规范也有待进一步完善,除秸秆发电厂、秸 秆板材、秸秆沼气外,相关国家标准或行业标准多是涉及机械作业质量,缺乏秸秆产品 生产技术规范。 历史上曾出现不少生物废弃物或秸秆作为原料生产化学品的公司,但是最终都以 失败告终,在技术、商业模式、产品选择都有问题。

我们认为,过去秸秆高值化利用无 法成为主流主要有三方面的原因:(1)技术上,过去秸秆处理主要采用物理法、化学 法、酶法等进行预处理,导致成本高、污染严重的问题,得不偿失。(2)商业模式上, 过去秸秆等生物废弃物利用主要依靠政策支持或科研课题转化支持,不具有大规模参 与市场竞争的能力。(3)产品选择上,过去利用生物废弃物生产的产品主要是乙醇等 附加值相对较低的产品,产品价格低、波动大,无法与发展多年的化学法产品竞争。

4.3 “页岩气革命”对秸秆高值利用启示

秸秆利用商业化目前正处于起步阶段,成本降低是其次,主要是打破生物制造单 一的原料结构,这与页岩气的开发初衷类似。页岩气是指在由页岩构成的地质层中的天 然气。由于地质结构特殊,开采难度高,页岩气在上世纪应用进展十分缓慢。为了丰富 能源结构,美国开始攻克页岩气应用的相关技术,但在产业化发展初期页岩气开采仍没 有成本优势。随着勘探和技术的突破,页岩气目前已经实现了商业化应用,并且成本不 断下降,成为重要的能源物质。秸秆作为合成生物学的原料,在规模化利用上也存在各 式各样技术难点,在发展初期可能成本依然会比玉米高,但随着产业化的推进,秸秆利 用技术有望像页岩气一样不断迭代突破,最终实现秸秆利用商业化、规模化。

化工废物利用方法(化工内哪些行业最赚钱)  第12张

过去页岩 气的发展路径是先解决能源结构等战略问题,再通过技术迭代解决成本问题。我们认 为,秸秆利用将有望重走这一模式。 页岩气能实现规模化应用的重要原因是开采技术实现了突破。页岩气开采主要是 水平井技术和压裂技术。页岩气的开采一般为水力压裂开采,利用储层的天然或诱导裂 缝系统,使用含有各种添加剂的压裂液在高压下注入地层,使储层裂缝网络扩大,使赋 存其中的页岩气持续不断地释放并输送到地表。目前美国现已经能够做到单井压裂“千 方砂,万方液”的规模化生产水平。

我国的人口数量决定了粮食将不可能成为生物制造以及和生物基材料的唯一“入 口”,秸秆非常有可能是另外的一个“入口”。对于国家而言,掌握巨大产业链的“入 口”以及这个“入口的多元化”是具有战略意义的。过去,石油虽是最具战略意义的 能源资源,但我国受煤多油少的影响,逐步形成了煤炭为主、石油、天然气、页岩气 等为辅的多元化能源消费结构。多元的结构具有更强的抗击外部风险的能力。未来, 生物制造和生物基材料大市场的到来,将重复这一过程。由于我国人多粮少秸秆多的 客观条件,为了把握未来制造业原材料端的命脉,多元化的原材料不可避免。我国的 秸秆资源丰富,一旦技术问题解决,将有望成为页岩气一样的重要原料来源,甚至有 可能成为煤炭一样的生物制造最主要“入口”。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。未来智库 - 官方网站

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