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“十二五”期间生物制造产业发展回顾

 

  生物制造是以生物体为工具进行物质加工与合成的绿色生产方式,有可能在能源、化工和医药等领域改变世界工业格局,开创财富增长新纪元。2010年,国务院《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》把生物制造作为生物产业的重要内容,进一步明确了生物制造的战略性新兴产业属性。生物制造是现代生物产业的技术核心,其范围涵盖了从生物资源、生物技术到生物产业的价值链,集中体现了现代生物技术在医药、农业、能源、材料、化工、环保等多个工业领域的应用。生物制造能够促进形成资源消耗低、环境污染少的产业新结构和生产新方式。和石化路线相比,目前生物制造产品平均节能减排30%—50%,未来潜力将达到50%—70%,这对工业基础原材料的化石原料路线替代、高能耗高物耗高排放工艺路线替代以及传统产业升级,将产生重要的推动作用。通过生物制造,已经实现了一批基础化学品、精细化学品(化学原料药)、生物基聚合材料的绿色生产,为工业产品原料路线转变、农业产品实现工业化合成提供了范例。“十二五”期间,中国生物制造产业主要产品的产值达到5500亿元以上,年平均增速8%以上。生物制造企业规模不断扩大,产业集中度进一步增强,部分主要产品产能规模前6 家企业的产能占全国产能的80% 以上。全国生物制造已经进入产业生命周期中的迅速成长阶段,正在为生物经济发展注入强劲动力,也正成为全球再工业化进程的重要组成部分。

  一、生物发酵业国际竞争力大幅提升

  生物发酵产业是中国生物制造产业的重要组成部分,主要包括新型发酵、传统发酵、抗生素、生物农药等,其中新型发酵行业包括氨基酸、有机酸、酶制剂、酵母、淀粉糖、多元醇、功能发酵制品等。经过“十二五”期间的稳步发展,逐渐形成味精、赖氨酸、柠檬酸、结晶葡萄糖、麦芽糖浆、果葡糖浆等大宗产品为主体、小品种氨基酸、功能糖醇、低聚糖、微生物多糖等高附加值产品为补充的多产品协调发展的产业格局,为食品、医药、化工等相关行业提供了品质优良的原料。其中发酵大宗产品味精、赖氨酸、柠檬酸等产品的产量和贸易量位居世界前列,淀粉糖的产量在美国之后,居世界第二位。“十二五”期间,发酵产业主要产品的产量由2010年的1840万吨增长为2015年的2426万吨,年平均增长率5.7%。同时产值也由1990亿元增长为2900亿元,年平均增长率达到了7.8%。总体来说,“十二五”期间,中国发酵产业规模继续扩大,保持稳定发展的态势。

  “十二五”期间,生物发酵产业主要产品出口总量与出口额逐年稳步增长。主要产品出口从2010 年的264 万吨增加到2015 年的344 万吨,平均年增长率5.4%。出口额由2010年的27亿美元增长为2014年的35亿,而截至2014年上半年出口额增长为18.6亿美元,平均年增长率7.5%。其中柠檬酸、味精、淀粉糖一直是生物发酵产业主要出口产品。

  二、 生物基材料等新兴生物制造业发展迅猛

  生物基材料,是利用谷物、豆科、秸秆、竹木粉等可再生生物质为原料制造的新型材料和化学品等,主要包括生物基化工原料、生物基塑料、生物基纤维、生物基橡胶以及生物质热塑性加工得到塑料材料等。生物基材料由于其绿色、环境友好、资源节约等特点,正在成为一个加速成长的新兴产业。2014年全球生物基材料产能已达3000万吨以上,其中2006年以来生物基塑料销售额的复合增长率为26.7%,预计至2019年全球产能将达到760万吨。2014年,中国生物基材料总产量约580万吨左右,其中再生生物质纤维产品约360万吨,有机酸、化工醇、氨基酸等化工原料约140万吨,生物基塑料约80万吨。“十二五”期间,全国的生物基材料产业发展迅猛,主要品种生物基材料及其单体的生产技术取得了长足发展,产品种类速增,产品经济性增强,已形成以可再生资源为原料的生物材料单体的制备、生物基树脂合成、生物基树脂改性与复合、生物基材料应用为主的生物基材料产业链。2014年6月,国家发改委和财政部联合发布了《关于组织实施2014年生物基材料专项的通知》,目标是以区域集群建设和制品应用为发展载体,通过需求侧拉动和供给侧推动相结合,推进非粮生物基材料产业链式发展,建设若干高密度、高水平、产学研用有机结合、引领示范作用显著的产业集群,加快可再生、可降解的生物基材料制品应用示范,促进生物基产品对石油化学品替代取得重大进展。通过专项的进一步推动,生物基材料产业已初步形成环渤海、长三角、珠三角等产业集群,正在成为产业投资的热点,显示了强劲的发展势头。

  在众多生物基材料中,聚乳酸(PLA)同时具备了100%生物质来源(不依赖石油资源,减碳)和100%生物可降解(在堆肥条件下降解,不带来固废白色污染)两大特性,含税价约15—19元人民币/公斤,远低于其他类似特性的生物基塑料,是目前市场前景和应用前景最为看好的生物塑料。过去15年全球聚乳酸市场约以每年20%—30%成长,预计至2020年全球聚乳酸市场将达到30万—50万吨。全国PLA产能由2010年的0.5万吨快速增长到2014年的20万吨,成为世界第二。中国聚乳酸表观消费总量也已达到2.2万吨以上,PLA的产品主要销往海外。另一种发展较快的生物基塑料是生物基聚丁二酸丁二酯(PBS),其聚合单体由生物发酵法获得,再通过化学法聚合得到PBS。由于PBS具有通用塑料PE、PP相类似的力学性能和加工性能,但价格相对便宜、工艺简单,所以发展较快。“十二五”期间,生物基PBS的年生产能力由2010年的1万吨快速增长到2014年的10万吨。

  三、酶制剂产业发展迅速,产品市场竞争力与市场份额大幅提升

  酶制剂是经过提纯、加工后具有催化功能的生物催化剂制品。与传统化学催化剂相比,生物酶具有优越的催化性能、温和的反应条件及更好的环保性,广泛应用于食品、饲料、洗涤、纺织、造纸、制革、医药、开采、化工等领域。酶制剂产业是知识密集型高技术产业,是生物制造产业的重要组成部分。目前为止,已发现的酶类有3000多种,但其中已实现大规模工业化生产的只有60多种。截至2014年,世界酶制剂产值 51亿美元,预计至2017年将达到70亿美元,产业的发展前景相当广阔。近年来,全国的酶制剂产业总体生产和销售形势较好,通过引进优良菌株和先进设备、开展新型酶制剂开发,已取得快速发展。2014年中国的工业酶制剂产量达到116.57万吨,年产量增长保持在10%左右。尽管全球的工业酶制剂市场长期被丹麦诺维信、美国杜邦和荷兰帝斯曼公司等垄断,但中国酶制剂市场份额在全球的比重已由“十二五”初期的不足10%提升到现在的近30%,市场竞争力大幅提升。

  四、生物燃料发展迅速,原料供应成为产业发展瓶颈

  现代生物质能的发展方向是高效清洁利用,将生物质转换为优质能源,包括液体燃料、电力、燃气和固体成型燃料等。生物质能源是目前世界上应用最广泛的可再生能源,全球可再生能源的77%来源于生物质能源,按能源当量计算,消费总量仅次于煤炭、石油、天然气,位居第四位。在中国,生物质能源主要为生物乙醇、生物柴油及生物质发电。生物乙醇由于可以直接与汽油混合使用,且工业化生产技术成熟、价格相对较低,是世界范围内广泛适用的生物燃料。例如世界生物乙醇第一生产国的美国,2015年生产148亿加仑的燃料乙醇。经过“十二五”的建设,中国已经成为仅次于美国和巴西的生物燃料乙醇第三大生产国,产量由2010年的182万吨提升至2014年的216万吨。然而,由于第一代生物燃料乙醇的原料是玉米等粮食作物,会与食用粮食形成竞争,无法成为可持续的产业。近几年在国家财税政策调节的引导下,国内燃料乙醇行业逐渐向非粮经济作物和纤维素原料综合利用方向转型,积极开展技术工艺开发和示范项目建设。目前全国范围内已建成7家生物燃料乙醇生产企业,封闭推广地区包括河南、安徽、黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古等省份。

  生物柴油与石油柴油具有相似的燃烧性能,并与石油柴油具有良好的调和性。生物柴油的使用通常是与石油柴油混配,例如欧洲目前主要推广使用的是B5,而美国则是大力推广B20等,这样可以综合生物柴油与石油柴油的优点。与美国首选生物乙醇不同,生物柴油是欧洲的首选生物燃料,占世界生物柴油产量的49%。“十二五”期间,中国生物柴油发展处于高速增长期,目前生产企业主要为民营企业,约300家,其中年产5000吨以上的厂家超过40家,产能规模逐渐扩大。生物柴油产量由2010年的30万吨飞速增长为2014年的121万吨,年平均增长率41.7%。虽然全国生物柴油实际产能已经达到300万—350万吨,但国内十分缺乏作为生物柴油原料的油料作物,每年进口大量大豆和食用植物油。所以全国生物柴油的油原料地沟油和植物油脚占到90%。由于受到原料供应的限制,生产装置开工率不足,产量远远达不到预期,无法满足巨大的市场需求。为此,生物柴油企业正在积极寻求木本油料作物和藻类等替代原料,开发和推广生物柴油新技术,加快建设工业装置。

  五、生物制造工艺装备水平快速提高

  随着生物制造产业的不断发展,国家与越来越多的企业意识到自主创新能力是产业发展的根本保障和原动力。“十二五”期间,国家对生物制造产业的政策支持力度不断加大,企业在技术研发、技术改造等方面的投入平均占企业销售收入的4.5%,部分企业甚至高达10%,较好地实现了技术创新带动行业整体水平的提升。截止到2015 年年底,生物制造业相关的研发基地主要包括4个国家重点实验室、4个企业国家重点实验室、4个国家工程实验室、4个国家工程研究中心、22 家国家企业技术中心和15 家行业技术开发监测中心,为生物制造业特别是生物基材料、生物基大宗化学品等新兴领域提供了一批自主创新技术成果。

  六、产业集中度不断增强

  生物制造行业经过“十二五”期间激烈的市场竞争,企业规模进一步扩大,产业集中度增强。目前生物发酵产值达到100 亿元以上的大型产业集团已经有4 家,味精、柠檬酸、赖氨酸、酵母、乳酸等主要产品的行业集中逐年提高。味精生产企业产能前十的企业占总产量的90%;两家企业则占到乳酸生产能力的75%;而80%的赖氨酸由6家企业生产;3家企业抢占了酵母行业的70%的份额;而柠檬酸行业集中度最高,前6 家占了行业的97%以上。

  七、生化流程节能减排见成效

  近年来,中国经济快速发展,但资源和能源消耗是世界平均水平的2—3倍,发展付出了巨大的资源和环境被破坏的代价。这种状况与经济结构不合理、增长方式粗放直接相关。只有坚持节能减排,形成产业的可持续发展能力,提高环保兼容性,才能实现经济社会的可持续发展。同时,温室气体排放引起全球气候变暖,备受国际社会广泛关注。特别是2015年底巴黎协定的签署,约定加快实现温室气体零排放、控制气温上升1.5—2摄氏度后,进一步加强节能减排工作,应对全球气候变化的迫切需要必然是中国今后工作的重点。

  生物制造业中传统发酵行业往往伴随着一定程度的环境污染,这一行业还需要不断节能减排,减少环境污染,以符合经济发展大趋势的需求。而新兴的如生物基材料、生物燃料等生物制造业,其一大内在驱动力就是替代石油工业、增强环境保护。同时,酶制剂在传统纺织、造纸、制革、医药、化工等高污染领域的应用能大大减少环境污染。提高生产效率。节能减排能促进生物制造业的发展,而生物制造业的发展更能提高其他行业的生产效率与环保相容性,促进经济发展的可持续性。“十二五”期间,通过科技创新、全面推广清洁生产技术和先进环保治理技术,生物制造行业普遍取得了资源综合利用水平的逐步提升和节能减排的初步成效。以柠檬酸行业为例,2014年的汽耗、电耗和水耗分别是2011年的73%、82%和80%。

  八、产业初步实现集群发展

  产业集群的出现与发展往往能增强产业链上下游企业的联系,普遍降低产业集群内企业的生产成本,提高产品竞争力。例如生物基塑料行业中,上游的聚合单体的发酵获取与中下游的单体聚合、塑料制品成型生产通过产业集群的方式发展能更加快速地完善产业链结构,形成具有国际竞争力的产品与产业。生物制造业一大特点是以生物质为基本原料,原料的价格、数量与企业的运营、利润有着直接的关系。综合考虑到生产成本、环境保护等因素,经过“十二五”期间的发展,生物制造业呈现以原料产地为主的产业集群区域分布。例如,氨基酸 、有机酸和淀粉糖行业主要分布在山东、东北三省、内蒙古、河北、河南及安徽省。酶制剂行业则集中于江苏、湖南、湖北和山东省。湖北、广东、广西和安徽省则成了酵母行业的主要集中地。

  进入21世纪以来,生命科学与技术的基础与应用研究不断取得创新与突破,生物产业与工业制造产业相互交叉融合,极大促进了绿色生物制造产业和生物经济的发展。在全国经济走向新常态的过程中,新产品、新业态、新模式将成为经济增长新动力,生物制造产业迎来了新的发展机遇和挑战。当前,国家的生物制造产业正处于技术攻坚和商业化应用开拓的关键阶段,石油价格的波动导致生物基产品在竞争中的成本压力,一些传统的发酵产品与大宗化学品的生物制造仍然存在生产工艺落后、核心知识产权较少、部分品种产能不足或过剩、行业经济效益不足等客观挑战,因此,仍需进一步提升技术创新能力、加快推进产业化进程,尽快向精细化、智能化的可持续发展模式转变。未来中国生物制造产业发展需要做好与上游生物农业、下游生物服务产业的融合,充分发挥生物制造产业的核心支撑作用,推动高效、清洁、低碳、循环的绿色生物制造体系的发展。

  中科院天津工业生物技术研究所

  马延和 王猛 王钦宏 李寅