源起基金關注領域——生物基材料（二）
生物基材料發展現狀
分析8種已經進入商業化階段的生物基化學品和材料，可見絕大部份產品具備與化石基替代品一致甚至更好的性能優勢，近一半產品具備成本優勢，且每種產品至少有40%以上的碳排放量減少。
圖|生物基產品與石油基產品性能對比
上游生物基原料包括木質素、纖維素、淀粉、多糖和植物油，通過生物合成、生物加工、生物煉制過程獲得乙醇、乙烯、丁二酸、乳酸等生物基單體，進一步加工得到生物基材料產品。
圖|從生物質原料到生物基高分子材料的產業鏈
淀粉是多羥基天然聚合物，由多個α-葡萄糖構成。根據葡萄糖排列結構不同，又可由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，占比分別為80%和20%。淀粉來源廣泛、成本低，具備無毒、生物相容性和可生物降解性好等特點。改性后淀粉可解決天然淀粉耐水性差、機械性能差等問題，是替代石油基脂肪族化合物最主要材料。
圖|葡萄糖結構
圖|直鏈淀粉與直鏈淀粉結構示意圖
纖維素分子由β-葡萄糖分子構成，每個葡萄糖分子之間以β-1，4糖苷鍵結合形成，分子的重復單元簡單而均一，無分支，也不發生卷曲，故結構穩定。纖維素是植物細胞壁的主要成分，占植物界碳含量的50%以上。
世界現存的纖維素量高達萬億噸，每年新生成的纖維素為1000億-1500億噸，來源廣泛，且非食用性，以其為原料代替玉米等糧食淀粉，將更具成本優勢，是未來生產脂肪族化學品最理想的生物質碳源。
木質素系替代石油基芳香族化合物的最主要生物質碳源。木質素是含量僅次于纖維素的天然高分子，主要由苯基丙烷單元通過醚鍵和碳-碳鍵連接而成,屬于具有三維空間結構的芳香族天然高分子化合物。基本組成單體為三種酚，羥基苯基(H,4-hydroxyphenyl)，4-羥基-3-甲氧基苯基(G,guaiacyl)，3,5-二甲基-4-羥基苯基(S,syringyl)。
由于木質素單體的分子結構與石油中分離出的芳香族分子結構非常相似，因此是目前自然界中少有能夠提供可再生芳基化合物的生物質碳源之一。木質素轉化過程成本高且工藝復雜，大規模工業化利用有限。當前，絕大部分木質素被當做殘渣用于燃燒提供能源，僅有2%用于制造輪胎、混凝土和瀝青填料及其他高附加值的材料。
圖|木質素的基本組成單體 芳香族基礎化工原料
圖|全球纖維素、木質素、原油產量對比
生物基塑料、生物基纖維、生物基橡膠三大品類有代表性產品。生物基塑料品類的聚乳酸(PLA)、二氧化碳共聚物(PPC)、聚羥基烷酸酯(PHA)、聚己內酯(PCL)、生物基聚酰胺(PA)、生物基聚氨酯(PU)等。生物基纖維品類的PLA纖維、PHBV與PLA共混纖維、PTT纖維、PBT纖維以及纖維(天絲)、竹漿纖維、麻漿纖維等。
生物基橡膠品類中的聚酯型生物基合成橡膠、生物基衣康酸酯橡膠、大豆油基彈性體、生物基聚氨酯彈性體等。生物基材料已經廣泛應用到包裝、餐飲、電子、汽車、農林、園藝、玩具、紡織品等多個終端細分市場。包裝是生物基材料最大的應用領域。2020年全球生物基材料總消費量211萬噸，包裝領域占比47%，餐飲與紡織領域緊隨其后，分別占比12%和11%。
圖|2020年全球生物基材料消費需求占比
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