一、生物基材料行业概况

       1. 生物基材料定义

       根据国际能源机构（IEA）的定义，生物基材料（Bio-based Materials）是指利用可再生生物质或（和）经由生物制造得到的原料，通过生物、化学、物理等手段制造的一类新型材料，如生物塑料、生物质功能高分子材料等，包括生物醇、有机酸、烷烃、烯烃、酯类等基础生物基化学品和糖工程产品。生物基材料通常具有原料可再生、减少碳排放、节约能源等特性，部分品类还具有良好的生物可降解性，是新材料产业发展的重要方向。

       “生物基材料”是相对于“石油基材料”而得到的概念。石油基材料通常降解性能较差，在巨大的消耗量条件下，存量石油基材料对生态环境构成了巨大的压力。生物基材料有两个侧重点：一是利用可再生资源进行合成和转化的，如以谷物、豆粕、秸秆、木质素、餐厨垃圾、废弃油脂等可再生生物质通过生物转化获得生物高分子材料；二是具备生物可降解的特性，即在自然环境或者非自然的温和条件下可以完全降解，对环境不构成可持续性的污染和损害。这些优势是石油基材料完全不具备的。

       众所周知，人类自工业革命以来，石油天然气等化石资源成为了合成材料的重要原料，到目前为止仍然是不可或缺的战略资源。从我国资源层面来看，中国石油资源相对匮乏，原油高度依赖进口。目前国内油品需求进入平台期并将在2025年前后达峰，“十四五”期间需要将炼油能力控制在10亿吨/年以内。在减油增化和“双碳”目标等多重因素叠加的背景下，对生物基材料研发及产业化转型升级的技术需求更加迫切。总体而言，随着生物基材料成本下降、石油基材料使用成本上升（碳排放税费增加）、以及“非粮原料”的生物基材料的突破，全球化工新材料进入新的发展阶段，生物基材料有望成为全球工业新的底层材料，是传统石油基材料的主要替代方案，我国化工新材料产业也将迎来前所未有的历史机遇期。

       2. 生物基材料的“弯道超车”属性

       新材料产业是工业皇冠上的明珠。然而，目前我国目前仅是材料大国而非材料强国，新材料属于我国对外依存度极高的八类产业之一，这其中的主要原因是，新材料主要的原料都是来自于石油基，它们的加工过程往往需要较为苛刻的反应，这对于生产工艺、关键设备、催化剂、能量消耗、综合利用等都构成了挑战，部分石油基材料加工技术甚至成为了我国卡脖子的环节。欧美日韩发达国家具有先发优势，依靠数十年的发展，跨国公司在技术/专利方面已经对我国形成了全面的专利封锁。据工业与信息化部统计，在我国大型企业所需的130多种关键材料中，32%的材料我国处于空白、完全无法生产，54%的材料国内能够生产但质量较差，仅有14%国内可以完全自给。反观海外情况，由于新材料应用领域高端、前瞻，技术门槛高，附加值高，发达国家最先重视新材料开发及应用。许多著名的跨国公司，如巴斯夫、杜邦、拜耳、陶氏化学、朗盛等，都将新材料作为其发展战略和经营创效的重点方向，并对我国形成技术优势。

       而生物基材料为我国提供了一种实现弯道超车的可能性。生物基材料的生产过程通常较为温和，深度结合生物技术产业链，与石油化工关联性相对较弱。未来生物基产品的发展重点可以结合化工产业绿色发展的要求，瞄准高附加值的产品进行开发，完整地构建自主可控的生物基材料产业链，强化生物基高端产品的研究和布局。

       3. 生物基材料产业链发展情况

       从产业链角度来看，生物基材料上游原料主要是可再生生物质，包括粮食基和非粮基，其中非粮基的覆盖面更广、来源更为丰富、且没有“与民争粮”的问题，但技术难度更大，因此目前主要是粮食原料。生物质将是今后生产化工新材料的主要原料来源之一，随着生物质气化、催化裂解、发酵、生物炼制等高值化转化利用技术的进步，目前以化石原料生产的高端合成树脂、特种合成橡胶、合成纤维、先进工程材料、可降解材料，将来都可以通过生物质原料路线来生产。

       中游的生物基化学品处于发展期。目前产业链的关键控制环节为生物质向化工品转化的环节，特别是生物质的利用效率和非粮生物质原料收集方式等对产品的生产成本带来了巨大的影响。中游的技术水平，我国与发达国家的差距相对较小，在技术专利、生产设备、催化剂等方面并未形成完全的封锁和限制，具备“弯道超车”的机会。

       下游为生物基材料产品及应用领域涉及到生产生活的各个方面，主要包括塑料、农业食品、服装、绿色包装、医用材料等产业。一般均有成熟的化工产品为竞争对手，亟待生物基产品性能提升和成本下降，才能实现部分产品替代。

       4. 生物基材料的市场空间

       生物基材料属于非常典型的蓝海市场，复合增长率高且渗透率低，未来的空间十分巨大。据Nova Institute统计 ，2022年生物基聚合物总体产量约490万吨（不包含燃料乙醇），实际产量为450万吨，占化石基聚合物总产量的1%。预计到2027年，产能将增加到930万吨，年平均复合增长率（CAGR）约为14%。

       据全球经济合作与发展组织（OECD）发布的“面向2030生物经济施政纲领”战略报告预计，2030年生物制造在生物经济中的贡献率将达到39%，将有25%有机化学品和20%的化石燃料（约 8000亿美元）由生物基化产品取代，然而目前替代率不到5%，缺口近6000亿美元。

       麦肯锡报告数据显示，全球经济中60%的产品可以通过生物方式生产，其中1/3是生物原料的产品，剩余的2/3也可以使用生物制造技术来生产或替代，未来 10-20 年，可应用于约400多个应用场景，预计可能对全球每年产生 2-4 万亿美元的直接经济影响。

       5. 生物基材料国内外政策情况

       全球气候、环境危机背景下，转向低碳循环经济已成为全球共识，而生物基产业是其中重要一环。欧美力推2050年实现碳中和，各国力推生物基产业转型升级并制定远期碳中和战略目标，全球碳减排进程开始加速。世界经合组织 (OECD) 的案例分析表明，生物技术的应用可以降低工业过程能耗15-80%，原料消耗35%-75%，减少空气污染50%-90%，水污染33%-80%。据世界自然基金会（WWF）预估，到2030年工业生物技术每年将可降低10亿至25亿吨二氧化碳排放。

       2001年“十五”计划以来，我国陆续出台了多项科技战略性规划政策，明确指出要重点发展生物基材料。自2001年“十五”计划以来，我国连续20年倡导发展生物制造业、生物基材料。2023年1月13日，工业和信息化部等六部门联合印发《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》。《行动方案》的发布为生物基材料行业的发展提供了政策依据与发展方向。《行动方案》的发布对“生物基材料替代传统化学原料”的具体品类、应用领域、发展方法进行了系统论述，重点鼓励领域包括聚乳酸、聚酰胺、聚羟基脂肪酸酯、聚氨酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸-己二酸(丁二酸)-丁二酯、聚碳酸酯、聚四氢呋喃、聚呋喃二甲酸乙二醇酯、生物基弹性体等。

       6. 非粮生物基材料的重要意义

       目前生物基产品的原料90%来自于玉米等粮食作物，已形成了生物基乙醇、生物基乳酸等成熟度较高的产品链。未来随着生物基材料行业的不断壮大，不免产生“与人争粮”、“与畜争饲”的担忧。将传统意义上“非粮生物质”转换为发展生物基材料的原料是解决上述问题并保障粮食安全的重要举措。

       全球范围内都在寻求可规模化应用于生物基产业的新型碳源，包括生物废弃物（如农作物秸秆、甘蔗渣、城市有机垃圾）、工业废弃物（如工业尾气、废弃木头）、非粮作物（如木薯、海滨锦葵、麻风树等）等。中国年产各类非粮生物质资源超过35亿吨，其中农业废弃物9.6亿吨、林业废弃物3.5亿吨，产量巨大且性质稳定，理论上是生物质资源利用中避免粮食消耗的最佳替代品。在众多生物质资源中，木薯价格比玉米淀粉高，正在开发降低成本的技术；废弃油脂在水中溶解度低，会降低产品纯度，更多用于制备生物柴油、生物乙醇。其他废弃油料和能源作物正在探索中。生活垃圾需要去掉气味，且需要开发特别的消化菌种。从应用成熟度来看，大部分新型碳源仍在实验室或小试阶段，当前较为成熟的、已有部分商业化验证的技术路线主要是秸秆纤维素和合成气。以木质纤维素为代表的非粮生物质是地球最为丰富的一种可再生资源，被认为是可持续能源和绿色化学工业的重要来源之一。非粮生物质开发作为串联生物制造产业上下游的关键环节，向上促进农业废弃利用、边际土地开发、农业育种；向下推动生物制造降本增效，助力生物基材料能源规模扩张。

       纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50%以上，木材、麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源。据测算，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。秸秆的回收价格约300-500 元/吨，远低于玉米价格（近3000元/吨）。秸秆的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。经过三素分离后，纤维素、半纤维素可以水解形成葡萄糖等单糖，而木质素可以水解形成五碳糖，这些都是优良的生物质原料。以秸秆纤维等农业废弃物为主要原料，避免了“与民争粮”等问题。但由于秸秆、木浆纤维等利用难度较大，目前处于工业化初级阶段。纤维素的综合利用是生物基材料通往大规模产业化的关键所在，预计在不久的将来，人类可以摆脱“不可再生资源”的依赖，真正实现“材料自由”。

       7. 生物基材料的主要分类

       生物基材料种类繁多，不论按照何种方法分类，均不能完全覆盖。若依据产品应用类型分类，则可分为生物基尼龙、生物基塑料、生物基化学纤维、生物基橡胶、生物基涂料、生物基材料助剂、生物基复合材料等。若按照具体产品名称来分类，目前已经初步实现商业化的生物基材料包括：

       目前全球生物基材料产能已达3500万吨以上，年均增速超过20%。国内也已经初步构建了以聚乳酸、聚酰胺率先产业化，多种生物基材料快速发展的格局。2021年，我国生物基材料产能1100万吨(不含生物燃料)，约占全球31%，产量700万吨,产值超过1500亿元。

       从全球主要生物基材料市场来看，PLA、PHA、尼龙-56等起步较早，发展较为充分，其次是如正丁醇、糠醛、乙酸、乳酸和木糖醇、3-羟基丙醛（HPA）、丙烯酸、异戊二烯、己二酸、FDCA和异丁烯。

       二、生物基材料最具潜力单品：PEF

       1. PEF——2.0版PET

       聚2,5－呋喃二甲酸乙二醇酯（Poly-Ethylene-2,5-Furandicarboxylate,PEF）是一种生物基聚酯。在众多生物基材料中，PEF材料是最具潜力的一个单品，被业内称为“下一代聚酯”。以2,5－呋喃二甲酸（FDCA）为单体加入乙二醇（EG）通过直接酯化法或酯交换法可合成。PEF材料与聚对苯二甲酸乙二醇酯（Poly-Ethylene-Terephthalate，PET）相比，结构相似度非常高，性质相近，而且部分性能还更加优良。众所周知，PET的应用场景十分广泛，包括纤维、薄膜、瓶片、食品包装等（如塑料瓶）。PET目前价格为8000-10000元/吨，年需求量为7000万吨，全球市场规模超过5000亿元人民币。

       目前全球范围内尚无千吨以上的PEF产能，因此，PEF的价格极高，远远超过早已批量生产的PET，这一点也限制了PEF的推广和应用。然而，PEF以其独特的性能及生物基属性，获得了国内外各大企业的争相布局，被认为是潜力巨大的生物基单品。

       2. PEF的性能优势

       PEF不仅具有符合产品降解周期要求的生物可降解性能，也具有比石化基聚酯PET更为优异的耐热性、力学强度、阻隔性能、抗紫外性能等等。①研究证明，使用PEF材料制作的饮料瓶在许多方面好于PET瓶，尤其是阻隔气体渗透的性能(材料阻挡气体通过瓶子渗透的能力)更为优越，PEF阻隔氧气能力是PET的10倍，阻CO2,渗透的能力是PET的4倍，阻H2O渗透的能力是PET的2倍，这与其结构有关:在分子结构上，呋喃环的非对称性和极性使链刚性增大，使链段不易翻转，运动能力下降，阻碍小分子扩散；在聚集态结构上，结晶或其它促使分子链堆砌致密，自由体积减小(物理老化)阻碍小分子的溶解与扩散，进一步改善阻隔性。这可使包装产品的保存期限延长，因此该材料在高阻隔性包装材料、高性能纤维和工程塑料等领域具有广阔的应用前景。②由于PEF其机械强度增强，可使PEF材料的包装更薄而轻，所以必然促使包装材料的用量减少。③在热性质方面，PEF被认为比PET更好，PEF有更好的耐热性(PEF的Tg为86℃，PET的Tg为74℃)、更低的加工温度(PEF的Tm为235℃，PET的Tm为265℃)。因此，PEF特别适合生产特定的食品与饮料包装，例如薄膜和塑料瓶。④研究证实，PEF在使用后能够进行回收，且回收路径与PET资源循环可兼容。⑤PEF中的FDCA具有特定的结构，可以对紫外线波长的光线进行阻隔和耐受。

       3. PEF的近期应用和远期拓展

       由于PEF的性能特征，PEF几乎可以覆盖全部的PET应用场景，除此之外，还可以适用一些PET不能满足的应用场景。中国是PET聚酯生产与消费大国，在包装材料、纤维涤纶纺织品、薄膜等领域用途广泛，PEF与PET相比将环境效益与卓越性能完美结合，发展PEF共聚酯有利于推动我国聚酯行业的碳减排和转型升级。

       但是，目前现状看来，PEF成本远高于PET，短期之内不太可能取代PET的地位。因此，PEF早期的应用场景一定是基于其阻隔性、力学性能、加工性能、生物基降解等等几个方面而开拓的，包括以下：

       （1）PEF食品包装瓶：①饮料瓶：PEF具有更加优异的阻隔性能，O2阻隔性比PET提高 6.8倍，CO2阻隔性比PET提高14.1倍，可大幅度提升饮料的新鲜程度和货架期。②塑料精酿啤酒瓶：目前开发的PEF共聚物玻璃化转变温度84°C，CO2阻隔性能比PET提高5.2倍，O2阻隔性能比PET提高3.2倍，主要性能指标满足塑料啤酒瓶的技术要求，价格将远低于PEN，有望真正实现塑料啤酒瓶的制造。③罐头果酱瓶：PEF因阻隔性的大幅度提高，有望实现罐头、果酱等食品的塑料包装。

       （2）PEF阻隔膜：生物基PEF阻隔膜因对O2的阻隔性比PET提高6.8倍，可以大幅度降低食品防腐剂的添加量，甚至不加。因此，PEF包装膜有望更好的解决这一问题。

       （3）PEF纤维：①服装用纺织材料：PEF纤维结构独特、强度较高、较好的弹性恢复性和卷曲持久性，非常适合作T恤或内衣的原料。②家用纺织材料；③产业用纺织产品领域：PEF纤维具有强度高、耐用性好、不易燃、抗紫外线等优点。

       我们认为，未来随着技术的突破、非粮生物质原材料供应链体系的完善，PEF得以采用廉价的非粮生物质原料合成，成本实现的大幅的下降，生物基PEF将会替代大部分石油基PET材料的应用场景，成为生物基材料的大单品之一。

       4. FDCA——PEF材料的重要单体

       2004年，美国能源部对基于石油基的300多种产品进行筛选，确认12种目前认为最有可能实现石油基替代的生物基平台化合物。其中FDCA(中文名称2,5-呋喃二甲酸，英文名称2,5-Furandicarboxylic acid)是唯一的一个具有芳环平面、刚性结构的生物基来源平台化合物，其主要用于替代石油基的八大基础平台化合物(三苯三烯一炔一萘)中的苯环系列化合物，同时FDCA还含有两个羟甲基结构，其下游衍生物的开发空间要高于其他链状生物基化合物。自此之后，国内外无论研究机构还是大型公司，开始加大了FDCA研究及应用开发的力度。

       FDCA是呋喃家族的成员之一，是来源于生物质的新型生物基芳香族单体，在自然界很容易获得，属于可再生资源。以FDCA为原料制备合成新型高分子聚酯材料，实现从石油资源到可再生生物质资源的跨越，缓解聚酯行业对石油资源的依赖，扩展绿色生物质资源的开发和利用，是生物高分子材料的进一步发展的革新。

       5. FDCA的生产合成路线

       FDCA 合成方法主要有化学法和生物法，其中化学法研究较成熟，主要是以 5-羟甲基糠醛（HMF）、糠酸糠醛、己糖二酸、二甘醇酸等为原料，通过选择性氧化、或脱水环化制备得到，其中化学高效转化是主流方法，而生物酶催化或工程菌株生物催化，因生产效率相对较低，多处于研发阶段。

       众多合成路线中：（1）二甘醇酸路线最为简单，但原料价格昂贵，不适合大规模的工业化生产；（2）糠酸路线原料价格低廉，但得到的是 2,4-FDCA 和 2,5-FDCA的混合物，异构体物性接近，分离困难，若直接用于高分子合成会破坏高分子链的规整排列，影响性能；虽然最近的研究表明 FDCA 的选择性大幅度提高，但存在原料大量残留的问题；（3）己糖二酸路线的原料葡糖糖二酸和半乳糖二酸由葡萄糖和半乳糖氧化得到，工艺过程需强酸强碱，存在异构化和碳化副反应。

       HMF 路线的原料由葡萄糖和果糖脱水得到，葡萄糖、果糖、半乳糖均是食品原料，价格相对低廉，若短期小规模制备 2,5-FDCA，原料来源和价格均可满足需求，就制备方法而言，相比于己糖二酸路线存在异构化和碳化副反应，HMF 路线得到学术界和工业界大量深入而广泛的研究，虽然存在HMF 原料容易开环、 DMSO 等大量溶剂使用、催化剂活性等问题，但制备技术相对成熟。生物酶催化剂的出现，克服了贵金属催化剂的一些缺点，合成条件温和，经济环保，具有独特的优势。综合而言，果糖-HMF-FDCA路线是2,5-FDCA 规模化制备最有希望的路线之一。

       6. FDCA及PEF材料的竞争格局

       近年来，国内外数十家企业将FDCA及PEF作为重点开发产品，围绕着FDCA原料/合成工艺、PEF的制备和下游应用进行全方位的开发研究，推动了全球生物基材料的商业化进程。目前FDCA产品产能紧缺，海外初创公司Avantium是现阶段市场上最为活跃的企业之一，公司预计在2024年建成年产5000吨的FDCA工厂。该工厂尚未建成，其产能已被各大公司预购一空，采购方包括：1、嘉士伯，用于包装产品（包括品牌纤维瓶）；2、五家包材商：Refresco（荷兰饮料装瓶公司）、Resilux（比利时塑料包装供应商）、Terphane（美国特种聚酯薄膜生产商）、Toyobo（日本特种化学品公司）；3、德国汉高，用于聚氨酯胶粘剂。

       为追赶国际企业，近年来，我国企业也在积极布局FDCA市场，助力其规模化发展，如中科国生、合肥立夫等企业，都在扩建产能过程中，此类企业也受到资本市场的青睐。以下是经市场调研和公开信息整理得到的企业发展情况：

       ①Avantium (荷兰阿姆斯特丹泛欧交易所：AVTX)

       Avantium成立于2000年，由荷兰皇家壳牌公司生物衍生品子公司拆分设立，是可再生和可持续化学新兴产业的先驱，总部位于阿姆斯特丹，拥有约200名员工，在荷兰Geleen 和Delfzijl拥有研发实验室和三个中试工厂。经多年的技术路线摸索和试错，诞生了四大核心技术YXY®技术、Ray™技术、 Dawn™技术、Volta技术。Avantium产品线包括生物基PEF、生物基FDCA、生物基MEG。

       2017年 3月15日，Avantium成功完成IPO，股票在阿姆斯特丹泛欧交易所和布鲁塞尔泛欧交易所上市（代码：AVTX）。2022 年 4 月 20 日，Avantium 的FDCA旗舰工厂正式开工，预计2024年具备5000吨的FDCA年产能力。2023年2月，Avantium与胶粘剂、密封剂和功能性涂料巨头汉高（德国杜塞尔多夫）签署了一项为期五年的承购协议，根据该协议，Avantium将向汉高提供由Avantium的旗舰工厂生产的FDCA。除此之外，公司与嘉士伯、LVMH、AmBev等知名品牌达成了FDCA和PEF的多项采购订单协议。

       公司的技术路线是果糖一锅法FDCA。2022年，Avantium实现营收1780万欧元，同比增长63%。由于公司尚未产生盈利，截至2023年11月9日，公司股价约合14亿人民币。

       ②AVA Biochem

       自 2014 年以来，总部位于瑞士的 AVA Biochem 一直在生产用于研究目的和特种化学品市场的高纯度 5-HMF，以及用于大宗化学应用的技术级 5-HMF，已突破的性水热加工技术 (HTP) 获得了专利并进行开始试点，可将 C-6 糖转化为可再生平台化学品 5-羟甲基糠醛 (5-HMF) 水溶液和各种纯度的晶体。此前AVA Biochem 计划在 2020 年之前启动第一个 5-HMF 和 FDCA 的商业生产工厂。一期计划为30,000吨/年，满负荷时将增加到120,000吨/年。而在2021年，AVA与著名工程建设公司苏尔寿，就扩建展开合作。其公司产品包括：5-羟甲基糠醛 (5-HMF)、呋喃二甲酸甲酯(FDME)、二甲酰呋喃 (DFF) 、聚呋喃乙烯酯 (PEF)

       ③中科国生（杭州）科技有限公司

       中科国生（杭州）科技有限公司成立于 2021年7月，团队核心成员均来自中国科学系大连化学物理研究所，团队在生物质催化转化和喃类材料设计、开发领域拥有多年产业化经验和基础。根据专利显示，公司的技术路线为果糖——HMF——FDCA，在业内率先采用了连续管式反应器。中科国生在浙江丽水拥有中试生产线，可年产600吨HMF和400吨FDCA。公司于2022年在江苏泰兴开始建设占地面积约54亩的生产基地。中科国生曾获得经纬中国、君盛投资等机构的融资。

       ④合肥利夫生物科技有限公司

       公司由中国科学技术大学团队于2014年创建，企业技术来源于中国科学技术大学安徽省生物质洁净能源重点实验室，项目带头人为中科大博导，目前已申请十余项发明专利。公司成立以来，分别在合肥市高新区和宣城市旌德县设有研发中心，其核心业务聚焦在医药中间体等化学品及HMF添加剂的生产销售，技术工艺为传统釜式反应器，其在铜陵、蚌埠分别建设化学品加工工厂。据报道，公司的HMF千吨产线于2023年9月建成。公司曾获得关子创投、中蓝创投、华盖资本等投资。

       ⑤江苏赛瑞克新材料科技有限公司

       江苏赛瑞克新材料科技有限公司（Celluranics），创始团队为中科大背景，曾任职美国BP石化，2020年回国创业，在江苏泰兴和芝加哥两地设有研发基地。专利显示，公司技术路线是葡萄糖二酸脱水合成FDCA。曾获得红杉种子、绿动资本的联合投资。

       ⑥象生科技（南京）有限公司

       象生科技孵化于江北新区材料化学工程国家重点实验室江北创新中心签约了象生科技孵化项目，该项目集合了剑桥大学、布朗大学、南京理工大学、江苏科技大学等团队资源，致力于通过自主开发的特制微反应器设备及全新催化剂，实现由纤维素-果糖-FDCA的低成本转化。日前，工商信息显示，象生科技已在深圳市注册成立控股主体。

       7. PEF的降本关键——FDCA低成本合成

       目前FDCA的生产成本过高，是行业内面临的主要挑战，也是材料行业没有大幅度推广PEF材料的关键限制因素。市售FDCA产品，价格过高（吨级35万以上，kg级750元以上），且没有厂商具备大批量交付的能力。成本高的主要因素包括——

       ①原材料成本问题：结晶果糖纯度高，但价格高达10000元/吨；粗果糖价格低，但有杂质影响反应

       ②果糖脱水生成HMF：产生小分子杂酸、不溶性腐殖质、工业上实际“原料产物比” 高达 2-3:1

       ③HMF“自反应”问题：成醚反应（黑色沉淀）、随机氧化反应（难分杂质），提高过程成本

       ④HMF氧化生成FDCA：反应选择性控制难，随机氧化，副产物比例高，纯化成本高

       上述问题都是FDCA在生产上难以解决的问题，阻碍了FDCA及PEF产业的良好发展，行业普遍需要更好的解决方案。FDCA以替代石油基化合物PTA为主要目标，其成本将决定替代进程，因此寻找一条最具降本潜力的生产路线，是FDCA产业落地的核心命题。原材料成本及得率作为FDCA成本的重要部分，是主要的关注对象。

       针对以上问题，可从三方面进行优化调整。1）采用廉价原料、开拓廉价原料生产途径。开发来源广泛、价格低廉的新原料，如农用秸秆糖等。2）不断提高催化剂性能、提高生产强度，提高催化反应效率、反应选择性、原料转化率、产物产量，实现催化剂回收利用等。3）采用新型反应设备、优化工艺运行效率、改进纯化技术。

       三、生物基材料的主要挑战和未来预期

       1. 生物基材料产业化的主要挑战

       生物基材料的产业化仍面临诸多问题，现阶段大规模应用较少的核心原因在于：性能不达标以及成本太高。

       材料性能方面，目前较为广泛使用的生物基高分子材料主要有聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸（PHA）、聚羟基乙酸（PGA）等都属于脂肪类聚合物，其力学性能（如强度、模量、抗蠕变等）与耐热性能（如热机械性能、热变形温度等）大多低于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、芳香尼龙（PA）、双酚A型环氧树脂（Epoxy）等石油基高分子材料，从而无法满足在工程塑料领域的巨大应用需求。其根本原因是生物基高分子材料的分子骨架中缺乏刚性的芳香环结构，导致性能偏低。

       生产成本方面，高昂的制造成本成为制约新材料生产及商业化发展的主要因素。目前应用最广泛的PLA材料的应用替代，以吸管为例，传统塑料吸管成本为0.05-0.06/根，而PLA吸管成本为0.12-0.13/根，用聚乳酸可降解吸管替换传统塑料吸管，商家愿意在吸管部分付出双倍成本。但其他生物基产品成本仍然过高，阻碍了材料的大范围应用。

       2. 新技术对生物基材料合成的影响

       近年来，连续流反应器在化工产业开始渗透。与传统的釜式反应设备不同，连续流反应器的特点是内部通道具有设计的尺寸和结构，这样的小尺寸对大部分流动化学反应具有较高的热交换效率和快速混合性能，这对处理化学品，特别是危险化学品具有巨大的益处。它让极少量的反应物质，以流动的形式进行接触，反应温度和反应时间可以精准控制，提高反应效率和安全性。

       连续流反应器可以分为柱型流动床反应器、管式反应器、微反应器等多个种类。大尺寸的连续流反应器，如管式连续反应器，虽然从一定程度上避免了化工反应釜的缺陷，也较容易实现产能上量，但是仍然属于宏观反应的范畴，反应在较粗的管道中无法形成“湍流”，因此反应物无法与催化剂混合均匀、快速反应，仍然避免不了产生副反应。例如，中科国生在业内率先使用了管式连续反应器，将其运用在FDCA合成方面，从一定程度上实现了副反应控制、有机溶剂回收利用、减少三废排放。

       微反应器是连续流反应器中最有前景的一类。其固有的连续性使其能够实现工业规模的应用，与经典设备相比，其产出往往更高。采用微反应器，反应速率可以是传统设备的100倍以上，换热速率是传统设备的1000倍以上。微反应器的放大过程仅仅是数量上的增大，而不必把微反应器内部的微通道结构的大小放大，因此，微反应器的放大过程不具有“放大效应”。然而，微反应器由于孔道过窄，无法进行“固液气三相”的非均相反应，只能进行无固相出现的均相反应，限制了微反应器在工业上的使用。例如，FDCA的合成反应是典型的非均相反应，业内也亟待研发出更高效、更低成本的技术路线。

       3. 生物基新材的降本潜力与市场预期

       既然生物基材料是因为目前成本过高而阻碍了市场的发展，那么，如果随着技术的进步，生产成本得以逐渐下降，直到越来越贴近石油基产品的这个过程中，生物基材料市场会有如何的发展路径？我们以新型生物基材料FDCA（PEF）为例进行分析：

       现阶段FDCA（PEF价格约为FDCA价格的1.2-1.5倍）价格大约在石油基PTA、PET的10倍以上（现阶段市场上FDCA成本10万元/吨，PTA售价随石油价格浮动在约6000-7000元/吨，PET售价约7000-8000元/吨）。因此，早期PEF材料市场应用集中在高端需求、可接受高溢价、低碳强需求的领域，比如特种添加剂、高奢品牌包装品等。

       我们认为，FDCA想要真正实现PTA的替代，成本降低是必由之路，且预期需要降低到PTA材料2倍左右（即1-2万元水平），即可达到PTA的平替。为何不是降到与PTA价格接近，可以接受一定的溢价？这其中的主要原因是添加量带来的成本控制变化。有研究表明，将少量PEF添加入PET材料中进行瓶片制作，也能提高材料的阻隔性能以满足需求。假设FDCA材料成本是PET的5倍，如果原包装材料中仅添加20%-30%的FDCA材料，那么理论上混合成本仅是原来材料成本的2-2.5倍。

       当然，行业和技术需要发展的过程，PEF的成本不可能由目前的10+万/吨直接下降到1-2万/吨，这种成本下降一定是一种渐进的过程。我们根据FDCA成本逐步下降的过程，简单推算了FDCA市场渗透率和整体市场规模的变化情况，预计价格降低到5万/吨时，达到PET总体1%的市场渗透率（7000万吨*1%*5万元/吨=350亿元），即能开启百亿级别的市场；预计价格降低到2万/吨时，达到PET总体10%的市场渗透率（7000万吨*10%*2万元/吨=1400亿元），即能开启千亿级别的市场。