近期，美国农业部（USDA）发布了生物经济计划的早期交付成果之一：一份关于如何建立规模化生物制造所需的原材料供应链的报告。据悉，2022年，美国拜登政府启动了该国有史以来第一个全国性的生物经济计划——国家生物技术和生物制造倡议。这份名为《建立弹性生物质供应：促进美国生物经济发展的计划》的报告指出了美国的原材料潜力以及生物经济发展的瓶颈，包括将生物质流入工业所需的监管和基础设施。我们深入研究其内容以获得关键建议。

美国将拥有多少生物量？

2022年国家生物技术和生物制造倡议承诺投入20亿美元，以提高其利用生物资源制造高价值产品的能力，例如替代蛋白质， 制药生物技术和可持续农业投入。 该计划要求美国农业部和许多其他政府机构准备一份关于如何实施该计划的初步报告，导致美国农业部最近编写了一份弹性生物质供应报告。该报告以一个基本问题开始：2040年将有多少生物质可用于生物制造？为了回答这个问题，美国农业部的供应链报告在很大程度上借鉴了美国能源部（DoE）2016年库存评估对生物质供应的估计。在2016年的计算中，美国能源部估计：如果我们考虑成熟的传统来源，到2040年美国将拥有3.65亿吨生物质。这些主要是木材和玉米乙醇——美国生物经济主要用于生物能源的传统原料。

开发不足的来源

然而，如果美国生物经济要像美国生物经济计划设想的那样，从生物能源转向食品配料、药品和农业投入，实现增长和多样化，这些传统来源是不够的。为了最大限度地提高原料供应，美国生物经济还将不得不利用目前利用率低、价值低的非粮食作物。将这些纳入供应链可以缓解生物产业和生产人类消费食品的农业企业之间的土地竞争。如果这些未开发的资源得到利用，美国能源部预测，2040年美国生物质供应将增加到12亿吨。这一潜在的8.26亿吨增量将来自林业木质生物质、农业残余物、废物以及未充分利用的、鲜为人知的生物质能源作物，这些作物尚未成熟上市，但可能在未来几十年内变得更加发达。这取决于将木本生物质等非传统来源以及山茶属、彭尼卡斯和carinata等不太知名的作物大规模引入供应链。DoE提供的这些供应量估计值并不表示从田地中收获的材料的全国总吨数。相反，它只表达了可用于工业用途的可收获生物质的一部分（这种材料还有其他用途）。此外，它们受到可持续利用的生物质数量的限制——在不对环境造成破坏性影响的情况下，只能利用这么多生物质，这一限制已被考虑在内。

新兴来源？

此外，还有可能进一步增加生物质供应，因为新兴供应距离规模化市场的准备程度还很远。2016年美国能源部的供应估计所使用的供应链报告没有考虑到这些因素:大型藻类（被认为是生物质的巨大潜在来源）、油籽作物、有害燃料、自然灾害救助、城市木材废物、公用事业维护处理以及森林恢复处理产生的非商品生物质。尽管这些新兴来源包括在2024年3月对能源部生物质供应盘点的最新更新中，但在编制供应链报告时尚未公布该数据。

达到10亿吨意味着市场建设

非常规生物质资源不仅扩大了工业可用原材料的数量，还使更可持续地扩大供应成为可能。美国农业部的报告承认，扩大生物质用于非食品生物制造可能会推高大宗商品价格，从而影响粮食安全。未充分利用的作物在这方面至关重要，因为这些物种可以在现有农田或不适合种植粮食的劣质土地上作为覆盖作物种植。然而，拓展任何新市场都会面临一个反复出现的困境:供应商不会将资源投入到新形式的生产中，除非他们知道有一个可以销售的市场，而且这个市场足够大，可以收回投资。美国生物经济也不例外：如果农民认为找不到买家，他们就不会改变作物或扩大种植面积。这给非传统植物材料的规模化制造造成了巨大障碍。例如，多年生草、灌木柳和大麻都可能是美国生物经济的宝贵和潜在的可持续原料，但由于需求较低，它们今天是低值作物。即使在最好的情况下，农业也是一项高风险低回报的投资。种植新作物的成本高昂，需要几个月才能成熟，可能需要几年才能获得回报，这意味着稳定的监管对于鼓励生物质供应商参与生物经济计划至关重要。为了说服投资者和农民迈出这一步，该报告鼓励政策制定者制定专门针对生物经济计划的长期政策和监管指导方针，以降低生产者风险并鼓励参与。美国农业部已经表示，它正在研究如何制定现有的和新的激励计划来帮助实现这一目标。该报告还指出，还可以通过促进合作社、价值链能力建设的金融安全网以及开发副产品市场来降低生产者风险。

木质生物质经济学的不确定性

围绕强劲市场需求的确定性是影响农民和土地所有者商业决策的一个因素。另一个是生产某些作物的经济可行性。即使存在对低价值但可持续的生物质的需求，种植生物质的成本也可能超过运输、储存和预处理的成本。要降低将生物质原料转化为有用物质的成本，需要投资于适应这些特定作物的新技术和基础设施。关于基础设施的这一点在很大程度上适用于木质生物质。这类原料是指任何森林残余物或木材厂废物以及来自种植园和森林的朽木，否则这些木材将成为废物。科学和政策制定已将木本生物量作为生物经济中潜在的巨大和可持续的原料来源。然而，预处理这种通常质量不均匀的原料是当前生物质供应系统中成本最高的方面之一。以木质生物质为基础的完整工业生物价值链的经济学也没有在美国进行大规模测试。这意味着人们对如何让它们变得可行几乎没有具体的理解。已采取措施探索和完善木质生物质供应链的经济学。爱达荷州国家实验室专门为此开发了一个名为“生物质原料国家用户设施”（BFNUF）的试验台中心，以使该行业能够探索新的预处理路线，从而有效地将各种有机物转化为工业原料。

物流：从农场到工厂

在评估了潜在的生物量后，该报告详细介绍了美国如何建立连接农场和生物产业的物流。生物质的原始量固然很好，但如何收集、运输、分类和为工业用途做准备也很关键。有效的物流基础设施和流程将决定生物质能否真正得到估价。它说，区域性生物质仓库在这方面非常重要。它们将允许从不同地点收集生物质原料，甚至可以进行基本的预处理，将不同的生物质转化为可替代原料。通过允许单点收集和预处理，区域仓库可以降低将材料运输到集中生物炼制厂的成本，而集中生物炼制厂本身应该位于交通枢纽附近。仓库可以作为关键的基础设施节点，在这里，由不同材料制成、来自周围地区不同来源的原料（种植作物和废物流）可以转化为一致的产品，随时供生物炼制厂订购。战略选址的仓库，可方便地获取多种原料来源，提供集中化服务。与在一个地区建设多个站点相比，这降低了资本成本。

较长的框架

在我们看到美国的生物经济计划转化为更大的生物基生产能力之前，还有很长的路要走，因为它仍处于规划阶段。该计划要求许多政府机构就新生物经济的政策、经济和技术方面开展约40项范围界定任务。到目前为止，只有几个已经完成。然而，由于原材料库和供应链基础设施的规模是生物经济规模的主要限制因素，美国农业部的报告标志着实施规划的重要一步。最后，生物经济计划还需要其他政策领域的支持和协调。一个很好的例子是农业。在农业领域，政策制定者需要评估在更加动荡的气候下生产12亿吨生物质所需的作物种类、技术和经济支持。