麦肯锡全球研究所的研究发现［当今全球经济中多达 60% 的物质投入要么是生物材料（木材或饲养动物），要么原则上是可以使用生物手段生产或替代的非生物材料（水泥或塑料）］。

在接下来的10～20 年中，在材料、化学品和能源生产中利用生物学的进步可能会使全球市场增长2000亿～3000亿美元。随着生物创新正在满足下游需求，化学和材料领域的新一轮生物材料变革正在展开。

从传统的木制房屋到羊毛服装，生物材料长期以来一直是我们日常生活的一部分。近二十年生物技术的进步为我们带来了基于糖衍生的第一代生物燃料和高性能的工业酶。近几年，我们也看到了使用基因工程微生物代替石化产品制成的尼龙、生物皮革和细菌水泥的出现。

计算机、自动化和人工智能 (AI) 领域的加速创新推动了生物科学的进步，从而引发了被称为「生物革命」的新一轮创新浪潮。麦肯锡全球研究所的研究发现，当今全球经济中多达 60% 的物质投入要么是生物材料（木材或饲养动物），要么是原则上可以使用生物手段生产或替代的非生物材料（水泥或塑料）。在接下来的 10 到 20 年中，在材料、化学品和能源生产中利用生物学的进步可能会使全球市场增长 2000 亿到 3000 亿美元。

那么是什么将推动这种巨额的增长？从过去历史中看，生物基材料大规模应用的原因在于其拥有独特性能，或者具有成本优势。不过原有的成本优势很难与高度发达的大规模现代技术相比。但是，由于企业对可持续性发展的承诺不断加快，以及生物材料帮助企业实现其目标的能力亦在增强，形势正在发生变化。随着生物创新正在满足下游需求，化学和材料领域的新一轮生物材料变革正在展开。

1.生物材料的三轮创新浪潮

第一轮生物材料的浪潮在石油时代之前跨越了数千年。来自植物或动物的生物基材料成为与社会发展联系最紧密的部分之一，并且今天仍然以木材、纸张、皮革、纺织品和许多其他用于粘合剂、肥皂、颜料和其他物质的衍生物的形式高度渗透到我们的社会发展之中。

第二轮生物材料的浪潮是由上世纪 80 年代包括 DNA 重组技术在内的多项生物技术催化。这些发展催生了现代的酶工程行业，也催生了从洗衣粉到动物饲料等产品的巨大进步。

当生物技术的进步、化石基化学原料（石油、天然气）的高价和 2000 年代中期互联网时代的蓬勃发展相交织时，第二轮生物材料的浪潮达到了顶峰，推动了以商业生物燃料和生物材料为重点的清洁技术发展以及生物技术投资的热潮。然而，化石基化学原料的高位价格很快恢复正常水平，而生物材料方面的价格上涨以及玉米和糖等可再生原料的高波动性进一步削弱了任何生物材料潜在的成本优势。随着随后水力压裂开采技术和电动汽车的兴起，化石基化学原料价格的持续上涨似乎越来越不现实。

石化生产路线的成本优势吸引力迅速下降，所以生物材料领域的许多公司开始转向生物基生产独特的化学物质。尽管第二次浪潮以一些令人失望的结果告终，但它在给生物材料在［技术-经济］发展上重要教训的同时，也展示了生物技术的巨大潜力。

今天，生物材料领域继续上演第三轮变革，在 DNA 测序、基因编辑、人工智能和其他最终有利于生物材料发展的技术方面都在取得快速进展。然而，这一次真正不同的是，可持续性的需求正在改变化学品和材料竞争的基础。

人们从第二轮生物材料浪潮中得出的一个结论是，［绿色溢价］（绿色技术收取更高价格的能力）并不可靠：即使它们存在，其市场份额也远低于预期。然而，最近来自三个不同群体—消费者、监管机构和投资者的推动导致企业采取了重大行动，这表明可能确实存在一个可持续化学品和材料的可观且正在快速增长的市场。

首先，消费者对「绿色产品」的需求正在上升。麦肯锡最近对十个国家进行的一项调查发现，消费者认为可持续性越来越重要，来自于不同国家的绝大多数消费者表示愿意为可持续包装支付更多费用—例如，中国（86% 的消费者是愿意为可持续包装支付“很多”或“更多”）、美国（68%）和巴西（66%）。

与此同时，监管机构正在通过政府法律和国际协议等举措推动可持续发展。两个关键的监管目标是减少二氧化碳排放和不可生物降解塑料的环境泄漏。两者都可以通过生物材料来解决。

最后，随着环境、社会和治理（ESG）基金管理的资产越来越多，投资者对企业也施加了更大的压力，比如要求企业通过脱碳来降低转型风险，并确保他们能够抓住经济其他部分脱碳所产生的增长机遇。

在这三个群体以及企业自身的推动下，许多公司正在承诺减少其对环境的影响。例如，大多数顶级汽车制造商和领先的快消品制造商已经承诺大幅减少温室气体（GHG）排放。这些目标及其对采购决策和制造方式的影响，正在改变具有可持续性价值主张的产品市场的游戏规则。

2.企业的气候承诺正在迅速加快

公司正在做出多种类型的可持续性承诺。大多数承诺与化学和材料公司有关，如材料总量优化（包装材料的减少），材料采购的可持续性（使用可回收或可再生的生物材料），以及生命周期的可持续性（材料是否最终成为可回收、可堆肥或可生物降解的材料）。

然而，最广泛的承诺与减少温室气体足迹有关。麦肯锡检查了化学品和材料的五个终端市场，发现绝大多数领先的公司 (74%) 已经就［范围1］和［范围2］的排放做出了承诺。近 50% 的企业承诺减少［范围3］温室气体排放，包括与原料和原料上游生产相关的排放。［范围3］的大部分承诺计划在 2030 年兑现。（下文对［范围1-3］有对应的介绍）

还有一个总体趋势是承诺到 2040 年至 2050 年实现净零排放，而且这一趋势正在加速（图 2）。事实上，承诺［范围3］削减的公司数量从 2016 年到 2021 年以 34% 的复合年增长率增长，比 2006 年到 2015 年的平均 14% 显着增加。与［范围3］承诺相关的企业营收份额也从 2016 年的 0.5 万亿美元增长到 2021 年的 2.6 万亿美元。

减少［范围 3］温室气体排放的承诺正在加速进行

◆ 什么是［范围 3（Scope 3）］排放？

最广泛使用的国际排放核算工具《温室气体议定书（Greenhouse Gas Protocol）》将温室气体 (GHG) 排放分为三组或“范围”。

［范围1］涵盖自有或受控来源的直接排放，包括燃料和车辆燃烧的排放。

［范围2］涵盖购买的电力、蒸汽、加热和冷却产生的间接排放。

［范围3］ 排放不由公司直接拥有，但涵盖了公司价值链中发生的所有其他间接排放。这包括上游排放（商品和服务采购、运输和配送、商务旅行、员工通勤和运营中产生的废物）和下游排放（所售产品的使用、所售产品的报废处理、运输和分销、投资、租赁资产和特许经营权）。

［范围3］排放也称为［温室气体协议企业价值链（ GHG Protocol Corporate Value Chain）］，因为该协议对温室气体排放采取价值链或生命周期方法。

针对［范围3］做出的承诺正在对化学品和材料行业约 5 万亿美元的支出产生影响（图 3）。以汽车行业为例。自 2019 年以来，前 20 名汽车原始设备制造商（OEM）的终端市场收入的 50% 与［范围3］减排承诺相关。这意味着弹性体、纤维、热塑性塑料和泡沫等化学品的使用将「可持续性」考量的影响，而这些化学品为化工行业带来了约 1100 亿美元的收入。

大约有 5000 亿美元的化学品和材料支出正在受到［可持续性］考量的影响

终端市场对减少「范围 3 」排放的承诺比例约为 30% 至 35%，但公司之间差异很大（中位数减排约 30%，范围在 20% 至 100%之间波动）。在多个行业的前 20 家公司中，做出此类承诺的公司数量最少的是包装行业的 6 家，而数量最多的公司是快消品 (FMCG) 行业的 16 家。服装、电子（各 8 家）和汽车（9 家）的前20名参与者中，承诺［范围3］的比例都接近 50%。

快消品公司相对较多可能反映了这样一个事实：即面向消费者的公司更了解客户对可持续选择的需求，因此公司对此方面也更加敏感。承诺减少排放亦是此类公司引领各自市场并使自己与竞争对手区分开来的机会。

3.如何将生物材料推向市场

在提高供应链和产品的可持续性方面，生物材料是企业可以利用的多种杠杆之一。关键问题是生物材料生产商如何在其他选择中突出其产品的优势，并为其产品制定明确的角色。总体来说，第一步需要了解从可持续性创造价值的不同产品的细节和差异有更清晰的了解，其次是确定三种不同生物材料类型的最佳应用场景。

◆ 生物材料的可持续性需要考虑多种因素

尽管生物材料比以往任何时候都更能提供可持续发展的好处，包括减少碳足迹、提高材料的生物降解性或可回收性，以及在某些应用中的卓越性能。但要确保生物材料真正对可持续发展产生积极的影响，有几个关键的因素需要考虑清楚。

例如，生物材料的可持续性特征可能因不同的情形而有较大的变化，如原料选择（例如，玉米、精制糖或者使用废物代替食用淀粉来生产生物燃料）、农业实践（例如，土壤碳含量、肥料施用率和土地管理效率）和土地利用政策（例如，是否为了生产某种原料而大规模砍伐森林）。也就是说，通过适当的考虑和预防措施，生物材料生产商需要在满足客户、监管机构、投资者和消费者等需求的过程中最大地减少适得其反的副作用。

◆ 生物材料产品类型决定终端市场和应用场景

并非所有生物材料都是平等创造的。除了简单地降低成本和对环境的影响之外，生物材料公司还必须了解其产品的技术差异化以及销售的价值链。这些因素的相对重要性在三种生物材料产品类型中各不相同，具有不同终端市场的不同应用场景，见下图。

三种生物材料产品类型分别面向的最佳终端市场

◆Drop-ins 生物等换品：

这种生物基生产路线用于制造传统上源自石化原料的产品，例如生物基聚乙烯。

「Drop-ins」是指在不改变工业操作的情况下，基本上可以等换现有产品中的化学品。

对于生物基等换化学品，与传统石化路线相比，生命周期碳排放量减少 50%（或更多）是可能的，但这将根据生物基和石化路线的具体情况而有所不同。对于希望减少「范围 3」 足迹的公司来说，这代表了一个重要的价值主张。成功采用 Drop-ins 的公司可以开发高效、具有成本竞争力（尽管不一定成本较低）的流程，并可以针对对绿色材料感兴趣的特定客户群。

Braskem给出的数据，每生产一吨生物基PE可从大气捕捉2.5吨二氧化碳

◆ Bio-replacements 生物替代品：

对于这种产品类型，生物基化学品用于制造一种新材料，该材料在技术性能和成本等方面上与同类型石化产品基本一致，但显着改善了环境影响，例如生物发酵来源的新型表面活性剂（用于洗涤剂）。

但这些也许是最难成功的产品，因为它们可能需要在整个价值链中进行复杂的改变，同时并不会提供技术上的差异化。该方面的成功需要敏锐地瞄准监管水平和测试障碍均较低的应用场景，并建立一个强大的面向消费者的市场策略。

◆ Bio-better 生物更优品：

独特的生化合成路线可以产生全新的材料特性，例如生物技术衍生的光学薄膜。在这种情况下，技术优势是接纳产品的主要驱动力，还有提升环境形象的额外好处。传统的特种化学品成功商业化的游戏规则基本上适用于这些产品。

此外，可持续性也提出了的许多新问题均需要通过创新来解决，这也是「Bio-better」可以着力的点，例如，不仅可以减少汽车中的碳排放且同时提供新的高性能的生物基化学品，或者通过新型可剥离粘合剂材料进一步提高车辆的可回收性，或者开发新型生物材料增加散热来提升电池寿命并实现快速充电等。

4.生物材料想要成功需要什么

麦肯锡认为，坚持以下四项原则对于生物材料玩家在第三轮变革中获得领导地位至关重要：

◆ 在成本和性能的基本面上表现出色，并与传统的化工企业合作获得更大的优势

麦肯锡认为，对于围绕新技术和制造过程出现的生物材料公司而言，产品形式的制定和商业化挑战往往与对生物的理解没有什么关系。然而，拥有传统石化产品的老牌化工公司通常具有很强的商业应用能力和产品定制能力，并与主要客户建立了密切联系。将更环保（和新颖）的化学品与现有市场玩家的产品开发和市场准入专业知识相结合，可以产生更好的协同作用。

◆ 面向客户，满足细微需求的同时并应对不断变化的可持续性疑虑

尽管温室气体排放目标是一个方向性指标，但在这些目标内部和外部存在细微差别。例如，公司如何定义「范围 3」的 边界将会影响生物材料的相对可持续性优势。生物材料参与者必须认识到，随着企业承诺随着时间的推移而增加，其他通往更可持续材料的途径也将随之增加。

简而言之，标准在上升，竞争在加剧。毕竟，其他材料也可以减少温室气体排放。为了保持优势，生物材料参与者应利用生物技术发展的最新工具，并继续优先考虑工艺创新，以实现各种 ESG 目标和可持续性标准。

◆ 通过「商业模式」和「需求承诺」降低投资风险

生物材料商业化中最常见的挑战之一是为昂贵的资本项目融资，就像在石化领域一样，这些项目可能耗资数亿美元。鉴于首批工厂的投资风险更高，所以许多有前途的生物材料技术最终只存在于试验规模。

消费品牌与生物材料公司之间的公开采购协议在工厂建成之前变得越来越普遍，这是降低不确定性和投资风险的一种简单方法。因此，通过提前确定大部分计划数量的承购，生物材料领域的玩家会使得商业模式更有吸引力。

◆ 向利益相关者提供关于可持续性属性的清晰度和透明度

围绕产品中的化学品和材料，公司和消费者会遇到各种各样的标签和品牌。「生物材料」一词本身可能令人困惑，有时是指生物来源的材料，有时是指可生物降解的化石衍生产品。提高整个化学品和材料行业在标签方面的一致性和协调性，有助于将对话从定义转向优点和指标，使生物材料能够在一个更清晰的竞争环境中竞争。