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合成生物行业深度报告：合成生物学蓬勃阔 发展，市场空间广阔 1 建物致用：合成生物学集众多优势于一身
合成生物：建物致知，建物致用
合成生物学广义上是指通过构建生物功能元件、装置和系统，对细胞或生命体进行遗传学设计、改造，使其拥有满足人类需求的生物功能，甚至创造新的生物系统。“建物致 知、建物致用”是合成生物学的两大愿景，也就是通过建造生物体系而了解生命、通过创造生物体系来服务人类。广义上的合成生物学研究可以划分为三个层面：一是利用已知功能的天然生物模块构建新型的代谢调控网络使其拥有特定的新功能；二是基因组 DNA 的 从头合成以及生命体的重新构建；三是完整的生物系统以及全新的人造生命体的创建。
合成生物学系多学科融合，展现出重大颠覆性。合成生物学是生物学、工程学、物理 学、化学、计算机等学科交叉融合的产物，有望形成颠覆性生物技术创新，为破解人类社会
面临的资源与环境不足的重大挑战提供全新的解决方案。合成生物学的颠覆性表现在：一方面打破了非生命化学物质和生命物质之间的界限，“自下而上”地逐级构筑生命活动；另一方面革新了当前生命科学的研究模式，从读取自然生命信息发展到改写人工生命信息， 重塑碳基物质文明。
产业应用中的合成生物学多为狭义概念，即利用可再生的生物质资源为原料生产各种 产品。具体而言，合成生物学通过构建高效的细胞工厂，利用淀粉、葡萄糖、纤维素等可再
生碳资源甚至 CO2 为原料生产氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、微生物多糖、可再生 化学品、精细与医疗化学品等。我们所更加关注的合成生物学产业应用以微生物细胞工厂 为核心，建立“原料输入—菌株培育—发酵控制—提取纯化—产品输出”的工艺路线，从 而实现利用生物技术生产化学品的技术变革，并持续推进生物制造技术工艺的升级和迭代。
微生物细胞工厂是合成生物学产业应用的核心环节，经历了不同的历史阶段。20 世 纪 90 年代之前，主要通过非理性诱变及筛选技术获得目标产物高产菌株，“以时间（人力）
换水平”。20 世纪 90 年代以来，代谢工程学科逐步创立，利用重组 DNA 技术对生物体中 已知的代谢途径进行有目的的设计，构建具有特定功能的细胞工厂。但由于微生物代谢网 络结构及其调控机制的复杂性，仍然需要耗费大量的时间和精力。当下，全基因组规模定 制工程化细胞工厂实现创造性发展，通过将高通量技术在全基因组范围基因型空间的挖掘 与改造相结合，有望获得生产效率更为高效、生产性能更加优越的下一代微生物细胞工厂。
基于微生物细胞工厂的高效构建，众多生物基产品已成功实现产业化。理论上，所有的有机化学品理论上都可以通过合成生物制造来生产。目前，包括生物基丁二酸、长链二 元酸、乙醇、1,4-丁二醇、异丁醇、1,3-丙二醇、异丁烯、L-丙氨酸、戊二胺、青蒿素等在 内的众多合成生物化学品已经成功实现产业化。随着合成生物学的进一步发展，以及与人 工智能、大数据等新技术的融合加深，未来更多的生物基产品有望通过合成生物法生产， 从而促进生物经济形成，更好地服务于人类社会的可持续发展。
生物合成集低成本、高质量、高收率、环境友好度等优势于一身
合成生物学相较于化学工程优势显著。与化学工程相比，合成生物学以可再生生物资 源替代不可再生化石资源，以绿色清洁的生物制造工艺替代高能耗高污染的石化、煤化工艺，从而可以摆脱对石油、煤等不可再生资源的依赖，解决化学工程过程中的高耗能和高 污染问题，生产过程更为安全、绿色、环保，并大幅度降低生产成本，对于促进国民经济 的可持续发展至关重要。下面以生物法丙氨酸、1,3-丙二醇、长链二元酸、聚乳酸为例做 具体说明。
示例一：生物法丙氨酸。丙氨酸是构成蛋白质的基本单位，是组成人体蛋白质的 21 种氨基酸之一，广泛应用在日化、医药及保健品、食品添加剂和饲料等众多领域。国内丙 氨酸生产企业主要包括烟台恒源、丰原生化、华恒生物等，国外丙氨酸生产企业主要为武 藏野。其中，烟台恒源通过酶法生产 L-丙氨酸，丰原生化采用微生物发酵法生产 L-丙氨酸， 华恒生物拥有发酵法和酶法两种生产路线，而武藏野通过化学合成法生产 DL-丙氨酸。
酶法和生物发酵法生产丙氨酸发展成为主流工业生产技术。在丙氨酸生产工艺的技术 演变中，天然提取法和化学合成法存在成本过高、合成路线较长和环保压力大等问题，目前，工业生产丙氨酸产品的前沿工艺主要为酶法和生物发酵法。酶法由石油化工产品作起始原料，借助酶的催化作用通过生物转化反应获得所需 L-氨基酸。生物发酵法生产氨基酸 是利用微生物具有能够合成其自身所需各种氨基酸的能力，通过对菌株的诱变等处理达到 过量合成 L-丙氨酸的目的。
生物发酵法在产品成本与质量、工艺路线、环境友好度等方面优势显著。从原料端来 看，生物发酵法制备丙氨酸以可再生葡萄糖等生物质为原料，相较于化学合成法与酶法降低了对不可再生石化资源的依赖，实现生物质资源对化石资源的替代。从工艺端来看，生 物发酵法避免了化学合成法的高温高压条件，反应条件温和且转化率高，产品质量高，发 酵周期短，展现出绿色环保优势。尤其是厌氧发酵法，反应
无需通入空气，减少发酵过程 的污染风险，且无二氧化碳排放，相较于酶法生产 1 摩尔丙氨酸产品降低 1 摩尔二氧化碳 排放量。
参看华恒生物以酶法和生物发酵法生产 L-丙氨酸的成本，根据其招股书披露，华恒生 物近年生物发酵法生产 L-丙氨酸的平均单位成本约 8635 元/吨，而酶法生产 L-丙氨酸的平 均单位成本为 17,427 元/吨，发酵法生产成本仅为酶法的一半。华恒生物发酵法 L-丙氨酸 的近年平均毛利率约 46%，也远高于酶法的 25%，展现出极大的成本优势。另外，华恒 生物发酵法生产 L-丙氨酸的转化率在 95%以上，而酶法通常低于 67%，是合成生物学在 化学品生产领域发挥经济效益的典型实例。
示例二：生物法 1,3-丙二醇。1,3-丙二醇是一种重要的化工原料，最主要的用途是作 为聚合物单体合成性能优异的高分子材料 PTT 等，也可作为有机溶剂应用于油墨、印染、 涂
料、润滑剂、抗冻剂等行业，还可用作药物合成中间体。全球 1,3-丙二醇的主要生产企 业包括 Shell、Degussa、DuPont 等，其中 Shell 和 Degussa 分别采用环氧乙烷法和丙烯 醛法的化学合成方法生产 1,3-丙二醇，DuPont 与 Genencor 合作致力于以微生物发酵法生 产 1,3-丙二醇。
生物发酵法生产 1,3-丙二醇近年兴起。DuPont 公司采用 Genencor 的 Design-PathTM 技术，成功地将来自三种不同微生物的 DNA 组合到一个菌株上，从而一步将葡萄糖转化 为 1,3-丙二醇。而丙烯醛法通过丙烯醛水合生成 3-羟基丙
醛，然后液相加氢生成目的产物 1,3-丙二醇；环氧乙烷法通过环氧乙烷经氢甲酰化首先生成 3-羟基丙醛，进一步加氢反应 得到 1,3-丙二醇。
生物法 1,3-丙二醇竞争优势显著。化学合成法因其投资高、副产物多、选择性差、操 作条件苛刻、化学原料不可再生且为易燃易爆剧毒的危险品等缺点，很难形成持续性的大 规模工业生产。生物转化法具有工艺选择性高、操作条件温和、原料可再生等优点。根据 1,3-丙二醇不同工艺生产成本的估算，生物发酵法生产成本约 1222 美元/吨，较丙烯醛法 降低约 38%，相较于环氧乙烷法降低约 30%，优势显著。总的来看，生物发酵法已渐渐 成为生产 1,3-丙二醇的重要方法，在生产成本、安全性、环境友好度等方面具有竞争优势。
示例三：生物基长链二元酸。长链二元酸（DCA）作为一种精细化学品，广泛应用于 高性能长链聚酰胺、高档润滑油、高档热熔胶、粉末涂料、高等香料、耐寒增塑剂、农药 和医药等诸多下游应用市场。长链二元酸的制备工艺分为植物油裂解法、化学合成法和生 物发酵法三种，目前国内市场上基本采用生物发酵法，在产产能约 9.7 万吨/年；国际市场 上仍存传统化学合成法约 2 万吨/年在产产能；而植物油裂解法受限于产品产量，不适用于 大规模工业化生产。
生物发酵法生产工艺占据主导。生物发酵法制备长链二元酸是以长链烷烃、玉米浆、 葡萄糖等原料，通过工程菌胞内酶对长链烷烃氧化的特异性和专一性，将其催化合成为相 同链长的长链二元酸；之后对发酵液进行多级过滤、结晶、干燥等操作，进一步提取产品。而化学合成法从某一种低碳链的二元酸开始，通过脂化、还原、溴化、氰化和腈的水解等 一系列化学反应步骤，最终合成得到多 2 个或 3 个碳原子的二元酸。
生物基长链二元酸具有产品种类更丰富、成本更低及更环保等 优 势 。
化 学 合 成 法 生 产 长 链 二 元 酸 合 成 条 件 苛 刻（>200℃、10MPa），合成步骤复杂，环境污染严重，且产品收 率低、成本高，迄今只有十二碳二元酸(DC12)通过化学合成法工业化生产。而生物发酵法 原料来源广，反应条件温和，没有环境污染，成本低、收率高，可以大规模工业化生产， 展现出无可比拟的优越性。目前，生物法制备长链二元酸在我国已经取代了传统的化学合 成法，逐渐从实验室研究发展到工业化生产。
示例四：生物基聚乳酸。生物塑料是新生代塑料，是相对于石油基、不可降解的传统 塑料而言的，指生物基的、生物可降解的以及二者兼具的塑料。其中，生物基生物可降解 塑料一方面原料来源于可再生生物质资源，另一方面使用后可在自然环境条件下能降解成 对环境无害的物质，在塑料污染治理趋紧的当下受到广泛关注。聚乳酸（PLA）是目前是
全球范围内产业化最成熟、产量最大、应用最广泛的生物基生物可降解塑料，预计未来产 能将大幅度提升，能缓解目前供不应求的局面。
生物基聚乳酸由生物法乳酸聚合而成。聚乳酸的生产工艺分为以乳酸单体直接脱水缩 聚的一步法，以及先将乳酸脱水生成丙交酯、再开环聚合制得聚乳酸的两步法，目前世界 上生产高品质大分子量聚乳酸均采用两步法。其中，乳酸多由微生物发酵法生产得到，采 用玉米、小麦、甜菜、番薯等淀粉质原料得到葡萄糖，进一步在乳酸菌的作用下发酵生产 乳酸。因其工艺相对简单、原料充足、产品性能良好，生物发酵法成为世界上大部分乳酸 制造企业的生产方法。
生物基聚乳酸塑料相较于石油基传统塑料能耗、水耗、碳排放优势显著。生物基聚乳 酸塑料凭借原料的可再生性、生产使用过程中的低碳排放，以及废弃后的可生物降解性等 优势，已在许多领域开始替代传统石油基塑料。以玉米为原料的聚乳酸塑料能耗、水耗及碳排放量都远低于 PE、PP、PVC、PS、ABS 等石油基传统塑料。随着世界范围内垃圾分类和“限塑令”的强制性逐步升级，生物基聚 乳酸塑料替代传统塑料的进程正在加速，预计在未来具有广阔的发展前景。
碳中和趋势下合成生物企业成本优势有望进一步放大
温室气体排放总量中占主导地位的是化石能源二氧化碳的排放。化石能源包括煤、 石油、天然气等天然资源，是目前的主要能源来源之一，2020 年约占全球一次能源需求 的 83%。然而，全球温室气体排放中有三分之二以上来自化石燃料二氧化碳的排放，因此， 降低化石燃料在能源消费结构中的比例，推动化石能源向新能源加快转型，成为实现碳中 和目标的必要途径之一。
生物质替代化石资源生产人类必须的燃料和材料，可显著降低二氧化碳排放。利用淀 粉、葡萄糖、纤维素等可再生生物资源生产得到生物基材料，大大降低了工业过程的能耗、 物耗，从而减少二氧化碳排放，彰显出优秀的减排能力。据 Kefeng Huang 等于 2021 年 在《Greenhouse Gas Emission Mitigation Potential of Chemicals Produced from Biomass》 论文统计，除低转化率（25%）的生物甲醇外，所有生物基材料的单位温室气体排放量都 低于石化材料。在保守的假设（即 25%的转化率和高分离能耗）下，生物基材料温室气体 减排量最高为 88%；在乐观的假设（即 75%的转换率和低
分离能耗）下，减排量最高可达 94%。当前，美国生物基材料替代石化材料的空间约 0.92 亿吨/年，若实现完全替代则 温室气体总减排量高达 2.9 亿吨/年。
第三代生物合成直接利用 CO2 生产燃料与化学品。合成生物技术历经三代革新，第一 代主要以植物油、废弃食用油等为原料来合成生物燃料；第二代原料发展为非粮食类生物 质，包括谷物秸秆、甘蔗渣等；第三代以大气中的 CO2 为原料进行微生物利用，生产燃料 与化学品。目前，第三代生物合成已经取得了初步进展，已诞生成功应用并在商业化模式 下进行运转的实例，例如 LanzaTech 公司与宝钢集团合作建立的利用钢厂废气 CO、CO2 等气体进行生物乙醇的生产。未来，随着 CO2 固定以及光能、电能能量捕获技术的发展， 第三代生物合成有望成为二氧化碳减排的主要途径之一。
随着碳交易体系的推行，合成生物企业有望进一步扩大成本优势。碳排放权交易（碳 交易）是把碳排放权作为商品在市场上流通，利用市场机制控制温室气体排放。政府根据 企业的减排承诺，向企业分配碳排放配额。当企业的碳排放量大于其所持有的碳排放权配 额时，需从市场上购买碳配额；反之，如果企业持有的碳排放权配额有所盈余，则可以在 市场上出售以获取经济利益。未来随着碳交易体系渗透领域的扩张，低排放量的合成生物 企业未超出自身碳配额时，可以通过将售盈余配额出售给高碳排放的化工企业获取一定利 益，间接导致生产成本的降低，从而助力合成生物企业在碳中和背景下的快速发展。
2 合成生物学蓬勃发...
