合成生物产业深度报告之一：工程化合成万物，生物经济颠覆性力量

化学原料板块近一年市场表现 投资要点： 工程化合成生物，提高生物产品竞争力。合成生物制造按照特定目标对生物体理性设计、改造乃至从头重新合成生物体系，通过生物学的工程化来造福人类。CBInsights预测2024年全球合成生物学市场规模或达到189亿美元，2019-2024年期间CAGR或为28.8%，麦肯锡预测2025年合成生物学产生的全球经济影响将达到1000亿美元。 合成生物制造相比传统化学工程三大优势：1）原料可再生，反应条件 请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明1 行业研究/行业深度分析 2024年4月2日 合成生物产业深度报告之一领先大市-B(维持) 工程化合成万物，生物经济颠覆性力量 化学原料 资料来源：最闻 首选股票 评级 688639.SH 华恒生物 买入-B 688065.SH 凯赛生物 增持-B 相关报告： 【山证化学原料】自主化、可持续、新应用三大驱动，自下而上把握结构性机会-山西证券新材料2024年度策略2024.1.12 【山证化学原料】2024年聚乳酸进口税率将由3%提升至6.5%-山西证券新材料周报（231225-1229）2024.1.5 分析师：冀泳洁博士 执业登记编码：S0760523120002邮箱：jiyongjie@sxzq.com 研究助理：王锐 邮箱：wangrui1@sxzq.com 温和，有效降低排放。2）工艺优化潜力大，降本空间显著。3）技术平台性强，研发经验和设备可迁移，拓品空间广阔。 合成生物仍处于发展早期，未来两大驱动因素：1）欧盟碳关税造成“绿色贸易壁垒”，生物基材料渗透率有望提升。CBAM与欧盟内外碳排放成本差额及碳排放量挂钩，未来CBAM将提升欧盟外地区出口至欧盟的成本，生物基材料凭借低碳减排优势，渗透率有望提升；2）非粮化路线力图解决碳源隐忧。长期看，以粮食为碳源的合成生物制造面临“与人争粮”隐忧，生物质资源利用技术将逐步转向非粮生物质技术。 他山之石：虽较国外技术与应用开发有差距，但中国企业仍大有可为。虽然我国企业在DBTL循环和应用开发等领域与国外企业存在差距，但依托发酵工程与分离纯化技术的优势、底层技术的追赶以及市场应用的持续开发，我们认为国内企业在合成生物制造领域具备赶超机会。我们复盘全球首家产品型上市公司Amyris和首家平台型上市公司Ginkgo，得到以下结论： 1）Amyris破产之鉴：a）选品决定下游市场的进入难度，成本领先为产业化必需条件。b）“ToB”和“ToC”商业模式差异大，企业切换面临应用开发风险。 2）Ginkgo成长之思：平台型是合成生物产业长期必经之路，但短期业绩受规模效应约束。平台型企业须通过并购投资拓展自身平台能力，通过扩张项目数量以降低成本。后发中国企业选择与科研机构合作是降低短期经营风险的选择之一。 投资建议： 合成生物学产业投资逻辑：短期看选品，长期看平台，首选具备平台化能力的产品型公司。当前合成生物学底层技术仍有较大的进步空间，产业仍处于生命周期早期，产品型公司更易成长。短期角度看，选品能力将对产品型公司的短期财务业绩产生关键性影响。我们认为优秀的选品应具备“下游应用成熟”及“成本领先”两大特征，以解决真实的商业需求： 下游应用成熟：1）潜在市场规模广阔；2）需求具备确定性，市场成本教育低。成本领先：技术落地概率高，相比现存替代产品具备成本优势。 长期看，平台化能力决定了合成生物企业的研发延伸和产品拓展空间，具备扎实研发能力、自动化、AI化的合成生物学研发平台是持续成长的根本，因此“强劲的研发能力”和“丰富的储备品类”也较为关键。在此背景下，我们建议关注华恒生物（买入-B）、凯赛生物（增持-B）、梅花生物、圣泉集团、嘉必优、莱茵生物、无锡晶海、蓝晓科技。 风险提示：行业发展不及预期的风险；研发失败的风险：选品壁垒较低导致行业竞争加剧及商业化不及预期的风险；原材料价格波动风险；下游需求不及预期风险。 目录 1.产业分析：工程化合成万物，提高生物产品竞争力7 1.1DBTL循环是生物制造开发关键，底层技术进步推动成本大幅降低7 1.2产业链分析：市场空间广阔，政策及资本高度关注10 1.3合成生物制造减碳降本，技术迁移性强，拓品空间大15 2.未来驱动：全球低碳化加速产品渗透，非粮基工艺开发解决原料隐忧19 2.1欧盟碳关税构成“绿色贸易壁垒”，生物基材料渗透率有望提升19 2.2非粮化路线力图解决长期碳源隐忧23 3.他山之石：中国企业大有可为，寻找具备平台化能力的产品型公司28 3.1Amyris破产之鉴：大宗品须具备成本优势，消费品关注转型风险28 3.2Ginkgo成长之思：平台型企业领先者，以“骑士定律”对标“摩尔定律”，商业模式待验证34 3.3投资建议：推荐具备平台化能力的产品型公司，关注在合成生物学与生物基材料领域探索的公司38 3.3.1华恒生物：突破厌氧发酵法产业化，平台化能力推动生物基新品持续涌现41 3.3.2凯赛生物：全球长链二元酸龙头，生物基尼龙产业再启航43 3.3.3关注合成生物学及生物基材料领域布局及探索的公司45 4.风险提示46 4.1行业风险提示46 4.2公司风险提示47 图表目录 图1：合成生物制造步骤8 图2：细胞氧化还原力的平衡使得厌氧发酵法低能耗和高转化效率优势得以凸显9 图3：2017-2020年上半年期间，华恒生物L-丙氨酸生产成本持续优化9 图4：合成生物学“读、改、写”技术持续迭代9 图5：测序技术的进化使得基因数据库序列数激增10 图6：基因测序成本下降幅度超越了摩尔定律10 图7：合成生物学产业链及部分相关企业11 图8：全球合成生物学2001-2021年论文、专利及企业融资情况12 图9：2024年全球合成生物学市场规模增长至189亿美元，2019-2024年CAGR或为28.8%14 图10：与化学法相比，部分生物基化学品每吨的二氧化碳减排量16 图11：PE及三种可降解塑料价格17 图12：戊二胺与丰富的二元酸产品类型可合成多种生物基尼龙产品19 图13：正式实施阶段的CBAM征收方式21 图14：CBAM逐步实施期间内，欧盟碳排放交易体系下的免费配额将在2026-2024年内逐步取消21 图15：CBAM过渡期覆盖行业情况及正式期对应收费21 图16：中国、越南等生产型发展中国家的单位GDP二氧化碳排放量较发达国家偏高22 图17：2022年全球材料、生物基燃料以及生物基塑料分别占农业用地面积的2.187%、4.126%和0.017%（用地单位：亿公顷）24 图18：生物质资源利用三代技术的区别25 图19：木质纤维素综合利用产业链26 图20：圣泉集团以秸秆等为原料打造合成树脂产业链28 图21：Amyris重大发展节点29 图22：Amyris产品关系29 图23：Amyris法尼烯生物燃料生产流程31 图24：2015年Amyris法尼烯成本下降至2.51美元/升31 图25：Amyris法尼烯成本较柴油缺乏竞争力31 图26：Amyris认为其“LabtoMarket”模式更适合“toC”产品32 图27：AmyrisLabtoMarket是典型的合成生物学平台，产品矩阵“toC”，分自有品牌和材料成分两条品线 ..............................................................................................................................................................................................33 图28：Amyris2023年以来收入环比承压33 图29：Amyris现金流持续承压33 图30：Ginkgo商业模式：生物铸造厂+代码库+AI+生物安全34 图31：骑士法则：Ginkgo进行单位成本优化的三种策略35 图32：Ginkgo客户拓展策略36 图33：Ginkgo2023Q1-Q3营收同比下降43%37 图34：Ginkgo近年来持续处于亏损状态37 图35：华恒生物搭建了酶法和发酵法双平台的生产工艺，部分产品实现上下游综合利用41 图36：MGDA相比其他螯合剂优势显著42 图37：MGDA需求有望快速增长42 图38：我国饲料添加剂行业产值规模情况43 图39：L-缬氨酸需求量持续提升43 图40：凯赛生物产业链44 图41：凯赛生物泰纶®和ECOPENT®下游应用45 表1：我国各部门持续推出合成生物学产业发展政策及法规12 表2：部分化工领域的合成生物学商业化应用情况14 表3：生物发酵法制备长链二元酸具备常温常压，产物品种丰富等显著优势18 表4：CBAM立法时间点20 表5：当前中国向欧盟出口的CBAM产品占比整体较低23 表6：武汉睿嘉康的运动发酵单胞菌在非粮原料生产大宗醇酸领域应用具备六大优势27 表7：2012年Amyris对于法尼烯下游市场空间及潜在客户的分析30 表8：Ginkgo预测Foundry业务将给公司带来可观的短期代工收入和长期项目落地收入35 表9：Ginkgo对于未来新增项目及营收的预测较为乐观37 表10：中国合成生物学企业相比海外企业盈利能力优秀38 表11：合成生物学产业链难点、壁垒与海内外对比39 1.产业分析：工程化合成万物，提高生物产品竞争力 1.1DBTL循环是生物制造开发关键，底层技术进步推动成本大幅降低 合成生物学：工程化理念的生物制造。合成生物制造本质是在工程学思想指导下，按照特定目标对生物体理性设计、改造乃至从头重新合成生物体系，通过生物学的工程化来造福人类。过去人类主要通过筛选和诱变育种的方式获得高产菌种，然而作为一种“以时间或人力换水平”的非理性策略，效率较低。近年来，基因测序、基因编辑、基因合成等关键底层技术的快速进步和成本不断降低，显著提升了对DNA、RNA、蛋白质和细胞表型的设计和改造能力，合成生物制造得到了快速发展，人类已可通过工程化手段构建微生物工厂，生产所需的产物。 合成生物学的流程围绕DBTL（Design-Build-Test-Learn）循环持续迭代，其目的是持续提升微生物性能，以打破最终产物的生产瓶颈。微生物代谢及其控制是非线性的复杂网络系统，细胞依靠其精巧的基因线路以及严格的调控机制来维持各项代谢活动的稳定，然而目前人类仍然缺乏对于系统运作的完整信息，因此优化代谢网络往往需要进行持续迭代优化，目前的通用模式为DBTL。Design（设计）：首先，根据所需要的最终产物，研究者选择合适的底盘细胞，确定目标产物的代谢通路、关键酶以及中间代谢物等。Build（构建）：调用标准元件库，利用基因工程手段进行组装与菌株构建。Test（测试）：进行实验测试，结合高通量分析或组学分析等手段对目标参数进行评估，主要分为两方面：1）外源或全新设计的代谢途径引入后，微生物系统的鲁棒性表现如何，能否在外界干扰下保持表型稳定；2）底盘细胞能不能适应新的合成途径，进而生产目标产物。Learn（学习）：学习高通量分析等测试手段获得的结果，并对模型进行改进。获得性能优异的菌种之后，基于发酵工程技术，对以淀粉为代表的众多发酵底物进行发酵和分离纯化，得到目标产物。 图1：合成生物制造步骤 资料来源：关于安徽华恒生物科技股份有限公司向特定对象发行股票申请文件的第二轮审核问询函的回复 （豁免版)，山西证券研究所整理 DBTL阶段的菌种性能将显著影响后续的发酵难度和分离纯化成本。以华恒生物为例，厌氧发酵法L-丙氨酸可将生产成本降低50%。目前好氧发酵在发酵工程中占据着主流发酵地位，但是好氧发酵过程中，由于相当多的能量进入三羧酸循环消耗掉，且有一部分物质用于细胞合成，这部分能量和物质都未进入产品生产，降低了物质利用效率和产品转化率。在厌氧发酵中，三羧酸循环基本没有活性，消耗的能量较少；且在厌氧发酵中细胞量较少，进入细