化工系列研究（十九）：合成生物产业化加速，生物基材料有望推动化工行业绿色发展

行业研究 2024年04月12日 行业深度 标配合成生物产业化加速，生物基材料有望推动化工行业绿色发展 ——化工系列研究（十九） 证券分析师 吴骏燕S0630517120001 基础化工 wjyan@longone.com.cn 证券分析师 谢建斌S0630522020001 xjb@longone.com.cn 证券分析师 张季恺S0630521110001 zjk@longone.com.cn 联系人张晶磊 zjlei@longone.com.cn 联系人 马小萱 mxxuan@longone.com.cn 联系人花雨欣 hyx@longone.com.cn 投资要点： 合成生物学是“第三次生物技术革命”，使人类的认知从“格物致知”提升到“建物致知”合成生物学以生物科学为基础，汇集化学、物理、信息技术、工程技术等学科而形成，利 用基因技术与工程学概念设计改造现有的或合成新的生物体系，揭示生命运行规律，变革生物体系工程化应用为医药健康、工业、农业、能源等行业的生产、改进提供新的解决方案。 在政策支持和技术进步的推动下，全球合成生物学市场规模有望快速提升。目前全球已有 40多个国家、500多个机构资助合成生物学研究。美国、英国、欧盟、日本、加拿大、澳大利亚、新加坡等国家均有引导扶持合成生物学发展的政策。根据中商产业研究院数据，2023年全球市场规模约为151亿美元，预计到2026年，市场规模有望达到307亿美元。 2015年以来，合成生物学行业政策的陆续出台助推了我国生物经济的快速发展，也推动了国内从事合成生物学领域的公司发展。国家发展和改革委员会在《生物产业发展“十三五 规划》和《“十四五”生物经济发展规划》中先后明确发展生物产业和合成生物学的重要性，各地方政府也陆续出台政策鼓励生物制造产业发展。 2% -8% -17% -26% -35%23-0423-0723-1024-01 -44% 11% 相关研究 申万行业指数:基础化工(0722)沪深300 合成生物学在化工行业中应用广泛。生物基化学产品主要有聚酰胺（PA）、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和聚羟基烷酸酯（PHA）等。多数国家出台限塑禁令，生物基 可降解塑料PHA、PLA和PBS有望迎来高速发展。生物基PA56是一种新型生物基聚酰胺生物基PA56较PA66有更加优异的吸湿、染色及熔融流动性能，在工程塑料、薄膜及纤维领域有望大规模应用。 生物基化学品可显著降低能耗且具备替代价值。合成生物应用于化工品将带来显著的环境及社会效益。全球绿色高质量发展已经成为不可逆转的趋势，不同行业中，以石化资源为 原料的化工行业碳排放量位居前列，因此石化产业的绿色低碳转型比其他行业更为紧迫。世界自然基金会报告等预测，到2030年低碳生物合成有望每年减少大约25亿吨的碳排放对减缓全球气候变化、实现可持续发展具有重要意义。 1.出海研究：从日本住友沙特拉比格 炼化项目看我国炼化出海——化工系列研究（十八） 2.出海研究：轮胎国产品牌价值持续提升，“出海”发展前景广阔——化工系列研究（十七） 3.出海研究：我国聚酯链全球竞争力提升，出海推动新增长——化工系列研究（十六） 投资建议：我们认为当下生物基化学品项目的价值判断逻辑在于：1）是否显著降低能耗符合国家低碳发展路径。2）产品与现有其他工艺路线相比，是否具备降本、增效或可转换性等替代价值。建议关注：凯赛生物（引入与招商局的合作，生物基聚酰胺放量在即，潜在成长空间高达千万吨级）、华恒生物（高度重视专利积累，持续扩展产品图谱，以快速 响应市场需求）。 风险提示：研发进度不及预期的风险；产品产业化及销售不及预期的风险；生物安全及菌种泄密的风险。 正文目录 1.第三次生物技术革命——合成生物学4 1.1.合成生物学定义及发展历程4 2.合成生物学打造化工绿色基因，选品是关键8 2.1.生物基材料——合成生物学化工领域代表8 2.2.显著降低能耗且具备替代价值是选品关键15 3.投资建议18 4.风险提示18 图表目录 图1合成生物学的一般途径4 图2近十年重要技术进展推动DBTL进程5 图32000-2018年合成生物学研究的代表性进展6 图42015年以来我国合成生物材料相关政策时间线7 图52017-2026年全球合成生物学市场规模（亿美元）8 图6当前主要生物基化学产品9 图7PA66产业链10 图8PA6产业链10 图9生物基PA56的合成路径11 图10全球生物塑料产能情况（万吨）11 图11欧洲生物塑料协会预计2028年全球生物塑料产能占比12 图12短链PHA合成途径示意图13 图13不同单体来源PBS的合成示意图14 图14低碳生物合成路径16 图15PA66产量、出口量及表观消费量（吨）17 图16PA66开工率17 表1近年我国合成生物行业相关政策梳理7 表2多种纤维性能对比10 表3PBS与PLA、PE-HD、PE-LD的物理性能13 表4已建成的生物基丁二酸生产线15 表5工业重点领域能效标杆水平和基准水平（2023年版）（节选）16 表6丙氨酸各生产工艺情况对比17 1.第三次生物技术革命——合成生物学 1.1.合成生物学定义及发展历程 合成生物学以生物科学为基础，汇集化学、物理、信息技术、工程技术等学科而形成，利用基因技术与工程学概念设计改造现有的或合成新的生物体系，揭示生命运行规律，变革生物体系工程化应用，从“格物致知”提升到“建物致知”，为医药健康、工业、农业、能源等行业的生产、改进提供新的解决方案，被誉为是继“DNA双螺旋结构”发现和“基因组测序”之后的“第三次生物技术革命”。 合成生物学通过构建高效的细胞工厂来实现制造，生产步骤主要分为四块，底盘细胞筛选、生产细胞设计与构建、发酵生产、分离纯化。 图1合成生物学的一般途径 资料来源：《合成生物学在化工新材料领域的应用及展望》陈洁等，东海证券研究所 底盘细胞是合成生物学生产的基础。目前底盘细胞主要包括三个体系：真核细胞、原核细胞和通用植物底盘细胞，研究人员根据具体的研究和应用选择不同的生产体系。 生产细胞的设计与构建采用工程学“自下而上”的思维，汇聚了基因工程、线路工程、代谢工程等多个学科的技术。生产细胞的构建需要设计出目标产品的最优合成路径，最早研究人员采用随机诱变的方式改造微生物，耗时长，效率低。随着生物学的发展，研究人员采用工程学的DBTL策略对微生物进行有目标的改造并持续迭代，主要过程：1）对生物系统进行设计，2）利用标准化的生物元件将其构建成可被调控的基因线路模块，3）通过基因合成、基因编辑和细胞培养等技术手段创造出符合设计及功能需要的生物系统，4）通过大量测试，逐步优化提高生产细胞的效率及稳定性，最后根据测试结果和研究测试数据，为新一轮循环提供支持。 图2近十年重要技术进展推动DBTL进程 资料来源：《Theseconddecadeofsyntheticbiology:2010–2020》Meng,F.andEllis,T.，东海证券研究所 发酵工艺是实现产业化的必经之路，发酵生产环节需要大量时间积累经验。合成生物学的最终目标产物需要经过发酵和分离才实现产业化，生产规模从克到千克再到吨的放大，要经过实验室阶段、小试、中试再到大生产线的不断试验和优化。在不同规模和生产条件下， 越是大宗产品的发酵，固定资产和能耗越高，物料和资金的投入也都快速的上升。另外，发酵生产和发酵产业又存在一定的区别，发酵产业是一个比较传统的产业，而发酵生产考虑的工艺条件和因素更多，需要大量的时间和经验的积累。 产品通过分离纯化达到特定标准。在完成发酵后，根据产品的特点采用多种技术将最终目标产物从发酵液或生产细胞中分离、纯化出来，以达到最终产品的特定标准。 近二十年合成生物学经历了创建时期、扩张和发展期、创新和应用转化时期，目前处于全面提升，快速迭代的新阶段。合成生物学概念最早可追溯到20世纪初，具有多学科交叉的特点，在当时的技术条件下难以实现。上世纪七十年代以来，一系列的技术进步促进了合成生物学的发展，随着分子克隆和PCR的进步，基因操作为人工设计、调整、控制基因提 供了技术手段；DNA测序技术进步和计算工具的改良帮助实现了微生物基因组的完整测序等；分子生物学将计算分析应用到生物实验研究中，促进了系统生物学的发展，研究人员提出了“自下而上”的工程学方法来补充“自上而下”的系统生物学方法。 2000年以来，合成生物学大致经历了四个阶段，第一阶段：创建时期（2000-2003年）：产生了具备领域特征的研究手段和理论，特别是基因线路工程的监理及其在代谢工程中的应用。第二阶段：扩张和发展期（2004-2007年）：基础研究快速发展，学科应用领域有扩大趋势，但是工程技术进步比较缓慢。第三阶段：快速创新和应用转化期（2008-2013年）： 这阶段涌现出的新技术和工程手段，特别是基因组编辑效率大幅提升，使合成生物学应用领域快速扩展，其应用领域从生物基化学品、生物能源扩展至疾病诊断、药物和疫苗开发等领 域。第四阶段：生物技术与信息技术融合发展（2014年至今）：设计—构建—测试—学习 （DBTL）循环带动合成生物学技术和产品快速迭代。 图32000-2018年合成生物学研究的代表性进展 资料来源：《合成生物学：开启生命科学“会聚”研究新时代》赵国屏，东海证券研究所 目前全球已有40多个国家、500多个机构资助合成生物学研究。美国、英国、欧盟、日本、加拿大、澳大利亚、新加坡等国家均有引导扶持合成生物学发展的政策。美国政府在 《国家生物能源蓝皮书》中明确了5项充分实现生物经济潜力的战略目标，在《生物质技术路线图》提出“2030年替代25%有机化学品和20%石油燃料”的目标；2018年日本正式发布《生物战略2019——面向国际共鸣的生物社区的形成》；2019年欧洲生物产业协会发布《生物技术工业宣言2019——重振欧盟生物技术雄心》，同年，韩国发布《生物健康产业创新战略》及发展愿景；2021年，英国政府宣布为生物质原料创新计划的第二阶段提供2600万英镑资助。 2015年以来，合成生物学行业政策的陆续出台助推了我国生物经济的快速发展，也推动了国内从事合成生物学领域的公司发展。2017年，国家发展和改革委员会在《生物产业发展“十三五”规划》中提出，生物产业是21世纪创新最为活跃、影响最为深远的新兴产 业，是我国战略性新兴产业的主攻方向，对我国抢占新一轮科技革命和产业革命制高点，加快壮大新产业、发展新经济、培育新动能，建设“健康中国”具有重要意义。“十四五”以来，合成生物学已经逐渐在天然产物合成、医学、能源、工业等多个领域应用。2022年5月10日，国家发改委印发《“十四五”生物经济发展规划》，明确指出发展生物经济是顺应全球生物技术加速演进趋势、实现高水平科技自立自强的重要方向，是前瞻布局培育壮大生物产业、推动经济高质量发展的重要举措，是满足生命健康需求快速增长、满足人民对美好生活向往的重要内容，是加强国家生物安全风险防控、推进国家治理体系和治理能力现代化的重要保障，并提出发展合成生物学技术，探索研发“人造蛋白”等新型食品，降低传统养殖业带来的环境资源压力。 图42015年以来我国合成生物材料相关政策时间线 资料来源：《合成生物学在化工新材料领域的应用及展望》陈洁等，东海证券研究所 近年来，国内各地也陆续出台合成生物学相关政策鼓励生物制造产业的发展。2021年1月，北京市发改委在《中国（北京）自由贸易试验区科技创新片区海淀组团实施方案》中提出要布局重大生物产业平台和重点项目；2021年6月，上海市政府在《上海市战略性新兴产业和先导产业发展“十四五”规划》中提出要构建生物基化学品的细胞工厂，推动合成生物学技术工业应用；2021年8月，山西省政府印发《山西省“十四五”14个战略性新兴产业 规划》，其中包括开展合成生物学基础研究和生物基材料等应用技术开发，加速生物聚酯等重点项目建设。