2024生物制造行业研究报告-深企投产业研究院

深企投产业研究院 2024行业研究系列报告 生物制造行业研究报告 生物制造与合成生物学深度研究：以生物造化万物，绿色制造席卷全球 1 2024年6月深企投产业研究院 深企投产业研究院 新质生产力系列 目录 一、生物制造的概念与范畴1 二、合成生物学发展历程2 三、生物制造的应用优势5 四、生物制造市场规模9 五、国内重点高校和科研院所12 六、国内合成生物学赛道融资情况13 深企投产业研究院 新质生产力系列 图、表目录 图1合成生物学发展的不同阶段及进展5 图2全球合成生物学市场规模预测（BCG，亿美元）10 图3全球合成生物学市场规模预测（M&M，亿美元）10 图4中国生物制造市场规模（亿元）11 图5中国生物制造市场规模（分领域，亿元）12 图6全球合成生物市场风投及私募股权投资活动14 图7中国合成生物市场风投及私募股权投资活动15 表1合成生物学代表产品类型6 表2我国合成生物学赛道重点融资企业15 生物制造具备引领第四次产业革命的潜力，可从根本上改变传统制造业的生产模式，在医药、化工、能源、材料、食品、农业、消费品等领域应用前景广阔，有望在本世纪末创造30万亿美元的经济价值。 一、生物制造的概念与范畴 生物制造是生物经济的基础。生物制造是以工业生物技术为核心，以生物材料为基础，通过生物过程和生物系统来制造产品的方法。它利用生物体的自我修复、再生和自组装能力，以及生物反应器的高效能特性，来生产复杂性和多功能性的产品。当前，生物制造主要通过筛选、改造微生物（如细菌、酵母菌等各种菌种、微生物，酶蛋白等生物活性物质），并利用不同微生物的生理代谢转化特性、催化功能，通过工业发酵、催化、合成等工艺进行物质规模化生产，将可再生的生物质（特别是非粮生物质）原料转化合成更有益于人们生产生活的新产品、新材料。生物制造应用先进发酵工程、现代酶工程、生物炼制、生物过程工程等新技术，将生物技术创新产品推向商业化规模应用，成为生物经济的基础。 生物制造被认为具有引领第四次产业革命的潜力。生物制造目前主要产品包括生物基材料、化学品、生物能源、食品、药品等。生物制造相关技术有望重塑当前传统制造业模式，甚至有望带来第四次产业革命。生物制造也是全球实现碳减排、绿色发展的重要支撑，在生 物制造技术赋能下，能源与化学品等工业脱离传统石化工业路线，不再依赖不可再生资源（化石燃料）、消耗大量能源、产生大量排放。在全球双碳要求以及政策推动下，生物制造已成为全球大国产业竞争的焦点。 合成生物学与生物制造概念交叉，应用领域紧密融合。合成生物学（SyntheticBiology）是生物科学的一个分支，是指通过工程化的思路，对生物体功能代码，如酶、合成途径及底盘细胞的代谢调控网络等进行重编以设计出带有新型功能的生命体，并完成特定用途的学科。从合成生物学与生物制造的关系来看，两者在定义、应用领域和发展趋势等方面都表现出高度的交叉性和互补性，但生物制造是一个更广泛的概念，可以说，合成生物学是生物制造最具有潜力的路径和方法。从产业的范围和边界看，生物制造涵盖了合成生物学，不过在产业界的理解以及一般产业研究中可以混同使用。 二、合成生物学发展历程 近年来，合成生物学的关键底层技术包括基因测序、基因编辑、基因合成等迅猛发展，成本持续下降，对DNA、RNA、蛋白质和细胞表型的设计与改造能力已得到显著提升，这些进步驱动合成生物制造的快速发展，使得人类能够利用工程化手段构建微生物工厂，以生产所需的产品。合成生物学的发展大致经历了五个阶段： ——基础研究阶段（20世纪60年代至90年代末）。1953年，沃森和克里克提出DNA双螺旋结构，生物学进入了真正的分子时代。 1958年，克里克进一步提出中心法则，为合成生物学提供了基本原则。20世纪60年代起，科学家们开始尝试合成具有特定功能的生物分子，并实现蛋白质和核酸的人工合成，奠定了合成生物学的基本理论和方法。 ——创建阶段（2000年至2003年）。2000年后，随着人类基因组学和分子生物学理论技术的不断成熟，合成生物学作为一个学科逐步成型。通常将2000年视为合成生物学元年，这一年合成生物学领域取得了多个重要突破和里程碑式的成果，特别是两篇Nature文章分别设计全球首个基因波动开关和生物振荡器，标志着人类开始能够精确设计和控制生物体中的基因表达和功能。同年，“合成生物学”这一术语被正式提出。在本阶段，TomKnight教授开发BioBricks （生物零件），使生物组件的标准化装配成为可能，人工合成病毒、人工合成噬菌体基因组、人造细胞工厂生产青蒿素前体等应用也相继取得突破。 ——扩张阶段（2004年至2007年）。2004年第一届合成生物学国际会议和第一届iGEM国际学术竞赛举办，推动了合成生物学在全球范围内的普及和发展。技术突破上，实现了RNA调控装置的开发，整个领域的设计范围开始从以转录调控为主，扩大到转录后和翻译调控。本阶段合成生物学的应用不断拓展，涉及到医疗、能源、农业等多个领域：医疗领域，利用合成生物学技术生产青蒿素等具有药用价值的化合物，开发工程化活体疗法；能源领域，通过改造微生物来生产生物燃料、生物电池等可再生能源；农业领域，合成生物学被用于 改善作物的产量和抗病性等。 ——创新和应用转化阶段（2008年至2013年）。这一阶段新技术和工程手段不断涌现，例如MAGE、TALEN、CRISPR/Cas技术相继被开发应用于基因/基因组编辑，特别是CRISPR-Cas9基因编辑技术的突破，为合成生物学的研究和应用提供了强有力的工具。应用领域快速扩展，涉及生物基化学品、生物能源、疾病诊断、药物和疫苗开发、作物育种、环境监测等多个领域。“设计（Design）—构建（Build） —测试（Test）—学习（Learn）”（简称DBTL）的循环模式开始被应用于合成生物学的研究和开发中。 ——产业化加速阶段。2014年起，合成生物学技术进步、产业化进展和应用领域拓展等方面取得了显著成就。基因测序、基因合成、基因编辑等核心技术快速发展，工程化平台的建设和生物大数据的开源应用相结合，全面推动合成生物学技术创新以及相关应用的开发和商业化。2018年起，AI与合成生物学交叉研究进入快速发展阶段，AI在元件工程、线路工程、代谢工程、基因组工程等领域均取得进展并广泛应用，大幅提高研发效率并降低研究门槛。 图1合成生物学发展的不同阶段及进展 资料来源：中国科学院院刊，国金证券。 三、生物制造的应用优势 多数实体材料都可以采用生物制造。生物制造（合成生物学）在医药、化工、能源、材料、食品、农业、个人护理消费品等领域应用前景广阔。根据经济合作与发展组织（OECD）预测，未来全球70%的产品可以用生物法生产。根据麦肯锡《2021：定义未来的13个趋势》报告，理论上说，全球经济中多达60%的实体材料都能利用生物技术生产。BCG《中国合成生物学产业白皮书2024》根据需求量和单位价值两个维度将合成生物学终端产品归为三大类：第一类为市场需求量少、单位价值高的产品（例如创新药），第二类为市场需求量中、单位价值中的产品（例如农业、食品相关产品、精细化学品），第三类为市场需求量大、单位价值低的产品（例如大宗化学品、生物能源）。合成生物学主要代表产品如下表所示。 表1合成生物学代表产品类型 产品特征 行业 代表终端产品 市场需求量低、产品单价高 生物制药 细胞与基因治疗药物（基因治疗剂、基因疫苗等）、基因重组多肽（胰岛素、生长激素）、蛋白质类药物（干扰素、白细胞介素）、天然生物药物（紫杉醇、青蒿素、虾青素、萜类化合物）、抗体药、疫苗、血液制品（人血白蛋白、免疫球蛋白、凝血因子、凝血酶原复合物）等 市场需求量中等、单位价值中等 原料药 抗生素（青霉素、头孢菌素、红霉素、多肽抗生素等）、维生素（维生素B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9、B12，维生素C、维生素A、维生素D、维生素E、维生素K等） 精细与医药化学品 肌醇；芳香族化合物：草醛（食品香料）、苯甲酸（食品防腐剂）、麦角酸、苯乙烯、对乙酰氨基酚（抗感冒药物）、乙酰水杨酸（抗凝药物）、左旋多巴（帕金森药物）等的前体；甾体激素（氢化可的送）；小分子医药中间体；N-乙酰葡萄糖胺、肝素等单糖和多糖成分等 生物材料 生物基可降解材料（PLA、PHA）；天然纤维的生物合成（蛛丝、菌丝）等 大宗发酵食品原料 氨基酸（赖氨酸、谷氨酸、苏氨酸、蛋氨酸等大品种；甲硫氨酸、丙氨酸、精氨酸等小品种）、有机酸（柠檬酸、葡萄糖酸、苹果酸、衣康酸、富马酸、丙酮酸、丙酸等） 新型食品原料 新原料和添加剂、人造蛋白、微生物油脂、微生物蛋白等 酶制剂 工业酶、饲料酶、科研试剂等 市场需求量大、单位价值低 生物化工 戊二酸、1,4-丁二醇、丁二酸、戊二胺、呋喃二甲酸、1,3-丙二醇等生物合成平台化合物及聚合材料 生物燃料 生物天然气、生物燃料乙醇、生物柴油、可再生甲醇、生物航空煤油、纤维素丁醇等 资料来源：BCG、国投证券等，深企投产业研究院整理。 生物制造是全球实现双碳目标的重要支撑。生物制造替代传统化石原料和高污染的化工生产工艺，对实现节能减排和可持续发展具有重要意义。针对生物制造应对环境挑战，OECD曾对6个发达国家进 行分析，结果表明：生物制造技术的应用可以降低工业能耗15%-80%，原料消耗降低35%-75%，空气污染降低50%-90%，水污染降低33%-80%，生产成本降低9%-90%。世界自然基金会报告等预测，到2030年工业生物技术有望每年降低大约25亿吨二氧化碳排放。国际能源署于 2020年发布报告,基于生命周期评估预测全球低碳生物合成的化学品 在2030年可减排6.7亿吨二氧化碳当量。美国农业部发布的《美国 生物基产品行业经济影响分析》指出,生物基产品每年替代约940万 桶石油,相当于每年减少1270万吨二氧化碳的温室气体排放。根据DeepTech报告，生物基化学品每吨生产可减少约300吨煤碳使用、近800千克二氧化碳排放；在工业过程中每使用1千克酶制剂，相比 化学法可减排100千克二氧化碳。预计到2030年中国利用生物资源 将减碳超9亿吨，到2060年将减碳超20亿吨。 生物制造提升生物质资源等可再生资源利用率，缓解全球及我国资源瓶颈。生物质资源是全球最大的可再生资源，占可再生资源的55%。根据DeepTech报告，全球植物每年光合作用产生的干物质高达 1500-2000亿吨，是地球上唯一可超大规模再生的实物性资源。2010年到2021年，现代生物质资源的使用平均每年增长7%。据国际能源署（IEA）预测，2021至2030年国际生物质利用规模将以每年10%的速度增长，到2030年50%的生物质资源的供应来自不需要土地使用的废物和残留物。从中国情况来看，当前生物质能总资源量达到 37.95亿吨，生物质资源产生量呈不断上升趋势，到2060年将达到 53.46亿吨。具体类别来看，我国每年产生的农业作物秸秆7亿多吨， 相当于3.5亿吨标准煤，森林采伐加工剩余物1000多万吨，蔗渣400多万吨，但每年用于工业过程或燃烧的纤维素资源仅占2%左右，秸秆原料化利用仅约1%。当前中国生物质资源真正转化为能源利用的不足0.6亿吨标准煤，绝大部分还未被利用。 利用全新方法合成材料，大幅降低全球资源消耗。依托生物制造技术，食品、医药、大宗商品、化学品等摆脱对传统生产方式的依赖，保障全球能源安全、粮食安全乃至供应链安全。同时，以常见生物质废料甚至二氧化碳为碳源开发全新合成路线，能够打破原料及产品的进口依赖。比如： ——未来食品制造。人造肉、人造奶、人造油脂等未来食品的车间制造，有望缓解全球耕地、化肥和粮食安全问题，数千平方米的发酵车间便可以替代数十万亩耕地的产出。以中国人发明的青蒿素举例，我国青蒿素仅占国际市场20%左右，其余份额则被使用生物制造技术的国家占据，而依托现有的生物制造技术，一个50立方米的反应器 等于5万亩作物提取的生产效率。 ——工业尾气利