能源化工行業合成生物學深度專題：合成生物乘勢而起顛覆傳統引領未來-220321（49頁）.pdf

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1、 證券研究報告 請務必閱讀正文之后的免責條款 合成生物乘勢而起，顛覆傳統引領未來合成生物乘勢而起，顛覆傳統引領未來 能源化工行業合成生物學深度專題2022.3.21 中信證券研究部中信證券研究部 核心觀點核心觀點 合成生物學行業迎來歷史發展機遇，應用領域迅猛拓展。預計合成生物學行業迎來歷史發展機遇，應用領域迅猛拓展。預計 2020-2025 年，年，全球合成生物市場規模將保持全球合成生物市場規模將保持 22.5%的高年均復合增速，至的高年均復合增速，至 2025 年突破年突破 200億美元。當前合成生物領域企業商業模式可分為產品型及平臺型。平臺型海外億美元。當前合成生物領域企業商業模式可分為產

2、品型及平臺型。平臺型海外巨頭巨頭 Zymergen、Ginkgo Bioworks 獨具創新發展模式。產品型企業打通從生獨具創新發展模式。產品型企業打通從生物改造、發酵純化到產品改性的全產業鏈，更具盈利能力。建議重點關注產品物改造、發酵純化到產品改性的全產業鏈，更具盈利能力。建議重點關注產品型各細分領域龍頭華恒生物、凱賽生物、新日恒力、圣泉集團、科拓生物、三型各細分領域龍頭華恒生物、凱賽生物、新日恒力、圣泉集團、科拓生物、三元生物、金丹科技、利爾化學。元生物、金丹科技、利爾化學。 建物致用：合成生物學集眾多優勢于一身。建物致用：合成生物學集眾多優勢于一身。合成生物學廣義上是指通過構建生物功能元

3、件、裝置和系統，對細胞或生命體進行遺傳學設計、改造，使其擁有滿足人類需求的生物功能， 甚至創造新的生物系統。 基于微生物細胞工廠的高效構建，眾多生物基產品已成功實現產業化，如丙氨酸、1,3-丙二醇、長鏈二元酸、聚乳酸等，其在成本與質量、工藝路線、環境友好度等方面相較于石化基產品展現出顯著優勢。由于生物基材料的二氧化碳排放量大幅下降，碳中和趨勢下，合成生物企業的成本優勢有望進一步放大。 合成生物學躍動新發展，市場空間廣闊。合成生物學躍動新發展，市場空間廣闊。當下，合成生物學行業迎來歷史性發展機遇，廣泛應用于醫療健康、化工、農業、食品、消費品等諸多領域。根據華經產業研究院數據，2020 年全球合成

4、生物學市場規模達 68 億美元，同比增長28.3%。隨著核心技術不斷更迭，合成生物行業規模料將進一步迅速擴張，我們預計 2020-2025 年，全球合成生物市場規模將保持 22.5%的高年均復合增速，至 2025 年突破 200 億美元。同時，資本的目光加速向合成生物學聚集，根據SynbioBeta 的數據，合成生物學領域的融資從 2011 年的 4 億美元增長至 2020年的 78 億美元，年復合增長率高達 37%。 合成生物公司百家爭鳴。合成生物公司百家爭鳴。國內外從事合成生物學領域的公司已多達 500 家，商業模式可分為產品型及平臺型，例如海外平臺型巨頭 Zymergen、Ginkgo

5、Bioworks 等。產品型公司打通從生物改造、發酵純化到產品改性的全產業鏈，因而更具盈利能力；平臺型企業旨在提供生物體設計與軟件開發等合成生物平臺，由于自身缺乏應用層面的落地產品，盈利能力受限。重點推薦各細分領域產品型龍頭華恒生物、凱賽生物、新日恒力、圣泉集團、科拓生物、三元生物、金丹科技、利爾化學、金達威。 風險因素：風險因素： 相關公司在建項目進度低于預期的風險； 玉米等生物質原材料價格波動的風險； 宏觀經濟及下游行業波動的風險； 進出口政策及國際貿易環境變化的風險；生物安全與倫理的風險。 行業評級。行業評級。 合成生物學在各領域的滲透率仍有大量提升空間， 下游消費屬性將帶動行業長期穩定

6、增長。 龍頭公司筑起綜合競爭力的行業護城河， 呈現強者更強的局面。 預計行業龍頭公司未來將迎來業績和估值雙重提升的戴維斯雙擊過程， 維持行業“強大于市”評級。 能源化工能源化工行業行業 評級評級 強于大市（首次）強于大市（首次） 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 證券研究報告 請務必閱讀正文之后的免責條款 重點公司盈利預測、估值及投資評級重點公司盈利預測、估值及投資評級 簡稱簡稱 收盤價收盤價（元）（元） EPS（元）（元） PE 評級評級 20A 21E 22E 20A 21E 22E 凱賽生物 114.23 1.10 1.45 1.93 103

7、.8 78.8 59.2 凱賽生物 華恒生物 109.05 1.50 1.69 2.20 72.7 64.5 49.6 華恒生物 圣泉集團 32.15 1.26 0.91 1.30 25.5 35.3 24.7 圣泉集團 科拓生物 29.53 1.17 0.81 1.04 25.2 36.5 28.4 科拓生物 三元生物 104.03 2.30 3.89 5.62 45.2 26.7 18.5 三元生物 金丹科技 31.77 1.06 0.94 1.68 30.0 33.8 18.9 金丹科技 利爾化學 29.86 1.17 2.04 2.43 25.5 14.6 12.3 利爾化學 資料來源

8、：Wind，中信證券研究部預測 注：股價為 2022 年 3 月 21 日收盤價 UUkXuYcXhUrZfW3WcV8O9RaQnPpPmOoMlOnNoNjMpNpM6MpPwPMYsPqRMYnMmM 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 目錄目錄 建物致用：合成生物學集眾多優勢于一身建物致用：合成生物學集眾多優勢于一身. 1 合成生物：建物致知，建物致用 . 1 生物合成集低成本、高質量、高收率、環境友好度等優勢于一身 . 4 碳中和趨勢下合成生物企業成本優勢有望進一步放大 . 10 合成生物學蓬勃發展，市場空

9、間廣闊合成生物學蓬勃發展，市場空間廣闊 . 13 合成生物浪潮已至，迎來歷史性發展機遇 . 13 合成生物學蓬勃發展，應用領域迅猛擴展 . 16 新興技術創巨量市場，吸引全球資本涌入 . 19 合成生物公司百家爭鳴合成生物公司百家爭鳴 . 21 產品型公司：生產面向市場各領域的合成生物產品 . 21 平臺型公司：提供集成化的合成生物學平臺 . 38 風險提示風險提示 . 42 行業評級行業評級 . 42 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 插圖目錄插圖目錄 圖 1：合成生物學廣義概念 . 1 圖 2：合成生物學學科融

10、合性 . 2 圖 3：合成生物學顛覆性 . 2 圖 4：合成生物學狹義概念 . 2 圖 5：微生物細胞工廠發展歷程 . 3 圖 6：丙氨酸的酶法和生物發酵法生產工藝 . 5 圖 7：華恒生物發酵法 L-丙氨酸單位成本及毛利率 . 6 圖 8：華恒生物酶法 L-丙氨酸單位成本及毛利率 . 6 圖 9：1,3-丙二醇三種生產工藝 . 6 圖 10：長鏈二元酸的生物發酵法生產工藝 . 8 圖 11：生物塑料與傳統塑料種類 . 9 圖 12：生物可降解塑料的現有及預計增加產能 . 9 圖 13：生物基聚乳酸的生產工藝 . 9 圖 14：不同種類塑料能耗系數、碳排放系數和取水系數 . 10 圖 15：全

11、球一次能源消費結構（2020 年） . 10 圖 16：全球溫室氣體排放來源. 10 圖 17：生物基材料與石化材料的溫室氣體排放量 . 11 圖 18：生物基材料的溫室氣體減排量 . 11 圖 19：三代生物合成技術圖 . 12 圖 20：碳排放權交易體系 . 12 圖 21：合成生物基礎科學研究代表性進展 . 13 圖 22：合成生物學領域論文發表量 . 14 圖 23：2020 年合成生物學領域論文按國家分布 . 14 圖 24：基因組的“讀-改-寫”技術發展歷程 . 14 圖 25：人類基因組測序速度 . 15 圖 26：人類基因組測序成本 . 15 圖 27：世界主要國家合成生物相關

12、政策 . 15 圖 28：合成生物學應用領域 . 16 圖 29：全球合成生物行業市場規模 . 19 圖 30：全球合成生物行業市場規模按區域分布 . 19 圖 31：全球合成生物行業細分市場占比（2019 年） . 20 圖 32：全球合成生物行業細分市場 2019-2024 年增速 . 20 圖 33：全球合成生物企業融資額及同比 . 20 圖 34：全球合成生物企業平均融資額及融資企業數 . 20 圖 35：全球合成生物學初創公司圖譜 . 21 圖 36：產品型企業微生物發酵工藝 . 22 圖 37：凱賽生物生物基聚酰胺生產平臺 . 23 圖 38：凱賽生物營業收入及同比 . 24 圖

13、39：凱賽生物歸母凈利潤及同比 . 24 圖 40：凱賽生物內外銷營收及外銷占比 . 24 圖 41：凱賽生物主營業務毛利率 . 24 圖 42：華恒生物營業收入及同比 . 26 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 圖 43：華恒生物歸母凈利潤及同比 . 26 圖 44：華恒生物內外銷營收及外銷占比 . 26 圖 45：華恒生物內外銷毛利率. 26 圖 46：新日恒力營業收入及同比 . 28 圖 47：新日恒力歸母凈利潤及同比 . 28 圖 48：圣泉集團產業鏈 . 29 圖 49：圣泉集團營業收入及同比（億元） .

14、 30 圖 50：圣泉集團歸母凈利潤及同比 . 30 圖 51：科拓生物主營業務 . 30 圖 52：科拓生物營業收入及同比 . 32 圖 53：科拓生物歸母凈利潤及同比 . 32 圖 54：科拓生物營業收入分業務占比 . 32 圖 55：科拓生物主營業務毛利率 . 32 圖 56：金丹科技產業鏈 . 33 圖 57：金丹科技營業收入及同比 . 34 圖 58：金丹科技歸母凈利潤及同比 . 34 圖 59：三元生物產業鏈 . 34 圖 60：三元生物營業收入及同比 . 35 圖 61：三元生物歸母凈利潤及同比 . 35 圖 62：三元生物營業收入分業務占比 . 35 圖 63：三元生物主營業務

15、毛利率 . 35 圖 64：利爾化學生物法 L-草胺膦合成路線 . 36 圖 65：利爾化學營業收入及同比（億元） . 37 圖 66：利爾化學歸母凈利潤及同比 . 37 圖 67：金達威營業收入及同比. 38 圖 68：金達威歸母凈利潤及同比 . 38 圖 69：金達威營業收入分業務占比 . 38 圖 70：金達威主營業務毛利率. 38 圖 71：平臺型企業技術平臺 . 39 圖 72：平臺型企業微生物開發流程 . 39 圖 73：Zymergen 歷史沿革 . 39 圖 74：Zymergen 主要產品 . 40 圖 75：Zymergen 營業收入及同比 . 40 圖 76：Zymerg

16、en 歸母凈利潤及同比 . 40 圖 77：GinkgoBioworks 歷史沿革 . 41 圖 78：GinkgoBioworks 生物鑄造平臺 . 41 圖 79：GinkgoBioworks 營業收入及同比 . 42 圖 80：GinkgoBioworks 歸母凈利潤及同比 . 42 表格目錄表格目錄 表 1：代表性生物基產品 . 3 表 2：合成生物學與化學工程對比 . 4 表 3：全球丙氨酸主要生產企業及其生產方法 . 4 表 4：丙氨酸生產工藝優勢對比 . 5 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 表 5：

17、全球 1,3-丙二醇主要生產企業及其生產方法 . 6 表 6：1,3-丙二醇生產工藝優勢對比 . 7 表 7：全球長鏈二元酸生產企業及其生產方法 . 7 表 8：長鏈二元酸生產工藝優勢對比 . 8 表 9：合成生物學在醫療健康領域的代表性應用 . 17 表 10：合成生物學在化工領域的代表性應用 . 17 表 11：合成生物學在農業領域的代表性應用 . 18 表 12：合成生物學在食品領域的代表性應用 . 18 表 13：合成生物學在消費品領域的代表性應用 . 19 表 14：凱賽生物主要產品 . 22 表 15：凱賽生物核心技術 . 23 表 16：華恒生物主要產品 . 25 表 17：華恒

18、生物丙氨酸生產技術與同行對比 . 25 表 18：新日恒力 5 萬噸/年月桂二酸項目 . 27 表 19：中科院三代微生物發酵技術對比 . 27 表 20：山西中能生物基新材料生態產業園項目 . 27 表 21：圣泉集團主要產品 . 29 表 22：科拓生物主要產品 . 31 表 23：金丹科技主要產品 . 33 表 24：利爾化學主要產品 . 35 表 25：金達威主要產品 . 37 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 1 建物致用：合成生物學集眾多優勢于一身建物致用：合成生物學集眾多優勢于一身 合成生物：建物致知

19、，建物致用合成生物：建物致知，建物致用 合成生物學廣義上是指通過構建生物功能元件、裝置和系統，對細胞或生命體進行遺合成生物學廣義上是指通過構建生物功能元件、裝置和系統，對細胞或生命體進行遺傳學設計、改造，使其擁有滿足人類需求的生物功能，甚至創造新的生物系統。傳學設計、改造，使其擁有滿足人類需求的生物功能，甚至創造新的生物系統。 “建物致知、建物致用”是合成生物學的兩大愿景，也就是通過建造生物體系而了解生命、通過創造生物體系來服務人類。廣義上的合成生物學研究可以劃分為三個層面：一是利用已知功能的天然生物模塊構建新型的代謝調控網絡使其擁有特定的新功能；二是基因組 DNA 的從頭合成以及生命體的重新

20、構建；三是完整的生物系統以及全新的人造生命體的創建。 圖 1：合成生物學廣義概念 資料來源：CRISPR 技術在微生物合成生物學中的應用（汪蓮，王浩君，羅云孜） 合成生物學系多學科融合，展現出重大顛覆性。合成生物學系多學科融合，展現出重大顛覆性。合成生物學是生物學、工程學、物理學、化學、計算機等學科交叉融合的產物，有望形成顛覆性生物技術創新，為破解人類社會面臨的資源與環境不足的重大挑戰提供全新的解決方案。合成生物學的顛覆性表現在：一方面打破了非生命化學物質和生命物質之間的界限， “自下而上” 地逐級構筑生命活動；另一方面革新了當前生命科學的研究模式，從讀取自然生命信息發展到改寫人工生命信息，重

21、塑碳基物質文明。 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 2 圖 2：合成生物學學科融合性 資料來源： 合成生物制造進展 （張媛媛，曾艷，王欽宏） ，中信證券研究部 圖 3：合成生物學顛覆性 資料來源： 化學品綠色制造核心技術合成生物學 （肖文海，王穎，元英進） ，中信證券研究部 產業應用中的合成生物學多為狹義概念，即利用可再生的生物質資源為原料生產各種產業應用中的合成生物學多為狹義概念，即利用可再生的生物質資源為原料生產各種產品。產品。具體而言，合成生物學通過構建高效的細胞工廠，利用淀粉、葡萄糖、纖維素等可再生碳資源甚

22、至 CO2為原料生產氨基酸、有機酸、抗生素、維生素、微生物多糖、可再生化學品、精細與醫療化學品等。我們所更加關注的合成生物學產業應用以微生物細胞工廠為核心，建立“原料輸入菌株培育發酵控制提取純化產品輸出”的工藝路線，從而實現利用生物技術生產化學品的技術變革，并持續推進生物制造技術工藝的升級和迭代。 圖 4：合成生物學狹義概念 資料來源：華恒生物招股書 微生物細胞工廠是合成生物學產業應用的核心環節，經歷了不同的歷史階段。微生物細胞工廠是合成生物學產業應用的核心環節，經歷了不同的歷史階段。20 世紀 90 年代之前， 主要通過非理性誘變及篩選技術獲得目標產物高產菌株，“以時間 （人力）換水平” 。

23、20 世紀 90 年代以來，代謝工程學科逐步創立，利用重組 DNA 技術對生物體中已知的代謝途徑進行有目的的設計，構建具有特定功能的細胞工廠。但由于微生物代謝網絡結構及其調控機制的復雜性，仍然需要耗費大量的時間和精力。當下，全基因組規模定制工程化細胞工廠實現創造性發展，通過將高通量技術在全基因組范圍基因型空間的挖掘與改造相結合， 有望獲得生產效率更為高效、 生產性能更加優越的下一代微生物細胞工廠。 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 3 圖 5：微生物細胞工廠發展歷程 資料來源：微生物細胞工廠的設計構建：從誘變育種到

24、全基因組定制化創制（袁姚夢，邢新會，張翀），中信證券研究部 基于微生物細胞工廠的高效構建，眾多生物基產品已成功實現產業化?；谖⑸锛毎S的高效構建，眾多生物基產品已成功實現產業化。理論上，所有的有機化學品理論上都可以通過合成生物制造來生產。目前，包括生物基丁二酸、長鏈二元酸、乙醇、1,4-丁二醇、異丁醇、1,3-丙二醇、異丁烯、L-丙氨酸、戊二胺、青蒿素等在內的眾多合成生物化學品已經成功實現產業化。隨著合成生物學的進一步發展，以及與人工智能、大數據等新技術的融合加深，未來更多的生物基產品有望通過合成生物法生產，從而促進生物經濟形成，更好地服務于人類社會的可持續發展。 表 1：代表性生物基產

25、品 化學品化學品 微生物微生物 原料原料 公司公司 3-羥基丙酸 大腸桿菌 OPXbio&DowChemical Perstorp 丁二酸 大腸桿菌 玉米糖 BioAmber 大腸桿菌 蔗糖 Myriant（現名 GCInnovationAmerica） 克魯斯假絲酵母 釀酒酵母 淀粉、糖類 Reverdia 巴斯夫產琥珀酸菌 甘油、糖類 Succinity 長鏈二元酸 假絲酵母 玉米 凱賽生物、新日恒力 乙醇 乙醇梭菌 CO 首鋼朗澤 釀酒酵母 蔗糖、玉米糖、木質纖維素 運動發酵單胞菌 馬克斯克魯維酵母 1,4-丁二醇 大腸桿菌 糖類 Genomatica、DuPontTate&Lyle 1

26、,3-丙二醇 大腸桿菌 糖類 DuPontTate&Lyle 乳酸 乳酸菌 玉米 金丹科技 異丁醇 釀酒酵母 糖類 Gevo Butalco Butamax 聚羥基鏈烷酸酯 （PHA） 大腸桿菌 糖類 Metabolix（現名 Yeild10science） 法尼烯 釀酒酵母 Amyris 青蒿素（半合成） 釀酒酵母 Amyris 異丁烯 大腸桿菌 糖類 GlobalBioenergies 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 4 化學品化學品 微生物微生物 原料原料 公司公司 L-丙氨酸 葡萄糖 華恒生物 戊二胺 玉

27、米 凱賽生物 資料來源： 微生物細胞工廠的設計構建：從誘變育種到全基因組定制化創制 （袁姚夢等） ， 合成生物學應用產品開發現狀與趨勢 （陳大明等） ，凱賽生物招股書，華恒生物招股書，相關公司官網，中信證券研究部 生物合成集低成本、高質量、高收率、環境友好度等優勢于一身生物合成集低成本、高質量、高收率、環境友好度等優勢于一身 合成生物學相較于化學工程優勢顯著。合成生物學相較于化學工程優勢顯著。與化學工程相比，合成生物學以可再生生物資源替代不可再生化石資源，以綠色清潔的生物制造工藝替代高能耗高污染的石化、煤化工藝，從而可以擺脫對石油、煤等不可再生資源的依賴，解決化學工程過程中的高耗能和高污染問題

28、，生產過程更為安全、綠色、環保，并大幅度降低生產成本，對于促進國民經濟的可持續發展至關重要。下面以生物法丙氨酸、1,3-丙二醇、長鏈二元酸、聚乳酸為例做具體說明。 表 2：合成生物學與化學工程對比 合成生物學合成生物學 化學工程化學工程 核心技術 生物合成途徑規?；馕?、元件庫建設、高通量組裝和優化、人造系統的調試 化學催化過程、生產工藝包 原料來源 淀粉、纖維素、二氧化碳等可再生碳資源，具有清潔、高效、可再生等特點 石油、煤等不可再生化石資源 反應條件 常溫常壓，反應條件溫和 多需高溫高壓，反應條件嚴苛 技術壁壘 實驗室驗證階段到產業化放大階段技術瓶頸眾多， 一般需要經歷漫長的研究探索和生產

29、實踐 技術發展相對成熟， 新增技術較少， 主要聚焦于現有技術的優化 技術特點 降低工業過程能耗、物耗，減少廢物排放與空氣、水及土壤污染，以及大幅度降低生產成本 能耗較高，二氧化碳、廢水等污染物排放量大，對環境的影響程度更高 涉及學科 生命科學與工程學、系統科學、信息科學、合成科學等的交叉融合 化學、化學工程學、材料學 資料來源： 合成生物制造進展 （張媛媛，曾艷，王欽宏） ，華恒生物招股書，公開資料，中信證券研究部 示例一：生物法丙氨酸。示例一：生物法丙氨酸。丙氨酸是構成蛋白質的基本單位，是組成人體蛋白質的 21種氨基酸之一，廣泛應用在日化、醫藥及保健品、食品添加劑和飼料等眾多領域。國內丙氨酸

30、生產企業主要包括煙臺恒源、豐原生化、華恒生物等，國外丙氨酸生產企業主要為武藏野。 其中， 煙臺恒源通過酶法生產 L-丙氨酸， 豐原生化采用微生物發酵法生產 L-丙氨酸，華恒生物擁有發酵法和酶法兩種生產路線，而武藏野通過化學合成法生產 DL-丙氨酸。 表 3：全球丙氨酸主要生產企業及其生產方法 公司公司 主要產品主要產品 生產方法生產方法 華恒生物 丙氨酸系列產品、-熊果苷、D-泛酸鈣等 發酵法和酶法生產丙氨酸系列產品 煙臺恒源 富馬酸、L-天冬氨酸、L-丙氨酸 酶法生產 L-丙氨酸 豐原生化 新材料聚乳膠、氨基酸、有機酸系列產品 微生物發酵法生產 L-丙氨酸 武藏野 純天然乳酸及其鹽、酯系列產

31、品、DL-丙氨酸 化學合成法生產 DL-丙氨酸 資料來源：華恒生物招股書，中信證券研究部 酶法和生物發酵法生產丙氨酸發展成為主流工業生產技術。酶法和生物發酵法生產丙氨酸發展成為主流工業生產技術。在丙氨酸生產工藝的技術演變中，天然提取法和化學合成法存在成本過高、合成路線較長和環保壓力大等問題，目前，工業生產丙氨酸產品的前沿工藝主要為酶法和生物發酵法。酶法由石油化工產品作起 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 5 始原料，借助酶的催化作用通過生物轉化反應獲得所需 L-氨基酸。生物發酵法生產氨基酸是利用微生物具有能夠合成其

32、自身所需各種氨基酸的能力，通過對菌株的誘變等處理達到過量合成 L-丙氨酸的目的。 圖 6：丙氨酸的酶法和生物發酵法生產工藝 資料來源：氨基酸工業發展報告（杜軍），中信證券研究部 生物發酵法在產品成本與質量、工藝路線、環境友好度等方面優勢顯著。生物發酵法在產品成本與質量、工藝路線、環境友好度等方面優勢顯著。從原料端來看，生物發酵法制備丙氨酸以可再生葡萄糖等生物質為原料，相較于化學合成法與酶法降低了對不可再生石化資源的依賴，實現生物質資源對化石資源的替代。從工藝端來看，生物發酵法避免了化學合成法的高溫高壓條件，反應條件溫和且轉化率高，產品質量高，發酵周期短，展現出綠色環保優勢。尤其是厭氧發酵法，反

33、應無需通入空氣，減少發酵過程的污染風險，且無二氧化碳排放，相較于酶法生產 1 摩爾丙氨酸產品降低 1 摩爾二氧化碳排放量。 表 4：丙氨酸生產工藝優勢對比 天然提取法天然提取法 化學合成法化學合成法 酶法酶法 生物發酵法生物發酵法 產量 低 高 高 高 產品成本 高 高 較高 低 核心步驟 強酸水解 化學催化 酶催化 微生物發酵 技術要求 低 低 高 高 工藝路線 長 長 短 短 產品質量 低 高 高 高 原材料來源 可再生 石油基 石油基 可再生 環境友好度 低 低 較高 高 資料來源：華恒生物招股書，中信證券研究部 參看華恒生物以酶法和生物發酵法生產 L-丙氨酸的成本，根據其招股書披露，華

34、恒生物近年生物發酵法生產 L-丙氨酸的平均單位成本約 8635 元/噸， 而酶法生產 L-丙氨酸的平均單位成本為 17,427 元/噸，發酵法生產成本僅為酶法的一半。華恒生物發酵法 L-丙氨酸的近年平均毛利率約 46%，也遠高于酶法的 25%，展現出極大的成本優勢。另外，華恒生物發酵法生產 L-丙氨酸的轉化率在 95%以上，而酶法通常低于 67%，是合成生物學在化學品生產領域發揮經濟效益的典型實例。 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 6 圖 7：華恒生物發酵法 L-丙氨酸單位成本及毛利率 資料來源：華恒生物招股書，

35、中信證券研究部 圖 8：華恒生物酶法 L-丙氨酸單位成本及毛利率 資料來源：華恒生物招股書，中信證券研究部 示例二：生物法示例二：生物法 1,3-丙二醇。丙二醇。1,3-丙二醇是一種重要的化工原料，最主要的用途是作為聚合物單體合成性能優異的高分子材料 PTT 等，也可作為有機溶劑應用于油墨、印染、涂料、潤滑劑、抗凍劑等行業，還可用作藥物合成中間體。全球 1,3-丙二醇的主要生產企業包括 Shell、Degussa、DuPont 等，其中 Shell 和 Degussa 分別采用環氧乙烷法和丙烯醛法的化學合成方法生產 1,3-丙二醇， DuPont 與 Genencor 合作致力于以微生物發酵法

36、生產 1,3-丙二醇。 表 5：全球 1,3-丙二醇主要生產企業及其生產方法 公司公司 廠地廠地 產能（萬噸產能（萬噸/年）年） 生產方法生產方法 Shell 美國路易斯安納州 Gesmar 7.2 環氧乙烷法 Degussa 德國韋塞林 0.9 丙烯醛法 DuPont 美國伊利諾依州德卡杜爾 4.5 生物發酵法 資料來源： 1,3-丙二醇生產工藝的對比及選擇 （韓克星） ，中信證券研究部 生物發酵法生產生物發酵法生產 1,3-丙二醇近年興起。丙二醇近年興起。 DuPont 公司采用 Genencor 的 Design-PathTM技術，成功地將來自三種不同微生物的 DNA 組合到一個菌株上，

37、從而一步將葡萄糖轉化為 1,3-丙二醇。而丙烯醛法通過丙烯醛水合生成 3-羥基丙醛，然后液相加氫生成目的產物1,3-丙二醇；環氧乙烷法通過環氧乙烷經氫甲?；紫壬?3-羥基丙醛，進一步加氫反應得到 1,3-丙二醇。 圖 9：1,3-丙二醇三種生產工藝 資料來源：1,3-丙二醇生產工藝的對比及選擇（韓克星），中信證券研究部 38%40%42%44%46%48%50%52%050001000015000200002017201820192020H1單位售價（元/噸）單位成本（元/噸）毛利率（右軸）0%5%10%15%20%25%30%0500010000150002000025000201720

38、1820192020H1單位售價（元/噸）單位成本（元/噸）毛利率（右軸） 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 7 生物法生物法 1,3-丙二醇競爭優勢顯著。丙二醇競爭優勢顯著?；瘜W合成法因其投資高、副產物多、選擇性差、操作條件苛刻、化學原料不可再生且為易燃易爆劇毒的危險品等缺點，很難形成持續性的大規模工業生產。生物轉化法具有工藝選擇性高、操作條件溫和、原料可再生等優點。根據1,3-丙二醇不同工藝生產成本的估算，生物發酵法生產成本約 1222 美元/噸，較丙烯醛法降低約 38%，相較于環氧乙烷法降低約 30%，優勢顯

39、著?？偟膩砜?，生物發酵法已漸漸成為生產 1,3-丙二醇的重要方法， 在生產成本、 安全性、 環境友好度等方面具有競爭優勢。 表 6：1,3-丙二醇生產工藝優勢對比 生產工藝生產工藝 生產成本 （美元生產成本 （美元/噸）噸） 優點優點 缺點缺點 環氧乙烷法 1742 工藝技術比較成熟 投資大，技術難度大，產品的分離難度大，成本高，副產物多，選擇性差， 操作條件需高溫高壓， 所利用的化學原料均為不可再生的石油或煤炭資源，且環氧乙烷和丙烯醛均屬易燃易爆和劇毒的危險品 丙烯醛法 1966 葡萄糖生物發酵法 1222 工藝選擇性高、操作條件溫和、原料可再生 工藝技術壁壘較高 資料來源： 1,3-丙二醇

40、生產工藝的對比及選擇 （韓克星） ， 1,3-丙二醇的生產技術 （婷婷） ，中信證券研究部 示例三：生物基長鏈二元酸。示例三：生物基長鏈二元酸。長鏈二元酸（DCA）作為一種精細化學品，廣泛應用于高性能長鏈聚酰胺、高檔潤滑油、高檔熱熔膠、粉末涂料、高等香料、耐寒增塑劑、農藥和醫藥等諸多下游應用市場。長鏈二元酸的制備工藝分為植物油裂解法、化學合成法和生物發酵法三種，目前國內市場上基本采用生物發酵法，在產產能約 9.7 萬噸/年；國際市場上仍存傳統化學合成法約 2 萬噸/年在產產能；而植物油裂解法受限于產品產量，不適用于大規模工業化生產。 表 7：全球長鏈二元酸生產企業及其生產方法 生產方法生產方法

41、 企業企業 產品類型產品類型 產能（萬噸產能（萬噸/年）年） 待投情況待投情況 生物發酵法 凱賽生物 DC1018 7.5 DC10 4 預計 2022 年上半年建成投產 新日恒力 DC12 5 2021 年 10 月月桂二酸項目正式投產，已開啟二分之一產能 瀚霖生物 DC1113 2 廣通化工 DC1218 0.2 化學合成法 贏創、UBE 等國外公司 DC12 2 資料來源：中能集團生物基二元酸項目可研性報告，中信證券研究部 生物發酵法生產工藝占據主導。生物發酵法生產工藝占據主導。生物發酵法制備長鏈二元酸是以長鏈烷烴、玉米漿、葡萄糖等原料，通過工程菌胞內酶對長鏈烷烴氧化的特異性和專一性，將

42、其催化合成為相同鏈長的長鏈二元酸； 之后對發酵液進行多級過濾、 結晶、 干燥等操作， 進一步提取產品。而化學合成法從某一種低碳鏈的二元酸開始，通過脂化、還原、溴化、氰化和腈的水解等一系列化學反應步驟，最終合成得到多 2 個或 3 個碳原子的二元酸。 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 8 圖 10：長鏈二元酸的生物發酵法生產工藝 資料來源：新日恒力官網，中信證券研究部 生物基長鏈二元酸具有產品種類更豐富、成本更低及更環保等優勢。生物基長鏈二元酸具有產品種類更豐富、成本更低及更環保等優勢?；瘜W合成法生產長鏈二元酸合成條

43、件苛刻（200、10MPa） ，合成步驟復雜，環境污染嚴重，且產品收率低、成本高，迄今只有十二碳二元酸(DC12)通過化學合成法工業化生產。而生物發酵法原料來源廣，反應條件溫和，沒有環境污染，成本低、收率高，可以大規模工業化生產，展現出無可比擬的優越性。目前，生物法制備長鏈二元酸在我國已經取代了傳統的化學合成法，逐漸從實驗室研究發展到工業化生產。 表 8：長鏈二元酸生產工藝優勢對比 植物油裂解植物油裂解 化學合成法化學合成法 生物合成法生物合成法 生產工藝 從蓖麻籽油、菜籽油、蒜頭果油通提取出前驅體，再經氧化裂解制取。 從某一種低碳鏈的二元酸開始，通過脂化、還原、溴化、氰化和腈的水解等一系列化

44、學反應步驟，合成多 2 個或 3 個碳原子的二元酸 以石化副產正烷烴或脂肪酸為原料，采用微生物發酵的方法生產長鏈二元酸 產物品種 DC10、DC13、DC15 迄今只有十二碳二元酸(DC12)可以通過化學方法合成，進行工業化生產 產品多樣化， 涵蓋從 DC11DC18 的各種長鏈二元酸 反應條件 氧化裂解反應條件要求適中 條件苛刻，既需高溫、高壓和催化劑，又需防火、防爆和防毒裝置 整個生產過程在常溫、常壓下進行，生產條件溫和 環境友好度 較為友好 強酸催化，污染嚴重，能耗高 不造成環境污染 工藝復雜性 較復雜 經過 9 個復雜的反應步驟 利用微生物特有的氧化能力，工藝簡單 規模 受農田和氣候等

45、條件限制，產量不大 大規模工業化生產受限 規模大 純度 70% 99% 98.599.5% 收率 一般 低 高 成本 一般 高 成本低，僅為化學合成法的三分之二 資料來源： 生物合成長鏈二元酸新產業的崛起 （陳遠童） ，中能集團生物基二元酸項目可研性報告，中信證券研究部 示例四：生物基聚乳酸。示例四：生物基聚乳酸。生物塑料是新生代塑料，是相對于石油基、不可降解的傳統塑料而言的，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來源于可再生生物質資源，另一方面使用后可在自然環境條件下能降解成對環境無害的物質，在塑料污染治理趨緊的當下受到廣泛關注。聚乳酸（PLA）是目

46、前是全球范圍內產業化最成熟、產量最大、應用最廣泛的生物基生物可降解塑料，預計未來產能將大幅度提升，能緩解目前供不應求的局面。 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 9 圖 11：生物塑料與傳統塑料種類 資料來源： 中國塑料的環境足跡評估 （北京石油化工學院） ，中信證券研究部 圖 12：生物可降解塑料的現有及預計增加產能 資料來源： 中國塑料的環境足跡評估 （北京石油化工學院） 生物基聚乳酸由生物法乳酸聚合而成。生物基聚乳酸由生物法乳酸聚合而成。聚乳酸的生產工藝分為以乳酸單體直接脫水縮聚的一步法，以及先將乳酸脫水生成丙

47、交酯、再開環聚合制得聚乳酸的兩步法，目前世界上生產高品質大分子量聚乳酸均采用兩步法。其中，乳酸多由微生物發酵法生產得到，采用玉米、小麥、甜菜、番薯等淀粉質原料得到葡萄糖，進一步在乳酸菌的作用下發酵生產乳酸。因其工藝相對簡單、原料充足、產品性能良好，生物發酵法成為世界上大部分乳酸制造企業的生產方法。 圖 13：生物基聚乳酸的生產工藝 資料來源：金丹科技招股書，中信證券研究部 生物基聚乳酸塑料相較于石油基傳統塑料能耗、水耗、碳排放優勢顯著生物基聚乳酸塑料相較于石油基傳統塑料能耗、水耗、碳排放優勢顯著。生物基聚乳酸塑料憑借原料的可再生性、生產使用過程中的低碳排放，以及廢棄后的可生物降解性等優勢，已在

48、許多領域開始替代傳統石油基塑料。根據中國塑料的環境足跡評估報告，以玉米為原料的聚乳酸塑料能耗、水耗及碳排放量都遠低于 PE、PP、PVC、PS、ABS等石油基傳統塑料。隨著世界范圍內垃圾分類和“限塑令”的強制性逐步升級，生物基聚乳酸塑料替代傳統塑料的進程正在加速，預計在未來具有廣闊的發展前景。 能源化工能源化工行業行業合成生物學深度專題合成生物學深度專題2022.3.21 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 10 圖 14：不同種類塑料能耗系數、碳排放系數和取水系數 資料來源：中國塑料的環境足跡評估（北京石油化工學院），中信證券研究部 碳中和趨勢下合成生物企業成本優勢有望進一步放大碳中和趨勢下合

49、成生物企業成本優勢有望進一步放大 溫室氣體排放總量中占主導地位的是化石能源二氧化碳的排放。溫室氣體排放總量中占主導地位的是化石能源二氧化碳的排放?；茉窗?、石油、天然氣等天然資源，是目前的主要能源來源之一，2020 年約占全球一次能源需求的 83%。 然而， 全球溫室氣體排放中有三分之二以上來自化石燃料二氧化碳的排放， 因此，降低化石燃料在能源消費結構中的比例，推動化石能源向新能源加快轉型，成為實現碳中和目標的必要途徑之一。 圖 15：全球一次能源消費結構（2020 年） 資料來源：BP 世界能源統計年鑒，中信證券研究部 圖 16：全球溫室氣體排放來源 資料來源：聯合國環境規劃署 生物質

50、替代化石資源生產人類必須的燃料和材料，可顯著降低二氧化碳排放。生物質替代化石資源生產人類必須的燃料和材料，可顯著降低二氧化碳排放。利用淀粉、 葡萄糖、 纖維素等可再生生物資源生產得到生物基材料， 大大降低了工業過程的能耗、物耗，從而減少二氧化碳排放，彰顯出優秀的減排能力。據 Kefeng Huang 等于 2021 年在 Greenhouse Gas Emission Mitigation Potential of Chemicals Produced from Biomass論文統計，除低轉化率（25%）的生物甲醇外，所有生物基材料的單位溫室氣體排放量都低于石化材料。在保守的假設（即 25%