【山西证券】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.pdf

2024-04-02

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1. 产业分析：工程化合成万物，提高生物产品竞争力

1.1 DBTL 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。

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，进入细胞合成的物质流较少，底物利用率和产品转化率较高。然而，厌氧发酵法的瓶颈在于，微生物经由厌氧发酵时由于不经过三羧酸循环，细胞几乎不利用氧气，容易造成还原力无法循环而失衡，阻碍菌体生长。中国科学院天津工业生物技术研究所张学礼团队创制的厌氧生产L-丙氨酸技术通过重新设计大肠杆菌代谢网络，实现平衡胞内还原力，获得在厌氧型发酵下高效合成L-丙氨酸。该基因工程菌株可以实现一步发酵合成 L-丙氨酸，发酵过程不产生二氧化碳排放，产品转化率提升到 90%，生产成本下降 50%。

底层技术的迭代发展推动了合成生物学研发成本的大幅降低。根据亿欧智库，人类基因组测序完成以后，基因测序的成本下降速度超过摩尔定律；第三代基因编辑技术——CRISPR/Cas9 的诞生相较于前两代技术，操作过程较为简单，因此也得以迅速普及；基因合成的技术也在不断提升，随着 DNA 合成成本的下降、组装和移植技术的不断改进，人们开始逐步具备对全基因组进行从头设计与合成的能力。“读、改、写”领域技术的持续迭代有望推动合成生物学研发成本的大幅降低。

1.2 产业链分析：市场空间广阔，政策及资本高度关注

按照我们在图一中对于合成生物制造流程的解释，我们将合成生物制造产业链划分为微生物菌株构建（DBTL 循环）、发酵工程、分离纯化和应用开发四个环节，而参与企业可分为上游工具层、中游平台层和下游应用层三类。 DBTL 循环作为合成生物制造的基础，包含了上游工具层和中游平台层的企业。上游工具层企业主要提供合成生物学底层的技术和原料，包括 DNA 测序、DNA 合成、基因编辑、细胞培养基以及菌株。目前市场将不参与具体产品的后端商业化开发，通过整合工具层企业技术，搭建合成生物学自动化平台以实现 DBTL 循环，以为下游客户代工、参股或授权费的形式获得收入的企业称为平台型（平台层）企业。对于平台型企业而言，提升代工项目数量和质量，积累合成生物学微生物库，构筑强大的自动化技术壁垒是主要的发展策略。

应用层企业也称为产品型企业，专注于合成生物学产品的商业化。产品型合成生物学企业通常涵盖了发酵工程、分离纯化和应用开发三大环节，但不一定必须具备上游开发合成生物学平台的能力，部分企业可通过外包或合作的模式获取生产代谢产物的菌种或酶。产品型企业通过以合成生物学产品商业化落地的方式而获得收入，因此须投资建设发酵工厂，解决分离纯化环节难题，寻找产品下游客户及销售渠道，甚至主导合成生物学产品的下游应用开发。

合成生物学基础研究推进，产业资本加速投资，各国政府高度重视，2024 年我国政府工作报告强调生物制造为经济增长新引擎。根据《从全球专利分析看合成生物学技术发展趋势》及亿欧智库统计，2016-2021 年期间，全球合成生物学领域企业融资额由不足20 亿美元提升至180 亿美元，合成生物学企业融资额的快速提升主要得益于合成生物学领域基础研究的持续发展，2019 年全年合成生物学领域相关论文的数量已超过 1 万篇。近年来全球各国陆续出台一系列的合成生物扶持政策，包括建设合成生物学研究中心、进行项目资助，目前英美等国政府进度较快。我国政府也高度重视合成生物学的发展，2008 年香山科学会议首次探讨了合成生物学背景、进展和展望，并连续多年开展了合成生物学专题学术讨论，2022 年《“十四五”生物经济发展规划》明确将合成生物学列为重点发展方向。2024 年的政府工作报告中强调，“积极培育新兴产业和未来产业……积极打造生物制造、商业航天、低空经济等新增长引擎。”

2024 年全球合成生物学市场规模有望达到 189 亿美元，2019-2024 年期间CAGR或为28.8%，麦肯锡预测 2025 年合成生物学经济影响达到 1000 亿美元。根据CBInsights 数据，2019年全球合成生物学产业市场规模约为 53 亿美元，其中医疗健康、科研、工业化学品、食品饮料、农业和消费品分别占全球合成生物学市场份额的 39.7%、27.9%、20.9%、4.0%、3.5%以及 4.1%。到 2024 年，医疗健康、科研、工业化学品、食品饮料、农业和消费品六大板块的市场规模或将增长至 50.22 亿美元、39.61 亿美元、37.47 亿美元、25.75 亿美元、22.33亿美元、13.46 亿美元，对应的复合增长率分别为 18.9%、21.7%、27.5%、64.6%、64.2%以及43.9%。此外，麦肯锡预测到 2025 年合成生物学与生物制造的经济影响将达到1000 亿美元。

合成生物学在化工领域已展现出替代潜力，生物基塑料、生物基材料和生物能源为当前主要的发展方向。1,3 丙二醇（PDO）为最早应用合成生物学方法生产的生物基材料之一。在生物法工艺发明以前，杜邦及德固赛采用丙烯醛水合氢化法生产，首先通过丙烯醛的水化反应生成 3-羟基丙醛，随后通过加氢反应合成出 1,3-丙二醇，但丙烯醛水合氢化法的工艺缺陷在于丙烯醛获取困难、丙烯醛的剧毒性质以及产物质量相对较低。2003 年，杜邦通过工程菌将玉米水解产生的葡萄糖转化为 1,3-丙二醇，凭借原料易得、反应条件温和、环境友好等优势实现了对化学法的替代，并由此获得了美国总统绿色化学奖，并于2006 年实现生产。2009年，BioAmber 公司以小麦为底物，利用大肠杆菌成功实现了由葡萄糖生产丁二酸（也称琥珀酸）。2011 年，美国 Genomatica 公司积极从甘蔗、甜菜、玉米及其他植物中提取糖类原料，利用大肠杆推进 1,4-丁二醇生产的工业化进程。生物塑料的案例之一为凯赛生物，凯赛生物已经实现了生物法长链二元酸及生物基聚酰胺的量产。生物能源方面，Amyris 以甘蔗为底物生产生物法尼烯，Gevo 实现了纤维素异丁醇的生产，并且可以转化为异丁烯和石蜡基煤油。帝斯曼、科莱恩、杜邦等企业持续在纤维素乙醇的应用进行探索。

1.3 合成生物制造减碳降本，技术迁移性强，拓品空间大

合成生物制造相比传统化工三大优势：其一，合成生物制造原材料可再生，制造过程中反应条件温和，有效降低碳排放。首先，就材料端而言，传统化学合成法通常以原油和煤炭等化石能源的加工品为原材料，而合成生物学以糖类和纤维素等可再生的生物质为原材料，生物质在光合作用中可吸收二氧化碳。其次，就生产过程而言，生物制造过程通常在常温常压条件下进行，能耗低且产生污染相对较少，也能够显著削减生产过程中的碳排放。根据《Bio-based Chemicals A 2020 Update》一文的测算，与化学法相比，以乙酸和丙烯酸等为代表的 13 种生物基化学品每吨二氧化碳减排量可高达1.2-5.2 吨。

其二，生物制造相对化学工艺能耗成本降低，且菌种能够实现迭代优化，因此部分精细化学品仍具备显著的降本空间。以丁二酸为例，丁二酸是一种优秀的平台化合物，在化工、材料、医药、食品领域有着广泛的用途，被美国能源部列为未来12 种最有价值的平台化合物之一，可以衍生出众多下游产品，如 1,4-丁二醇、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、2-吡喏烷酮。丁二酸和 1,4-丁二醇聚合得到的 PBS（聚丁二酸丁二醇酯）是一种性能优良的生物全降解塑料。丁二酸远期市场潜力超过 270 万吨，大约有 250 种可以用苯为原料生产的化工产品都可以通过丁二酸为原料生产。一旦实现丁二酸的大规模生产，就可以部分取代石油化工产品苯。基于顺酐为原料的石油化工路线丁二酸工艺复杂，且常需高温高压，能耗物耗较高，同时化学合成还会造成严重的环境污染。张学礼团队通过理性改造和进化代谢技术提高丁二酸生产能力，设计的丁二酸合成途径使丁二酸的糖酸转化率接近理论最大值，生物法生产丁二酸单吨成本约1万元，相比化学法的 1.4 万元降低约 29%，丁二酸成本的大幅下降有望推动可降解塑料PBS的商业化进程。

其三，合成生物制造研发经验和设备可共用，拓品空间广阔。以凯赛生物的长链二元酸为例，长链二元酸是合成香料、尼龙工程塑料、热熔胶、树脂、耐寒性增塑剂、医药和农药等的重要原料，其中十二碳二元酸（DC12）和十四碳二元酸（DC14）分别是合成高级尼龙工程塑料尼龙 1212 和尼龙 1414 等的重要原料。十二碳以上的长链二元酸在自然界中并不存在，化学法合成路线长，反应需要高温高压，对催化剂要求比较苛刻，因此在工业规模上的长链二元酸品种较少，只有十二碳长链二元酸等少数品种，且收率较低，目前没有经济可行的合成方法，因此利用微生物的特异性转化能力，在常温常压下转化正烷烃或脂肪酸生成相应的长链二元酸成为新的方向。凯赛生物的生物法生产长链二元酸的重要优点在于可以使用相同的微生物、相同设备以及培养基，通过提供不同底物的方案生产各种不同碳链长度的长链二元酸，而化学合成法仅能生产单一二元酸，因此既降低了不同长链二元酸的生产成本，也有效的拓宽了产品品类。依托丰富的长链二元酸品种以及生物基戊二胺技术，公司可生产从尼龙510 到尼龙518等长链尼龙产品。

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

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

碳边境调节机制（Carbon Border Adjustment Mechanism，CBAM）是欧盟希望使用碳关税逐步替代免费配额，解决气候政策不对称，使欧盟内外“碳平价”的手段。CBAM是欧盟在权衡自身贸易竞争力和碳中和目标后的政策产物。2007 年，法国前总统希拉克为应对美国选择不签署《京都议定书》和后《京都议定书》的状况，首次提出了征收产品碳关税。2021年 7 月，欧盟为了实现 “Fit for 55”目标（到 2030 年，欧盟温室气体净排放量较1990年至少减少55%；到2050年实现碳中和），公布了减排一揽子计划，引入了有关欧盟碳市场（EUETS）的改进措施，其中首次公布《建立碳边境调节机制》的提案细则，表明欧盟将通过征收碳关税来实现全球碳减排的目标。欧盟碳排放权交易系统（EU ETS）在其成立之初便面临了欧盟工业部门对于“碳泄漏”风险的担忧。如果欧盟境内企业的碳排放成本高昂，则有动力选择将生产转移到碳成本较低的境外国家，这将会对欧盟制造业发展和贸易格局形成冲击。因此在欧盟碳市场成立早期的 2005 至 2012 年期间，欧盟碳市场的配额绝大部分免费发放，但这导致碳市场未能起到激励减排的作用。根据妙盈研究院，2021 年以后，欧洲碳市场开始采取配额有偿拍卖机制，所有企业所需的配额都需要拍卖所得，其中能源行业没有任何的免费配额，需要全部通过拍卖获得；制造业的免费配额比例逐年下降，企业的实际生产成本或将持续上升。基于欧盟在全球商品消费市场中的重要地位，欧盟选择对进口商品进行同样的碳约束，为此欧盟制订碳边境调节机制（CBAM）。2022 年 6 月 22 日欧洲议会通过了议会版的CBAM方案。2023年 10 月起，欧盟正式开始 CBAM 过渡期试运行阶段，计划于2026 年1 月起正式开征碳关税。

CBAM 征收方式：过渡期无需缴纳，正式期碳税=碳排放量×欧盟与进口产品碳排放成本差额。在过渡期期间，相关行业的进口商品仅限于报关义务以及提供产品相关碳排放数据和情况，无需真实缴纳关税。过渡期结束后，欧盟将于 2026 年 1 月1 日开始以电子许可证的方式进行征收碳关税，单位碳排放所需缴纳的税额等于欧盟企业碳排放成本和进口产品碳排放成本的差额。在碳排放量的计算方面，现阶段主要核算产品的直接碳排放。基于“碳泄漏”风险和碳排放量较高的选择标准，现阶段 CBAM 适用于以下六大类进口到欧盟的商品：钢铁、铝、氢、水泥、化肥、电力，未来间接排放也可能被纳入碳关税征收范围。此外，欧盟还可能将塑料制品等其他存在碳泄漏风险的产品纳入 CBAM。由于欧盟实行碳排放交易制度多年，部分企业拥有部分免费碳排放额度，在 2026 年过渡期结束以后，欧盟计划逐步减少分配给本土企业的免费排放配额，并于 2034 年完全取消。基于公平原则，在计算进口产品碳关税时按照相应比例对其碳排放进行扣除，进口产品在生产国已经支付的碳排放成本也可以予以抵扣。

CBAM 的实施构成“绿色贸易壁垒”，欧盟体外地区出口欧盟成本将提升。CBAM形成了事实上的“绿色贸易壁垒”，这有利于避免欧洲企业在国际竞争中由于更高的碳排放成本而处于劣势地位。现阶段 CBAM 只豁免已加入欧盟排放交易体系的非欧盟国家，或者与欧盟碳市场挂钩的国家，而且这些国家必须对商品实际征收碳价。提案并未给予发展中国家和最不发达国家特殊待遇。对于中国和越南等生产型发展中国家，由于二氧化碳排放强度较发达国家更高，因此未来产品出口成本将进一步提升。

在过渡期内，六大碳排放密集型行业面临一定冲击，2026 年后行业覆盖将扩大。目前碳关税的涵盖范围包括钢铁、水泥、铝、化肥、电力、氢气共六个行业，覆盖标准考虑三方面因素： 1）上述行业碳泄漏风险高； 2）上述行业产生了 EU ETS 覆盖行业超过 45%的温室气体排放；3）实际的实施可行性。短期内 CBAM 对中国产品出口的影响较小，但长期影响将扩大，生物基材料的原料优势及合成生物制造的减排优势将转化为成本优势。2022 年，我国出口至欧盟的钢铁和铝金额分别为 169.1 亿美元和 53.7 亿美元，化肥和水泥出口额为 3.5 亿美元、0.1 亿美元，但上述CBAM产品的出口总金额仅占我国对欧盟出口商品总额的 4%。然而，欧委会正考虑逐步扩大CBAM的覆盖行业和范围，并纳入间接排放等因素，长期看随着免费配额的逐渐削减，出口成本将进一步提升。对于钢铁而言，根据李涛等人测算，如果按生铁价格每吨3180 元计算，随着免费配额削减速度的逐年加快，预计 2026 年以后生铁出口欧盟的单吨成本提升幅度将由3.8%上升至 2034 年的 35%。对于铝而言，根据安泰科数据，若只考虑直接排放，CBAM调节税使欧盟铝商品进口成本增加约 4%；若纳入间接排放，进口成本则提升13%。

我国推进《碳排放交易管理暂行条例》，加快构建碳排放基本制度框架。2024 年1月我国国务院总理签署国务院令，公布《碳排放权交易管理暂行条例》，自2024 年5 月1日起实施。该条例是通过市场机制控制和减少二氧化碳温室气体排放、助力积极稳妥推进双碳目标的重要政策工具。《条例》明确了监督管理机制，国务院生态环境主管部门建立全国碳排放权交易市场管理平台，加强对碳排放配额分配、清缴以及重点排放单位温室气体排放情况等的全过程监督管理，积极推进碳排放权交易管理基本制度框架的构建。除欧盟CBAM及我国，美国清洁竞争法案和 G7 国家气候俱乐部均有可能推出碳关税相关的政策。我们认为生物基材料及合成生物技术凭借低碳减排优势，在全球双碳政策的推动下渗透率有望进一步提升。

2.2 非粮化路线力图解决长期碳源隐忧

以粮食为碳源的合成生物制造长期或面临“与人争粮”问题。短期来看，生物基塑料和精细化工品由于产品体量相对较小，因此对玉米等粮食作物的消耗相对较低。根据欧洲生物基塑料会议测算，2022 年全球生物基塑料产能为 221.7 万吨，所需作物使用的农业用地面积约为80 万公顷，仅占全球的 0.017%；预计到 2027 年产能将提升至629.1 万吨，所需作物使用的农业用地面积占比提升至 0.058%，短期看对农业用地影响较小。生物燃料作物耗用的农业用地面积约 2 亿公顷，占全球农业用地面积的 4.13%，因此生物燃料的商业化和粮食作物的生产形成了竞争关系。目前，在燃料乙醇得到广泛应用的美国、巴西以及欧盟地区，生物乙醇主要以酿酒酵母为底盘，通过对大宗糖原料的发酵炼制而获取，而作为发酵原料的糖则主要通过对玉米和甘蔗等富糖生物质的处理而制备，也称为“第一代生物燃料”技术体系。从2000年开始，我国陆续颁布了至少 11 项相关政策，强调粮食库存动态监管，严格控制以玉米为原料的燃料乙醇加工。

探索以非粮生物质为原料的合成生物学产业化发展是长期必经之路。2023 年1月，工业和信息化部等六部门联合印发《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》，《行动方案》提出突破非粮生物质高效利用关键技术、推进技术放大和应用示范、强化渗透能力拓展应用领域、培育龙头企业和特色产业基地、强化产业支撑体系建设等 5 大任务；到2025 年，非粮生物基材料产业基本形成自主创新能力强、产品体系不断丰富、绿色循环低碳的创新发展生态，非粮生物质原料利用和应用技术基本成熟，部分非粮生物基产品竞争力与化石基产品相当，高质量、可持续的供给和消费体系初步建立。

生物质资源利用三代技术差异：第一代利用粮食作物，第二代利用非粮生物质，第三代利用二氧化碳。物质资源利用根据原材料和利用方式的区别，可以划分为三个代际技术：第一代开发技术以粮食作物、糖类为原料，是当前阶段主要的生物质开发手段。第二代开发技术以非粮生物质为原料，主要包括木薯等淀粉类经济作物、木质纤维素(农作物秸秆、林业废弃物、薪炭林、木体油料林、灌木林)、有机生活垃圾、畜禽粪污、生活污水污泥等。第三代技术旨在利用大气中的 CO₂和可再生能源，例如光、废水中的无机化合物、光伏电池和风能等可持续资源产生的电能来进行生物生产。

非粮生物质产业化的难点众多，规模化收储、高效糖化、菌株开发及分离纯化有待突破。首先，秸秆等非粮原料集中收储的机械化程度有显著的提升空间。其次，非粮原料，特别是木质纤维素，原料较为复杂，主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素，经过预处理与酶解产生的水解液中抑制物成分多、含量高，抑制工业菌株的生长和发酵生产，目前常用的工业菌株对抑制物耐受性较差，尤其是可高效利用木质纤维素水解液的菌株匮乏，导致五碳糖和六碳糖共利用难。目前主要的解决方法是对木质纤维素中的纤维素、半纤维素、木质素进行剥离，减少预处理过程中抑制物的浓度，或去除水解液中的抑制物，从而提高菌株对水解液糖的利用率。但当前的处理方法步骤繁琐、效率低，且会增加额外成本。因此，筛选和构建能够在抑制物存在下高效利用水解液混合糖（五碳糖与六碳糖）的高产稳产工业菌株是解决当前非粮大宗化工品生产经济性的关键之一。另外，非粮原料生产的产物可能产生副产物，生产效率有所降低，下游分离纯化成本提升。面对非粮生物质开发问题，目前学术界与产业界均在积极寻找解决方案。

华恒生物与睿嘉康：探索运动发酵单胞菌在非粮原料生产大宗醇酸领域应用。2023年8月，根据《华恒生物关于向参股公司增资暨关联交易的公告》显示，华恒生物对武汉睿嘉康增资，增资完成后持有睿嘉康 11.0345%的股权。武汉睿嘉康创始人杨世辉先生长期从事合成生物学、代谢工程及绿色生物制造研究。睿嘉康主要针对非粮厌氧有机醇酸管线的生物燃料、生物材料进行布局与研究，以具有诸多工业发酵优势的运动发酵单胞菌为底盘细胞，在其系统生物学及合成生物学等领域取得了开创性成果，开发完善了具有自主知识产权的基因编辑、生物元件筛选鉴定及菌株基因型与表型关联分析等系统与合成生物学工具平台体系与数据库，成功设计构建生产生物质燃料乙醇、异丁醇、乳酸、PHB 等多种生物燃料与生物材料的工业菌株，实现对农业秸秆、水华藻体、废弃淀粉等多样化非粮废弃生物质原料的利用。睿嘉康拥有的运动发酵单胞菌，解决了非粮原料复杂成分中弱酸、糠醛及酚醛类抑制物限制常用工业菌株生长和发酵的行业痛点，突破了非粮原料生产大宗化学品的瓶颈，部分产品将进入中试阶段。目前华恒生物正与睿嘉康洽谈非粮废弃生物质为原料的大宗醇酸产品合成生物制造技术研发合作事宜，未来华恒生物有望通过整合睿嘉康工业菌株改造技术丰富产品矩阵，并推动非粮生物质产业化。

圣泉集团：掌握生物质精炼一体化技术，全球生物质秸秆绿色节能综合利用引领者。圣泉集团是全球领先的合成树脂产品供应商，酚醛树脂、呋喃树脂产销量位于国内首位，世界前列。公司自 1979 年建厂就涉足生物质产业，研发的“圣泉法”生物质精炼一体化技术入选国家发改委《绿色技术推广目录》（2020 年）。该技术绿色环保、高效节能，系统性解决了秸秆中纤维素、半纤维素、木质素三大组分难以高效分离的全球性难题，实现了高值化利用，可产出上百种产品：纤维素部分，生产纳米纤维素、纸浆、生物质模塑餐具等；半纤维素部分，既可生产糠醛，又可生产木糖、L-阿拉伯糖；木质素部分，可生产生物质树脂炭、硬碳负极材料、染料分散剂、沥青乳化剂、航空煤油等；剩余部分可生产有机钾肥。该项技术产业化有望打破长期以来对化石原料的依赖和国外垄断，真正将秸秆“吃干榨净”，致力于实现生物质化工、石油化工、煤化工的并驾齐驱。

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

为分析合成生物学企业发展路径，我们对 Amyris 和 Ginkgo 两家海外公司予以复盘。Amyris 是全球首家合成生物学产品型上市公司，而 Ginkgo 是全球首家平台型合成生物学上市公司，两家公司均属于专注于合成生物学领域的企业，其发展经历和面临的困境值得研究。

3.1 Amyris 破产之鉴：大宗品须具备成本优势，消费品关注转型风险

合成生物第一股 Amyris 破产，合成生物赛道“技术领先≠成长性”。Amyris 于2003年由加州大学伯克利分校的顶尖科学家 Jay Keasling 联合多位科学家创立，以利用合成生物学技术生产青蒿素以及其他萜类化合物闻名。2003 年，Amyris 在盖茨基金会的资助之下培育出了能够产生青蒿酸（Artemisinic acid，合成青蒿素的重要前体）的酵母菌株，实现了使用生物法合成青蒿素，并在 2008 年将技术转让给了制药巨头赛诺菲。2010 年Amyris 在纳斯达克上市。2023 年 8 月 10 日， Amyris 公司宣布在美国申请破产，并计划出售其消费品牌，以改善公司的流动资金状况。

Amyris 破产给予合成生物学产业发展的重要经验：其一，选品决定下游市场进入难度，成本领先为产业化必需条件。在将青蒿酸技术转让给赛诺菲之后，Amyris 将选品转为法尼烯。根据 2012 年 Amyris 对于法尼烯市场空间的测算，全球航空燃料和生物柴油的潜在市场空间分别高达 2120 亿美元和1.6 万亿美元，而精细化学品领域市场空间则相对较小，用于保湿剂的角鲨烷市场空间约为40 亿美元，香料香精约为90亿美元，高性能材料约为 180 亿美元。考虑到燃料领域的广阔市场，Amyris 进军生物燃料领域。Amyris 开发出利用酿酒酵母生产的平台化合物法尼烯，法尼烯进行氢化反应后可生成法尼烷。通用电气和奔驰测试曾 Amyris 的生物燃料，性能表现与传统燃料接近一致。Amyris预期到 2012 年将生产 4000-5000 万升法尼烯，并投建 1.5 亿升法尼烯生物燃料工厂，然而Amyris低估了实验室和工业级别发酵罐的环境差异，量产建设进度显著低于预期。2011 年，美国迎来页岩油革命，石油价格下滑至 0.82-1.06 美元/升，而 Amyris 生物燃料售价为7.8美元/升，虽然到 2015 年其平均成本下降至 2.51 美元/升，但仍然缺乏竞争力。2012 年2 月，Amyris宣布放弃拓展生物燃料业务，无限期推迟产能建设，未来停止产量预测指引，专注于高价值的消费者产品，由合资公司运营维持。同期美国另一家纤维素燃料企业Range Fuels 也宣布破产。2015 年 6 月，Amyris 与道达尔同意重组航空燃料合资企业，将其持有的25%股份出售给道达尔。

其二，“To B”和“To C”商业模式差异大，切换面临应用开发风险。在生物燃料领域失败后，Amyris 吸取经验，全面转向“To C”的精细化学品，可能基于其“量小利多”、市场接受度更快以及资本开支更低优势。Amyris 推出了包括以角鲨烷为代表的十余种产品，其中法尼烯通过催化加氢等步骤后可获得角鲨烷（Squalane）。角鲨烷具备良好的润滑性、稳定和抗氧化性，对人类皮肤具有极佳的亲和力。Amyris 进军消费者领域的主要策略是收购名人品牌。长期看，名人品牌较难有效占据市场份额，例如擅长与知名美妆网络红人合作的彩妆巨头Morphe 与 2023 年 1 月关闭了其在美国的所有实体店。Amyris 作为跨界转型“To C”存在挑战。2021 年 3 月，Amyris 收购了前 Calvin Klein 创意总监 Francisco Costa 打造的清洁美容和健康品牌 Costa Brazil，2023 年 1 月推出了与演员 Tia Mowry 联名的产品4Uby Tia。然而。2023年 2 月，Amyris 将角鲨烷出售给奇华顿，交易价值约 5 亿美元。2023 年8 月，Amyris 宣布破产。

3.2 Ginkgo 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

Ginkgo 是全球知名的合成生物学平台型企业，核心资产为Codebase 与Foundry。Ginkgo成立于 2008 年，由麻省理工学院合成生物学领域专家 Tom Knight 教授等人创立，2021年于纽交所上市。Ginkgo 通过 Codebase（代码库）为客户提供微生物设计服务，并通过Foundry（生物铸造厂）自动化放大微生物的生产流程，客户群体涉及医药、生物基工业以及农业领域的知名企业与初创公司。生物医药创业项目通常专注于较为细分的研究领域，为此创业团队需要招聘众多相关领域的研究人员，并进行持续的投资，且面临较高的不确定性。而依托代码库，Ginkgo 可以为客户提供新项目启动所需的基因设计方案。之后，客户向Ginkgo支付使用Foundry 的费用，其中一部分以项目付款的形式体现，而另一部分可能会以Milestone（里程碑收入）、Royalty（授权费）或 Equity（股权）的形式支付。根据Ginkgo 测算，每个合成生物学项目的平均代工成本预计为 400 万美元，收入预计为 500 万美元，未来商业化落地后的平均净现值预计为 1500 万美元，因此项目付款的代工毛利率约为 20%，但如果考虑未来项目下游价值的净现值，其整体毛利率可高达 80%。

骑士法则（Knight’s Law）是合成生物学平台型模式的增长逻辑，扩大项目数量+提升自动化能力为具体手段。骑士定律（Knight’s Law）是以 Ginkgo 创始人TomKnight 为名的定律。类比半导体领域的摩尔定律，骑士定律认为对自动化的投资将持续降低合成生物学实验成本，并增加可以测试的生物体设计数量。因此，Foundry 业务模式若要跑通，则需要扩大项目数量，并提升自动化能力以降低单位成本。

Ginkgo 的客户拓展策略：与初创企业共成长，为医药巨头提供外包，为非医药巨头提供合成生物技术。按照生命科学研发占总研发比例情况和公司发展程度，Ginkgo 将自身客户分为四个象限（如下图所示）。对于初创公司而言，Ginkgo 的目标是成为客户的研发支撑，即“以Ginkgo 为基础”，并于客户共同成长。对于生命科学研发占比较低的大企业而言，Ginkgo的目标是提供完整的合成生物学技术方案，打造“以 Ginkgo 为基础的生物技术”。对于大型生物医药企业而言，Gingko 定位与提供合成生物学外包技术服务。通过以上的客户拓展策略，Ginkgo统计每年回头客在新项目总数的占比超过三分之一。

从财务状况看，Ginkgo 的平台型模式的长期前景向好，但规模效应当前仍未显现，生物安全板块大幅下滑影响业绩。截止 2023 年第三季度，Ginkgo 已经实现了6 个项目的商业化落地，其中 5 个项目获取了授权费收入，一个项目获取了股权转让收入。目前Ginkgo仍有15个项目处于商业化进程中，其中 10 个项目将以股权转让的形式获取收入，5 个项目以授权费形式获取收入。根据 23Q3 Earnings Slides，Ginkgo 预计 2023 年公司实现营收2.5-2.6 亿美元，预计同比下滑 46-48%。其中生物安全板块预计实现营收 1.1 亿美元，同比下滑67%；细胞工程板块预计实现营收 1.45-1.5 亿美元，同比增长 37-42%。生物安全板块前景的不确定性将对公司业绩产生较大影响。另一方面，虽然细胞工程业务取得增长，但合成生物学平台的规模效应仍未显现，仍处于投入阶段，2023 年前三季度 Ginkgo 研发费用为3.41 亿美元，同比上升67%，管理费用为 2.27 亿美元，同比上升 5%。前三季度 Ginkgo 扣非后归母净利润为6.8 亿美元，同比收窄 66.96%。在 2021 年的投资者日活动中，Ginkgo 曾预测到2023 年细胞工程将实现收入3.41 亿美元，到 2025 年实现收入 11 亿美元，目前实际收入距此前预期有较大差距。

3.3投资分析

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

突破厌氧发酵法产业化，成就 L-丙氨酸及缬氨酸市场领先地位。基于合成生物制造，公司实现了全球首次厌氧发酵法规模化生产 L-丙氨酸，2021 年于科创板上市，并推动了L-缬氨酸厌氧发酵法技术的产业化。技术优势及产业趋势推动公司快速成长，2019-2022 年期间公司营收复合增长率高达 42.4%，归母净利润增长率高达 36.3%。2023 年全年，公司实现营收19.4亿元，同比增长 37%，归母净利润 4.5 亿元（扣非 4.4 亿元），同比增长41%（扣非同比增长45%）。

MGDA 性能优异及市场发展拉动 L-丙氨酸需求，华恒生物依托厌氧发酵法成就龙头地位。L-丙氨酸下游应用广泛，是合成新型绿色螯合剂 MGDA 的主要原料，占总需求的50%以上。2016-2023 年期间全球丙氨酸需求复合增长率为 12.83%，2023 年需求或为8.1 万吨，其中L-丙氨酸占比近八成。受益于对传统螯合剂的替代、国内洗碗机渗透率提升以及MGDA在日化等下游领域应用的扩张，L-丙氨酸需求有望持续增长。2012 年公司实现了全球首次万吨级的厌氧发酵 L-丙氨酸商业化生产，2022 年全球市占率已超 60%。公司依托厌氧发酵法技术优势有望维持龙头地位。

L-缬氨酸：受益于豆粕减量替代的小品种氨基酸，2020-2023 年期间CAGR为24%，厌氧发酵法成本优势显著。L-缬氨酸作为三种支链氨基酸之一，在促进蛋白质合成、维持动物正常代谢和健康、机体组织修复、维持机体氮代谢等方面发挥着重要的作用，被广泛应用于饲料、医药、食品行业，主要用做饲料添加剂。2023 年 4 月，农业农村部印发《饲用豆粕减量替代三年行动方案》，提出了豆粕减量替代的目标和方法，明确要求三年后饲料中豆粕用量占比至少降低 1.5%。张相鑫等人的研究显示，低蛋白日粮中添加 L-缬氨酸可提高仔猪生产性能。在豆粕减量和低蛋白日粮推广的背景下，L-缬氨酸需求有望持续增长。根据公司招股说明书，全球缬氨酸需求量从 2016 年的 0.73 万吨增长到 2019 年的 3.25 万吨，年复合增长率高达65%，预计 2020 年至 2023 年，全球市场将以约 24%的年复合增长率保持增长态势，则2023年全球需求约为 7.68 万吨。2020 年，华恒生物开始 L-缬氨酸产业化生产，以厌氧发酵法生产L-缬氨酸，其技术与 L-丙氨酸生产以及产业化过程中对设备的选型要求较为一致，可以有效共用原有生产工艺流程和技术经验。

生物基新品持续涌现，平台化能力与成长性得以验证。丁二酸：相比化工合成法纯度高污染小，有望受益于可降解塑料 PBS 需求增长，公司预测满产可贡献营收22.4 亿元。1,3-丙二醇（PDO）：PTT 纤维主要原材料，有望对涤纶等纤维形成替代，公司入局有望加速国产替代。苹果酸：增量需求广阔的酸味剂，公司已完成食品安全认证，公司预测满产贡献营收7.9亿元。肌醇：生物体所需维生素 B 族之一，发酵法成本优势显著。非粮生物基材料：公司持有武汉睿嘉康约 11%股权，武汉睿嘉康针对非粮厌氧有机醇酸管线的生物燃料及生物材料进行布局与研究，有望推动非粮生物质低成本糖化产业化发展。高丝族氨基酸：公司与关联方共同实施高丝族氨基酸产品中试平台建设，目前在小试中部分产品的发酵产量和转化率等指标已达到行业领先，有望突破量产瓶颈。

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

凯赛生物：全球代表性的合成生物制造公司，深耕生物法长链二元酸。凯赛生物深度参与了合成生物学全产业链的流程研发中，已在生物设计、基因修饰、发酵工程、分离纯化及商业化应用积累了核心技术。长链二元酸为合成生物学的成功商业化产品之一，主要作为单体用于合成高性能聚酰胺，也是麝香香料、油漆、涂料、润滑油、增塑剂、新医药和农药等行业的重要原材料，预计 2023-2028 年期间全球市场 CAGR=7%。公司产品全球市占率约80%，凭借性能和成本优势实现全球范围内对化学法的替代。

低成本+性能潜力+碳减排优势，生物基尼龙市场潜力巨大，招商局入股有望加速生物基尼龙推广。公司实现了对生物基尼龙原材料戊二胺的全球首次规模化量产，并通过复合、改性等工艺持续发掘 PA5X 生物基尼龙在“以塑代钢、以塑代塑”等领域的应用场景，在新能源、运输和建筑等领域均有广阔的应用场景。2023 年 6 月26 日，凯赛生物发布《关于公司与招商局集团有限公司签署〈业务合作协议〉暨涉及关联交易的公告》以及《2023年度向特定对象发行 A 股股票预案》等公告。招商局集团将成为上市公司间接股东，并拟与公司开展系列生物基聚酰胺材料方面的战略合作，保障落实 2023、2024 和2025 年采购生物基聚酰胺树脂的量分别为不低于 1 万吨、8 万吨和 20 万吨。依托招商局央企资源优势，公司生物基聚酰胺产业化进度或加速。

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

梅花生物：深耕氨基酸产业链的合成生物学公司。公司组建菌种改造、工艺优化以及应用开发团队，擅长于计算机辅助菌种设计与氨基酸生产底盘细胞基因组编辑，并与公司发酵工艺与分离提取实验室无缝衔接，以择优迭代放大替代生产菌。嘉必优：打造合成生物学技术平台，开展全系列母乳低聚糖、虾青素、α-熊果苷、依克多因、EPA 等高附加值产品的开发。截止 2023 年中报，公司2'-FL 已提交法规申报；6'-SL完成实验室小试研究；基于地衣芽孢杆菌的α-熊果苷转化效率达到行业领先水平；依克多因细胞工厂构建完成，发酵工艺持续优化；通过多轮基因重排和定向进化，对酿酒酵母合成虾青素进行菌株优化，虾青素占菌体含量显著提升。

圣泉集团：掌握生物质精炼一体化技术，全球生物质秸秆绿色节能综合利用引领者。公司是全球领先的合成树脂产品供应商，酚醛树脂、呋喃树脂产销量位于国内首位，世界前列。公司研发的“圣泉法”生物质精炼一体化技术解决了秸秆中纤维素、半纤维素、木质素三大组分难以高效分离的全球性难题，实现了高值化利用。该项技术产业化有望打破长期以来对化石原料的依赖和国外垄断，真正将秸秆“吃干榨净”，致力于实现生物质化工、石油化工、煤化工的并驾齐驱。莱茵生物：推动合成生物学在天然甜味剂领域产业化。公司与江南大学签订了《天然甜味剂微生物合成制造关键技术开发合同》，快速推进天然甜味剂领域合成生物学相关技术开发、应用及产业化落地。

无锡晶海：结合合成生物学技术布局高端高附加值领域氨基酸。公司是从事氨基酸产品开发的专精特新“小巨人”，氨基酸原料药系列产品国内市场占有率超30%。结合合成生物学等行业先进技术的发展趋势，公司未来主要围绕酮酸类氨基酸、D 型氨基酸、羟脯氨酸等新型氨基酸及衍生物展开新产品研发工作，加大在高端高附加值系列氨基酸板块的布局。蓝晓科技：发酵液体系吸附分离材料有望受益于生物基材料放量。目标产物的分离纯化是合成生物学产品生产效率的关键因素。公司开发出一系列用于发酵液体系分离纯化的吸附材料，有望受益于下游生物基材料放量增长。

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