1、 证券研究报告 请务必阅读正文之后的免责条款 合成生物乘势而起，颠覆传统引领未来合成生物乘势而起，颠覆传统引领未来 能源化工行业合成生物学深度专题2022.3.21 中信证券研究部中信证券研究部 核心观点核心观点 合成生物学行业迎来历史发展机遇，应用领域迅猛拓展。预计合成生物学行业迎来历史发展机遇，应用领域迅猛拓展。预计 2020-2025 年，年，全球合成生物市场规模将保持全球合成生物市场规模将保持 22.5%的高年均复合增速，至的高年均复合增速，至 2025 年突破年突破 200亿美元。当前合成生物领域企业商业模式可分为产品型及平台型。平台型海外亿美元。当前合成生物领域企业商业模式可分为产

2、品型及平台型。平台型海外巨头巨头 Zymergen、Ginkgo Bioworks 独具创新发展模式。产品型企业打通从生独具创新发展模式。产品型企业打通从生物改造、发酵纯化到产品改性的全产业链，更具盈利能力。建议重点关注产品物改造、发酵纯化到产品改性的全产业链，更具盈利能力。建议重点关注产品型各细分领域龙头华恒生物、凯赛生物、新日恒力、圣泉集团、科拓生物、三型各细分领域龙头华恒生物、凯赛生物、新日恒力、圣泉集团、科拓生物、三元生物、金丹科技、利尔化学。元生物、金丹科技、利尔化学。 建物致用：合成生物学集众多优势于一身。建物致用：合成生物学集众多优势于一身。合成生物学广义上是指通过构建生物功能元

3、件、装置和系统，对细胞或生命体进行遗传学设计、改造，使其拥有满足人类需求的生物功能， 甚至创造新的生物系统。 基于微生物细胞工厂的高效构建，众多生物基产品已成功实现产业化，如丙氨酸、1,3-丙二醇、长链二元酸、聚乳酸等，其在成本与质量、工艺路线、环境友好度等方面相较于石化基产品展现出显著优势。由于生物基材料的二氧化碳排放量大幅下降，碳中和趋势下，合成生物企业的成本优势有望进一步放大。 合成生物学跃动新发展，市场空间广阔。合成生物学跃动新发展，市场空间广阔。当下，合成生物学行业迎来历史性发展机遇，广泛应用于医疗健康、化工、农业、食品、消费品等诸多领域。根据华经产业研究院数据，2020 年全球合成

4、生物学市场规模达 68 亿美元，同比增长28.3%。随着核心技术不断更迭，合成生物行业规模料将进一步迅速扩张，我们预计 2020-2025 年，全球合成生物市场规模将保持 22.5%的高年均复合增速，至 2025 年突破 200 亿美元。同时，资本的目光加速向合成生物学聚集，根据SynbioBeta 的数据，合成生物学领域的融资从 2011 年的 4 亿美元增长至 2020年的 78 亿美元，年复合增长率高达 37%。 合成生物公司百家争鸣。合成生物公司百家争鸣。国内外从事合成生物学领域的公司已多达 500 家，商业模式可分为产品型及平台型，例如海外平台型巨头 Zymergen、Ginkgo

5、Bioworks 等。产品型公司打通从生物改造、发酵纯化到产品改性的全产业链，因而更具盈利能力；平台型企业旨在提供生物体设计与软件开发等合成生物平台，由于自身缺乏应用层面的落地产品，盈利能力受限。重点推荐各细分领域产品型龙头华恒生物、凯赛生物、新日恒力、圣泉集团、科拓生物、三元生物、金丹科技、利尔化学、金达威。 风险因素：风险因素： 相关公司在建项目进度低于预期的风险； 玉米等生物质原材料价格波动的风险； 宏观经济及下游行业波动的风险； 进出口政策及国际贸易环境变化的风险；生物安全与伦理的风险。 行业评级。行业评级。 合成生物学在各领域的渗透率仍有大量提升空间， 下游消费属性将带动行业长期稳定

6、增长。 龙头公司筑起综合竞争力的行业护城河， 呈现强者更强的局面。 预计行业龙头公司未来将迎来业绩和估值双重提升的戴维斯双击过程， 维持行业“强大于市”评级。 能源化工能源化工行业行业 评级评级 强于大市（首次）强于大市（首次） 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 证券研究报告 请务必阅读正文之后的免责条款 重点公司盈利预测、估值及投资评级重点公司盈利预测、估值及投资评级 简称简称 收盘价收盘价（元）（元） EPS（元）（元） PE 评级评级 20A 21E 22E 20A 21E 22E 凯赛生物 114.23 1.10 1.45 1.93 103

7、.8 78.8 59.2 凯赛生物 华恒生物 109.05 1.50 1.69 2.20 72.7 64.5 49.6 华恒生物 圣泉集团 32.15 1.26 0.91 1.30 25.5 35.3 24.7 圣泉集团 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 利尔化学 29.86 1.17 2.04 2.43 25.5 14.6 12.3 利尔化学 资料来源

8、：Wind，中信证券研究部预测 注：股价为 2022 年 3 月 21 日收盘价 UUkXuYcXhUrZfW3WcV8O9RaQnPpPmOoMlOnNoNjMpNpM6MpPwPMYsPqRMYnMmM 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 目录目录 建物致用：合成生物学集众多优势于一身建物致用：合成生物学集众多优势于一身. 1 合成生物：建物致知，建物致用 . 1 生物合成集低成本、高质量、高收率、环境友好度等优势于一身 . 4 碳中和趋势下合成生物企业成本优势有望进一步放大 . 10 合成生物学蓬勃发展，市场空

9、间广阔合成生物学蓬勃发展，市场空间广阔 . 13 合成生物浪潮已至，迎来历史性发展机遇 . 13 合成生物学蓬勃发展，应用领域迅猛扩展 . 16 新兴技术创巨量市场，吸引全球资本涌入 . 19 合成生物公司百家争鸣合成生物公司百家争鸣 . 21 产品型公司：生产面向市场各领域的合成生物产品 . 21 平台型公司：提供集成化的合成生物学平台 . 38 风险提示风险提示 . 42 行业评级行业评级 . 42 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 插图目录插图目录 图 1：合成生物学广义概念 . 1 图 2：合成生物学学科融

10、合性 . 2 图 3：合成生物学颠覆性 . 2 图 4：合成生物学狭义概念 . 2 图 5：微生物细胞工厂发展历程 . 3 图 6：丙氨酸的酶法和生物发酵法生产工艺 . 5 图 7：华恒生物发酵法 L-丙氨酸单位成本及毛利率 . 6 图 8：华恒生物酶法 L-丙氨酸单位成本及毛利率 . 6 图 9：1,3-丙二醇三种生产工艺 . 6 图 10：长链二元酸的生物发酵法生产工艺 . 8 图 11：生物塑料与传统塑料种类 . 9 图 12：生物可降解塑料的现有及预计增加产能 . 9 图 13：生物基聚乳酸的生产工艺 . 9 图 14：不同种类塑料能耗系数、碳排放系数和取水系数 . 10 图 15：全

11、球一次能源消费结构（2020 年） . 10 图 16：全球温室气体排放来源. 10 图 17：生物基材料与石化材料的温室气体排放量 . 11 图 18：生物基材料的温室气体减排量 . 11 图 19：三代生物合成技术图 . 12 图 20：碳排放权交易体系 . 12 图 21：合成生物基础科学研究代表性进展 . 13 图 22：合成生物学领域论文发表量 . 14 图 23：2020 年合成生物学领域论文按国家分布 . 14 图 24：基因组的“读-改-写”技术发展历程 . 14 图 25：人类基因组测序速度 . 15 图 26：人类基因组测序成本 . 15 图 27：世界主要国家合成生物相关

12、政策 . 15 图 28：合成生物学应用领域 . 16 图 29：全球合成生物行业市场规模 . 19 图 30：全球合成生物行业市场规模按区域分布 . 19 图 31：全球合成生物行业细分市场占比（2019 年） . 20 图 32：全球合成生物行业细分市场 2019-2024 年增速 . 20 图 33：全球合成生物企业融资额及同比 . 20 图 34：全球合成生物企业平均融资额及融资企业数 . 20 图 35：全球合成生物学初创公司图谱 . 21 图 36：产品型企业微生物发酵工艺 . 22 图 37：凯赛生物生物基聚酰胺生产平台 . 23 图 38：凯赛生物营业收入及同比 . 24 图

13、39：凯赛生物归母净利润及同比 . 24 图 40：凯赛生物内外销营收及外销占比 . 24 图 41：凯赛生物主营业务毛利率 . 24 图 42：华恒生物营业收入及同比 . 26 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 图 43：华恒生物归母净利润及同比 . 26 图 44：华恒生物内外销营收及外销占比 . 26 图 45：华恒生物内外销毛利率. 26 图 46：新日恒力营业收入及同比 . 28 图 47：新日恒力归母净利润及同比 . 28 图 48：圣泉集团产业链 . 29 图 49：圣泉集团营业收入及同比（亿元） .

14、 30 图 50：圣泉集团归母净利润及同比 . 30 图 51：科拓生物主营业务 . 30 图 52：科拓生物营业收入及同比 . 32 图 53：科拓生物归母净利润及同比 . 32 图 54：科拓生物营业收入分业务占比 . 32 图 55：科拓生物主营业务毛利率 . 32 图 56：金丹科技产业链 . 33 图 57：金丹科技营业收入及同比 . 34 图 58：金丹科技归母净利润及同比 . 34 图 59：三元生物产业链 . 34 图 60：三元生物营业收入及同比 . 35 图 61：三元生物归母净利润及同比 . 35 图 62：三元生物营业收入分业务占比 . 35 图 63：三元生物主营业务

15、毛利率 . 35 图 64：利尔化学生物法 L-草胺膦合成路线 . 36 图 65：利尔化学营业收入及同比（亿元） . 37 图 66：利尔化学归母净利润及同比 . 37 图 67：金达威营业收入及同比. 38 图 68：金达威归母净利润及同比 . 38 图 69：金达威营业收入分业务占比 . 38 图 70：金达威主营业务毛利率. 38 图 71：平台型企业技术平台 . 39 图 72：平台型企业微生物开发流程 . 39 图 73：Zymergen 历史沿革 . 39 图 74：Zymergen 主要产品 . 40 图 75：Zymergen 营业收入及同比 . 40 图 76：Zymerg

16、en 归母净利润及同比 . 40 图 77：GinkgoBioworks 历史沿革 . 41 图 78：GinkgoBioworks 生物铸造平台 . 41 图 79：GinkgoBioworks 营业收入及同比 . 42 图 80：GinkgoBioworks 归母净利润及同比 . 42 表格目录表格目录 表 1：代表性生物基产品 . 3 表 2：合成生物学与化学工程对比 . 4 表 3：全球丙氨酸主要生产企业及其生产方法 . 4 表 4：丙氨酸生产工艺优势对比 . 5 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 表 5：

17、全球 1,3-丙二醇主要生产企业及其生产方法 . 6 表 6：1,3-丙二醇生产工艺优势对比 . 7 表 7：全球长链二元酸生产企业及其生产方法 . 7 表 8：长链二元酸生产工艺优势对比 . 8 表 9：合成生物学在医疗健康领域的代表性应用 . 17 表 10：合成生物学在化工领域的代表性应用 . 17 表 11：合成生物学在农业领域的代表性应用 . 18 表 12：合成生物学在食品领域的代表性应用 . 18 表 13：合成生物学在消费品领域的代表性应用 . 19 表 14：凯赛生物主要产品 . 22 表 15：凯赛生物核心技术 . 23 表 16：华恒生物主要产品 . 25 表 17：华恒

18、生物丙氨酸生产技术与同行对比 . 25 表 18：新日恒力 5 万吨/年月桂二酸项目 . 27 表 19：中科院三代微生物发酵技术对比 . 27 表 20：山西中能生物基新材料生态产业园项目 . 27 表 21：圣泉集团主要产品 . 29 表 22：科拓生物主要产品 . 31 表 23：金丹科技主要产品 . 33 表 24：利尔化学主要产品 . 35 表 25：金达威主要产品 . 37 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 1 建物致用：合成生物学集众多优势于一身建物致用：合成生物学集众多优势于一身 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 合成生物学广义上是指通过构建生物功能元件、装置和系统，对细胞或生命体进行遗合成生物学广义上是指通过构建生物功能元件、装置和系统，对细胞或生命体进行遗传学设计、改造，使其拥有满足人类需求的生物功能，甚至创造新的生物系统。传学设计、改造，使其拥有满足人类需求的生物功能，甚至创造新的生物系统。 “建物致知、建物致用”是合成生物学的两大愿景，也就是通过建造生物体系而了解生命、通过创造生物体系来服务人类。广义上的合成生物学研究可以划分为三个层面：一是利用已知功能的天然生物模块构建新型的代谢调控网络使其拥有特定的新功能；二是基因组 DNA 的从头合成以及生命体的重新

20、构建；三是完整的生物系统以及全新的人造生命体的创建。 图 1：合成生物学广义概念 资料来源：CRISPR 技术在微生物合成生物学中的应用（汪莲，王浩君，罗云孜） 合成生物学系多学科融合，展现出重大颠覆性。合成生物学系多学科融合，展现出重大颠覆性。合成生物学是生物学、工程学、物理学、化学、计算机等学科交叉融合的产物，有望形成颠覆性生物技术创新，为破解人类社会面临的资源与环境不足的重大挑战提供全新的解决方案。合成生物学的颠覆性表现在：一方面打破了非生命化学物质和生命物质之间的界限， “自下而上” 地逐级构筑生命活动；另一方面革新了当前生命科学的研究模式，从读取自然生命信息发展到改写人工生命信息，重

21、塑碳基物质文明。 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 图 2：合成生物学学科融合性 资料来源： 合成生物制造进展 （张媛媛，曾艳，王钦宏） ，中信证券研究部 图 3：合成生物学颠覆性 资料来源： 化学品绿色制造核心技术合成生物学 （肖文海，王颖，元英进） ，中信证券研究部 产业应用中的合成生物学多为狭义概念，即利用可再生的生物质资源为原料生产各种产业应用中的合成生物学多为狭义概念，即利用可再生的生物质资源为原料生产各种产品。产品。具体而言，合成生物学通过构建高效的细胞工厂，利用淀粉、葡萄糖、纤维素等可再生碳资源甚

22、至 CO2为原料生产氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、微生物多糖、可再生化学品、精细与医疗化学品等。我们所更加关注的合成生物学产业应用以微生物细胞工厂为核心，建立“原料输入菌株培育发酵控制提取纯化产品输出”的工艺路线，从而实现利用生物技术生产化学品的技术变革，并持续推进生物制造技术工艺的升级和迭代。 图 4：合成生物学狭义概念 资料来源：华恒生物招股书 微生物细胞工厂是合成生物学产业应用的核心环节，经历了不同的历史阶段。微生物细胞工厂是合成生物学产业应用的核心环节，经历了不同的历史阶段。20 世纪 90 年代之前， 主要通过非理性诱变及筛选技术获得目标产物高产菌株，“以时间 （人力）换水平” 。

23、20 世纪 90 年代以来，代谢工程学科逐步创立，利用重组 DNA 技术对生物体中已知的代谢途径进行有目的的设计，构建具有特定功能的细胞工厂。但由于微生物代谢网络结构及其调控机制的复杂性，仍然需要耗费大量的时间和精力。当下，全基因组规模定制工程化细胞工厂实现创造性发展，通过将高通量技术在全基因组范围基因型空间的挖掘与改造相结合， 有望获得生产效率更为高效、 生产性能更加优越的下一代微生物细胞工厂。 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 图 5：微生物细胞工厂发展历程 资料来源：微生物细胞工厂的设计构建：从诱变育种到

24、全基因组定制化创制（袁姚梦，邢新会，张翀），中信证券研究部 基于微生物细胞工厂的高效构建，众多生物基产品已成功实现产业化。基于微生物细胞工厂的高效构建，众多生物基产品已成功实现产业化。理论上，所有的有机化学品理论上都可以通过合成生物制造来生产。目前，包括生物基丁二酸、长链二元酸、乙醇、1,4-丁二醇、异丁醇、1,3-丙二醇、异丁烯、L-丙氨酸、戊二胺、青蒿素等在内的众多合成生物化学品已经成功实现产业化。随着合成生物学的进一步发展，以及与人工智能、大数据等新技术的融合加深，未来更多的生物基产品有望通过合成生物法生产，从而促进生物经济形成，更好地服务于人类社会的可持续发展。 表 1：代表性生物基产

25、品 化学品化学品 微生物微生物 原料原料 公司公司 3-羟基丙酸 大肠杆菌 OPXbio&DowChemical Perstorp 丁二酸 大肠杆菌 玉米糖 BioAmber 大肠杆菌 蔗糖 Myriant（现名 GCInnovationAmerica） 克鲁斯假丝酵母 酿酒酵母 淀粉、糖类 Reverdia 巴斯夫产琥珀酸菌 甘油、糖类 Succinity 长链二元酸 假丝酵母 玉米 凯赛生物、新日恒力 乙醇 乙醇梭菌 CO 首钢朗泽 酿酒酵母 蔗糖、玉米糖、木质纤维素 运动发酵单胞菌 马克斯克鲁维酵母 1,4-丁二醇 大肠杆菌 糖类 Genomatica、DuPontTate&Lyle 1

26、,3-丙二醇 大肠杆菌 糖类 DuPontTate&Lyle 乳酸 乳酸菌 玉米 金丹科技 异丁醇 酿酒酵母 糖类 Gevo Butalco Butamax 聚羟基链烷酸酯 （PHA） 大肠杆菌 糖类 Metabolix（现名 Yeild10science） 法尼烯 酿酒酵母 Amyris 青蒿素（半合成） 酿酒酵母 Amyris 异丁烯 大肠杆菌 糖类 GlobalBioenergies 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 化学品化学品 微生物微生物 原料原料 公司公司 L-丙氨酸 葡萄糖 华恒生物 戊二胺 玉

27、米 凯赛生物 资料来源： 微生物细胞工厂的设计构建：从诱变育种到全基因组定制化创制 （袁姚梦等） ， 合成生物学应用产品开发现状与趋势 （陈大明等） ，凯赛生物招股书，华恒生物招股书，相关公司官网，中信证券研究部 生物合成集低成本、高质量、高收率、环境友好度等优势于一身生物合成集低成本、高质量、高收率、环境友好度等优势于一身 合成生物学相较于化学工程优势显著。合成生物学相较于化学工程优势显著。与化学工程相比，合成生物学以可再生生物资源替代不可再生化石资源，以绿色清洁的生物制造工艺替代高能耗高污染的石化、煤化工艺，从而可以摆脱对石油、煤等不可再生资源的依赖，解决化学工程过程中的高耗能和高污染问题

28、，生产过程更为安全、绿色、环保，并大幅度降低生产成本，对于促进国民经济的可持续发展至关重要。下面以生物法丙氨酸、1,3-丙二醇、长链二元酸、聚乳酸为例做具体说明。 表 2：合成生物学与化学工程对比 合成生物学合成生物学 化学工程化学工程 核心技术 生物合成途径规模化解析、元件库建设、高通量组装和优化、人造系统的调试 化学催化过程、生产工艺包 原料来源 淀粉、纤维素、二氧化碳等可再生碳资源，具有清洁、高效、可再生等特点 石油、煤等不可再生化石资源 反应条件 常温常压，反应条件温和 多需高温高压，反应条件严苛 技术壁垒 实验室验证阶段到产业化放大阶段技术瓶颈众多， 一般需要经历漫长的研究探索和生产

29、实践 技术发展相对成熟， 新增技术较少， 主要聚焦于现有技术的优化 技术特点 降低工业过程能耗、物耗，减少废物排放与空气、水及土壤污染，以及大幅度降低生产成本 能耗较高，二氧化碳、废水等污染物排放量大，对环境的影响程度更高 涉及学科 生命科学与工程学、系统科学、信息科学、合成科学等的交叉融合 化学、化学工程学、材料学 资料来源： 合成生物制造进展 （张媛媛，曾艳，王钦宏） ，华恒生物招股书，公开资料，中信证券研究部 示例一：生物法丙氨酸。示例一：生物法丙氨酸。丙氨酸是构成蛋白质的基本单位，是组成人体蛋白质的 21种氨基酸之一，广泛应用在日化、医药及保健品、食品添加剂和饲料等众多领域。国内丙氨酸

30、生产企业主要包括烟台恒源、丰原生化、华恒生物等，国外丙氨酸生产企业主要为武藏野。 其中， 烟台恒源通过酶法生产 L-丙氨酸， 丰原生化采用微生物发酵法生产 L-丙氨酸，华恒生物拥有发酵法和酶法两种生产路线，而武藏野通过化学合成法生产 DL-丙氨酸。 表 3：全球丙氨酸主要生产企业及其生产方法 公司公司 主要产品主要产品 生产方法生产方法 华恒生物 丙氨酸系列产品、-熊果苷、D-泛酸钙等 发酵法和酶法生产丙氨酸系列产品 烟台恒源 富马酸、L-天冬氨酸、L-丙氨酸 酶法生产 L-丙氨酸 丰原生化 新材料聚乳胶、氨基酸、有机酸系列产品 微生物发酵法生产 L-丙氨酸 武藏野 纯天然乳酸及其盐、酯系列产

31、品、DL-丙氨酸 化学合成法生产 DL-丙氨酸 资料来源：华恒生物招股书，中信证券研究部 酶法和生物发酵法生产丙氨酸发展成为主流工业生产技术。酶法和生物发酵法生产丙氨酸发展成为主流工业生产技术。在丙氨酸生产工艺的技术演变中，天然提取法和化学合成法存在成本过高、合成路线较长和环保压力大等问题，目前，工业生产丙氨酸产品的前沿工艺主要为酶法和生物发酵法。酶法由石油化工产品作起 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 5 始原料，借助酶的催化作用通过生物转化反应获得所需 L-氨基酸。生物发酵法生产氨基酸是利用微生物具有能够合成其

32、自身所需各种氨基酸的能力，通过对菌株的诱变等处理达到过量合成 L-丙氨酸的目的。 图 6：丙氨酸的酶法和生物发酵法生产工艺 资料来源：氨基酸工业发展报告（杜军），中信证券研究部 生物发酵法在产品成本与质量、工艺路线、环境友好度等方面优势显著。生物发酵法在产品成本与质量、工艺路线、环境友好度等方面优势显著。从原料端来看，生物发酵法制备丙氨酸以可再生葡萄糖等生物质为原料，相较于化学合成法与酶法降低了对不可再生石化资源的依赖，实现生物质资源对化石资源的替代。从工艺端来看，生物发酵法避免了化学合成法的高温高压条件，反应条件温和且转化率高，产品质量高，发酵周期短，展现出绿色环保优势。尤其是厌氧发酵法，反

33、应无需通入空气，减少发酵过程的污染风险，且无二氧化碳排放，相较于酶法生产 1 摩尔丙氨酸产品降低 1 摩尔二氧化碳排放量。 表 4：丙氨酸生产工艺优势对比 天然提取法天然提取法 化学合成法化学合成法 酶法酶法 生物发酵法生物发酵法 产量 低 高 高 高 产品成本 高 高 较高 低 核心步骤 强酸水解 化学催化 酶催化 微生物发酵 技术要求 低 低 高 高 工艺路线 长 长 短 短 产品质量 低 高 高 高 原材料来源 可再生 石油基 石油基 可再生 环境友好度 低 低 较高 高 资料来源：华恒生物招股书，中信证券研究部 参看华恒生物以酶法和生物发酵法生产 L-丙氨酸的成本，根据其招股书披露，华

34、恒生物近年生物发酵法生产 L-丙氨酸的平均单位成本约 8635 元/吨， 而酶法生产 L-丙氨酸的平均单位成本为 17,427 元/吨，发酵法生产成本仅为酶法的一半。华恒生物发酵法 L-丙氨酸的近年平均毛利率约 46%，也远高于酶法的 25%，展现出极大的成本优势。另外，华恒生物发酵法生产 L-丙氨酸的转化率在 95%以上，而酶法通常低于 67%，是合成生物学在化学品生产领域发挥经济效益的典型实例。 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 6 图 7：华恒生物发酵法 L-丙氨酸单位成本及毛利率 资料来源：华恒生物招股书，

35、中信证券研究部 图 8：华恒生物酶法 L-丙氨酸单位成本及毛利率 资料来源：华恒生物招股书，中信证券研究部 示例二：生物法示例二：生物法 1,3-丙二醇。丙二醇。1,3-丙二醇是一种重要的化工原料，最主要的用途是作为聚合物单体合成性能优异的高分子材料 PTT 等，也可作为有机溶剂应用于油墨、印染、涂料、润滑剂、抗冻剂等行业，还可用作药物合成中间体。全球 1,3-丙二醇的主要生产企业包括 Shell、Degussa、DuPont 等，其中 Shell 和 Degussa 分别采用环氧乙烷法和丙烯醛法的化学合成方法生产 1,3-丙二醇， DuPont 与 Genencor 合作致力于以微生物发酵法

36、生产 1,3-丙二醇。 表 5：全球 1,3-丙二醇主要生产企业及其生产方法 公司公司 厂地厂地 产能（万吨产能（万吨/年）年） 生产方法生产方法 Shell 美国路易斯安纳州 Gesmar 7.2 环氧乙烷法 Degussa 德国韦塞林 0.9 丙烯醛法 DuPont 美国伊利诺依州德卡杜尔 4.5 生物发酵法 资料来源： 1,3-丙二醇生产工艺的对比及选择 （韩克星） ，中信证券研究部 生物发酵法生产生物发酵法生产 1,3-丙二醇近年兴起。丙二醇近年兴起。 DuPont 公司采用 Genencor 的 Design-PathTM技术，成功地将来自三种不同微生物的 DNA 组合到一个菌株上，

37、从而一步将葡萄糖转化为 1,3-丙二醇。而丙烯醛法通过丙烯醛水合生成 3-羟基丙醛，然后液相加氢生成目的产物1,3-丙二醇；环氧乙烷法通过环氧乙烷经氢甲酰化首先生成 3-羟基丙醛，进一步加氢反应得到 1,3-丙二醇。 图 9：1,3-丙二醇三种生产工艺 资料来源：1,3-丙二醇生产工艺的对比及选择（韩克星），中信证券研究部 38%40%42%44%46%48%50%52%05000000020020H1单位售价（元/吨）单位成本（元/吨）毛利率（右轴）0%5%10%15%20%25%30%05000000025000201720

38、1820192020H1单位售价（元/吨）单位成本（元/吨）毛利率（右轴） 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 7 生物法生物法 1,3-丙二醇竞争优势显著。丙二醇竞争优势显著。化学合成法因其投资高、副产物多、选择性差、操作条件苛刻、化学原料不可再生且为易燃易爆剧毒的危险品等缺点，很难形成持续性的大规模工业生产。生物转化法具有工艺选择性高、操作条件温和、原料可再生等优点。根据1,3-丙二醇不同工艺生产成本的估算，生物发酵法生产成本约 1222 美元/吨，较丙烯醛法降低约 38%，相较于环氧乙烷法降低约 30%，优势显

39、著。总的来看，生物发酵法已渐渐成为生产 1,3-丙二醇的重要方法， 在生产成本、 安全性、 环境友好度等方面具有竞争优势。 表 6：1,3-丙二醇生产工艺优势对比 生产工艺生产工艺 生产成本 （美元生产成本 （美元/吨）吨） 优点优点 缺点缺点 环氧乙烷法 1742 工艺技术比较成熟 投资大，技术难度大，产品的分离难度大，成本高，副产物多，选择性差， 操作条件需高温高压， 所利用的化学原料均为不可再生的石油或煤炭资源，且环氧乙烷和丙烯醛均属易燃易爆和剧毒的危险品 丙烯醛法 1966 葡萄糖生物发酵法 1222 工艺选择性高、操作条件温和、原料可再生 工艺技术壁垒较高 资料来源： 1,3-丙二醇

40、生产工艺的对比及选择 （韩克星） ， 1,3-丙二醇的生产技术 （婷婷） ，中信证券研究部 示例三：生物基长链二元酸。示例三：生物基长链二元酸。长链二元酸（DCA）作为一种精细化学品，广泛应用于高性能长链聚酰胺、高档润滑油、高档热熔胶、粉末涂料、高等香料、耐寒增塑剂、农药和医药等诸多下游应用市场。长链二元酸的制备工艺分为植物油裂解法、化学合成法和生物发酵法三种，目前国内市场上基本采用生物发酵法，在产产能约 9.7 万吨/年；国际市场上仍存传统化学合成法约 2 万吨/年在产产能；而植物油裂解法受限于产品产量，不适用于大规模工业化生产。 表 7：全球长链二元酸生产企业及其生产方法 生产方法生产方法

41、 企业企业 产品类型产品类型 产能（万吨产能（万吨/年）年） 待投情况待投情况 生物发酵法 凯赛生物 DC1018 7.5 DC10 4 预计 2022 年上半年建成投产 新日恒力 DC12 5 2021 年 10 月月桂二酸项目正式投产，已开启二分之一产能 瀚霖生物 DC1113 2 广通化工 DC1218 0.2 化学合成法 赢创、UBE 等国外公司 DC12 2 资料来源：中能集团生物基二元酸项目可研性报告，中信证券研究部 生物发酵法生产工艺占据主导。生物发酵法生产工艺占据主导。生物发酵法制备长链二元酸是以长链烷烃、玉米浆、葡萄糖等原料，通过工程菌胞内酶对长链烷烃氧化的特异性和专一性，将

42、其催化合成为相同链长的长链二元酸； 之后对发酵液进行多级过滤、 结晶、 干燥等操作， 进一步提取产品。而化学合成法从某一种低碳链的二元酸开始，通过脂化、还原、溴化、氰化和腈的水解等一系列化学反应步骤，最终合成得到多 2 个或 3 个碳原子的二元酸。 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 8 图 10：长链二元酸的生物发酵法生产工艺 资料来源：新日恒力官网，中信证券研究部 生物基长链二元酸具有产品种类更丰富、成本更低及更环保等优势。生物基长链二元酸具有产品种类更丰富、成本更低及更环保等优势。化学合成法生产长链二元酸合成条

43、件苛刻（200、10MPa） ，合成步骤复杂，环境污染严重，且产品收率低、成本高，迄今只有十二碳二元酸(DC12)通过化学合成法工业化生产。而生物发酵法原料来源广，反应条件温和，没有环境污染，成本低、收率高，可以大规模工业化生产，展现出无可比拟的优越性。目前，生物法制备长链二元酸在我国已经取代了传统的化学合成法，逐渐从实验室研究发展到工业化生产。 表 8：长链二元酸生产工艺优势对比 植物油裂解植物油裂解 化学合成法化学合成法 生物合成法生物合成法 生产工艺 从蓖麻籽油、菜籽油、蒜头果油通提取出前驱体，再经氧化裂解制取。 从某一种低碳链的二元酸开始，通过脂化、还原、溴化、氰化和腈的水解等一系列化

44、学反应步骤，合成多 2 个或 3 个碳原子的二元酸 以石化副产正烷烃或脂肪酸为原料，采用微生物发酵的方法生产长链二元酸 产物品种 DC10、DC13、DC15 迄今只有十二碳二元酸(DC12)可以通过化学方法合成，进行工业化生产 产品多样化， 涵盖从 DC11DC18 的各种长链二元酸 反应条件 氧化裂解反应条件要求适中 条件苛刻，既需高温、高压和催化剂，又需防火、防爆和防毒装置 整个生产过程在常温、常压下进行，生产条件温和 环境友好度 较为友好 强酸催化，污染严重，能耗高 不造成环境污染 工艺复杂性 较复杂 经过 9 个复杂的反应步骤 利用微生物特有的氧化能力，工艺简单 规模 受农田和气候等

45、条件限制，产量不大 大规模工业化生产受限 规模大 纯度 70% 99% 98.599.5% 收率 一般 低 高 成本 一般 高 成本低，仅为化学合成法的三分之二 资料来源： 生物合成长链二元酸新产业的崛起 （陈远童） ，中能集团生物基二元酸项目可研性报告，中信证券研究部 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，是相对于石油基、不可降解的传统塑料而言的，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来源于可再生生物质资源，另一方面使用后可在自然环境条件下能降解成对环境无害的物质，在塑料污染治理趋紧的当下受到广泛关注。聚乳酸（PLA）是目

46、前是全球范围内产业化最成熟、产量最大、应用最广泛的生物基生物可降解塑料，预计未来产能将大幅度提升，能缓解目前供不应求的局面。 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 9 图 11：生物塑料与传统塑料种类 资料来源： 中国塑料的环境足迹评估 （北京石油化工学院） ，中信证券研究部 图 12：生物可降解塑料的现有及预计增加产能 资料来源： 中国塑料的环境足迹评估 （北京石油化工学院） 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。聚乳酸的生产工艺分为以乳酸单体直接脱水缩聚的一步法，以及先将乳酸脱水生成丙

47、交酯、再开环聚合制得聚乳酸的两步法，目前世界上生产高品质大分子量聚乳酸均采用两步法。其中，乳酸多由微生物发酵法生产得到，采用玉米、小麦、甜菜、番薯等淀粉质原料得到葡萄糖，进一步在乳酸菌的作用下发酵生产乳酸。因其工艺相对简单、原料充足、产品性能良好，生物发酵法成为世界上大部分乳酸制造企业的生产方法。 图 13：生物基聚乳酸的生产工艺 资料来源：金丹科技招股书，中信证券研究部 生物基聚乳酸塑料相较于石油基传统塑料能耗、水耗、碳排放优势显著生物基聚乳酸塑料相较于石油基传统塑料能耗、水耗、碳排放优势显著。生物基聚乳酸塑料凭借原料的可再生性、生产使用过程中的低碳排放，以及废弃后的可生物降解性等优势，已在

48、许多领域开始替代传统石油基塑料。根据中国塑料的环境足迹评估报告，以玉米为原料的聚乳酸塑料能耗、水耗及碳排放量都远低于 PE、PP、PVC、PS、ABS等石油基传统塑料。随着世界范围内垃圾分类和“限塑令”的强制性逐步升级，生物基聚乳酸塑料替代传统塑料的进程正在加速，预计在未来具有广阔的发展前景。 能源化工能源化工行业行业合成生物学深度专题合成生物学深度专题2022.3.21 请务必阅读正文之后的免责条款部分 10 图 14：不同种类塑料能耗系数、碳排放系数和取水系数 资料来源：中国塑料的环境足迹评估（北京石油化工学院），中信证券研究部 碳中和趋势下合成生物企业成本优势有望进一步放大碳中和趋势下合

49、成生物企业成本优势有望进一步放大 温室气体排放总量中占主导地位的是化石能源二氧化碳的排放。温室气体排放总量中占主导地位的是化石能源二氧化碳的排放。化石能源包括煤、石油、天然气等天然资源，是目前的主要能源来源之一，2020 年约占全球一次能源需求的 83%。 然而， 全球温室气体排放中有三分之二以上来自化石燃料二氧化碳的排放， 因此，降低化石燃料在能源消费结构中的比例，推动化石能源向新能源加快转型，成为实现碳中和目标的必要途径之一。 图 15：全球一次能源消费结构（2020 年） 资料来源：BP 世界能源统计年鉴，中信证券研究部 图 16：全球温室气体排放来源 资料来源：联合国环境规划署 生物质

50、替代化石资源生产人类必须的燃料和材料，可显著降低二氧化碳排放。生物质替代化石资源生产人类必须的燃料和材料，可显著降低二氧化碳排放。利用淀粉、 葡萄糖、 纤维素等可再生生物资源生产得到生物基材料， 大大降低了工业过程的能耗、物耗，从而减少二氧化碳排放，彰显出优秀的减排能力。据 Kefeng Huang 等于 2021 年在 Greenhouse Gas Emission Mitigation Potential of Chemicals Produced from Biomass论文统计，除低转化率（25%）的生物甲醇外，所有生物基材料的单位温室气体排放量都低于石化材料。在保守的假设（即 25%