【合成生物暖風頻吹，產(chǎn)業(yè)化應用趨勢加快】
在 4 月 26 日的 2024 中關村論壇年會上，北京化工大學校長、中國工程院院士譚天偉：提到生物制造是以工業(yè)生物技術為核心，利用酶、微生物細胞，結合化學工程技術進行目標產(chǎn)品的加工過程，包括生物基材料、化學品和生物能源等。它加工的產(chǎn)品既包括大噸位運輸燃料、中等噸位化學品材料，還包括較小噸位食品資料、非常小的精細化學品、疫苗等。從經(jīng)濟發(fā)展維度來講，生物制造是將生物技術創(chuàng)新產(chǎn)品推向商業(yè)規(guī)模的引擎，是生物經(jīng)濟的基礎。
近日，江南大學未來食品科學中心合成生物創(chuàng)新團隊榮獲第十九屆“江蘇青年五四獎章 ”。創(chuàng)新團隊成員康振告訴記者，透明質(zhì)酸最早是從牛的眼睛里發(fā)現(xiàn)并提取出來的，價格非常昂貴，每公斤要幾萬元，團隊利用合成生物學技術，借助微生物發(fā)酵生產(chǎn)普通分子量的透明質(zhì)酸，把成本降到每公斤幾百元，實現(xiàn)了透明質(zhì)酸大產(chǎn)量推廣應用，我國也成為第一個有能力生產(chǎn)全部類型透明質(zhì)酸的國家。
合成生物學是一門新興的跨學科研究領域，是為生命科學服務的新研究范式， 擁有巨大發(fā)展?jié)摿ΑＷ匀ツ昶?，北京、江蘇、上海等地陸續(xù)出臺支持生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，通過推進生物制造產(chǎn)業(yè)園建設、培育生物制造產(chǎn)業(yè)人才等措施，達到加快推進合成生物技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應用等目的!
【海內(nèi)外加碼合成生物，行業(yè)空間廣闊】
合成生物學以生物科學為基礎，匯集化學、物理、信息技術、工程技術等學科而形成，利用基因技術與工程學概念設計改造現(xiàn)有的或合成新的生物體系，揭示生命運行規(guī)律，變革生物體系工程化應用，從“格物致知 ”提升到“建物致知 ”，為醫(yī)藥健康、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源等行業(yè)的生產(chǎn)、改進提供新的解決方案，被譽為是繼“DNA 雙螺旋結構 ”發(fā)現(xiàn)和“基因組測 序 ”之后的“第三次生物技術革命 ”。
合成生物學通過構建高效的細胞工廠來實現(xiàn)制造，生產(chǎn)步驟主要分為四塊，底盤細胞篩選、生產(chǎn)細胞設計與構建、發(fā)酵生產(chǎn)、分離純化。
目前全球已有40多個國家、500多個機構資助合成生物學研究。美國、英 國、歐盟、日本、加拿大、澳大利亞、新加坡等國家均有引導扶持合成生物學發(fā)展的政策。美國在 《國家生物能源藍皮書》中明確了 5 項充分實現(xiàn)生物經(jīng)濟潛力的戰(zhàn)略目標，在《生物質(zhì)技術路線圖》提出“2030 年替代 25%有機化學 品和 20%石油燃料 ”的目標;2018 年日本正式發(fā)布《生物戰(zhàn)略 2019——面向國際共鳴的生物社區(qū)的形成》; 2019 年歐洲生物產(chǎn)業(yè)協(xié)會發(fā)布《生物技術工業(yè)宣言 2019——重振歐盟生物技術雄心》，同年，韓國發(fā)布《生物健康產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn) 略》及發(fā)展愿景;2021 年，英國政府宣布為生物質(zhì)原料創(chuàng)新計劃的第二階段提供 2600 萬英鎊資助。
2015 年以來，合成生物學行業(yè)政策的陸續(xù)出臺助推了我國生物經(jīng)濟的快速發(fā)展，也推動了國內(nèi)從事合成生物學領域的公司發(fā)展。2017 年，國家發(fā)展和改革委員會在《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十三五 ”規(guī)劃》中提出，生物產(chǎn)業(yè)是 21 世紀創(chuàng)新最為活躍、影響最為深遠的新興產(chǎn)業(yè)，是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的主攻方向，對 我國搶占新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命制高點，加 快壯大新產(chǎn)業(yè)、發(fā)展新經(jīng)濟、 培育新動能，建設“健康中國 ”具有重要意義。“十四五 ”以 來，合成生物學 已經(jīng)逐漸在天然產(chǎn)物合成、醫(yī)學、能源、工業(yè)等多個領域應用。2022 年 5 月 10日，國家發(fā)改委印發(fā)《“十四五 ”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，明確指出發(fā)展生物經(jīng)濟是順應全球 生物技術加速演進趨勢、實現(xiàn)高水平科技自立自強的重要方向，是 前瞻布局培育壯大生物產(chǎn)業(yè)、推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措，是滿足生命健康需求快速增長、滿足人民對美好生活向往的重要內(nèi)容，是加強國家生物安全風險防控、推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要保障，并提出發(fā)展合成生物學技術，探索研發(fā)“人造蛋白 ”等新型食品，降低傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)帶來的環(huán)境資源壓力。
在政策支持和技術進步的推動下，，合成生物學市場規(guī)模有望快速提升。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2023年全球市場規(guī)模約為151億美元，預計到2026年， 市場規(guī)模有望達到307億美元。
【合成生物在化工領域替代作用明顯】
合成生物學在化工領域已展現(xiàn)出替代潛力，生物基塑料、生物基材料和生物能源為當前主要的發(fā)展方向。1.3 丙二醇(PDO)為最早應用合成生物學方法生產(chǎn)的生物基材料之一。在生物法工藝發(fā)明以前，杜邦及德固賽采用丙烯醛水合氫化法生產(chǎn)，首先通過丙烯醛的水化反應生成 3-羥基丙醛，隨后通過加氫反應合成出 1,3-丙二醇，但丙烯醛水合氫化法的工藝缺陷在于丙烯醛獲取困難、丙烯醛的劇毒性質(zhì)以及產(chǎn)物質(zhì)量相對較低。2003 年，杜邦通過工程菌將玉米水解產(chǎn)生的葡萄糖轉(zhuǎn)化為 1.3-丙二醇， 憑借原料易得、反應條件溫和、環(huán)境友好等優(yōu)勢實現(xiàn)了對化學法的替代，并由此獲得了美國總統(tǒng)綠色化學獎，并于 2006 年實現(xiàn)生產(chǎn)。2009 年 BioAmber 公司以小麥為底物，利用大腸桿菌成功實現(xiàn)了由葡萄糖生產(chǎn)丁二酸(也稱琥珀酸)。2011年，美國 Genomatica 公司積極從甘蔗、甜菜、玉米及其他植物中提取糖類原料，利用大腸桿推進 1,4-丁二醇生產(chǎn)的工業(yè)化進程。
生物塑料的案例之一為凱賽生物，凱賽生物已經(jīng)實現(xiàn)了生物法長鏈二元酸及生物基聚酰胺的量產(chǎn)。
生物能源方面，Amyris 以甘蔗為底物生產(chǎn)生物法尼烯，Gevo 實現(xiàn)了纖維 素異丁醇的生產(chǎn)，并且可以轉(zhuǎn)化為異丁烯和石蠟基煤油。帝斯曼、科萊恩、杜邦等企業(yè)持續(xù)在纖維素乙醇的應用進行探索。
除此之外，合成生物制造相比傳統(tǒng)化工三大優(yōu)勢:
其一，合成生物制造原材料可再生，制造過程中反應條件溫和，有效降低碳排放。首先，就材料端而言，傳統(tǒng)化學合成法通常以原油和煤炭等化石能源的加工品為原材料，而合成生物學以糖類和纖維素等可再生的生物質(zhì)為原材料，生物質(zhì)在光合作用中可吸收二氧化碳。其次,就生產(chǎn)過程而言，生物制造過程通常在常溫常壓條件下進行，能耗低且產(chǎn)生污染相對較少，也能夠顯著削減生產(chǎn)過程中的碳排放。
根據(jù)《Bio-based Chemicals A2020 Update》一文的測算,與化學法相比， 以乙酸和丙烯酸等為代表的 13 種生物基化學品每噸二氧化碳減排量可高達1.2-5.2 噸。
其二，生物制造相對化學工藝能耗成本降低，且菌種能夠?qū)崿F(xiàn)迭代優(yōu)化， 因此部分精細化學品仍具備顯著的降本空間。以丁二酸為例，丁二酸是一種優(yōu)秀的平臺化合物，在化工、材料、醫(yī)藥、食品領域有著廣泛的用途，被美國能源部列為未來 12 種最有價值的平臺化合物之一，可以衍生出眾多下游產(chǎn)品，如 1,4- 丁二醇、四氫呋喃、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)是一種性能優(yōu)良的生物全降解塑料。丁二酸遠期市場潛力超過 270 萬噸,大約有 250 種可以用苯為原料生產(chǎn)的化工產(chǎn)品都可以通過丁二酸為原料生產(chǎn)。一旦實現(xiàn)丁二酸的大規(guī)模生產(chǎn)，就可以部分取代石油化工產(chǎn)品苯。基于順酐為原料的石油化工路線丁二酸工藝復雜，且常需高溫高壓， 能耗物耗較高，同時化學合成還會造成嚴重的環(huán)境污染。張學禮團隊通過理性改造和進化代謝技術提高丁二酸生產(chǎn)能力，設計的丁二酸合成途徑使丁二酸的糖酸轉(zhuǎn)化率接近理論最大值,生物法生產(chǎn)丁二酸單噸成本約 1 萬元，相比化學法的1.4 萬元降低約 29%,丁二酸成本的大幅下降有望推動可降解塑料 PBS 的商業(yè)化進程。
其三，合成生物制造研發(fā)經(jīng)驗和設備可共用，拓品空間廣闊。以凱賽生物的長鏈二元酸為例，長鏈二元酸是合成香料、尼龍工程塑料、熱熔膠、樹脂、耐寒性增塑劑、醫(yī)藥和農(nóng)藥等的重要原料，其中十二碳二元酸(DC12)和十四碳二元酸 (DC14)分別是合成高級尼龍工程塑料尼龍 1212 和尼龍 1414 等的重要原料。十 二碳以上的長鏈二元酸在自然界中并不存在，化學法合成路線長，反應需要高溫高壓，對催化劑要求比較苛刻，因此在工業(yè)規(guī)模上的長鏈二元酸品種較少，只有十二碳長鏈二元酸等少數(shù)品種，且收率較低，目前沒有經(jīng)濟可行的合成方法，因此利用微生物的特異性轉(zhuǎn)化能力,在常溫常壓下轉(zhuǎn)化正烷烴或脂肪酸生成相應的長鏈二元酸成為新的方向。凱賽生物的生物法生產(chǎn)長鏈二元酸的重要優(yōu)點在于可以使用相同的微生物、相同設備以及培養(yǎng)基，通過提供不同底物的方案生產(chǎn)各種不同碳鏈長度的長鏈二元酸，而化學合成法僅能生產(chǎn)單一二元酸，因此既降低了不同長鏈二元酸的生產(chǎn)成本，也有效的拓寬了產(chǎn)品品類。依托豐富的長鏈二元酸品種以及生物基戊二胺技術，公司可生產(chǎn)從尼龍 510 到尼龍 518 等長鏈尼龍產(chǎn)品。
在國內(nèi)外政策支持下，合成生物學技術不斷進步，伴隨生物基材料及其單體合成工藝的不斷發(fā)展，合成生物學在化工行業(yè)的應用有望愈加廣泛和深入。當前我國合成生物產(chǎn)品類公司發(fā)展迅速，相關公司有望迎機會!
我們篩選出以下潛力標的
川寧生物(301301)2023 年 12月25日互動易：公司目前已有多個合成生物學項目進入中試階段，公司首個合成生物學項目紅沒藥醇已進入銷售階段。
翰宇藥業(yè)(300199)公司與中科院深圳先進院、深理工達成三方協(xié)議，共建“合成生物學與多肽藥物聯(lián)合研究中心 ”，圍繞抗感染、抗腫瘤、內(nèi)分秘、鎮(zhèn)痛等多肽創(chuàng)新藥物的研究開展合作。
沃特股份(002886)公司與中國科學院深圳先進技術研究院成立合成生物化學應用聯(lián)合創(chuàng)新中心，該聯(lián)合創(chuàng)新中心將主要圍繞生物基高分子材料、動植物營養(yǎng)等 方面，在前沿技術研究、新產(chǎn)品開發(fā)、技術平臺建立及人才培養(yǎng)等多層面進行合作。
參考資料：
東海證券-合成生物產(chǎn)業(yè)化加速，生物基材料有望推動化工行業(yè)綠色發(fā)展.pdf
山西證券-合成生物產(chǎn)業(yè)深度報告之一：工程化合成萬物，生物經(jīng)濟顛覆性力量.pdf
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