化工系列研究(十九)：合成生物产业化加速生物基材料有望推动化工行业绿色发展

第三次生技革命——合成生学 4合成生物学定义发展历程 4合成生物打化工绿色基因品是关键 8生物基材料——成生物学化工领域代表 8显著降低能耗且备替代价值是选品关键 15投资建议 18风险提示 18图1合成生物学的一般途径 4图2近十年重要技术进展推动DBTL进程 5图32000-2018年合成生物学研究的代表性进展 6图42015年以来我国合成生物材料相关政策时间线 7图52017-2026年全球合成生物学市场规模（亿美元） 8图6当前主要生物基化学产品 9图7产业链 10图8产业链 10图9生物基的合成路径 图10全球生物塑料产能情况（万吨） 图欧洲生物塑料协会预计2028年全球生物塑料产能占比 12图12短链PHA合成途径示意图 13图13不同单体来源PBS的合成示意图 14图14低碳生物合成路径 16图15产量、出口量及表观消费量（吨） 17图16开工率 17表1近年我国合成生物行业相关政策梳理 7表2多种纤维性能对比 10表3PBS与PLA、PE-HD、PE-LD的物理性能 13表4已建成的生物基丁二酸生产线 15表5工业重点领域能效标杆水平和基准水平（23年版（节选） 表6丙氨酸各生产工艺情况对比 17第三次生物技术革命——合成生物学合成生物学定义及发展历程DNA合成生物学通过构建高效的细胞工厂来实现制造，生产步骤主要分为四块，底盘细胞筛选、生产细胞设计与构建、发酵生产、分离纯化。图1合成生物学的一般途径资料来源：《合成生物学在化工新材料领域的应用及展望》陈洁等，底盘细胞是合成生物学生产的基础。目前底盘细胞主要包括三个体系：真核细胞、原核细胞和通用植物底盘细胞，研究人员根据具体的研究和应用选择不同的生产体系。生产细胞的设计与构建采用工程学“自下而上”的思维，汇聚了基因工程、线路工程、DBTL策略对微生物进行有目标的改造并持续迭代，主要过程：1）对生物系统通过基因合成、基因编辑和细胞培养等技术手段创造出符合设计及功能需要的生物系统，4）通过大量图2近十年重要技术进展推动DBTL进程资料来源：《Theseconddecadeofsyntheticbiology:2010–2020》Meng,F.andEllis,T.，发酵工艺是实现产业化的必经之路，发酵生产环节需要大量时间积累经验。合成生物学的最终目标产物需要经过发酵和分离才实现产业化，生产规模从克到千克再到吨的放大，要经过实验室阶段、小试、中试再到大生产线的不断试验和优化。在不同规模和生产条件下，工艺条件和因素更多，需要大量的时间和经验的积累。产品通过分离纯化达到特定标准。在完成发酵后，根据产品的特点采用多种技术将最终目标产物从发酵液或生产细胞中分离、纯化出来，以达到最终产品的特定标准。全面提升，快速迭代的新阶段。20PCR供了技术手段；DNA出了“自下而上”的工程学方法来补充“自上而下”的系统生物学方法。0（-03年：第二阶段：扩张和发展期（-07年：基础研究快速发展，学科应用领域有扩大趋势，但是工程技术进步比较缓慢。第三阶段：快速创新和应用转化期（-013年：域。第四阶段：生物技术与信息技术融合发展（4年至今：设计—构建—测试—学习（DBTL）循环带动合成生物学技术和产品快速迭代。图32000-2018年合成生物学研究的代表性进展资料来源：《合成生物学：开启生命科学“会聚”研究新时代》赵国屏，目前全球已有40多个国家、500多个机构资助合成生物学研究。美国、英国、欧盟、525%20%石油燃料”的目标；2018年日本正式2019——2019年欧洲生物产业协会发2019——0216万英镑资助。2015年以来，合成生物学行业政策的陆续出台助推了我国生物经济的快速发展，也推动了国内从事合成生物学领域的公司发展。2017年，国家发展和改革委员会在《生物产业2120225月10日，国家发改委印发《“十四五”带来的环境资源压力。图42015年以来我国合成生物材料相关政策时间线资料来源：《合成生物学在化工新材料领域的应用及展望》陈洁等，近年来，国内各地也陆续出台合成生物学相关政策鼓励生物制造产业的发展。2021年1（北京6月，上海市政府在《上海市战略性新兴产业和先导产业发展“十四五”规划》中提出要构建生物基化学品的细胞工厂，推动合成生物学技术工业应用；20218月，山西省政府印发《山西省“十四五”14个战略性新兴产业重点项目建设。表1近年我国合成生物行业相关政策梳理时间发布单位相关文件主要内容2021年1月北京市发展和改革委员会《中国（北京）自由贸易试验区科技创新片区海淀组团实施方案》布局重大生物产业平台和重点项目2021年6月 上海市人民政府2021年8月 山西市人民政府2021年11月 国家发展和改革委员会、业和信息化部2022年5月 国家发展和改革委员会

《上海市战略性新兴产业和先导产业发展“十四五”规划》《山西省“十四五”14略性新兴产业规划》《关于推动原料药产业高质量发展实施方案的通知》《“十四五”生物经济发展规划》《科技支撑碳达峰碳中，

构建生物基化学品的细胞工厂，推动合成生物学技术工业应用开展合成生物学基础研究和生物基材料等应用技术开发，加速生物聚酯等重点项目建设加快合成生物学等先进技术的开发应用，推动原料药产业高质量发展要着力做大做强生物经济，到2025发展的强劲动力坚持创新驱动作为发展的第一动20226

部门

和实施方案2030年）》

力，坚持目标导向和问题导向，构建低碳、零碳、负碳技术创新体系2023年1月 工业和信息化部、发展和

新发展三年行动方案》

立足产业技术实际，系统谋划生物基材料产业创新发展境部、农业农村部、市场监督管理总局境部、农业农村部、市场监督管理总局资料来源：各部门网站，《“十四五”背景下合成生物学产业发展趋势分析》王浩绮等，1512026307亿美元。图52017-2026年全球合成生物学市场规模（亿美元）30724330724319015112295394553683002502001501005002017年2018年2019年2020年2021年2022年2023年2024E2025E2026E市场规模（亿美元）资料来源：，合成生物学打造化工绿色基因，选品是关键生物基材料——合成生物学化工领域代表生物基材料有望逐步替代石油基材料，原料端植物油、淀粉、木质素和蔗糖来源广泛，理论上绝大多数的化工材料都可以借助合成生物技术从生物原料中得到，同时，传统化工新材料的创新相对缓慢，合成生物技术有望带来创新机会。生物基纤维等终端产品。原料端来源广泛：源广的特点，是一种理想的生物基原料。β-1-4复合材料和包装材料等。PE等。图6当前主要生物基化学产品资料来源：《合成生物学在化工新材料领域的应用及展望》陈洁等，（A（LA（和聚羟基烷酸酯（PHA）等。聚酰胺俗称尼龙，具有质轻、耐疲劳、耐化学腐蚀、耐热耐磨以及机械强度高等特点，被广泛应用于服装、汽车、医疗器械、建筑和电气等领域。/内酰胺单体开环聚合。由80%，2022产能有望增长。图7产业链 图8产业链资料来源：《国内外己二腈行业现状及竞争力分析》屠庆华等，

资料来源：百川盈孚，以葡萄糖为原料，体还未实现工业化。1,5-表2多种纤维性能对比纤维类别尼龙56尼龙6尼龙66常规涤纶棉纤度（d）140/72f70/48f455/144f345/144f-玻璃化温度（℃）46.6504273-熔点（℃）255.6220258268-比重（g/cm3）1.141.131.141.421.58标准回潮率（%）5.13.63.10.47断裂强度（CN/dtex）4.183.334.353.422.4~4.0断裂伸长（%）2630.525.627.522.3极限氧指数（%）3120.120.120.619.8染色性容易较难较难难容易低碳环保性好差差差一般可持续发展性好较差差差一般资料来源：《生物基聚酰胺纤维引领产业绿色发展》郝新敏等，凯赛生物是目前唯一通过生物法大规模制造中间体1,5-海外日本1,5-戊2010的相关研究，目前凯赛生1,5-2014年实现产业化，是目前唯一通过生物法大规模制造1,5-戊二胺的企业。图9生物基的合成路径资料来源：《生物基聚酰胺56的结构、性能及阻燃改性研究》杨婷婷等，PHAPLAPBS人造塑2017年其可分解包装袋中生物物质比例由2017年的30%提升至60%，政策推动下，生物基可降解塑料迎来高速发展。年181.32028743.226.51%。图10全球生物塑料产能情况（万吨）460.5312.7460.5312.7364.4259.886.494.9113.6157.5224.1274.4274.8282.7104.7109.570060050040030020010002022年 2023年 2024年 2025年 2026年 2027年 2028年生物可降解塑料 生物基不可降解塑料资料来源：欧洲生物塑料协会，PHA以PP2028年前快速提升。

0.40%PLA 5.90%SCPC 0.30% 6.80%18.90%

43.60%

PBAT CRPA PEFPE PET1.30%1.30%0.30%

1.90%

13.50%

PTT PPOther资料来源：欧洲生物塑料协会，聚羟基脂肪酸酯（PHAs）和聚乳酸（PLA）是目前最常见的可降解材料。PHAs是高PHA材料是一种高分子生物材料，存在于微生物细胞中，具有可降解和结构多样化的解、热塑性加工和气体隔离等。PHA的单体种类多样，链长区别很大，这使得不同种类的PHA用。PHA的生物合成是由多种蛋白和酶参与的代谢过程，主要有三条生物合成路径，分别β-的是三步合成路径，这也是工业化生产短链PHA主要利用的合成路径。罗氏真养菌、拜氏PHBβ-A缩合生成乙酰乙酰辅酶AA被还原酶催化生成()--羟基丁酰辅酶A；第三步，(R)-3-APHAPHB，同时释放辅酶Aβ-PHAβ-氧化途径产生酮脂酰APHAA水合酶的作用下生成(R)-3-羟基脂酰辅APHAPHA。图12短链PHA合成途径示意图资料来源：《以玉米浆为主要氮源的PHA发酵工艺研究及优化》唐堂等，PHA（括野生菌法和重组工程菌法、转基因植物法和活性污泥法等。目前微生物发酵法研究最为（LA1年，PLA可降解材料市场将以国内为主。PBS1，4-PEPP近，可用于包装、一次性器具、农膜、纺丝加工以及医用领域。表3PBS与PLA、PE-HD、PE-LD的物理性能样品玻璃化转变温度/°C熔融温度/°C热变形温度/°C断裂拉伸强度/MPa断裂伸长率/%冲击强度/J*m-1结晶度/%PBS-35114973456030040PET802509871.67011035PLA60175585361350PP-5163110334152056PE-HD-12012982287004069PE-LD-120110491030041049资料来源：《PBS及其复合膜的制备及应用研究进展》马志蕊等，PBSPBSPBS合成的单体丁二酸和丁二醇可以从石油基中获得，也可以从生物质资源中获得，从生物质资源路径获得合成单体制得的PBS即100%生物基PBS。图13不同单体来源PBS的合成示意图资料来源：《PBS及其复合膜的制备及应用研究进展》马志蕊等，PBS1，4PBSPLAPLAPBS制造的餐具主要供给海外。伴随欧洲对生物基可降解材料的新限制，生物基丁二酸和1,4-丁二醇的研究受到了广泛关注，其碳素可完全循环，对于利用可再生资源、固定温室气体等有重大意义。Roquette合资Reverdiaph1万吨/BioAmber公司与日ph3万吨/CorbionPurac和德国BASF联合成立的Succinity公司采用中性发酵工艺的1.4万吨/年产能的装置；Myriant采用一株能利用木质纤维素水解液的大肠杆菌作为生产菌株，选择氨沉淀法分离丁二酸。表4已建成的生物基丁二酸生产线生产商产能/（万吨/年）原料生产菌株发酵及分离工艺Myriant1.4糖浆/木质纤维素水解液E.coli氨水维持pH，氨沉淀法分离工艺BioAmber 0.4 麦芽糖浆 E.

氢氧化钠维持pH，电透析法分离工艺pH晶工艺Candidakrusei玉米糖浆3BioAmber&MitsubishiSuccinity 1 甘油/

Basfiasucciniciproducens

Mg(OH)2维持pH，镁盐分离工艺Reverdia 1 糖浆 S.

低pH发酵，直接结晶工艺资料来源：《生物法制造丁二酸研究进展》张耀等，我国丁二酸生产企业大多以石油基丁二酸生产为主，生物基丁二酸产能占比小，目前有量产生物基丁二酸的企业主要是兰典生物和华恒生物。显著降低能耗且具备替代价值是选品关键全球绿色高质量发展已经成为不203035%的化学品,15%～80%35%～75%33%～80%,生产成本9%～90%,75%～80%。世界自然基金会报告等预测，203025亿吨的碳排放,对减缓全球气候变化、实现可2020年发布报告,20306.7CO2940万桶石油,1270万吨CO2的温室气体排放。图14低碳生物合成路径资料来源：王钦宏等《低碳生物合成：机遇与挑战》，20237月4日，国家发展改革委等部门关于发布《工业重点领域能效标杆水平和基准水平（2023年版252026年底前完成技术改造或淘汰退出。重点领域 指标名称 指标单位 标杆水平 基准水平表5工业重点领域能效标杆水平和基准水平（3年版（节选）重点领域 指标名称 指标单位 标杆水平 基准水平棉、化纤及混纺机织物单位产品综合能耗千克标准煤/百米2836针织物、纱线单位产品综合能耗吨标煤/吨11.3对二甲苯单位产品能耗千克标准油/吨380550乙二醇单位产品能耗千克标准煤/吨375470尿素汽轮机驱动单位产品能耗千克标准煤/吨150170电机驱动138165聚氯乙烯电石法（通用型）单位产品能耗千克标准煤/吨193270电石法（糊用型）450480乙烯法（通用型）6