化工系列研究(十九)：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

第三次生技革命——合成生學(xué) 4合成生物學(xué)定義發(fā)展歷程 4合成生物打化工綠色基因品是關(guān)鍵 8生物基材料——成生物學(xué)化工領(lǐng)域代表 8顯著降低能耗且備替代價(jià)值是選品關(guān)鍵 15投資建議 18風(fēng)險(xiǎn)提示 18圖1合成生物學(xué)的一般途徑 4圖2近十年重要技術(shù)進(jìn)展推動DBTL進(jìn)程 5圖32000-2018年合成生物學(xué)研究的代表性進(jìn)展 6圖42015年以來我國合成生物材料相關(guān)政策時(shí)間線 7圖52017-2026年全球合成生物學(xué)市場規(guī)模（億美元） 8圖6當(dāng)前主要生物基化學(xué)產(chǎn)品 9圖7產(chǎn)業(yè)鏈 10圖8產(chǎn)業(yè)鏈 10圖9生物基的合成路徑 圖10全球生物塑料產(chǎn)能情況（萬噸） 圖歐洲生物塑料協(xié)會預(yù)計(jì)2028年全球生物塑料產(chǎn)能占比 12圖12短鏈PHA合成途徑示意圖 13圖13不同單體來源PBS的合成示意圖 14圖14低碳生物合成路徑 16圖15產(chǎn)量、出口量及表觀消費(fèi)量（噸） 17圖16開工率 17表1近年我國合成生物行業(yè)相關(guān)政策梳理 7表2多種纖維性能對比 10表3PBS與PLA、PE-HD、PE-LD的物理性能 13表4已建成的生物基丁二酸生產(chǎn)線 15表5工業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平（23年版（節(jié)選） 表6丙氨酸各生產(chǎn)工藝情況對比 17第三次生物技術(shù)革命——合成生物學(xué)合成生物學(xué)定義及發(fā)展歷程DNA合成生物學(xué)通過構(gòu)建高效的細(xì)胞工廠來實(shí)現(xiàn)制造，生產(chǎn)步驟主要分為四塊，底盤細(xì)胞篩選、生產(chǎn)細(xì)胞設(shè)計(jì)與構(gòu)建、發(fā)酵生產(chǎn)、分離純化。圖1合成生物學(xué)的一般途徑資料來源：《合成生物學(xué)在化工新材料領(lǐng)域的應(yīng)用及展望》陳潔等，底盤細(xì)胞是合成生物學(xué)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。目前底盤細(xì)胞主要包括三個(gè)體系：真核細(xì)胞、原核細(xì)胞和通用植物底盤細(xì)胞，研究人員根據(jù)具體的研究和應(yīng)用選擇不同的生產(chǎn)體系。生產(chǎn)細(xì)胞的設(shè)計(jì)與構(gòu)建采用工程學(xué)“自下而上”的思維，匯聚了基因工程、線路工程、DBTL策略對微生物進(jìn)行有目標(biāo)的改造并持續(xù)迭代，主要過程：1）對生物系統(tǒng)通過基因合成、基因編輯和細(xì)胞培養(yǎng)等技術(shù)手段創(chuàng)造出符合設(shè)計(jì)及功能需要的生物系統(tǒng)，4）通過大量圖2近十年重要技術(shù)進(jìn)展推動DBTL進(jìn)程資料來源：《Theseconddecadeofsyntheticbiology:2010–2020》Meng,F.andEllis,T.，發(fā)酵工藝是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路，發(fā)酵生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要大量時(shí)間積累經(jīng)驗(yàn)。合成生物學(xué)的最終目標(biāo)產(chǎn)物需要經(jīng)過發(fā)酵和分離才實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，生產(chǎn)規(guī)模從克到千克再到噸的放大，要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室階段、小試、中試再到大生產(chǎn)線的不斷試驗(yàn)和優(yōu)化。在不同規(guī)模和生產(chǎn)條件下，工藝條件和因素更多，需要大量的時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的積累。產(chǎn)品通過分離純化達(dá)到特定標(biāo)準(zhǔn)。在完成發(fā)酵后，根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)采用多種技術(shù)將最終目標(biāo)產(chǎn)物從發(fā)酵液或生產(chǎn)細(xì)胞中分離、純化出來，以達(dá)到最終產(chǎn)品的特定標(biāo)準(zhǔn)。全面提升，快速迭代的新階段。20PCR供了技術(shù)手段；DNA出了“自下而上”的工程學(xué)方法來補(bǔ)充“自上而下”的系統(tǒng)生物學(xué)方法。0（-03年：第二階段：擴(kuò)張和發(fā)展期（-07年：基礎(chǔ)研究快速發(fā)展，學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域有擴(kuò)大趨勢，但是工程技術(shù)進(jìn)步比較緩慢。第三階段：快速創(chuàng)新和應(yīng)用轉(zhuǎn)化期（-013年：域。第四階段：生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展（4年至今：設(shè)計(jì)—構(gòu)建—測試—學(xué)習(xí)（DBTL）循環(huán)帶動合成生物學(xué)技術(shù)和產(chǎn)品快速迭代。圖32000-2018年合成生物學(xué)研究的代表性進(jìn)展資料來源：《合成生物學(xué)：開啟生命科學(xué)“會聚”研究新時(shí)代》趙國屏，目前全球已有40多個(gè)國家、500多個(gè)機(jī)構(gòu)資助合成生物學(xué)研究。美國、英國、歐盟、525%20%石油燃料”的目標(biāo)；2018年日本正式2019——2019年歐洲生物產(chǎn)業(yè)協(xié)會發(fā)2019——0216萬英鎊資助。2015年以來，合成生物學(xué)行業(yè)政策的陸續(xù)出臺助推了我國生物經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，也推動了國內(nèi)從事合成生物學(xué)領(lǐng)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)2120225月10日，國家發(fā)改委印發(fā)《“十四五”帶來的環(huán)境資源壓力。圖42015年以來我國合成生物材料相關(guān)政策時(shí)間線資料來源：《合成生物學(xué)在化工新材料領(lǐng)域的應(yīng)用及展望》陳潔等，近年來，國內(nèi)各地也陸續(xù)出臺合成生物學(xué)相關(guān)政策鼓勵生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2021年1（北京6月，上海市政府在《上海市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中提出要構(gòu)建生物基化學(xué)品的細(xì)胞工廠，推動合成生物學(xué)技術(shù)工業(yè)應(yīng)用；20218月，山西省政府印發(fā)《山西省“十四五”14個(gè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)。表1近年我國合成生物行業(yè)相關(guān)政策梳理時(shí)間發(fā)布單位相關(guān)文件主要內(nèi)容2021年1月北京市發(fā)展和改革委員會《中國（北京）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)科技創(chuàng)新片區(qū)海淀組團(tuán)實(shí)施方案》布局重大生物產(chǎn)業(yè)平臺和重點(diǎn)項(xiàng)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 國家發(fā)展和改革委員會、業(yè)和信息化部2022年5月 國家發(fā)展和改革委員會

《上海市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》《山西省“十四五”14略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》《關(guān)于推動原料藥產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施方案的通知》《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》《科技支撐碳達(dá)峰碳中，

構(gòu)建生物基化學(xué)品的細(xì)胞工廠，推動合成生物學(xué)技術(shù)工業(yè)應(yīng)用開展合成生物學(xué)基礎(chǔ)研究和生物基材料等應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，加速生物聚酯等重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)加快合成生物學(xué)等先進(jìn)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，推動原料藥產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展要著力做大做強(qiáng)生物經(jīng)濟(jì)，到2025發(fā)展的強(qiáng)勁動力堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動作為發(fā)展的第一動20226

部門

和實(shí)施方案2030年）》

力，堅(jiān)持目標(biāo)導(dǎo)向和問題導(dǎo)向，構(gòu)建低碳、零碳、負(fù)碳技術(shù)創(chuàng)新體系2023年1月 工業(yè)和信息化部、發(fā)展和

新發(fā)展三年行動方案》

立足產(chǎn)業(yè)技術(shù)實(shí)際，系統(tǒng)謀劃生物基材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展境部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、市場監(jiān)督管理總局境部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、市場監(jiān)督管理總局資料來源：各部門網(wǎng)站，《“十四五”背景下合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢分析》王浩綺等，1512026307億美元。圖52017-2026年全球合成生物學(xué)市場規(guī)模（億美元）30724330724319015112295394553683002502001501005002017年2018年2019年2020年2021年2022年2023年2024E2025E2026E市場規(guī)模（億美元）資料來源：，合成生物學(xué)打造化工綠色基因，選品是關(guān)鍵生物基材料——合成生物學(xué)化工領(lǐng)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、木質(zhì)素和蔗糖來源廣泛，理論上絕大多數(shù)的化工材料都可以借助合成生物技術(shù)從生物原料中得到，同時(shí)，傳統(tǒng)化工新材料的創(chuàng)新相對緩慢，合成生物技術(shù)有望帶來創(chuàng)新機(jī)會。生物基纖維等終端產(chǎn)品。原料端來源廣泛：源廣的特點(diǎn)，是一種理想的生物基原料。β-1-4復(fù)合材料和包裝材料等。PE等。圖6當(dāng)前主要生物基化學(xué)產(chǎn)品資料來源：《合成生物學(xué)在化工新材料領(lǐng)域的應(yīng)用及展望》陳潔等，（A（LA（和聚羥基烷酸酯（PHA）等。聚酰胺俗稱尼龍，具有質(zhì)輕、耐疲勞、耐化學(xué)腐蝕、耐熱耐磨以及機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于服裝、汽車、醫(yī)療器械、建筑和電氣等領(lǐng)域。/內(nèi)酰胺單體開環(huán)聚合。由80%，2022產(chǎn)能有望增長。圖7產(chǎn)業(yè)鏈 圖8產(chǎn)業(yè)鏈資料來源：《國內(nèi)外己二腈行業(yè)現(xiàn)狀及競爭力分析》屠慶華等，

資料來源：百川盈孚，以葡萄糖為原料，體還未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。1,5-表2多種纖維性能對比纖維類別尼龍56尼龍6尼龍66常規(guī)滌綸棉纖度（d）140/72f70/48f455/144f345/144f-玻璃化溫度（℃）46.6504273-熔點(diǎn)（℃）255.6220258268-比重（g/cm3）1.141.131.141.421.58標(biāo)準(zhǔn)回潮率（%）5.13.63.10.47斷裂強(qiáng)度（CN/dtex）4.183.334.353.422.4~4.0斷裂伸長（%）2630.525.627.522.3極限氧指數(shù)（%）3120.120.120.619.8染色性容易較難較難難容易低碳環(huán)保性好差差差一般可持續(xù)發(fā)展性好較差差差一般資料來源：《生物基聚酰胺纖維引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展》郝新敏等，凱賽生物是目前唯一通過生物法大規(guī)模制造中間體1,5-海外日本1,5-戊2010的相關(guān)研究，目前凱賽生1,5-2014年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，是目前唯一通過生物法大規(guī)模制造1,5-戊二胺的企業(yè)。圖9生物基的合成路徑資料來源：《生物基聚酰胺56的結(jié)構(gòu)、性能及阻燃改性研究》楊婷婷等，PHAPLAPBS人造塑2017年其可分解包裝袋中生物物質(zhì)比例由2017年的30%提升至60%，政策推動下，生物基可降解塑料迎來高速發(fā)展。年181.32028743.226.51%。圖10全球生物塑料產(chǎn)能情況（萬噸）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資料來源：歐洲生物塑料協(xié)會，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資料來源：歐洲生物塑料協(xié)會，聚羥基脂肪酸酯（PHAs）和聚乳酸（PLA）是目前最常見的可降解材料。PHAs是高PHA材料是一種高分子生物材料，存在于微生物細(xì)胞中，具有可降解和結(jié)構(gòu)多樣化的解、熱塑性加工和氣體隔離等。PHA的單體種類多樣，鏈長區(qū)別很大，這使得不同種類的PHA用。PHA的生物合成是由多種蛋白和酶參與的代謝過程，主要有三條生物合成路徑，分別β-的是三步合成路徑，這也是工業(yè)化生產(chǎn)短鏈PHA主要利用的合成路徑。羅氏真養(yǎng)菌、拜氏PHBβ-A縮合生成乙酰乙酰輔酶AA被還原酶催化生成()--羥基丁酰輔酶A；第三步，(R)-3-APHAPHB，同時(shí)釋放輔酶Aβ-PHAβ-氧化途徑產(chǎn)生酮脂酰APHAA水合酶的作用下生成(R)-3-羥基脂酰輔APHAPHA。圖12短鏈PHA合成途徑示意圖資料來源：《以玉米漿為主要氮源的PHA發(fā)酵工藝研究及優(yōu)化》唐堂等，PHA（括野生菌法和重組工程菌法、轉(zhuǎn)基因植物法和活性污泥法等。目前微生物發(fā)酵法研究最為（LA1年，PLA可降解材料市場將以國內(nèi)為主。PBS1，4-PEPP近，可用于包裝、一次性器具、農(nóng)膜、紡絲加工以及醫(yī)用領(lǐng)域。表3PBS與PLA、PE-HD、PE-LD的物理性能樣品玻璃化轉(zhuǎn)變溫度/°C熔融溫度/°C熱變形溫度/°C斷裂拉伸強(qiáng)度/MPa斷裂伸長率/%沖擊強(qiáng)度/J*m-1結(jié)晶度/%PBS-35114973456030040PET802509871.67011035PLA60175585361350PP-5163110334152056PE-HD-12012982287004069PE-LD-120110491030041049資料來源：《PBS及其復(fù)合膜的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展》馬志蕊等，PBSPBSPBS合成的單體丁二酸和丁二醇可以從石油基中獲得，也可以從生物質(zhì)資源中獲得，從生物質(zhì)資源路徑獲得合成單體制得的PBS即100%生物基PBS。圖13不同單體來源PBS的合成示意圖資料來源：《PBS及其復(fù)合膜的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展》馬志蕊等，PBS1，4PBSPLAPLAPBS制造的餐具主要供給海外。伴隨歐洲對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廣泛關(guān)注，其碳素可完全循環(huán)，對于利用可再生資源、固定溫室氣體等有重大意義。Roquette合資Reverdiaph1萬噸/BioAmber公司與日ph3萬噸/CorbionPurac和德國BASF聯(lián)合成立的Succinity公司采用中性發(fā)酵工藝的1.4萬噸/年產(chǎn)能的裝置；Myriant采用一株能利用木質(zhì)纖維素水解液的大腸桿菌作為生產(chǎn)菌株，選擇氨沉淀法分離丁二酸。表4已建成的生物基丁二酸生產(chǎn)線生產(chǎn)商產(chǎn)能/（萬噸/年）原料生產(chǎn)菌株發(fā)酵及分離工藝Myriant1.4糖漿/木質(zhì)纖維素水解液E.coli氨水維持pH，氨沉淀法分離工藝BioAmber 0.4 麥芽糖漿 E.

氫氧化鈉維持pH，電透析法分離工藝pH晶工藝Candidakrusei玉米糖漿3BioAmber&MitsubishiSuccinity 1 甘油/

Basfiasucciniciproducens

Mg(OH)2維持pH，鎂鹽分離工藝Reverdia 1 糖漿 S.

低pH發(fā)酵，直接結(jié)晶工藝資料來源：《生物法制造丁二酸研究進(jìn)展》張耀等，我國丁二酸生產(chǎn)企業(yè)大多以石油基丁二酸生產(chǎn)為主，生物基丁二酸產(chǎn)能占比小，目前有量產(chǎn)生物基丁二酸的企業(yè)主要是蘭典生物和華恒生物。顯著降低能耗且具備替代價(jià)值是選品關(guān)鍵全球綠色高質(zhì)量發(fā)展已經(jīng)成為不203035%的化學(xué)品,15%～80%35%～75%33%～80%,生產(chǎn)成本9%～90%,75%～80%。世界自然基金會報(bào)告等預(yù)測，203025億噸的碳排放,對減緩全球氣候變化、實(shí)現(xiàn)可2020年發(fā)布報(bào)告,20306.7CO2940萬桶石油,1270萬噸CO2的溫室氣體排放。圖14低碳生物合成路徑資料來源：王欽宏等《低碳生物合成：機(jī)遇與挑戰(zhàn)》，20237月4日，國家發(fā)展改革委等部門關(guān)于發(fā)布《工業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平（2023年版252026年底前完成技術(shù)改造或淘汰退出。重點(diǎn)領(lǐng)域 指標(biāo)名稱 指標(biāo)單位 標(biāo)桿水平 基準(zhǔn)水平表5工業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平（3年版（節(jié)選）重點(diǎn)領(lǐng)域 指標(biāo)名稱 指標(biāo)單位 標(biāo)桿水平 基準(zhǔn)水平棉、化纖及混紡機(jī)織物單位產(chǎn)品綜合能耗千克標(biāo)準(zhǔn)煤/百米2836針織物、紗線單位產(chǎn)品綜合能耗噸標(biāo)煤/噸11.3對二甲苯單位產(chǎn)品能耗千克標(biāo)準(zhǔn)油/噸380550乙二醇單位產(chǎn)品能耗千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸375470尿素汽輪機(jī)驅(qū)動單位產(chǎn)品能耗千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸150170電機(jī)驅(qū)動138165聚氯乙烯電石法（通用型）單位產(chǎn)品能耗千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸193270電石法（糊用型）450480乙烯法（通用型）6