华恒生物:合成生物学领军企业,生物基产品布局打开新空间
作者：江北嘉兰
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丙氨酸是公司的主要产品，2020H1 占比高达 87%。2017-2020H1，公司丙 氨酸系列产品占主营业务收入的比重分别为 99.62%、98.57%、86.79%和 87.17%， 整体占比较高，为公司主要产品。其中，L 丙氨酸是公司丙氨酸系列产品中最主要 的细分类型，在丙氨酸产品系列中又占据较高份额，其主要需求方为巴斯夫、诺力 昂等大型国际化工企业，L-丙氨酸主要应用于日化领域，作为合成新型环保螯合剂 MGDA 的原料使用。
1.2 立足丙氨酸生产，产品条线多点开花
1.2.1 丙氨酸
丙氨酸属于一种小品类氨基酸。丙氨酸是组成人体蛋白质的21种氨基酸之一， 属于小品种氨基酸，可以广泛应用于日化、医药及保健品、食品添加剂和饲料等众 多领域。丙氨酸可以分为为α-丙氨酸和β-丙氨酸，其中α-丙氨酸存在 L 型、D 型 两种立体镜像，即 L-丙氨酸、D-丙氨酸，DL-丙氨酸为α-丙氨酸的外消旋体，其 中 L 型、D 型的混合比例为 1:1。受制于自然属性带来的应用限制，D-丙氨酸的市 场应用空间有限，因而公司没有开展 D-丙氨酸的规模化工业生产。
丙氨酸生产工艺的前沿工艺主要为酶法和发酵法。从生产工艺历史来看，丙氨 酸的工艺经历了天然提取法、化学合成法、酶法到发酵法的技术演变，其中天然提 取法和化学合成法具有成本高、合成路线长、环保压力大等问题，酶法和发酵法成 为目前利用生物技术生产丙氨酸产品的前沿工艺。
L-丙氨酸：L-丙氨酸产品为丙氨酸系列产品的主要细分品种，也是下游应用最 为广泛的细分类型，可以广泛应用于日化、医药及保健品、食品添加剂和饲料等众 多领域。其中，日化领域为 L-丙氨酸最主要应用领域，2019 年日化领域需求量占 L-丙氨酸总需求量约 55%。从日化领域中的下下游来说，L-丙氨酸作为主要原料 可以应用于新型绿色螯合剂 MGDA 的生产中，还可以用于合成温和氨基酸表面活 性剂。 L-丙氨酸是公司最早实施产业化的产品，公司通过自主研发和产学研结合的 模式，开发了两种较为成熟的生物制造方式，即酶法生产工艺和发酵法生产工艺。 在酶法工艺下，公司采用自然筛选、定向进化等技术，构建出高手性选择的 L-丙 氨酸工业酶，使酶法生产的 L-丙氨酸光学纯度达到 99.99%，可满足医药、食品等 行业客户对高手性纯度的要求；与酶法相比，发酵法使得产品成本降低约 50%， 且原材料均为可再生资源，发酵过程二氧化碳零排放，因而更适用于合成新型绿色 螯合剂、氨基酸表面活性剂等日化领域的应用。
DL-丙氨酸：DL-丙氨酸具有一定的甜味，可用作缓冲酸碱、防止褐变，被日 韩等国家用作食品添加剂，也可以用于日化领域生产 MGDA。公司 DL-丙氨酸产 品以自产的 L-丙氨酸为原料，经由酶法工艺催化 L-丙氨酸消旋一步反应得到，具 有显著的成本优势。公司采取的酶法工艺较传统化学合成工艺来说具有显著优势， 具体体现在：一是在生产过程中采用了常温常压的温和反应条件，替代了原有化学 合成法的高温高压条件；二是在后提取环节采用了先进膜分离技术，工艺简单，产品纯度达到 99.5%以上。 β-丙氨酸：β-丙氨酸是自然界中唯一存在的β型氨基酸，具有独特的生物活性。 在医药及保健品领域，β-丙氨酸是合成维生素 B5 的重要原材料之一，还可参与维 生素泛酸和辅酶 A 的组成，作为抗运动性疲劳补剂。β-丙氨酸合成长期依赖于化 学合成路线，反应条件苛刻，环境压力显著；2018 年，公司创造性地构建了以廉 价丙烯酸为原料，利用人工合成酶催化生产β-丙氨酸的技术。与 L-天冬氨酸脱羧 技术相比，该技术有效降低了成本，具有高效率、高转化率优势，且在后提取环节 兼具绿色环保优势，成功构建了β-丙氨酸的绿色合成路线。
1.2.2 L-缬氨酸
缬氨酸发酵法工艺成功突破，发展潜力较大。缬氨酸是组成蛋白质的氨基酸之 一，也是哺乳动物的必需氨基酸和生糖氨基酸。作为三种支链氨基酸之一，L-缬氨 酸在促进蛋白质合成、维持动物正常代谢和健康、机体组织修复、维持机体氮代谢 等方面发挥重要作用，广泛应用于饲料、医药、食品行业。在发酵法丙氨酸生产工 艺的基础上，公司成功实现发酵法 L-缬氨酸技术的突破，该技术能耗低，葡萄糖 转化率相对较高，杂酸产生少，且通过直接浓缩结晶获得较高纯度的产品，具备良 好的竞争优势。
1.2.3 熊果苷
熊果苷主要用于美白化妆品，公司产品布局丰富。熊果苷又名熊果素、熊果叶 苷、熊果酚苷。熊果苷具有抗炎、抗氧化、平喘等多种药理活性，还是人黑色素细 胞中酪氨酸酶的抑制剂，能够阻断黑色素的形成，加速黑色素的分解与排泄，从而 减少皮肤色素沉积。熊果苷分为α型和β型两类，α-熊果苷的美白效果是β-熊果苷 的 7-10 倍，目前国内外逐步添加于美白化妆品中。公司α-熊果苷以苯二酚为原料， 采用酶法生产工艺，有效解决了传统工艺普遍存在的酶活低、提取精制成本高、产 品杂质含量高等问题；2021 年，公司成功实现发酵法β-熊果苷技术产业化，与公 司生物酶法α-熊果苷形成互补，能够更好为下游化妆品行业客户提供产品服务。
1.2.4 D-泛酸钙
泛酸钙定位于核心产品丙氨酸的协同产品。D-泛酸钙亦称维生素 B5，是人体 和动物体内辅酶 A 的组成部分，参与碳水化合物、脂肪和蛋白质的代谢作用，有 利于各种营养成分的吸收和利用，是人体和动物维持正常生理机能不可缺少的微 量物质，被广泛应用于饲料添加剂、医药、日化、食品添加剂等众多领域。D-泛酸 钙是基于公司在现有核心产品丙氨酸的技术与成本优势基础上，适时开发出的衍 生物新产品，定位于核心产品丙氨酸的协同产品。
1.3 营收稳定增长，盈利能力维持高位
近年来公司营收、归母净利润逐年增长。据公告，2018-2022 年，公司营收 从 4.21 亿元增长至 14.19 亿元，CAGR 为 35.5%；归母净利润由 0.76 亿元增长至 3.2 亿元，CAGR 为 43.25%。其中，公司 2022 年实现营收 14.19 亿元，同比 增长 48.69%；实现归母净利润 3.2 亿元，同比增长 90.23%。2022 年营收及利润 上涨原因主要系公司缬氨酸及丙氨酸产品销量增加导致销售收入大幅上涨所致。
毛利率增长势头强劲，期间费用率整体维持稳定。2018-2022 年公司毛利率 整体维持在行业较高水平，其中2022年公司毛利率为 38.66%，净利率为22.51%； 期间费用方面，2018-2022 年公司三大费用率整体呈现下降趋势，2022 年财务、 管理、销售费用率分别达到-0.49%（利息收入大于支出）、7.96%、2.04%，同比 分别-0.49pct、+1.15pct、+0.47pct，说明近年来公司对费用管控的能力有所提 升。研发费用方面，值得关注的是公司近年来的研发费用率普遍维持在 5%上，处 于行业较高水平，技术研发投入的提升利好公司新产品的研发投产，有利于保障研 发人员及研发工艺的内部稳定。
1.4 立足自主研发，坚持产学研相结合的研发体系
公司采用自主研发与产业合作的研发体系，持续加强研发投入。公司立足自主 研发，始终保持研发的高效投入。2018-2022 年公司研发费用整体呈现增长趋势， 研发费用率分别为 5.23%、6.11%、6.16%、5.56%、5.57%，始终保持在 5%以 上水平。同时，公司坚持和发展产学研相结合的技术合作创新模式，与中科院天工 所、中科院微生物所、北京化工大学、浙江工业大学等高校科研机构建立长期的合 作关系，与中国科学院郑裕国院士合作共建华恒绿色生物制造院士工作站，以提升 公司综合技术的研究能力。
1.5 股权激励有效提升员工积极性
公司股权结构合理，股权激励激发员工热情。据 wind，截至 2023 年 7 月底， 郭恒华分别作为普通合伙人、控股股东持有三和投资、恒润华业一定的财产份额， 通过直接和间接持有公司近 30%的股份，是公司的第一大股东和实际控制人；张 学礼作为公司核心技术人员，直接间接共持有公司股份共计 3.78%；郭恒平、张 冬竹等公司高管均持有公司股份。此外，公司发布 2021 年限制性股票激励计划， 计划授予第一类限制性股票 40 万股，第二类限制性股票 62.1 万股，授予对象总 人数为 30 人，均为公司核心骨干及技术人员。该股权激励计划有助于提升员工积 极性，传递公司长期发展信心。
1.6 公司客户资源优质稳定
公司下游客户资源丰富，美国子公司成立助力华恒布局国际市场。依托于技术 突破和成本优势，公司服务于包括世界 500 强企业在内的境内外优质客户。在境 外市场，公司与世界 500 强企业巴斯夫、味之素、伊藤忠、德之馨等公司建立了 合作伙伴关系；在境内市场，公司与多家优质化工、制药企业保持着良好的合作关 系，如诺力昂、天新药业、华中药业、华海药业等均与公司建立了长期业务往来。 2021 年，公司根据市场及客户业务类型对销售体系进行变革，重新划分中间体事 业部、动物营养事业部、功能食品与营养事业部、日化护理事业部及植物营养事业 部共计 5 个事业部；此外，针对国际市场，公司成立华恒美国公司，有助于公司聚 焦国际市场的开拓与服务，提高承接未来公司战略的能力。
2 “自上而下”的合成生物学，核心为“设计-构建 -测试-学习 (DBTL)”循环
2.1 合成生物学是生物科学第三次革命
合成生物学沿用工程学“自上而下”概念，是一种与系统生物学“自上而下” 解析理念相反的合成理念。合成生物学打破了“自然”与“非自然”的界限，从系 统表征自然具有催化调控等功能的生物大分子，令其成为标准化“元件”，到后面 的创建“模块”、“线路”等全新生物部件与细胞“底盘”，一直到构建具有各类用 途的人造生命系统。 合成生物学的“工程学本质”是其区别于传统生命科学的核心。一方面，合成 生物学具有“自下而上”的正向工程学“策略”。因此，对于合成生物学而言，元 件标准化→模块构建→底盘适配，包括对生命过程的途径、网络的组成及其调控的 认识及“正交化生命”的设计与构建，是其最核心的研究内容；而人工线路的构建， 就是其最重要的工程化平台；另一方面，合成生物学是目标导向的构建“人造生 命”。“自上而下”地构建“最小基因组”或者“自下而上”地合成“人工基因组”， 是合成生物学另一个最核心的研究内容；大片段基因组操作和改造，以及大规模、 高精度、低成本 DNA 合成，是合成生物最重要的两大使能技术；而基因组的构建， 是合成生物最重要的工程化平台。
合成生物学广泛应用于平台研发、医药、化工、能源、食品和农业等多个重点 领域。（1）平台：包含非生物平台和生物平台；（2）医药：包含疾病诊断、疫苗、 抗生素、药物、基因治疗、细胞工程等产品；（3）能源环境：利用微生物合成高能 生物染料，或者遗传改造微生物使其能将生物质转化为乙醇、蛋白质等；（4）化工： 通过设计和改造实现生物路线对传统化工路线的替代，包括化学品、材料、工业酶 和个人护理等产品的市场开发；（5）食品：包含人造肉、油、酒、蛋白质、食品添加剂和天然功能成分等；（6）农业：涉及到到农作物及畜牧生产环节，包括成本控 制、化肥农药减施、生物传感器等。
2.2 合成生物学迈入发展新阶段
合成生物学的发展大体经过四个阶段。 （1）第一阶段是创建时期（2000-2003 年）：此阶段产生了许多具备领域特 征的研究手段和理论，特别基因线路工程的建立及其在代谢工程中的成功运用。 （2）第二阶段是扩张与发展期（2004-2007 年）：此阶段领域呈现扩大趋势， 但是工程技术进步较为缓慢。 （3）第三阶段是快速创新和应用转化期（2008-2013 年）：此阶段新技术和 工程手段大量涌现，大大扩展了合成生物学研究与应用的领域，基因组编辑技术也 出现了前所未有的突破。 （4）第四阶段是会聚研究新阶段（2014-至今）：2014 年美国科学院提出“会 聚”研究为生命科学第三次革命，以使能技术的工程化平台建设与生物医学大数据 的开源应用相结合带来的“工程生物学”，正在全面推动生物技术、生物产业和生 物医药“民主化”发展的新阶段。
2.3 底盘细胞是“硬件”基础
模式菌株研究历史厂，积累了大量的实验数据和菌株资源。常用的模式微生物 有酿酒酵母、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌等。目前利用合成生物学手 段在这些模式微生物中构建了具有特定功能的底盘细胞，或进行了一定程度的基 因组精简优化。模式微生物研究历史长、研究人员多、遗传工具丰富，因而积累了 大量的实验数据和菌株资源。以下为常见的模式微生物： （1）酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）：具有培养条件简单、生长繁 殖快、通常认为是安全的、遗传操作工具多样以及遗传背景清晰等优势，是第一个 基因组被完全测序的真核生物基广泛使用的真核模式生物之一； （2）大肠杆菌（Escherichia coli）：作为研究微生物遗传、生理和代谢的模 式菌株，同样由于遗传操作工具多样以及遗传背景清晰等优势成为重要的底盘细 胞之一； （3）枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）：是革兰氏阳性菌芽孢杆菌的模式菌 株，具有强大的蛋白表达系统。枯草芽孢杆菌基因组大小约为 4.2 Mb，随着其基 因组编辑等遗传工具的完善，其基因组精简也从 7.7%提高到了 36.0%； （4）谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）：因其高产谷氨酸的 特性而受到关注，目前已对 53 株谷氨酸棒杆菌进行了基因组测序，且开发了完备的基因组编辑操作系统，包括同源重组介导的基因编辑体系、CRISPR-Cas9 和 最新的 CRISPRCpf1/dCpf1 等技术。 非模式菌株因具有优秀特性而被广泛应用。在工业生产实践中，除模式微生物 底盘细胞外，还有诸多非模式菌株，它们因天然具有理想工厂所需的优异特性而在 各个领域被广泛应用，是生物制造的核心组成部分。这些理想细胞工厂的特点包括 GRAS 安全菌株、可高效利用多种底物尤其是廉价原料、生长周期短、目标产物产 量高、副产物少、性能稳定、耐受极端环境条件、鲁棒性强等。
2.4 DBTL 循环是应用核心
“设计-构建-测试-学习 (DBTL)”循环是合成生物学应用的核心。合成生物 学家需要从大量的实验数据及旧文献中的“教训”中学习，在微生物菌株的开发过 程中通常涉及到“设计-构建-测试-学习（DBTL）”循环，这种方法集成了菌株计 算设计、基因工程改造、发酵测试和组学分析，以提升菌种性能，解决生产瓶颈，是合成生物学应用的核心。
2.4.1 环节一：设计
设计是 DBTL 的基础环节。设计是指在前期已有知识的基础上遵循一定的规 则，利用现有的标准化生物元件对基因、代谢通路或基因组进行理性设计。其中标 准化的生物元件，尤其是 DNA 水平描述的生物元件，在设计过程中尤为重要。
（1）元件：启动子、基因编码序列、终止子、转录调控蛋白因子、核糖体结 合位点（RBS）、调控小 RNA 分子等都是合成生物学的基本元件。开始时，人们系 统定量表征了自然界的天然元件，并基于天然元件开发了许多突变的人工元件；除 此之外，人们还开发了一些诸如基因间序列元件、DNA 位点标签元件、RNA 适配 子元件等新型人工元件，这些元件共同构成合成生物学的元件库。
（2）基因线路：利用基因元件开发而成，可以在生物体内实现信息处理，例 如基因开关、振荡器、放大器、逻辑门、计数器等。
（3）基因组：基因组设计可以分为对基因组编码区域的重编设计和对其他区 域的重编和设计——编码区域的重编与设计主要基于密码子的简并性进行，并根 据实验目的综合不同因素，通过对基因编码区域的重编和设计可以改变蛋白的表 达特性；相对于编码区域的基因组设计，基因组其他区域的重编设计目前尚处于比 较初级的状态。
2.4.2 环节二：构建
构建就是设计完后调用标准的元件库把元件组装起来的过程。构建环节包括 DNA 合成、大片段组装以及基因编辑。 DNA 合成技术在合成生物学中具有非常重要的作用。DNA 合成不同于体内 扩增，无需使用模板，可以直接根据 DNA 序列进行化学合成。目前主流技术为固 相亚磷酰胺化学合成法，由于合成长度、错配率与生产成本之间的制约关系，该方 法在合成长度为 60-mer 的寡核苷酸时效率最优，合成长度一般不超过 200 bp。 微阵列芯片的发展将会进一步提高合成效率，降低合成成本。此外，随着无模板酶 促合成法的发展及相关瓶颈的突破，将可实现更长寡核苷酸 Oligo 的合成。 DNA 大片段拼接组装有多种组装方法。针对 DNA 大片段的拼接和组装，研 究人员开发了 BioBrick、BglBricks、In-Fusion、Gateway、Golden Gate、StartStop 及寡核苷酸连接介导的 DNA 组装 (Oligonucleotides linkers mediated DNA assembly，OLMA) 等多种组装方法。
基因编辑技术经历三代发展，目前主流技术为 CRISPR-Cas 技术。基因编辑 技术从第一代锌指核酸酶 (Zinc finger nucleases，ZFN)、第二代转录激活样效 应因子核酸酶 (Transcription activator-like effector，TAL effector) 发展到目 前的第三代 CRISPR-Cas技术。第三代CRISPR-Cas 技术具有效率高、操作快捷、 效果准确等优点，是目前基因编辑的主流技术，尤其是Ⅱ型的 CRISPR-Cas9 或 CRISPR-Cas12a (Cpf1) 基因编辑技术，已在多种生物体系中得到广泛应用。
2.4.3 环节三：测试
检测环节对于筛选最佳生物元件及组合至关重要。无论是酶、报告基因或启动 子、RBS 等单个生物元件，还是逻辑线路和模块化代谢途径，经过理性或非理性的 设计，都会产生大量的突变体或候选目标，因此高效、准确、经济的检测方法对选 择最佳的生物元件和组合至关重要。传统的检测方法无法满足合成生物学对大量 定量的生物元件、逻辑回路以及代谢和调控途径组合的需求，目前已经尝试开发利 用多种高通量或自动化的筛选与检测技术来提高测试的效率。 目前包括美国和英国等多个国家已构建或在建的重大工程化平台约有 25 个， 我国的天工所、国家蛋白质科学中心 (上海)、武汉生物技术研究院及江南大学等 研究机构，也都已构建了相关合成生物学自动化平台。另外，中国科学院深圳先进 技术研究院 (深圳先进院)、天津大学化工学院、华大生命科学研究院等机构也在 建或拟建相关平台。目前天工所的平台已经实现了自动化单基因克隆，通量达到 300–600 个/d，多模块化复杂质粒组装也达到 100 个/d 的通量，组装正确率>90%， 同时还实现了多种模式生物的自动化基因操作，但工程化平台尚不能投入非模式 细菌的使用，并且建设与维护平台费用昂贵，使用技术难度高，导致目前尚未普及 使用。
2.4.4 环节四：学习
学习能够为下一循环提供指标。学习过程是 DBLT 循环中的重要一环，该过程 涉及数据收集整合、数据分析、结果可视化和建模分析等，可以对于下一循环改进 设计提供指导。当前组学数据大量积累以及过程检测数据剧增，专用的公共数据库 为数据的收集整理提供了便利；同时，不同的数据库还提供了自动化的数据下载程 序或脚本，方便了数据收集的过程。
3 行业规模保持高速增长，合成生物成为化学品绿 色制造的核心技术
3.1 合成生物学市场规模快速扩张，投融资热情高涨
3.1.1 市场规模快速提升，下游化工占据较大份额
全球合成生物学市场近年来呈现高速增长态势。据 wind 援引自 Markets and Markets 报告显示，全球合成生物学 2021 年市场规模达到 95 亿元，预计 2026 年将达到 307 亿元，CAGR 高达 26.5%。从合成生物学市场的细分领域来看，医 疗健康是最大应用领域，其次是科研和工业化工品领域。据 wind 援引自 CB Insights 数据，2019 年医疗健康应用领域市场规模达 21.1 亿美元，占比接近 4 成；科研领域市场规模 14.8 亿美元；工业化学品领域作为第三大下游市场应用， 2019 年市场规模达到 11.1 亿美元，占合成生物市场总规模的 20.8%。
3.1.2 一级市场投融资持续加码，2021 年全球总融资额高达 78 亿 美元
合成生物学的兴起引发众多资本关注。据 Synbiobeta 数据，2020 年全球合 成生物学获得融资总和达 78 亿美元，约为上一峰值 2018 年的两倍；2021 年全 球合成生物学行业融资总额约 180 亿美元，几乎是 2009 年以来该行业融资的总 和。国内市场，2021 年中国全年获投资融资 16 起，较 2020 年增长 10 起；获融 资金额 22.95 亿元，较 2020 年增长 1.36 亿元。2022 年，合成生物学企业融资 频次及金额再创新高，据 2022 年中国合成生物学绿色应用与产业感知调研组不完 全统计，2022 年中国合成生物学相关企业融资频次已达到至少 43 起，融资金额 已超 66 亿元，融资主要用于在医药健康、精细化学品、替代蛋白及美妆等领域， 部分用于使能技术的开发。
3.2 三大驱动力：政策保障+成本降低+技术加成
3.2.1 驱动一：政策支持是重要保障
世界：世界各国经济体也在高度关注和部署合成生物学领域相关政策文件。 （1）美国：美国国家研究理事会于 2015 年发布《生物学工业化路线图：加 速化学品的先进制造》，提出了未来“生物合成与生物工程的化学品制造达到化学 合成与化学工程生产的水平”的发展愿景，并制定了发展和整合原料、微生物底盘 与代谢途径开发、发酵以及加工等多个领域的路线图目标；在这一规划指导下，美 国能源部、农业部、国防部等持续在生物化学品、生物燃料的生物制造领域投入巨 资开展研发项目，启动敏捷生物铸造厂（Agile BioFoundry，ABF） 联盟计划， 并于 2020 年新建生物工业制造和设计生态系统（BioMADE），推动美国非医药 类生物工业制造业的发展。 （2）欧盟：欧盟在 2013 年发布首个生物基行业《战略创新与研究议程》， 2019 年制定《面向生物经济的欧洲化学工业路线图》，提出在 2030 年将生物基 产品或可再生原料替代份额增加到 25% 的发展目标；并通过生物基产业联盟计 划持续资助生物制造产品的研发和行业发展。 （3）英国：英国于 2018 年制定发布《至 2030 年国家生物经济战略》，着 力发展合成生物学研究的转化与应用，建立和完善合成生物技术产业创新网络式 布局，推动国家工业战略的实施。 （4）日本：日本发布《生物战略 2019》，提出到 2030 年建成“世界最先 进的生物经济社会”，并围绕生物制造技术发展等重要主题制定了《生物战略 2020》 的基本措施。
中国：顶层设计文件指导，地方政策加速布局。我国也是较早地关注合成生物 学领域的国家之一，早在 2010 年，国务院发布的《关于加快培育和发展战略性新 兴产业的决定》中，将合成生物学、生物制造上升为国家战略方向。进入“十四五” 期间，我国首个生物经济五年规划《“十四五”生物经济发展规划》正式发布，“规 划”提出，推动生物技术和信息技术融合创新，加快发展生物医药、生物育种、生 物材料、生物能源等产业，顺应“追求产能产效”转向“坚持生态优先”的新趋势， 发展面向绿色低碳的生物质替代应用，力争到 2025 年，中国生物经济总量达到 22 万亿元，其中核心产业总量超过 7.5 万亿元。“规划”的发表，标志着生物经济 已成为一种新的经济形态，并将逐步成为国家经济高质量发展的强劲动力。
除了国家层面的顶层设计，地方各地也在加紧布局合成生物新赛道，国内已形 成深圳、上海、天津三大合成生物学阵地。（1）深圳：合成生物学科研实力雄厚， 相关合成生物学研究院所共四所，其中一个 2019 年成立的深圳合成生物学创新研 究院（深圳合成院）为代表；政府层面，深圳市是目前国内发布合成生物学相关政 策最多的地区，其中《光明区关于支持合成生物学创新链产业链融合发展的若干措 施》是国家首个完全针对合成生物学的政策；（2）上海：作为国内合成生物学的发 源地，上海市产业优势及产学研协同优势较为明显。上海合成生物学科研院所共 3 个，以 2008 年成立的中科院合成生物学重点实验室为代表；政策层面，上海市相 关政策发布较多，给予产业发展以充足的指导；（3）天津：天津市是国内合成生物 学研究的前沿阵地，拥有研究院所 2 所，其中以国家合成生物学技术创新中心为 代表，具备良好的研究和发展基础。
3.2.2 驱动二：成本降低是关键因素
底层技术成本的下降促使合成生物学走向商业化。合成生物学涉及到对微生 物代谢系统的改变乃至重构，在此过程中涉及到 DNA 的合成与拼装，其中基因编 辑和高通量测序是重要的支撑技术。由于以往的技术性能比较低，价格较贵，合成 生物学一度只是活跃在实验室层面，而随着基因编辑及测序底层技术成本的下降， 合成生物学成功走出实验室，开始走向商业化。 基因测序技术不断迭代，成本快速下降。基因测序技术是基因编辑的基础，它 能够从血液或唾液中分析定量测定基因全序列。作为合成生物学关键技术之一，此 技术能够快速发掘功能基因，可用于在 DBLT 设计环节中制造生物元件。随着技术 的不断发展，基因测序技术从第一代发展到了第三代，随着技术的发展进步，基因 测序成本也得以显著下降。据 wind 援引自 NHGRI Genome Sequencing Program 数据，2001-2021 年，基因测序成本从 2001 年的 9500 万美元降至 2021 年的 622 美元，降幅达 99.99%。
基因编辑技术飞速发展，以 CRISPR/Cas9 系统为代表的新型基因编辑技术 成本显著降低。基因编辑可以修饰宿主细胞的 DNA 序列，实现对特定目的的基因 片段的敲除或敲除，从而达到改变宿主细胞基因型的目的。基因编辑技术的不断突 破推动了合成生物学的发展，目前，共有锌指蛋白核酸酶（ZFNs）、类转录激活银 子效应物核酸酶（TALENs）、以及 CRISPE/Cas 系统共 3 种类技术。其中，前两 者分别属于第一、二代基因组编辑工具，但脱靶效应或组装复杂性限制了它们在基 因组编辑中更为广泛的应用；而 CRISPE/Cas 系统作为第三代基因组编辑工具的 代表，具有操作简单、成本低、编辑位点精确、脱靶率低的特点，且基因编辑效率 超过 20%，大大降低了基因编辑的时间和经济成本，基本已逐步取代前面一二代 基因编辑技术。2020 年 10 月，Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer Doudna 因 CRISPR 的发展而获得诺贝尔化学奖，更加佐证了新一代基因编辑技术带来的 技术成就。
3.2.3 驱动三：技术支持是“加速器”
人工智能够解决当前合成生物学工程化试错平台的需求。生命系统中包含着 大量不同的基因和调控元件，这些元件又通过大量不同的组合形式形成模块和网 络。合成生物学以工程思维为基础，通过“DBLT”循环，获得符合预期的合成生 物学系统，但工程试错存在巨大的试错空间——高昂的试验成本，缺乏标准化、定 量化的表征手段和智能化试错、优化、学习理论与技术的系统性支撑。人工智能技 术（AI）的持续学习能力和对未知空间的智能探索能力，有效契合了当前合成生物 学试错平台的需求，随着 AI 技术的不断发展，利用 AI 学习人类专家的的专业知 识，并将其嵌入到辅助工具中，已成为一种普遍的思路。 人工智能在合成生物学领域具备较大发展潜力。21 世纪以来，人工智能与合 成生物在元件工程、线路工程、代谢工程、基因组工程等领域取得了一些代表性的 进展，其中，2005-2017 年为缓慢发展阶段，主要集中于线路工程的研究；2018- 2021 年为相对高速发展阶段，此阶段人工智能在元件工程、线路工程、代谢工程、 基因组工程中崭露头角，意味着人工智能开始有效地解决合成生物各自领域的技 术难题，人工智能在合成生物学中展现出较大的发展潜力。
3.3 产业链可以分为上、中、下三类企业
合成生物学产业链可以分为上、中、下游三类。合成生物学产业生态覆盖面庞大，不同技术和产业落地方向多元，且都具备相当的市场规模。基于此，可以将整 个合成生物学产业分为大致的上、中、下游。上游主要是开发使能技术，包括 DNA/RNA 合成、测序与组学，以及数据相关的技术、产品和服务，代表公司包括 Twist、Synthego、Benchling 等；中游则是对生物系统和生物体进行设计、开发 的技术平台，代表公司包括 Zymergen、Amyris 等；下游涉及到到人类衣食住行 方方面面的应用开发和产品落地，代表公司包括医药领域的 Sangamo、Antheia、 博雅辑因等，化工领域的 Zymergen、华恒生物、凯赛生物等。当然，平台型和产 品应用型的划分并不绝对，也存在平台+应用型复合型企业。
合成生物学是实现化学品绿色制造的核心技术，有望改变未来化学品的生产 模式。过去十年里，合成生物学显著提升了细胞工厂的生物制造能力，一批原本无 法依靠生物合成或者生物合成效率很低的化学品，已经成功利用生物制造方法进 行工业生产，并实现了产业升级。未来，合成生物学也将有力变革传统化学品生产 模式，成为经济、民主和产业变革的主战场。据经济合作与发展组织（OECD）预 测，到 2030 年，35%的化学品生产将由生物制造来实现。。 化学品绿色制造涉及到从原料到菌种再到过程的全产业链设计和优化。与传 统的微生物天然发酵模式不同，化学品先进制造并非依赖于对产物天然合成菌株 的优化，而在于合成全新的人工生物体系，以实现将原料最大限度转化为产物的目 的。化学品绿色制造整个的生产链条可以分为原料的利用、底盘细胞的选择和优化 以及产品的生产共三个部分。
合成生物学促进了化学品的产业化进程，目前已经相当多产业项目达到商业 化规模。在化学品制造领域，合成生物学技术在非天然分子合成、新的代谢通路的 创建和代谢路径异源构建方面具有独特的优势，对相应的化学品产业化具有较大 的促进作用。目前已经有很多项目达到或者接近产业化，包括市场需求大的生物染 料（例如生物柴油、生物航空燃油、丁醇、异丁醇）和大众化学品（例如 1,3-丙二 醇、1,4-丙二醇、聚羟基脂肪酸酯、丁二烯），也有高附加值的食品添加剂（例如 瓦伦烯、诺卡酮、香豆素、白藜芦醇、藏红花素、甜菊糖）和药物（青蒿素、头孢 氨苄、糖尿病治疗药物 EV-077、抗生素 EV-035）。
4 丙氨酸主业优势凸显，缬氨酸实现工艺延伸
4.1 丙氨酸为公司主要产品，竞争优势凸显
4.1.1 丙氨酸有望受益于下游MGDA 等市场的发展
丙氨酸市场受益于下游 MGDA 发展推动，市场需求呈现快速增长。受益于下 游市场尤其是日化领域中 MGDA 市场的快速发展，近年来丙氨酸市场供需求保持 快速增长。据公司招股说明书、募集说明书援引自中国生物发酵产业协会数据显示， 近年来全球丙氨酸市场保持较快的增长趋势，2019 年丙氨酸系列产品市场需求总 计约 5 万吨，2016-2023 年 CAGR 预计高达 12.83%，未来在下游市场迅猛发展 的驱动下，丙氨酸市场仍将保持快速增长。 MGDA 为 L-丙氨酸的主要应用领域，市场空间广阔。MGDA 是一种优质的 新型环保螯合剂。与传统螯合剂相比，MGDA 兼具自然生物降解、螯合能力强、 独立安全、洗涤残留少等多重优点，是目前最优质的新型绿色螯合剂之一，主要作 为助剂添加于自动洗碗机专业洗涤剂中，应用于高端洗涤领域；少部分用于如家用 衣物洗涤剂、洗手液、果树洗涤剂等产品中。据公司招股说明书援引自中国发酵产 业协会的数据显示，2019 年 MGDA 需求量约 16 万吨，未来全球 MGDA 市场复 合增长率约为 22%，到 2023 年全球 MGDA 需求量将达到 39.34 万吨，市场空 间广阔。
从终端市场来看，据奥维云网数据，中国洗碗机 2022 年市场规模达 102.5 亿 元，同比增长 43.5%；2014-2022 年，CAGR 高达 43.5%。同时，以商用洗碗机 为例，据奥维云网测算，全球商用洗碗机市场机规模为 220 亿元，中国商用洗碗 机市场规模为 21 亿元；欧美市场商用洗碗机渗透率达 70%以上，中国商用洗碗 机渗透率约 5%。对比欧美市场，我国洗碗机无论是市场规模还是渗透率都具备较 大的发展空间。随着国外绿色自动洗碗机专用洗涤剂需求量的进一步渗透及国内 自动洗碗机的普及应用，MDGA 市场需求将继续保持快速增长趋势。我们认为， L-丙氨酸作为合成该新型螯合剂 MGDA 的主要原料之一，有望受益于下游 MGDA 及终端洗碗机市场需求实现快速增长。
4.1.2 公司丙氨酸产品规模突出、技术领先
厌氧发酵工艺技术领先，低二氧化碳排放顺应碳中和趋势。公司突破厌氧发酵 工艺，持续推进生物制造技术和产品应用研发，构建了以可再生葡萄糖为原料厌氧 发酵生产 L-丙氨酸、L-缬氨酸的微生物细胞工厂，在国际上首次成功实现了微生 物厌氧发酵规模化生产 L-丙氨酸产品。 公司厌氧发酵技术以葡萄糖为原料，降低了对不可再生石化资源的依赖，发酵 过程无需通入空气，避免了发酵酵母液被污染的风险，且发酵过程无二氧化碳排放， 且与传统工艺相比，发酵法工艺下每生产 1 吨 L-丙氨酸可减少 0.5 吨二氧化碳的 排放量，在以碳税为代表的碳中和政策逐步落地的背景下，公司发酵工艺将会进一 步拉开生物制造对传统工艺的成本优势，生物制造行业将迎来更大的发展。
目前，国内丙氨酸生产企业主要包括华恒生物、丰原生化、烟台恒源等，国外 丙氨酸生产企业主要为武藏野，公司 L-丙氨酸的主要竞争对手主要为丰原生化和 烟台恒源。 （1）产品指标方面：全球丙氨酸市场龙头企业，产品指标优于同行。公司 L丙氨酸产品在比旋光度指标方面处于行业领先水平，且公司还规定了 L-丙氨酸产 品中不得检出其他氨基酸，从而对产品纯度提出了更高的要求。（2）市场规模方面：经过多年发展，公司丙氨酸产品生产规模位居国际前列。 2019 年，公司丙氨酸系列产品产、销量分别达到 2.57 万吨、2.37 万吨（全球需 求 5 万吨），市占率接近 50%，工业和信息化部、中国工业经济联合会联合将公司 L-丙氨酸产品认定为制造业单项冠军产品；目前，公司已成为全球范围内规模最大 的丙氨酸系列产品生产企业之一。 （3）下游客户方面：公司与巴斯夫具有稳定、长期的合作关系，利于公司迅 速抢占市场机会。公司发酵法 L-丙氨酸可大幅减少对不可再生能源的消耗，且发 酵过程无二氧化碳排放，可满足巴斯夫等大型欧美企业对原材料绿色生态标签要 求。公司和巴斯夫作为全球丙氨酸、MGDA 规模最大的生产企业，双方长期、稳 定、共赢的合作关系及产品优势使得公司能够紧抓丙氨酸行业的发展机会，盈利能 力显著增强。
4.2 L-缬氨酸成功实现发酵工艺延伸，发展潜力较大
L-缬氨酸成功实现发酵法生产技术，生产规模行业领先。L-缬氨酸生产技术与 L-丙氨酸生产技术相似，在菌株创制、智能发酵控制、产品分离提取等方面存在许 多相同之处，产业化过程中对生产设备的选型要求也较为一致，可以有效共用原有 生产工艺流程和技术经验。公司在充分利用发酵法生产 L-丙氨酸既有竞争优势和 市场地位的基础上，成功实现发酵法生产 L-缬氨酸技术。目前，公司巴彦淖尔基 地大规模量产发酵法 L-缬氨酸产品，菌种性能高效，发酵技术先进，产能位居行 业前列，未来发展势头良好。
缬氨酸市场增长迅速，公司产品发展潜力较大。据公司招股说明书援引自中国 发酵产业协会的数据显示，近年来全球缬氨酸市场规模保持高速增长，2019 年全 球缬氨酸需求量为 3.25 万吨，2016-2019 年 CAGR 高达 65%，预计 2020 年2023 年，全球缬氨酸市场将以 24%的年复合增长率保持增长态势。饲料行业是缬 氨酸产品主要下游应用领域，近年来随着我国农业、畜牧业、粮实业的不断发展， 我国饲料行业已经迈入现代化、规模化的发展道路，2022 年中国饲料总产量为 27219.5 万吨，同比下降 2.78%，未来随着饲料行业总体规模的进一步增长，缬 氨酸受下游拉动也将进一步放量。
4.3 公司紧抓行业机遇，加速推进主要产品产能建设
公司紧抓行业机遇，不断推进项目建设扩充丙氨酸及缬氨酸产能。公司积极推 动重点项目建设落地，2022 年 IPO 募投项目巴彦淖尔“交替年产 2.5 万吨丙氨 酸、缬氨酸项目”以及秦皇岛“发酵法丙氨酸 5000 吨/年技改扩产项目”均已按 计划投产，巴彦淖尔项目的建成投产增强了公司在动物营养领域的核心竞争力，实 现了公司主营业务的多元化；秦皇岛发酵法丙氨酸的扩产成功，夯实了公司在丙氨 酸相关行业的龙头地位，增强公司竞争优势。 在建项目方面，公司继续推进巴彦淖尔基地三支链氨基酸及其衍生物项目及 长丰基地β-丙氨酸衍生物项目建设。截至 2022 年年底两项目进度分别达到 20%/40%，预计随以上项目投产，公司相关产品产能将进一步提升，产品种类也 将继续完善，公司综合竞争实力不断增强。
5 积极布局生物基材料，有望成为未来增长新动力
5.1 PDO 规模增长空间较大，行业格局较为集中
5.1.1 PDO 是一种高分子材料，主要用于加工制造PTT
PDO 主要应用于加工制造 PTT。1，3 丙二醇（PDO）是一种无色、无臭、 透明的粘稠有机液体，可与水混溶，是一种常见的溶剂。从下游应用领域来看， PDO 主要用于生产 PTT 聚酯，消费占比为 80%。PTT 聚酯可用来生产 PTT 纤维 进而应用于服装、地毯等行业；其次，PDO 也可作为保湿和抑菌防腐成分应用于 化妆品领域，消费占比为 6.5%；此外，PDO 还可以用于聚氨酯和医药行业，占比 为 2.3%。
5.1.2 PDO 有望受益下游需求增长，市场规模快速增长
PTT 纤维具有良好的尺寸稳定性、高回弹性、柔软性和悬垂性，且易于染色， 其性能兼具尼龙的柔软性、腈纶的蓬松性、涤纶的抗污性等，主要应用于高档服装 面料及制作地毯等。目前，阿迪达斯、乔丹等多个终端品牌都在引入 PTT 纤维以 改善面料品质。2020 年，PTT 纤维无产能增加，产能为 12 万吨，产量则为 8 万 吨左右。
潜在替代市场广阔，PDO 受益下游发展迅速增长。PTT 潜在替代市场非常广 阔，涤纶长丝、涤纶短纤、锦纶纤维及氨纶市场均为 PTT 潜在的主要替代市场。 2019 年，国内第四类传统化纤市场总消费量为 4103 万吨，市场规模为 5116.3 亿元。据李烁等在《国内 1,3-丙二醇市场现状和发展建议》的预测，2029 年 PTT 纤维的需求量将达到 40 万吨，届时对 PDO 的需求量将达到约 15 万吨。 PDO 未来年均复合增长率高达 7%，有望受益下游市场快速增长。2020 年， 国内 PDO 需求量为 4.28 万吨，据李烁等在《国内 1,3-丙二醇市场现状和发展建 议》的预测，随着 PDO 下游消费市场的不断扩张，2025 年 PDO 的市场需求量 将达到 6 万吨，CAGR 约为 7%。
5.1.3 生物法 PDO 生产具备优势，行业以美国杜邦份额最高
PDO 的生产技术分为化学法和生物发酵法。（1）化学法：化学法以德国赢创 公司的丙烯醛水合氰化法和美国壳牌公司的环氧乙烷法为代表。但是化学法受到 原料不可再生、设备投资大、生产过程污染严重、生产成本高和经营不善的多重影 响，目前这两家企业均已退出 1,3-PDO 业务板块。（2）生物法：生物法发酵法是 目前生产 1,3-PDO 的主流工艺，以杜邦的生物发酵法为典型代表，以价格低廉、 来源广泛的葡萄糖为底物进行发酵生产，是目前主流的生产工艺。 生物发酵法生产 1,3-PDO 工艺较之石油基，具备显著优势。生物法具有反应 条件温和、过程绿色无污染、生产成本低、产物易于分离且合成的 PTT 的色泽相 较于合成法的要好等优点。较之石油基，微生物发酵法制得生物法 1,3-丙二醇的 CO₂ 排放量低 56％，较石油气基低 42％；从非再生能源消耗来看，生物法 1,3- PDO 比石油基低 42％，比石油气基低 38％，优势显著。
杜邦处于行业垄断地位，国内行业发展相对缓慢。美国杜邦凭借其强大的生物 发酵研发能力及其在成本、产品品质方面的竞争优势，成功实现在国际市场的垄断。2022 年，华峰集团收购美国杜邦剥离出的生物基产品及相关业务，包含生物基 PDO 及 PTT 产品，可替代华峰现有部分原料以生产环保型聚氨酯产品；国内 PDO 行业方面，受制于自身技术及美国杜邦公司打压，国内发展较为缓慢。截至 2021 年年底，国内现有 1,3-PDO 企业主要有张家港美景荣化学工业有限公司、苏州苏 震生物工程有限公司和广东清大智兴生物技术公司，共计产能约 3.2 万吨。 美景荣化工和苏州苏震生物工程两家公司因 PTT 产业化后受到杜邦原料停止 供应的影响，与国内高效联合攻关生物发酵法生产 1,3-PDO 的技术，在国内首批 完成甘油-1,3-PDO-PTT 聚酯的产业链布局，因此 1,3-PDO 基本自身消化，不对 外销售；而广东清大智兴生物技术有限公司则采用的清华大学刘德华教授团队在 山东济宁投产的 1,3-PDO 装置。与前两家不同，该装置以生物柴油副产甘油发酵 联产 1,3-PDO 和 1,3-丁二醇，相较于主流的甘油发酵生产 1,3-丁二醇技术，该技 术实现了低附加值副产物 2,3-丁二醇到高附加值 1,3-丁二醇的转化，产品的综合 效益提高。
国内企业生物法大多采用甘油为原料生产 1,3-PDO 的路径，该路径存在甘油 价格波动较大的问题。针对这类问题，目前，国内清华团队陈振课题组经过多年研 究，已实现利用多种原料如葡萄糖、木糖、蔗糖和纤维水解液直接生产 1,3-PDO。 然而，目前国内生物发酵技术瓶颈尚未完全突破，精制工段仍需优化，原料转化率 较低，附加值较低的 2,3-丁二醇产率较高等仍是我国 PDO 产业亟需解决的问题。
盈利预测
盈利预测假设与业务拆分
公司为合成生物学龙头企业，构建了以可再生葡萄糖为原料厌氧发酵生产 L丙氨酸、L-缬氨酸的微生物细胞工厂，经过多年的创新发展，公司也在氨基酸产品 领域形成了突出的规模和客户资源优势，长期将稳步贡献公司利润。考虑到公司主 业及新产品项目的投产进度及行业发展情况，我们给出公司氨基酸系列产品板块 22-24 年营收 29%、24%、24%的增速，毛利率水平受到竞争对手的影响可能出 现小幅下滑，23-25 年毛利率分别为 42%、41%、40%。 在主业稳步发展的前提下，公司逐步开始对合成生物学领域内的其他产品 （PDO、丁二酸、苹果酸）开展布局，我们认为公司三大选品的市场空间较大，且 公司具备相关研发和技术人才等的基础，未来该业务有望快速发展。考虑到公司其 他业务中的生物基产品的业绩贡献，我们给出公司其他业务板块 23-25 年营收增 速 50%、94%、113%的增速，毛利率水平则可能会伴随公司生物基新产品的投产 进而上涨，23-25 年分别为 25%、26%、27%。#华恒生物# $华恒生物(SH688639)$
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