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南京林业大学酶工程-序论_中职中专_职业教育_教育专区

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南京林业大学酶工程-序论_中职中专_职业教育_教育专区。酶工程 Enzyme Engineering 化工学院生物工程系 讲课教师:欧阳嘉 办公室:60115 课程简介 ? 本课程讲授酶学和酶工程的相关知识,包括酶 的生产、酶的改性以及酶的应用 ? 课


酶工程 Enzyme Engineering 化工学院生物工程系 讲课教师:欧阳嘉 办公室:60115 课程简介 ? 本课程讲授酶学和酶工程的相关知识,包括酶 的生产、酶的改性以及酶的应用 ? 课程性质 ? 专业必修课,32学时,2学分 ? 适用对象:生物工程专业 ? 先修课程 ? 有机化学、生物化学、微生物学、分子生物学 课程简介 ? 教材和教学参考书 ? 教材: ? 《酶工程》(第三版),郭 勇编著,科学出版社,2009 课程简介 ? 教材和教学参考书 ? 教学参考书 ? 《酶工程》(第二版),罗贵民 主编,化学工业出版社,2008 ? 《酶的生产与应用》(第二版) ,郭勇主编,化学工业出版社, 2003 课程简介 第一章 酶概述 6 第二章 微生物发酵产酶 6 第三章 酶的提取与分离纯化 4 第四章 酶分子的修饰 3 第五章 酶、细胞和原生质体固定化 3 第六章 酶的非水相催化 2 第七章 酶反应器 酶传感器 2 第八章 酶的应用 6 课程简介 ? 教学目的和要求 ? 以酶学的内容为基础,酶的工程应用为主,融入各 章节内容中 ? 通过本课程的学习,要求系统地掌握酶的生产、改 性与应用的技术过程 ? 理解和掌握酶工程的主要理论、概念,掌握酶工程 的研究方法,熟悉工程应用 ? 了解相关的新进展 ? 考核方式 ? 期末笔试(闭卷) Chapter 1 Introduction 绪论 第一节 生物催化概况 生物学 生物 生物 化学 生物 工程 技术 化学 化学 工程 工程学 新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生 生物技术的应用领域 生物技术 医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术 环境生物技术 材料生物技术 . . . 用生物或生物分子机器生产产品和解决技术问题 生物技术产业化的三个浪潮 医药生物技术: 1982年重组人胰岛素上市 农业生物技术: 1996年转基因大豆、玉米、油 菜相继上市 工业生物技术: 2000年以来生物材料(聚乳 酸)、生物能源(生物汽油)、生物制造(氨基 酸、酶) 工业生物技术---已经成为国家发展战略 工业生物技术 ? 含意:在工业规模的生产过程中使用或部分 使用生物技术来实现产品的制造,这种技术 是应用微生物和生物催化剂来提供产品和服 务 ? 核心目标:大规模利用生物体系(如细胞或 酶)作为催化剂实现物质转化 工业生物技术是生物技术的重要组成部分 工业生物技术发展空间 生物制造 生物能源 生物环境 生物材料 典型工业生物技术过程 细胞 酶 生物催化剂 (游离或固定化) 空气 检测控 制仪表 除 菌 产品提取纯化 生物反应器 副产品 产品 (灭菌) 原材料 底物 营养物 培养基 经加工 原料 机械能 热能 废物 核心技术? 生物催化(Biocatalysis) 利用酶或有机体(细胞或细胞器等)作 为催化剂实现化学转化的过程。 生物转化(Biotransformation) 生物催化是工业生物技术的核心技术 化学工业 发酵工业 轻工业 食品 采矿 生物催化 生物安全 医药 材料 环境 能源 以生物催化法合成的主要产品 产品名称 丙烯酰胺 聚乳酸 阿斯巴甜 生物柴油与汽油 抗菌素中间体6-APA 产量 10万吨/年 1.3万吨/年 2万吨/年 1000万吨/年 0.9万吨/年 趋势判断和需求分析 ? 生物催化剂在精细化学品市场中呈现强劲的增长势头。 ? 到2020年,通过生物催化技术,将实现化学工业的原料消 耗、水资源消耗、能量消耗降低30%,污染物的排放和污染 扩散减少30%。 ? 目前生物催化技术已成为各公司争夺的目标并且已成为一些 公司谋求发展和提升地位的工具 。 ? Degussa、DSM、Roche、BASF、Dow、Lonza等许多跨国公 司都在积极采取措施,扩大他们在生物催化领域里的生产能 力。 生物催化发展的主要推动力 新产品需求 (社会压力) -健康:医药、检测 -日用品:洗涤用品、乳品、生物可降解塑料 环境 (法律法规压力) -绿色化学、能源、温室效应 新发现或基础研究 (技术压力) -基因工程 /定点突变/定向进化、代谢工程、组合化学 得益/成本降低 (商业压力) -生物分离 生物催化剂(酶)工程的目标 ? 开发生物催化剂:催化性能更好、更快,成 本更低; ? 开发生物催化剂工具盒:催化反应更广泛, 功能更多样; ? 改善性能: 稳定性, 活性,溶剂兼容性; ? 开发分子模型: 新酶的快速重新设计; ? 创造新技术: 用于新生物催化剂的开发; 生物催化剂发展的经济目标 Competitive Imperative Current Chemical Current Biocatalyst of Varieties Biocatalysts the Future Speed to Market 2-5 years 10 years 2-3 years Cost to Manufacture Range of Products $1-10/kg Broad $10100/kg Narrow $1-3/kg Broad 生物催化剂工程技术瓶颈 ? 对生物催化剂作用机理缺乏深入的认识 ? 对次级代谢产物代谢途径(包括途径间相互关 系)缺乏理解 ? 细胞工程化的方法十分有限(即代谢工程) ? 生产酶和辅因子的成本过高 当前生物催化的研究热点 ? 新酶或已有酶的新功能的开发 ? 根据已有底物开发新的酶反应 ? 利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能 ? 利用重组DNA技术大规模生产生物催化剂 ? 利用有机溶剂或共溶剂开发新的反应体系 ? 体内或体外合成的多酶体系 ? 克服底物和产物抑制 ? 精细化工品或医药合成技术的放大 ? 辅因子再生 ? 生物催化剂的修饰 ? 生物催化剂的固定化 第二节 生物酶行业发展概况 食品 食品用酶主要淀粉酶、糖化酶、木聚糖酶、果胶酶等, 其他食品用酶多为量小、种杂、价格高的酶种 饲料 主要为植酸酶、木聚糖酶、纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、 非淀粉多糖酶 生 洗涤 主要为碱性蛋白酶、脂肪酶、中性纤维素酶、淀粉酶等 物 酶 造纸 主要为碱性脂肪酶、碱性木聚糖酶、 纺织皮革 医药 分析试剂 主要为纤维素酶、中温淀粉酶、碱性果胶酶、碱性蛋白酶、 碱性脂肪酶,酸性蛋白酶、酸性脂肪酶、工业胰酶 主要为尿激酶、弹性酶、降纤酶、纤溶酶、链激酶、 胶原酶、超氧化物歧化酶 采油 主要为纤维素酶+辅酶 、生物脱胶酶 生物酶制剂发展历程:国外 人类使用生物酶制剂的时间已达千年之久,工业化生产生物酶也有一百多 年的历史,广泛应用于食品、饲料、洗涤、纺织、造纸、制革、医药、石 油开采、分析试剂、化学工业等领域。寻找新菌种,开发菌种改造、繁殖 工艺,研发新酶制剂应用工艺等,现阶段取得了实质性进展,并得到广泛 应用。 上世纪80年代以后,遗传工程被广 泛用于产酶菌种之改良,酶制剂的 世界市场于1970年以后迅速增长, 从1978年不到2亿美元增长到1993 年的10亿美元。 1993 年 生物酶制剂 目前已发现酶有5000种左右, 其中已经利用的有150种左 右,工业生产的酶约60多种, 形成1000多种商业酶制剂。 1884年日本人 Takamine 在美国首先生产用于 棉布退浆和消化剂的 淀粉酶, 1978 年 1970 年 1884 年 1960 年 上世纪60 年代随着发酵技术和菌种选育 技术的进步,日本酶法生产葡萄糖获得成 功,欧洲加酶洗涤剂的流行,70年代酶法 生产果葡糖浆又获成功,带动了淀粉深加 工工业的兴起,工业酶开始大量需要。 生物酶制剂发展历程:中国 我国生物酶制剂起步较晚,大规模生产始于1965年无锡酶制剂厂的成立。初期由于基础技术的突破,我国生物酶 制剂品种迅速增加,应用领域逐步拓宽,生物酶制剂产业取得了较快的发展。近年来由于西方菌种专利垄断,国 内简单复配型的技术改进已无前进空间,加上大量项目简单重复建设,导致我国酶制剂产品结构不合理、技术含 量较低、产品低端、产能过剩、市场竞争激烈。目前国内各企业及科研院所积极合作寻求技术突破。 1998年,国外酶制剂大公司纷纷到中国建厂和合资, 引进了国外先进设备、优良菌种、新型酶制剂,给 爆炸式发展 中国酶制剂带来了机遇和挑战 2006年,酶制剂进入了全新的发 1998年 展阶段,向高档次、高活性、高 质量、高水平方向发展,向专用 1992年,1.398中性蛋白酶,166 酶制剂和特种复合酶制剂发展, 中性蛋白酶在毛皮制革行业上推广 向新的应用领域发展,向新型糖 应用,提高了产品质量和效率,减 类、面粉加工、肉类、油脂、调 轻了劳动强度。 1992年 1995年 味品、饲料、纺织、纸浆、环保 等方面发展 1979年,利用黑曲 UV-11糖化酶菌种进行 1995年,无锡酶制剂厂首先引进了 糖化酶生产,首先在 1990年 耐高温Α-淀粉酶和高转化率液体糖 白酒、酒精行业推广 1979年 化酶,在全国掀起了新双酶法的技 应用,提高了出酒率。 术热潮,为淀粉质原料深加工行业 1965年 的迅速崛起作出了新贡 1990年,2709碱性蛋白酶在洗涤剂 行业上应用,当时由于这种颗粒酶的 1965年无锡酶制剂厂生产BF-7658淀粉酶,首先 出现,使加酶洗衣粉开始风行全国 用在淀粉加工和纺织退浆上,这是我国首次应用 市场需求:全球市场分布及市场结构 其他,9.9% 动物饲料 5.0% 诊断 7.5% 清洁 7.7% 剂全 分球 布酶 制 医药用酶 34.2% 制 剂 预年 测全 球 酶 2010 COMMENTS: 1 生物酶制剂市场主 要集中在欧美地区, 中国只占全球9% 2 从全球各发达经济 医药体来看,中国未来生 燃 食料 品物乙 和醇 饮酶料制剂有一定的发 研 清究 洗展空间。 诊断 动物饲料 其他 研究用酶 12.3% 淀粉加工 11.4% 食品和饮料 11.9% COMMENTS :1、从全球市场来看,发达国市场消费结构趋于 均衡;中国市场表现与西方市场有较大差异,未来一段时间随着消 费总量的变化,其消费结构将发生重大变化。 2 、中国除淀粉糖化酶、碱性蛋白酶外其他酶种消费很少,未 来市场前景较好。 食品 洗涤 纺织 造纸 其它 发达 国家 33.8% 33.7% 16% 7% 10% 中国 食品(糖化酶) 80% 洗涤(碱性蛋 白酶) 15% 其它 5% 市场需求:纺织酶 从全球来看,纺织酶大概占酶制剂行业10%左右,规模在2.5亿元美金 ,中国市场目前市场规模在6个亿左右,但主要为外资占据,国内企 业基本处于竞争弱势,但国内市场将会维持持续高增长。 市场格局 30% 市场预期 目前市场增长: 15%左右 50% 20% 诺维信 杰能科 其它厂商(国内外其它企业) 典型企业: 纤维素酶:尤特尔、夏盛、江西博兰、高宝、康地恩, 中温淀粉酶:江阴百圣龙、杰诺、其他淀粉酶公司 除氧酶:无,几家企业在产业化开发中(江南大学的技术) 碱性果胶酶:无,几家企业在产业化开发中(江南大学的技术) 生物酶:纺织酶主要品种市场预期及发展现状 品种 功能 使用条件 最优使用条件 产业化情况 预期市场 淀粉酶 低温退浆 纤维素 抛光、牛仔 酶 水洗、柔软 整理 除氧酶 漂白后除氧 果胶酶 精炼 漆酶 牛仔水洗 低温皂洗 染料废水脱 色 酸性条件 40-80oC 宽温宽pH 国内、国外酶均有 稳步增长 酸性 4,55.5 近中性 5.56.5 近中性,作用 效果优,失重 小 酸性国内国外均有,稳步增长, 中性国内尚未产业 当前是纺织 化 酶中市场最 大 不调pH值,碱 宽温宽pH 性条件下 国外有,国内目前 稳步增长 江南大学产业化初 >3000吨 步阶段 碱性 碱性条件 诺维信等少数国际 市场空间较 公司产业化,国内 大 产业化初步阶段 > 5000吨 酸性 近中性 目前尚无商业化, 成本高 未来皂洗、 染料废水脱 色市场空间 大 市场需求:动物饲料酶 从长远来看,饲料仍然有较大的市场发展空间,其将在 一定时间内保持较高增长。而从目前产品结构来看,植 酸酶在饲料市场占有较高的份额。 市场产品结构 27% 33% 市场空间(吨) 40% 植酸酶 复合酶 其它 典型企业: 广东溢多利—我国最大的动物饲料酶公司 北京昕大洋—植酸酶生产及制剂 挑战集团—植酸酶的龙头企业,及动物饲料和饲料添加剂 其他:康地恩、新华扬、夏盛等公司 注:其它酶主要指NSP(非淀粉多糖)单酶0.6万吨(木聚糖酶45-55%,纤维素酶10%,甘露聚糖酶25%,葡聚糖酶15%,果胶酶5%) 动物饲料酶 品种 功能 植酸酶 降解饲料中有机 磷,减少无机磷 的添加 木聚糖 降解饲料中木质 酶 素 纤维素 酶 淀粉酶 降解饲料中纤维 素 水解淀粉类饲料 蛋白酶 蛋白类饲料 非淀粉 非淀粉类多提, 多糖酶 果胶,木聚糖、 (NSP) 甘露聚糖、葡聚 糖等) 使用条件 酸性条件 (pH26.5), 37oC动物肠 胃环境 同上 同上 同上 同上 同上 最优使用条 产业化情况 件 宽pH,酸近中 国内成功实现产业化, 性,热稳定好, 且活力不断提高,主要 低温37oC活力 是国产酶 高 宽pH,酸近中 自主产业化,改变依靠 性,热稳定好, 进口的局面,活力高 低温37oC活力 高 同上 小品种酶,主要用于复 合酶、国内有产业化 同上 小品种酶,主要用于复 合酶、国内有产业化 同上 小品种酶,主要用于复 合酶、国内有产业化 同上 除木聚糖酶外,国内实 现产业化,其他需进口 预期市场 需求量稳步增 长,市场潜力 大(产能盲目 扩张导致价格 下降) 稳步增长 稳步增长,但 量小 稳步增长,但 量小 稳步增长,但 量小 稳步增长,但 量小 市场需求:其它领域 洗涤用酶 中国在洗涤剂用酶行业发展一直较为缓慢。 主要是与特定的洗涤方式和洗涤剂的形式决定 的。如洗涤剂主要还是以粉状为主,液体较少, 而事实上液体洗涤剂中酶的加入更容易,更普 遍,且更易洗涤。此外,中国更多是冷水洗涤, 20oC左右,而欧美的洗涤温度30-40oC。而国 内当前低温洗涤用酶的开发很少。因而洗涤用 酶市场需求并未得到有效激发 淀粉深加工酶 在淀粉加工行业,酶作为重要的必要的催 化剂,其需求将保持持续稳定,如糖化酶: 市场稳定,供过于求;淀粉酶:高品质酶 有需求,需求稳定;葡萄糖异构酶:市场 需求稳定;葡萄糖异构酶:市场需求稳定; 普鲁兰酶:市场需求稳定 食品用酶 随着食品工业与酶制剂行业的发展,特 别是绿色、高质量食品将对酶制剂表现 出持续的需求,如糖化酶、淀粉酶、低 聚糖等在果汁加工、酿造、肉类处理、 啤酒等行业有着广泛的需求。 其它用酶:如新能源、皮革、造纸 酶在其它新兴领域,如新能源等领域有着潜在 的市场需求,目前一些企业正在开发。但基本 都处在研发阶段,如如DSM、诺维信、杰能科; DSM:美国市场(中试乙醇厂),纤维素酶+辅 酶 化学工艺相结合;诺维信:国内与中粮战 略合作,中试工厂;杰能科+Dupont:合作生产 纤维素乙醇。国内一些厂家也在开发试验,如 中科院过程所、中科院微生物所、山东大学等 其它领域,如皮革、造纸等领域也正逐渐兴起。 产业分布 从产业分布来看,酶制剂主要分布在湖南、江苏、山东、宁夏、广 西、广东等 十大酶制 日成:3500万 剂企业 优势 诺维信 综合实力全球最强 杰能科 综合实力仅次于诺维信 尤特尔 在中国国内综合实力较强 沂水隆大 在产品研发方面见长,但其市场 开拓比尤特尔弱 康地恩 隆大:1亿以上 夏盛 纤维素酶还可以,市场还行,其 它方面无明显特长 主要以做市场见长,研发、生产 稍弱 溢多利 饲料酶行业的龙头,但其在其它 领域稍弱 挑战集团 植酸酶细分市场龙头 新华扬 市场还可以,其它方面无明显特 长 资料来源:分析整理 江阴百圣 龙 以市场见长,产品方面主要表现 在中温淀粉酶,但其在研发生产 方面稍弱 行业盈利性分析:五力模型 COMMENTS: 1 国外大企业纷纷进入中 国生物酶市场,并占据70% 的市场份额 2 国内新进入者蜂拥而至 潜在新竞争 者的进入 1 在环保、节能以及产品品质要求越来 越高的压力下,生物酶制剂市场将继续 扩大。 2 购买者相对较分散,酶制剂高端市场 被垄断议价能力较强,低端市场产能过 剩议价能力较弱。 供应 商议 价力 量 企业间同业竞争 恶性竞争并存 购买者 议价力 量 成本受菌种影响较大, 其他原材料影响较小。 替代品的威 胁 生物酶制剂有很强的专 一性,可替代性不强。 1 目前业内有100家左右的生产厂 家,CR10占90%以上; 2 国内行业开工率仅为50%左右。 3 业内现有厂商的产品品质分化严 重,跨国企业产品质量较国内其他 企业高不止一个档次。 盈利能力:行业整体盈利水平 1. 整个行业的盈利水平在10-20%之间,赢利状态较好。但整个行 业已呈现白热化竞争态势,这主要是由于70%以上的生产能力为 低端大类酶种。 2. 行业内企业盈利能力分化,经营不善的处于亏损状态,行业领先 企业在20%左右。 国内 国外 制造成本/销售价格 70-80% 30-35% 科研费/销售价格 - 10-15% 科研人员/总人员 - 23%
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文档贡献者

雷臣斌

礼仪培训师

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