南京林业大学酶工程序论

酶工程

EnzymeEngineering化工学院生物工程系讲课教师：欧阳嘉办公室：60115现在是1页\一共有37页\编辑于星期五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、分子生物学现在是2页\一共有37页\编辑于星期五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现在是3页\一共有37页\编辑于星期五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现在是4页\一共有37页\编辑于星期五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现在是5页\一共有37页\编辑于星期五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）现在是6页\一共有37页\编辑于星期五Chapter1Introduction绪论现在是7页\一共有37页\编辑于星期五第一节生物催化概况现在是8页\一共有37页\编辑于星期五新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生生物学化学工程工程学化学生物工程生物化学生物技术现在是9页\一共有37页\编辑于星期五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的应用领域现在是10页\一共有37页\编辑于星期五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

现在是11页\一共有37页\编辑于星期五工业生物技术含意：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现在是12页\一共有37页\编辑于星期五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现在是13页\一共有37页\编辑于星期五底物生物反应器检测控制仪表培养基（灭菌）经加工原料酶细胞生物催化剂（游离或固定化）机械能除菌空气产品提取纯化副产品产品废物热能原材料营养物典型工业生物技术过程核心技术？现在是14页\一共有37页\编辑于星期五生物催化（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)现在是15页\一共有37页\编辑于星期五生物催化化学工业发酵工业轻工业采矿医药食品能源材料生物安全环境生物催化是工业生物技术的核心技术现在是16页\一共有37页\编辑于星期五现在是17页\一共有37页\编辑于星期五以生物催化法合成的主要产品

产品名称产量丙烯酰胺10万吨/年聚乳酸1.3万吨/年阿斯巴甜2万吨/年生物柴油与汽油1000万吨/年抗菌素中间体6－APA0.9万吨/年现在是18页\一共有37页\编辑于星期五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。现在是19页\一共有37页\编辑于星期五

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)-生物分离现在是20页\一共有37页\编辑于星期五生物催化剂（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；

现在是21页\一共有37页\编辑于星期五

生物催化剂发展的经济目标CompetitiveImperativeCurrentChemicalVarietiesCurrentBiocatalystsBiocatalystoftheFutureSpeedtoMarket2-5years10years2-3yearsCosttoManufacture$1-10/kg$10-100/kg$1-3/kgRangeofProductsBroadNarrowBroad现在是22页\一共有37页\编辑于星期五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现在是23页\一共有37页\编辑于星期五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现在是24页\一共有37页\编辑于星期五采油洗涤造纸纺织皮革医药分析试剂食品饲料生物酶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、非淀粉多糖酶主要为碱性蛋白酶、脂肪酶、中性纤维素酶、淀粉酶等主要为碱性脂肪酶、碱性木聚糖酶、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、超氧化物歧化酶主要为纤维素酶+辅酶、生物脱胶酶第二节生物酶行业发展概况现在是25页\一共有37页\编辑于星期五生物酶制剂发展历程：国外1884年1993年1978年1960年生物酶制剂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。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，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。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。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。1970年现在是26页\一共有37页\编辑于星期五生物酶制剂发展历程：中国1965年无锡酶制剂厂生产BF-7658淀粉酶，首先用在淀粉加工和纺织退浆上，这是我国首次应用1995年，无锡酶制剂厂首先引进了耐高温Α-淀粉酶和高转化率液体糖化酶，在全国掀起了新双酶法的技术热潮，为淀粉质原料深加工行业的迅速崛起作出了新贡1979年，利用黑曲UV-11糖化酶菌种进行糖化酶生产，首先在白酒、酒精行业推广应用，提高了出酒率。1965年1998年1990年1979年爆炸式发展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出现，使加酶洗衣粉开始风行全国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展阶段，向高档次、高活性、高质量、高水平方向发展，向专用酶制剂和特种复合酶制剂发展，向新的应用领域发展，向新型糖类、面粉加工、肉类、油脂、调味品、饲料、纺织、纸浆、环保等方面发展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。1992年，1.398中性蛋白酶，166中性蛋白酶在毛皮制革行业上推广应用，提高了产品质量和效率，减轻了劳动强度。1992年1995年现在是27页\一共有37页\编辑于星期五市场需求：全球市场分布及市场结构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从全球各发达经济体来看，中国未来生物酶制剂有一定的发展空间。医药用酶34.2%淀粉加工11.4%食品和饮料11.9%研究用酶12.3%清洁7.7%诊断7.5%动物饲料5.0%其他，9.9%2010年全球酶制剂预测全球酶制剂分布现在是28页\一共有37页\编辑于星期五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。发达国家食品33.8%洗涤33.7%纺织16%造纸7%其它10%中国食品（糖化酶）80%洗涤（碱性蛋白酶）15%其它5%现在是29页\一共有37页\编辑于星期五市场需求：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。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）典型企业：目前市场增长：15%左右市场预期市场格局现在是30页\一共有37页\编辑于星期五生物酶：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酸性条件40-80oC宽温宽pH国内、国外酶均有稳步增长纤维素酶抛光、牛仔水洗、柔软整理酸性4，5-5.5近中性5.5-6.5近中性，作用效果优，失重小酸性国内国外均有，中性国内尚未产业化稳步增长，当前是纺织酶中市场最大除氧酶漂白后除氧不调pH值，碱性条件下宽温宽pH国外有，国内目前江南大学产业化初步阶段稳步增长>3000吨果胶酶精炼碱性碱性条件诺维信等少数国际公司产业化，国内产业化初步阶段市场空间较大>5000吨漆酶牛仔水洗低温皂洗染料废水脱色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现在是31页\一共有37页\编辑于星期五市场需求：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。

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、夏盛等公司典型企业：市场产品结构注：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%）市场空间（吨）现在是32页\一共有37页\编辑于星期五品种功能使用条件最优使用条件产业化情况预期市场植酸酶降解饲料中有机磷，减少无机磷的添加酸性条件（pH2-6.5），37oC动物肠胃环境宽pH，酸近中性，热稳定好，低温37oC活力高国内成功实现产业化，且活力不断提高，主要是国产酶需求量稳步增长，市场潜力大（产能盲目扩张导致价格下降）木聚糖酶降解饲料中木质素同上宽pH，酸近中性，热稳定好，低温37oC活力高自主产业化，改变依靠进口的局面，活力高稳步增长纤维素酶降解饲料中纤维素同上同上小品种酶，主要用于复合酶、国内有产业化稳步增长，但量小淀粉酶水解淀粉类饲料同上同上小品种酶，主要用于复合酶、国内有产业化稳步增长，但量小蛋白酶蛋白类饲料同上同上小品种酶，主要用于复合酶、国内有产业化稳步增长，但量小非淀粉多糖酶（NSP）非淀粉类多提，果胶，木聚糖、甘露聚糖、葡聚糖等）同上同上除木聚糖酶外，国内实现产业化，其他需进口稳步增长，但量小动物饲料酶现在是33页\一共有37页\编辑于星期五市场需求：其它领域

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洗涤用酶淀粉深加工酶食品用酶其它用酶:如新能源、皮革、造纸在淀粉加工行业，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。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。现在是34页\一共有37页\编辑于星期五资料来源：分析整理产业分布十大酶制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