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生物转化法生产化妆品级γ-聚谷氨酸

发布时间:2017年03月08日 21:10 

联系人:梁智群教授(二级),博导  

电话:137685969010771-3271181

(一)  项目简介

1.      项目背景

近年来,天然生物制品的添加使用是化妆品生产的重大进展之一。γ-聚谷氨酸Poly γ-glutamic acid, PGA)以其优异的保湿性受到国际化妆品界的广泛关注,在日本和欧洲市场已被应用到高档化妆品中。此外,其作为化妆品原料已入选美国化妆品工业协会所编的INCI国际化妆品配料术语汇编中。与目前广泛应用于化妆、护肤产品中的透明质酸、水溶性胶原等其他组分相比较,PGA具有以下显著功效使得其更适合用来做化妆品、护肤品原料:

(1)   原料来源更加安全

透明质酸及胶原蛋白大都是从动物中萃取得到,可能存在动物病原菌的风险,虽然现在也有通过发酵和合成法制得透明质酸,但品质不稳定、效果不好。PGA则是采用公认安全级(GRAS)的枯草芽孢杆菌发酵制取,是相当安全的(非动物性)化妆品、护肤品原料。

(2)   可在皮肤表面形成薄膜

PGA或其水胶涂抹于皮肤上会形成一层薄膜,触感非常好,且具有保护皮肤的功能。虽然透明质酸及胶原蛋白也都有相当优异的成膜特性,但PGA独特的滑顺感,是透明质酸及胶原蛋白所没有的。

(3)   产生自然保湿因子

PGA每个单元体都有一个游离态的α-COOH、一个-CO基团和一个-NH基团,三者具有很好的水合能力,其中α-COOH水合能力尤为突出,可提高皮肤里层水份的保湿力,对皮肤内自然保湿因子(NMF)的增生效果突出,且不会破坏皮肤内外的水份平衡。而透明质酸及胶原蛋白则没有提高皮肤里层自然保湿因子(NMF)的作用。

(4)   兼具美白功效

PGA不但有着强大的保湿能力,更能有效抑制黑色素生长,达到美白抑黑的作用。台湾静宜大学化妆品科学系权威试验表明,0.5%w/vPGA-Na黑色素抑制率能达到34.29%1.0%w/vPGA-Na黑色素抑制率能达到52.57%

(5)   增强皮肤弹性与柔软度

皮肤擦拭比较,PGA和透明质酸,都具有增加皮肤弹性20%以上的效果,而胶原蛋白增加皮肤弹性的效果则较为有限。

(6)   有效成份的包埋、缓释

PGA分子中大量游离态的α-COOH可以与带正电的有效成份产生吸附作用,创造一个优良的包埋、缓释系统,让化妆品内有效成份缓慢释放发挥功能。

(7)   热稳定和pH稳定

60加热状态下, PGA水胶黏度降低速率显著慢于透明质酸和胶原蛋白。此外PGApH 5~9范围内都有非常好的稳定性,不仅颜色、外观不会发生变化,黏度变化也不大。在同样pH范围内,透明质酸及胶原蛋白的pH稳定性就较差。PGA这种独特的热稳定pH稳定性,能很好的满足化妆品操作上的需求。

(8)   兼容性

PGA在非离子、阴离子或两性等界面活性剂中都有非常好的兼容性,仅在部份阳离子活性剂系统中会有轻微的悬浮或沉淀发生。整体兼容性比透明质酸及胶原蛋白高。

PGA、透明质酸、胶原蛋白对皮肤的各项功能比较

PGA

透明质酸

胶原蛋白

来源

微生物源

动物性鸡冠

动物性猪或羊

组成分子

单一氨基酸

双醣类衍生物

三氨基酸

抗菌性

增进皮肤弹性

增进皮肤天然保湿能力

亲水性基团

维持皮肤健康pH

成膜特性

水嫩平滑

微粘着

微粘着

总结

最优良

优良

优良

 

2.      项目技术特点

本项目利用具有自主知识产权的PGA安全生产菌株B. subtilis GXA-28,以葡萄糖和谷氨酸钠为原料,采用代谢控制的发酵工艺和膜分离等高新技术高效生产PGA,产量20 g/L,底物转化率90%以上,发酵液经压滤除菌、超滤除小分子杂质及色素、浓缩、乙醇沉淀、喷雾干燥,获得白色结晶或无定型粉末态PGA成品,PGA提取率80%以上,产品PGA分子量达250万道尔顿以上。

(1)    生产流程

 

 

(2)    生产设备

发酵罐、压滤设备、膜过滤设备、沉淀结晶设备、酒精回收设备、喷雾干燥设备、包装设备和动力设施等等。

(3)    产品质量指标

项目

PGA

外观

白色结晶或无定型粉末

含量

≥ 90%

分子量

250300Da

溶解性

易溶于水、微溶于乙醇

透明度(0.5%溶液)

≥ 95%

pH0.5%溶液)

5.07.0

蛋白质

≤ 0.1%

旋光度

+30.5+32.5

干燥失重

≤ 8.0%

硫酸灰分

≤ 0.1%

重金属

≤ 20 PPM

单杂质

≤ 0.1%

总杂质

≤ 0.3%

细菌数

≤ 500 CFU/g

酵母及霉菌数

≤ 100 CFU/g

3.知识产权

该项目相关技术已获得2项国家发明专利授权,专利申请号:201210371764.2201210371783.5。专利菌种Bacillus subtilis GXA-28该项目属本课题组自主研制开发,无知识产权纠纷。

(二)市场分析

目前,国内化妆品所使用的保湿成分主要是透明质酸,分子量在100200万道尔顿之间,市场售价50006000/Kg,市场需求量约为20吨左右。相较于透明质酸,PGA来源更加安全,保湿能力更是透明质酸的10倍以上,性状温和柔滑。日本海洋大学就PGA、透明质酸、胶原蛋白3种保湿成分对皮肤内自然保湿因子(NMF)的增生效果进行试验,结果表明PGA的增生效果明显优于透明质酸和胶原蛋白。PGA不但有着强大的保湿能力,更能有效的抑制黑色素生长,达到美白抑黑的作用。上述优良特性使得PGA已逐步成为兰寇、雅诗兰黛、资生堂等世界著名一线化妆品品牌主要使用的保湿成分。国内的化妆品生产企业近年来也开始进口日本、台湾地区的PGA作为保湿成分进行使用。

中国化妆品产值已达亚洲第一位,世界第三位。从80年代全国化妆品人均全年消费不足1元,到现在全年人均化妆品消费达100元,发达地区已达400元。目前,我国已有化妆品生产企业4000余家,形成了近4000亿元的美容服务产值和超过3600亿元的化妆品产值。市场容量巨大,市场竞争也十分激烈,高品位、高档次化妆品层出不穷,同时也积极向国际水准靠拢,PGA作为优良的保湿剂在高端化妆品中已崭露头角,并开始走向平民化妆品。由此可见PGA的市场前景十分乐观。

国内化妆品级PGA的生产企业主要有山东福瑞达生物科技有限公司、南京轩凯生物科技有限公司,这些企业的PGA产品还处于试生产阶段,产量较小,难于满足市场需求。当前国内化妆品市场所需的PGA主要来源于日本明治公司和台湾味丹公司,这些产品的分子量大都在100万道尔顿左右,PGA含量大于92%,市场售价4000/Kg左右。

分子量是影响PGA保湿性能的主要因素,高分子量(100200万道尔顿),尤其是超高分子量(大于200万道尔顿)PGA可以在皮肤表面形成一层高分子保护层,锁住水分和营养成分,防止水分的蒸发流失,较之分子量在100万道尔顿以下的产品保湿性能更佳,更具市场前景。本项目利用具有自主知识产权的PGA安全生产菌株B. subtilis GXA-28,以葡萄糖和谷氨酸钠为原料,采用代谢控制的发酵工艺和膜分离等高新技术高效生产PGA,产量20 g/L,底物转化率90%以上;PGA提取率80%以上,产品PGA分子量达250万道尔顿以上。借助本项目的菌株和技术优势,可将生产成本控制在1000/Kg以下,具有非常大的市场竞争力和经济效益。

(三)经济效益分析

1.      生产成本分析

生产规模为年产10吨化妆品级PGA产品,总投资1000万元,固定资产投资600万元,流动资金400万元。吨生产成本分析如下表:

项目名称

单位

单耗

单价(元)

吨总价(万元)

原辅料

3

可变成本

分离提取费

10

可变成本

包装费

1

可变成本

30000

0.90

2.7

可变成本

立方

500

1.45

0.0725

可变成本

20

600

1.2

可变成本

工资及福利

10×30000/

3

不变成本

厂房设备折旧费

(含设备维修费,5年计

11.64

不变成本

销售费

5

可变成本

管理费

1

不变成本

吨成本合计

38.6125

其中,吨固定成本为15.64元,吨可变成本为22.9725元,吨总成本38.6125元。

2.      经济效益分析

目前,来源于日本、台湾地区的化妆品级PGA,分子量在100万道尔顿左右,PGA含量大于92%,市场售价4000/Kg左右。拟定本项目产品销售价为3000/Kg,即300/

1)项目实施期间各年总成本分析表如下:

 

1

2

达产后各年

产量(吨)

5

10

10

总成本(万元)

271.2625

386.125

386.125

固定成本(万元)

156.4

156.4

156.4

可变成本(万元)

114.8625

229.725

229.725

2)销售收入估算

以生产规模为年产化妆品级PGA10、售价300/计算

年销售收入=300/×10=3000(万元)

3)年税后利润

增值税率17%,城建税为增值税的7%,教育费附加为增值税额的3%,所得税按销售利润的25%缴纳。

增值税=销售额×17%-含增值税原料×17%

=3000×17% -142×17%=485.86(万元)

销售税金=增值税+城建税+教育费附加

       =485.86+485.86×7%+485.86×3%=534.446(万元)

销售利润=销售收入-总成本-销售税金

       =3000-386.125-534.446=2079.429(万元)

所得税=销售利润×25%2079.429×25%519.85725(万元)

税后纯利=销售收入-总成本-销售税金-所得税

       =3000-386.125-534.446-519.85725=1559.57175(万元)

4)年利税总额

年利税总额=销售收入-总成本=3000-386.125=2613.875(万元)

(四)项目风险分析与对策

1.      技术风险

试生产阶段会存在一些不确定因素,但均属于可控范围之内。如发酵时间、温度、溶氧等在放大过程中会产生变化;分离提取率和产品质量的控制,通过工艺参数调整后,逐步完善解决。课题组成员均为长期从事发酵工程研究的专职科研人员和研究生对完成本项目有着较丰富的实践经验和理论基础将可以很好完成本项目,技术风险可降低到最小。

2.      市场风险

目前,我国已有化妆品生产企业4000余家,形成了近4000亿元的美容服务产值和超过3600亿元的化妆品产值。市场容量巨大,市场竞争也十分激烈,高品位、高档次化妆品层出不穷,同时也积极向国际水准靠拢,PGA作为优良的保湿剂在高端化妆品中已崭露头角,并开始走向平民化妆品。由此可见PGA的市场前景十分乐观。

国内化妆品级PGA的生产企业主要有山东福瑞达生物科技有限公司、南京轩凯生物科技有限公司,这些企业的PGA产品还处于试生产阶段,产量较小,难于满足市场需求。当前国内化妆品市场所需的PGA主要来源于日本明治公司和台湾味丹公司,这些产品的分子量大都在100万道尔顿左右,PGA含量大于92%,市场售价4000/Kg左右。本项目产品PGA分子量达250万道尔顿以上,保湿性能优于目前市场上分子量100万道尔顿左右的PGA产品。本项目生产规模为年产10吨,吨生产成本为38.6125元,即使售价按3000/Kg,即300/计,都将具有非常大的市场竞争力和经济效益。

3.      自然风险分析

生产不受气候、地理影响。项目几乎无自然风险。

4. 盈亏平衡分析

A、生产能力利用率盈亏平衡分析

盈亏平衡点= ×100% ×100%5.7%

B、销售价格敏感性分析

盈亏平衡点= × 100% = ×100% =12.87%

即只要达到生产能力的5.7%企业可保本,或产品价格只要达到原价格的12.87%可保本,可见抗风险能力是很强的。

(五)三废问题

该项目以葡萄糖和味精为原料,发酵后进行分离提取。新增污染主要是分离提取设备排放废水,该废水无重金属、酸碱、及植物营养物质等污染物,经过简单处理后即可达到排放标准。

 

 

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