生物催化劑-課件

振

國

光鴻組

1ppt課件生物催化劑歷史：背景：2ppt課件3ppt課件4ppt課件生物催化是利用生物催化劑（是酶或微生物）來改變（通常是加速）化學反應的速率。生物催化劑是指生物反指應過程中起催化作用的游離或固定化細胞各游離或固定化酶的總稱。5ppt課件6ppt課件特點一、效率極高。二、高度專一。三、條件溫和。四、清潔環(huán)保。7ppt課件生物催化劑的應用目前，生物催化工藝對化學工業(yè)已產生重大影響，全球酶市場規(guī)模約1O億美元。在傳統(tǒng)方面，微生物和酶工藝已被用于生物衍生原料，現(xiàn)在開始擴展到石油衍生材料領域，且手性酶在有機藥品合成及柴油微生物脫硫中得到廣泛應用，在反應中作歧化劑。在生產小分子的藥物及中間體時，生物轉化和傳統(tǒng)的化學方法最顯著的區(qū)別就是能非常有效地不對稱合成手性化合物。由于生物催化劑是一類以蛋白質為主體的催化劑，其催化活性易受溫度及pH的影響。隨著溫度的上升，反應速度加快，但達到某一溫度以上(一般45～5O℃)，蛋白質就會變性失活，其反應速度就會急速下降；同樣它也只在有限的pH值范圍內起反應，故每種酶都有其最佳溫度和pH值。而有些工業(yè)生產過程需在一定的溫度、壓力、pH值或有機溶劑條件下進行，因此要求所用生物催化劑具有較高的耐受力，以適應工業(yè)化生產需要。目前生物催化技術的應用主要局限于有無合適的生物催化劑，應用現(xiàn)代篩選技術可獲得理想的生物催化劑。8ppt課件生物催化劑的篩選生物催化劑的廣泛應用有賴于對大量生物分子的有效篩選和檢驗。不同菌株和不同酶的催化專一性、活力及穩(wěn)定性有很大差異，因此有關菌種分離、篩選、選育等工作不可缺少。在實際工作中，要擴大生物催化劑的應用必須解決生物催化中的一些典型困難和操作上的限制，如溫度、pH值、產物抑制、反應速度及處理的物料濃度等。要解決這些問題必須以保持催化劑的高效選擇性和特異性為前提。在生物催化劑的篩選中已打破傳統(tǒng)方法，當前，將生物誘變技術和高通篩選技術相結合是獲得理想生物催化劑的有效方法。9ppt課件生物催化劑的來源目前，少數(shù)生物催化劑是從動物肝臟或植物中提取的，多數(shù)來自于微生物細胞。除真核生物。和單細胞酵母(如從南極假絲酵母中得到了高效脂肪酶CalB)外，原核微生物是生物催化劑的主要來源。由于原核微生物(細菌和古生菌)是地球上出現(xiàn)最早和數(shù)量最多的生命形態(tài)，經歷了漫長的演變后，許多微生物為適應“惡劣”環(huán)境而具有了非常高的耐受性，從而可從中得到大量高性能的生物催化劑?，F(xiàn)在，雖然微生物培養(yǎng)也有其局限性，如很多生物體用當前技術還無法進行培養(yǎng)，但通過微生物培養(yǎng)來獲得生物催化劑仍是最普通和最有效的方法。這是因為微生物培養(yǎng)能加速生物體的新陳代謝而增加其數(shù)量，為以后的高通量篩選提供了有利條件。10ppt課件生物催化劑的缺點生物催化劑的本質是酶，雖然具有催化效率高、專一性強和污染少等優(yōu)點，但在有機溶劑中生物催化劑的穩(wěn)定性和耐受性都很低，易受到有機溶劑的破壞，此外它的催化活性還受到溶劑pH和反應溫度的影響。11ppt課件在有機合成方面的應用生物催化劑應用于取代反應許多酶都可以用來催化丙氨酸、絲氨酸、半胱氨酸衍生物b一碳上的取代反應以及蛋氨酸等化合物r一碳上的取代反應。如O一乙?；z氨酸在酶的作用下，發(fā)生b一碳原子上的取代反應，得到L一半胱氨酸，再如，L一半胱氮酸與L一高絲氮酸反應，在酶的作用下，r一碳上的羥基被取代，生成L一胱硫醚：12ppt課件在食品工業(yè)中的應用在食品工業(yè)中可以用來降低粘度、提高抽職效率(或分離效率)、增香、實現(xiàn)生物轉化等。在這些應用方面也同樣推廣著固定酶技術，目前世界上規(guī)模最大的固定酶工藝就是用固定化葡萄糖異構酶以葡萄糖為原料生產果糖糖漿。具體方法是將葡萄糖異構酶固定在二乙胺乙基纖維素上，異構化條件是溫度為20℃，PH為6—9。這種固定酶的活力可達90％，并且如果酶的皤性降低可加入新酶使之再生。13ppt課件14ppt課件生物催化劑應用于加成與消除反應一碳碳雙鍵的加成

H．-E．Hogberg及PBerglund等人系統(tǒng)地研究了碳碳雙鍵在酵母粉下的加成反應

15ppt課件二碳氧雙鍵的加成醛縮合酶可以催化羥醛縮合反應。在這一類酶中，以果糖一1，6一二磷醛縮酶(FDPA)在有機合成中的應用研究最為深入。舉例來說，在二羥基丙酮與2一羥基丙醛的反應中，以果糖一1，6-二磷醛縮酶催化，得到Furaneol16ppt課件生物催化劑應用于酯的合成及水

解反應一酯的合成酯的合成常用羧酸和醇作原料，例如Pseu—domomasfragi的脂肪酶經PEG修飾后能溶于苯中，可在25℃有效催化萜烯醇香料(香茅醇、香葉醇、金合歡醇、植醇)和短鏈羧酸(2—5碳酸)的酯化反應，產率80～95”，酶也可以完成單脂肪酸甘油酯的合成以及促進內酯的合成等。另外酯交換反應也是制備酯的一個重要方法，當采用此法合成新酯時，也可以用酶作催化劑，如下例所示17ppt課件18ppt課件二酯的水解反應由于酯在酸性或堿性條件下水解，都可能引起碳架的改變，得到副產物。而酶催化的水解反應，條件溫和，不會影響碳架結構，因此酯的水解反應用酶來催化顯得尤為重要。例如在酸性或堿性條件下水解環(huán)丙酵乙酸酯，都會發(fā)生開環(huán)反應，生成丙醛和一個羥醛縮合產物，而用豬肝酯酶作催化劑，在pH為7．5的條件下水解才得到環(huán)丙醇19ppt課件生物催化劑應用于酰胺的合成及

水解反應一酰胺和肽的合成酶催化反應在青霉索和頭孢菌素的酰胺鍵生成中，起著極為重要的作用。例如在酶的作用下，7一氨基去乙酰氧基頭孢菌素酸(7一ADAc)和D一苯基甘氮酸可以轉變?yōu)轭^孢菌素。20ppt課件

當?shù)孜锓肿雍卸喾N不同反應能力的官能團時，若想得到單一的目標產物．選用酶作催化劑是最佳的，例如天冬門酰胺的合成21ppt課件生物催化劑應用于氧化和還原反應

一氧化反應

酶催化的氧化反應包括醇氧化、醛氧化以及酮氧化成酯的反應。如伯醇與仲醇的氧化一般采用醇脫氫酶，馬肝脫氫酶(HLAD)就是其中之一；新型環(huán)糊精衍生物催化糠醛制糠酸；環(huán)己酮氧化成環(huán)己內酯；酶還可以用來催化脫氫氧化反應，CH—CH鍵的脫氫反應，用微生物細胞將烯烴轉變?yōu)榄h(huán)氧化物，氨基酸的氧化反應，氮、硫、硒等原子的氧化反應等。22ppt課件二醛和酮的還原反應

除甲醛之外，所有醛都是潛手性的。因此在酶催化下，醛還原得到a-碳為手性的伯醇。例如a一甲基苯丙醛在酵母粉的作用下可還原成伯醇酮的生物催化還原也是一類重要的反應，而且還原產物通常具有光學活性。例如：23ppt課件在食品工業(yè)中的應用在食品工業(yè)中可以用來降低粘度、提高抽職效率(或分離效率)、增香、實現(xiàn)生物轉化等。在這些應用方面也同樣推廣著固定酶技術，目前世界上規(guī)模最大的固定酶工藝就是用固定化葡萄糖異構酶以葡萄糖為原料生產果糖糖漿。具體方法是將葡萄糖異構酶固定在二乙胺乙基纖維素上，異構化條件是溫度為20℃，PH為6—9。這種固定酶的活力可達90％，并且如果酶的皤性降低可加入新酶使之再生。24ppt課件25ppt課件在醫(yī)學方面的應用生物摧化劑在醫(yī)學方面的應用已引出人玉細胞、人工器官等新概念。如利用微囊化技術，將酶等生物大分子固定在0.2-3um的半透膜內，形成人工細胞。由于薄膜的隔離，囊內的酶分子不與囊外的免球蛋白接觸，也不受水解酶的破壞，這樣制成的含有一種酶的人工細胞就是第一代人工細胞。利用這種脲酶微囊即脲酶的人工細胞可以轉化動物血中的尿為氨，再用固定化的吸附劑除去氨，這就是最簡單的人工腎。用上述徽囊法制成韻含有多酶系統(tǒng)的微囊即是第二代人-工細胞，者把脲酶、谷氨陵脫氫酶、醇轉氨酶等共同固定在微囊內，那么尿素和氨的代謝就可以在這種微囊的作用下周而復始地運轉。這種人工腎就更進了一步另外據(jù)報導用微囊化的胰島細胞植入誘發(fā)糖尿病的大鼠體內可以控制血糖水平治療糖尿病，機體的排斥反應可以避免。26ppt課件市場現(xiàn)狀目前，用在精細化學品生產上的生物催化荊市場不超過2000~2500萬美元，僅為藕制荊總市場的5％(見表1)。27ppt課件

生物催化劑市場的很大部分是壟斷或半壟斷的。這些催化劑常被提供給某個獨家用戶。倒如，意大利的DoBi-Sclavo公司就專為該國的Recordati公司生產能拆分D／L一對羥苯基甘氨酸的乙內酰脲酶系統(tǒng)。相對于酶制刺工業(yè)的其它部分，生物催化劑產品的銷售極為零散，幾乎還沒有某種生物催化劑產品的市場超過10O萬美元的。只有B-內酰胺酶類(如青霉素或頭孢菌素酰胺酶)是個突出的倒外，其市場約為8OO～l000萬美元，占生物催化劑市場的5O。28ppt課件前景

近年來，生物催化劑在精細化學品市場中顯現(xiàn)強大的增長率。預計2008年用于精細化學工業(yè)和制藥工業(yè)的生物催化劑在1億美元到1．3億美元，預計年增長率達8-9％。已工業(yè)化的酶法合成有類固醇及甾醇合成、生物堿合成、有機酸類合成、糖的轉化、藥用多肽及蛋白質的合成、氨基酸類合成、核苷酸類合成。世界經合組織(OECD)認為“生物催化技術是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的技術”，它的高速發(fā)展將帶來技術上的創(chuàng)新，也將推動生產力的高速發(fā)展。在過去的十年中，由于開發(fā)了現(xiàn)在廣泛使用的必要的分子生物科技工具和高通量篩選技術，生物催化劑已經獲得了很大的重視。由于上述特點，生物催化劑將會受到業(yè)界生產商的進一步青睞。到2010年，生物技術在全球精細化學工業(yè)的份額將會由目前的15%躍升至2010年的6O％，增長速度十分驚人，而且實現(xiàn)的可能性很大。生物技術在有機精細化學工業(yè)合成領域的份額將會快速增長，并將完全取代傳統(tǒng)合成生產工藝在該領域的使用。生物催化劑酶技術的應用不僅僅局限于合成手性分子，而且還可用于生產手性聚合物，尤其是在化妝品工業(yè)和食品工業(yè)的應用前景更為光明。29ppt課件結語與展望由于生物催化劑具有催化效率高、專一性強和污染少等特點，生物催化已經和化學方法一樣，被大量應用于藥物的研究開發(fā)。但生物催化劑的熱穩(wěn)定性差、易受pH的影響和有機溶劑耐受性差等缺點，限制了生物催化劑用于大規(guī)模的工業(yè)化生產。不過隨著新的生物技術如定向