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第十一章第十一章 生物化工技术生物化工技术第1页第一节第一节 概述概述 1.1 1.1 生物化工简单介绍：生物化工简单介绍：生物化工是生物学技术和化学工程生物化工是生物学技术和化学工程技术相互融合新型学科，它以生物起源技术相互融合新型学科，它以生物起源物质为原料，经过生物活性物质为催化物质为原料，经过生物活性物质为催化剂使其转化，或用其它生物技术进行制剂使其转化，或用其它生物技术进行制备、纯化，从而得到我们预期产品。备、纯化，从而得到我们预期产品。第2页 生物化工作为生物技术下游过生物化工作为生物技术下游过程支撑学科，对生物技术发展和产程支撑学科，对生物技术发展和产业建立起着十分主要作用，它是基业建立起着十分主要作用，它是基因工程、细胞工程、发酵工程和酶因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程走向产业化必由之路。同时也工程走向产业化必由之路。同时也是生物技术一个主要组成部分。是生物技术一个主要组成部分。第3页 1.2 1.2 国内外生物化工现实状况：国内外生物化工现实状况：当前全球已拥有年销售额大于当前全球已拥有年销售额大于1010亿美元生物技术产品亿美元生物技术产品数数1010个。到本世纪末，全球生物化工工业产品销售额可达个。到本世纪末，全球生物化工工业产品销售额可达10001000亿美元。仅美国从事生物技术制品生产企业约亿美元。仅美国从事生物技术制品生产企业约13001300多多家，其中较大生物制药企业有家，其中较大生物制药企业有225225家，年工业投资达家，年工业投资达350350亿亿美元。美元。生物化工是生物技术产业化关键，当前生物技术主要生物化工是生物技术产业化关键，当前生物技术主要在医药、农业及保健食品领域，不过生物化工在化学品制在医药、农业及保健食品领域，不过生物化工在化学品制备中发展是最快，每年以备中发展是最快，每年以1818速度发展，许多过去以化学速度发展，许多过去以化学法生产化学品如丙烯酰胺等都开始采取生物法生产，可见法生产化学品如丙烯酰胺等都开始采取生物法生产，可见生物化工在化学工业中主要作用。生物化工在化学工业中主要作用。第4页1.3 与传统化学工业相比，生物化工优点：与传统化学工业相比，生物化工优点：（1 1）原料可再生）原料可再生（2 2）反应条件温和）反应条件温和（3 3）反应专一性强，副反应少）反应专一性强，副反应少（4 4）生产工艺简单，可实现连续化操作，可节约能源，）生产工艺简单，可实现连续化操作，可节约能源，降低环境污染降低环境污染（5 5）可处理传统生产方法和技术中难以处理问题。）可处理传统生产方法和技术中难以处理问题。（6 6）可按照需要利用生物技术伎俩创造新物种、新产）可按照需要利用生物技术伎俩创造新物种、新产品以及其它有经济价值生命类型。品以及其它有经济价值生命类型。第5页第6页第二节第二节 生物催化生物催化 生物催化是用生物催化剂来生物催化是用生物催化剂来对底物进行催化反应，生物催化对底物进行催化反应，生物催化剂通常是完整细胞或酶。工业生剂通常是完整细胞或酶。工业生物催化技术是生物技术应用中一物催化技术是生物技术应用中一个关键领域，是生物技术革命第个关键领域，是生物技术革命第三个浪潮。工业生物催化技术是三个浪潮。工业生物催化技术是生物学、化学和当代过程工程综生物学、化学和当代过程工程综合技术。合技术。第7页 2.1 生物催化优缺点生物催化优缺点（1 1）优点：优点：工业催化在常温、常压下进行反应，含有投资工业催化在常温、常压下进行反应，含有投资少、耗能低以及温室气体排放量低优点，而且生少、耗能低以及温室气体排放量低优点，而且生物催化剂是微生物和蛋白质，可生物降解，环境物催化剂是微生物和蛋白质，可生物降解，环境友好，含有极高催化效率，并含有高度专一性，友好，含有极高催化效率，并含有高度专一性，包含化学专一性和立体专一性等，能够有效催化包含化学专一性和立体专一性等，能够有效催化手性反应等普通化学催化剂难以完成反应。手性反应等普通化学催化剂难以完成反应。第8页（2 2）缺点：缺点：生物催化剂在反应介质中往往不稳定；生物催化剂在反应介质中往往不稳定；当前可用于工业化应用生物催化剂还太少；当前可用于工业化应用生物催化剂还太少；生物催化剂开发周期较长。生物催化剂开发周期较长。第9页2.2 生物催化剂起源生物催化剂起源第10页2.3 生物催化主要应用方向生物催化主要应用方向第11页第三节第三节 酶工程酶工程3.1 3.1 酶酶 概念概念：酶是由生物体内活细胞产生一个含有高效性与专：酶是由生物体内活细胞产生一个含有高效性与专一性生物催化剂，绝大多数为蛋白质，少数为一性生物催化剂，绝大多数为蛋白质，少数为RNARNA。3.1.1 3.1.1 酶作为生物催化剂特点酶作为生物催化剂特点：1.1.高效率：高效率：比非酶反应要高比非酶反应要高105-1017105-1017，比非酶催化剂催，比非酶催化剂催化时要高化时要高107-1013107-1013，比如过氧化氢分解，无催化剂时不，比如过氧化氢分解，无催化剂时不反应，用反应，用FeFe催化，其反应速度不大，假如用过氧化氢酶催催化，其反应速度不大，假如用过氧化氢酶催化此反应，其速度会增加很多化此反应，其速度会增加很多无催化剂无催化剂Fe过氧化氢酶过氧化氢酶速度速度不反应不反应5mol/min5106mol/min第12页2.高度专一性：高度专一性：结构专一性结构专一性绝对专一性绝对专一性相对专一性相对专一性立体专一性立体专一性基团专一性基团专一性键专一性键专一性旋光异构专一性旋光异构专一性顺反异构专一性顺反异构专一性绝绝对对专专一一性性：一一个个酶酶只只催催化化特特定定底底物物发发生生反反应应，如如：脲脲酶酶只催化尿素分解：只催化尿素分解：H2NCONH2+H2O=2NH3+CO2相对专一性：键专一性相对专一性：键专一性酶对反应键两端基团都没有特殊酶对反应键两端基团都没有特殊要求，如酯酶只要是酯键就可水解。要求，如酯酶只要是酯键就可水解。第13页 基团专一性基团专一性:即酶对反应键一端基团有绝对要即酶对反应键一端基团有绝对要求，而对另一求，而对另一端基团则无特殊要求，端基团则无特殊要求，如葡萄糖苷酶，能够催化水解糖如葡萄糖苷酶，能够催化水解糖苷键，而且要求键一端为葡萄糖，而另一端能够是任意糖。苷键，而且要求键一端为葡萄糖，而另一端能够是任意糖。葡萄糖葡萄糖其它单糖其它单糖麦芽糖、果麦芽糖、果糖、葡萄糖糖、葡萄糖葡萄糖葡萄糖其它单糖其它单糖立体专一性：旋光异构专一性立体专一性：旋光异构专一性L-氨基酸氧化酶只催化氨基酸氧化酶只催化L-氨氨基酸氧化基酸氧化,而对而对D-氨基酸无作用氨基酸无作用第14页顺反异构专一性顺反异构专一性:如琥珀酸脱氢酶只催化产生反式结构丁如琥珀酸脱氢酶只催化产生反式结构丁烯二酸即延胡索酸。烯二酸即延胡索酸。琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸3.3.对环境条件敏感：对环境条件敏感：酶最正确作用条件是常温、常压、中性，酶最正确作用条件是常温、常压、中性，假如条件发生改变，酶催化活性则会降低。假如条件发生改变，酶催化活性则会降低。4.4.活性可调活性可调：酶活性可在调整因子作用下发生改变。：酶活性可在调整因子作用下发生改变。第15页3.1.2 3.1.2 酶组成：酶组成：依据组成：酶分为依据组成：酶分为简单酶简单酶和和结合酶结合酶 简单酶：简单酶：只由蛋白组成酶，就是简单酶。只由蛋白组成酶，就是简单酶。辅助因子辅助因子无机离子无机离子有机分子：辅酶、辅基有机分子：辅酶、辅基 辅辅基基和和辅辅酶酶实实际际上上没没有有本本质质区区分分，只只是是辅辅基基与与酶酶结结合合作作用用力力强强，而而辅辅酶与酶结协力弱，实际上，辅酶只有在参加催化时才与酶结合。酶与酶结协力弱，实际上，辅酶只有在参加催化时才与酶结合。全酶全酶酶蛋白酶蛋白（决定专一性和高效率）（决定专一性和高效率）辅助因子辅助因子（决定反应性质）（决定反应性质）结合酶结合酶：酶组分中除了蛋白质外，还有其它非蛋白成份。：酶组分中除了蛋白质外，还有其它非蛋白成份。第16页依据分子结构：可分为依据分子结构：可分为单体酶、寡聚酶单体酶、寡聚酶和和多酶复合物多酶复合物单体酶单体酶：只含有一条多肽链酶；：只含有一条多肽链酶；特点：分子量较小。特点：分子量较小。寡聚酶寡聚酶：两个或两个以上亚基组成酶；：两个或两个以上亚基组成酶；特点：亚基间以非共价键结合，轻易在变性剂作用下失活特点：亚基间以非共价键结合，轻易在变性剂作用下失活。多酶复合物多酶复合物：由几个酶彼此嵌合形成复合体；：由几个酶彼此嵌合形成复合体；特点：有利于细胞中系列反应连续进行，催化效率高，便于特点：有利于细胞中系列反应连续进行，催化效率高，便于调控。调控。第17页3.1.3 3.1.3 酶分为六类酶分为六类2.转移酶类转移酶类 催化底物中基团（如：甲基、氨基、酰基催化底物中基团（如：甲基、氨基、酰基等）转移酶类。如谷丙转氨酶：等）转移酶类。如谷丙转氨酶：1.氧化还原酶类氧化还原酶类 AH2+B A+BH2 如：乙醛氧化为乙酸如：乙醛氧化为乙酸谷氨酸谷氨酸 丙酮酸丙酮酸 酮戊二酸酮戊二酸 丙氨酸丙氨酸 CH3CHO+H2O CH3COOH+2H+2e-第18页3.水解酶类水解酶类 催化底物发生水解反应，如蛋白质水解催化底物发生水解反应，如蛋白质水解4.裂解酶类裂解酶类 催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合成为一个化合物，如醛缩酶催化反应合成为一个化合物，如醛缩酶催化反应F1，62P 甘油醛甘油醛3P 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮蛋白质蛋白质+H2O 氨基酸氨基酸第19页 6.合合成成酶酶类类 催催化化各各种种合合成成反反应应，该该过过程程是是需需能能过过程程。如如脂脂酰酰CoA合成酶催化反应：合成酶催化反应：5.异构酶类异构酶类 催化各种同分异构反应。如磷酸丙糖异构酶催催化各种同分异构反应。如磷酸丙糖异构酶催化以下反应化以下反应甘油醛甘油醛3P 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮第20页3.2 3.2 酶工程酶工程概念概念:酶工程就是将酶或微生物细胞，动植物酶工程就是将酶或微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定生物反应装置中，利用酶细胞，细胞器等在一定生物反应装置中，利用酶所含有生物催化功效，借助工程伎俩将对应原料所含有生物催化功效，借助工程伎俩将对应原料转换成有用物质并应用于社会生活一门科学技术。转换成有用物质并应用于社会生活一门科学技术。包含酶制剂制备，酶固定化，酶修饰与改造及酶包含酶制剂制备，酶固定化，酶修饰与改造及酶反应器等方面内容。反应器等方面内容。第21页3.2.1 3.2.1 酶固定化酶固定化游离酶一些不足之处：游离酶一些不足之处：n（1 1）酶稳定性较差）酶稳定性较差n（2 2）酶一次性使用）酶一次性使用n（3 3）产物分离纯化较困难）产物分离纯化较困难1 1、为何开展酶固定化技术？、为何开展酶固定化技术？第22页2 2、什么是固定化酶？、什么是固定化酶？水溶性酶水溶性酶水不溶性载体水不溶性载体固定化技术固定化技术水不溶性酶水不溶性酶（固定化酶）（固定化酶）固定化酶是被固定在某一有限空间内不再能自由固定化酶是被固定在某一有限空间内不再能自由流动而仍有催化活性酶。流动而仍有催化活性酶。第23页n固定化酶是固定化酶是2020世纪世纪5050年代发展起来一项技年代发展起来一项技术术n19691969年固定化氨基酸酸化酶在工业生产中年固定化氨基酸酸化酶在工业生产中被正式应用被正式应用n19711971年第一届国际酶工程会议上，正式年第一届国际酶工程会议上，正式 采采取固定化酶取固定化酶第24页3、固定化酶优点和缺点、固定化酶优点和缺点 优点优点：易于将酶与底物及产物分离，因而产物相对轻易提纯；易于将酶与底物及产物分离，因而产物相对轻易提纯；酶能够重复利用，使用效率提升，成本低；酶能够重复利用，使用效率提升，成本低；大多数情况下能够提升酶稳定性；大多数情况下能够提升酶稳定性；能够增加产物收率，提升产物质量；能够增加产物收率，提升产物质量；有利于实现管道化、连续化以及自动化操作，易于与各有利于实现管道化、连续化以及自动化操作，易于与各种分离伎俩联用。种分离伎俩联用。第25页 缺点：缺点：n但因为固定化酶是经过反应而被结合在载体上，固定但因为固定化酶是经过反应而被结合在载体上，固定化过程中酶活力难免有一定损失；化过程中酶活力难免有一定损失；n而底物则要求是水溶性，这么才能够接触酶而发生反而底物则要求是水溶性，这么才能够接触酶而发生反应；应；n也不宜于需要辅助因子反应。也不宜于需要辅助因子反应。n胞内酶必须经过酶分离过程胞内酶必须经过酶分离过程第26页4.4.酶固定化方法酶固定化方法交联法交联法胶体包埋法胶体包埋法半透膜包埋法半透膜包埋法离子键结正当离子键结正当共价键结正当共价键结正当热处理法热处理法结正当结正当包埋法包埋法吸附法吸附法第27页固定化酶模式图固定化酶模式图第28页1 1、吸附法、吸附法吸附法是利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其吸附法是利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上而使酶固定化方法。表面上而使酶固定化方法。惯用载体：活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、惯用载体：活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石。硅胶、羟基磷灰石。优点：操作简单、条件温和、载体廉价易得、可重复使用。优点：操作简单、条件温和、载体廉价易得、可重复使用。缺点：结协力不劳、轻易脱落。缺点：结协力不劳、轻易脱落。第29页2 2、包埋法、包埋法将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中，使酶固定化方将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中，使酶固定化方法称为包埋法。法称为包埋法。载体：琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、聚丙烯载体：琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、聚丙烯酰胺酰胺 （1）凝胶包埋法：）凝胶包埋法：以各种多孔凝胶为载体，将酶、细胞或原生质以各种多孔凝胶为载体，将酶、细胞或原生质体包埋在凝胶微孔内固定化方法。体包埋在凝胶微孔内固定化方法。第30页（2）半透膜包埋法）半透膜包埋法将酶包埋在由各种高分子聚合物制成小球内，制成固定将酶包埋在由各种高分子聚合物制成小球内，制成固定化酶化酶.制备方法：制备方法：酶，酶，水，水，乙二胺乙二胺癸二酰氯癸二酰氯+氯仿氯仿优点：结协力劳、活力回收高、底物专一性不变。优点：结协力劳、活力回收高、底物专一性不变。缺点：制备较难，载体无法回收、扩散限制。缺点：制备较难，载体无法回收、扩散限制。包埋法包埋法第31页3 3、结正当、结正当选择适宜载体，使之经过共价键或离子键与酶结合在一选择适宜载体，使之经过共价键或离子键与酶结合在一起固定化方法称为结正当。起固定化方法称为结正当。（1）离子结正当：）离子结正当：经过离子键使酶与载体结合固定化方法。经过离子键使酶与载体结合固定化方法。载体：载体：DEAEDEAE纤维素、纤维素、TEAETEAE纤维素、纤维素、DEAEDEAE葡聚葡聚糖凝胶糖凝胶+-+第32页（2）共价结正当：）共价结正当：经过共价键将酶与载体结合固定化方法。经过共价键将酶与载体结合固定化方法。载体：载体：纤维素纤维素琼脂糖凝胶琼脂糖凝胶葡聚糖凝胶葡聚糖凝胶甲壳质甲壳质氨基酸共聚物氨基酸共聚物酶分子中能够形成共价键基团：酶分子中能够形成共价键基团：氨基、羧基、巯基、羟基、酚基、咪唑基氨基、羧基、巯基、羟基、酚基、咪唑基第33页载体载体活泼基团活泼基团第34页4 4、交联、交联法法（1 1）交联法惯用试剂）交联法惯用试剂第35页（2）交联形式）交联形式酶直接交联法：酶直接交联法：第36页第37页方方 法法优优 点点缺缺 点点吸附法吸附法n制作条件温和、简便、成本低、载体再生、可重复使用n结协力弱，对pH、离子强度、温度等原因敏感，酶易脱落，酶装载容量较小共价法共价法n酶分子官能团和载体表面基团发生反应；酶结协力强，非常稳定n偶联条件激烈，易引发酶失活；成本高交联法交联法n可用交联试剂多，技术简易，酶结协力强，稳定性高交联条件激烈，机械性能差交联条件激烈，机械性能差包埋法包埋法n包埋材料、包埋方法可选余地大，固定化酶使用面广，包埋条件温和n仅可用于低分子量底物，不适适用于柱系统，常有扩散限制问题各种酶固定化方法比较各种酶固定化方法比较第38页3.2.2 3.2.2 酶分子修饰及修饰目标酶分子修饰及修饰目标 1 1、酶分子修饰、酶分子修饰 指经过对酶蛋白主链剪接、切割和侧链化学修饰对酶指经过对酶蛋白主链剪接、切割和侧链化学修饰对酶分子进行改造。分子进行改造。限制酶大规模应用原因：限制酶大规模应用原因：1)1)细胞外稳定性差；细胞外稳定性差；2)2)酶活性不够高；酶活性不够高；3)3)含有抗原性。含有抗原性。第39页改变酶特征有两种主要方法：改变酶特征有两种主要方法：1)1)经过分子修饰方法来改变已分离出来天然酶活性。经过分子修饰方法来改变已分离出来天然酶活性。2)2)经过基因工程方法改变编码酶分子基因而到达改经过基因工程方法改变编码酶分子基因而到达改造酶目标。造酶目标。第40页2 2、酶化学修饰目标、酶化学修饰目标（1 1）研究酶结构与功效关系。（）研究酶结构与功效关系。（5050年代末）年代末）（2 2）人为改变天然酶一些性质，扩大酶应用）人为改变天然酶一些性质，扩大酶应用 范围。（范围。（7070年代末之后）年代末之后）1 1）提升酶生物活性（酶活力）。）提升酶生物活性（酶活力）。2 2）增强酶稳定性（热稳定性、体内半衰期）。）增强酶稳定性（热稳定性、体内半衰期）。3 3）消除抗原性（针对特异性反应降低生物识别能力）。）消除抗原性（针对特异性反应降低生物识别能力）。4 4）产生新催化能力。）产生新催化能力。5 5）允许酶在一个改变环境中起作用）允许酶在一个改变环境中起作用6 6）提升催化过程反应效率）提升催化过程反应效率7 7）改变最适）改变最适pHpH值和温度值和温度第41页3.3.酶化学修饰原理酶化学修饰原理1)1)怎样增强酶天然构象稳定性与耐热性怎样增强酶天然构象稳定性与耐热性 修饰剂分子存在多个反应基团，可与酶形成多点修饰剂分子存在多个反应基团，可与酶形成多点交联。使酶天然构象产生交联。使酶天然构象产生“刚性刚性”结构。结构。2)2)怎样保护酶活性部位与抗抑制剂怎样保护酶活性部位与抗抑制剂 大分子修饰剂与酶结合后，产生空间障碍或静电大分子修饰剂与酶结合后，产生空间障碍或静电斥力阻挡抑制剂，斥力阻挡抑制剂，“遮盖遮盖”了酶活性部位。了酶活性部位。第42页3)3)怎样维持酶功效结构完整性与抗蛋白水解酶怎样维持酶功效结构完整性与抗蛋白水解酶 酶化学修饰后经过两种路径抗蛋白水解酶：酶化学修饰后经过两种路径抗蛋白水解酶：1 1）大分子修饰剂产生空间障碍阻挡蛋白水解酶靠近酶大分子修饰剂产生空间障碍阻挡蛋白水解酶靠近酶分子。分子。“遮盖遮盖”酶分子上敏感键免遭破坏。酶分子上敏感键免遭破坏。2 2）酶分子上许多敏感基团交联上修饰剂后，降低了受蛋）酶分子上许多敏感基团交联上修饰剂后，降低了受蛋白水解酶破坏可能性。白水解酶破坏可能性。第43页4)4)怎样消除酶抗原性及稳定酶微环境怎样消除酶抗原性及稳定酶微环境1 1）酶蛋白氨基酸组成抗原决定簇，与修饰剂形成了共价键。）酶蛋白氨基酸组成抗原决定簇，与修饰剂形成了共价键。破坏了抗原决定簇破坏了抗原决定簇抗原性降低乃至消除抗原性降低乃至消除 “遮盖遮盖”了抗原决定簇了抗原决定簇妨碍抗原、抗体结合妨碍抗原、抗体结合2 2）大分子修饰剂本身是多聚电荷体，能在酶分子表面形成）大分子修饰剂本身是多聚电荷体，能在酶分子表面形成“缓冲外壳缓冲外壳”，抵抗外界环境极性改变，维持酶活性部位微环，抵抗外界环境极性改变，维持酶活性部位微环境相对稳定。境相对稳定。第44页3.3 3.3 酶工程应用领域酶工程应用领域 把把生生物物工工程程技技术术应应用用到到药药品品制制造造过过程程称称之之为为生生物物制制药药。生生物物药药品品是是以以微微生生物物、寄寄生生虫虫、动动物物毒毒素素、生生物物组组织织为为原原材材料料，采采取取生生物物学学工工艺艺和和分分离离、纯纯化化技技术术，并并以以生生物物学学分分析析技技术术控控制制中中间间产产物物和和成成品品质质量量制制成成生生物物活活化化制制剂剂，包包含含菌菌苗苗、疫疫苗苗、毒毒素素、类类毒毒素素、血血清清、血血液液制制品品、免免疫疫制制剂剂、细细胞胞因因子子、抗抗原、单克隆抗体及基因工程产品等。原、单克隆抗体及基因工程产品等。3.3.13.3.1酶在医学方面应用酶在医学方面应用第45页1 1、酶在疾病诊疗方面应用、酶在疾病诊疗方面应用酶学诊疗：酶学诊疗：（）依据体内原有酶活力改变诊疗一些疾病（）依据体内原有酶活力改变诊疗一些疾病（）利用酶测定体内一些物质含量（）利用酶测定体内一些物质含量第46页（1 1）依据体内原有酶活力改变诊疗一些疾病）依据体内原有酶活力改变诊疗一些疾病酶酶n疾病与酶活力改变淀粉酶淀粉酶胰脏疾病、肾脏疾病胰脏疾病、肾脏疾病，肝病，肝病胆碱酯酶胆碱酯酶肝病肝病酸性磷酸酶酸性磷酸酶前列腺癌、肝炎、红血球病变前列腺癌、肝炎、红血球病变碱性磷酸酶碱性磷酸酶佝偻病、软骨化病、骨瘤、甲亢佝偻病、软骨化病、骨瘤、甲亢谷丙转氨酶谷丙转氨酶肝病、心肌梗塞肝病、心肌梗塞谷草转氨酶谷草转氨酶肝病、心肌梗塞肝病、心肌梗塞胃蛋白酶胃蛋白酶胃癌胃癌、十二指肠溃疡、十二指肠溃疡磷酸葡糖变构酶磷酸葡糖变构酶肝炎、癌症肝炎、癌症醛缩酶醛缩酶癌症、心肌梗塞癌症、心肌梗塞第47页（2 2）用酶测定体液中一些物质量诊疗疾病）用酶测定体液中一些物质量诊疗疾病葡萄糖氧化酶过氧化氢酶葡萄糖氧化酶过氧化氢酶测血糖和尿糖测血糖和尿糖尿酸酶尿酸酶血液尿酸血液尿酸胆碱酯酶或胆固醇氧化酶胆碱酯酶或胆固醇氧化酶血液胆固醇含量血液胆固醇含量糖尿病糖尿病痛风病痛风病心血管疾病和高血压心血管疾病和高血压第48页2、酶在疾病治疗方面应用、酶在疾病治疗方面应用蛋白酶：消化剂、消炎剂、治疗高血压蛋白酶：消化剂、消炎剂、治疗高血压溶菌酶：抗菌、消炎、镇痛溶菌酶：抗菌、消炎、镇痛SODSOD：红斑狼疮、皮肌炎、结肠炎、氧中毒：红斑狼疮、皮肌炎、结肠炎、氧中毒L-L-天冬酰胺酶：癌症天冬酰胺酶：癌症第49页3、酶在生物制药方面应用、酶在生物制药方面应用1.1.青霉素酰化酶青霉素酰化酶2.2.-酪氨酸酶酪氨酸酶3.3.核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶4.4.无色杆菌蛋白酶无色杆菌蛋白酶第50页3.3.2 3.3.2 酶在食品方面应用酶在食品方面应用1.1.酶法生产葡萄糖酶法生产葡萄糖30-40%30-40%淀粉浆淀粉浆糊精糊精-淀粉酶淀粉酶pH6.06.5pH6.06.585908590CaClCaCl2 2,NaCl,NaCl葡萄糖葡萄糖糖化酶糖化酶pH4.55.0pH4.55.05560556045min 45min 48h48hpHpH至至2.02.5,2.02.5,室温室温,除去除去葡萄糖苷转移酶葡萄糖苷转移酶 DE=1520DE=1520第51页2.2.酶法生产果葡糖浆酶法生产果葡糖浆404045%45%葡萄糖葡萄糖果葡糖浆果葡糖浆葡萄糖异构化酶葡萄糖异构化酶pH6.57.0pH6.57.060706070MgSOMgSO4 445min 45min 预先经层析脱钙处理预先经层析脱钙处理DE96 DE96 果糖果糖53.556.5%53.556.5%葡萄糖葡萄糖43.547.5%43.547.5%脱色、精制、浓缩脱色、精制、浓缩果糖果糖42%42%葡萄糖葡萄糖52%52%低聚糖低聚糖6%6%高果糖浆高果糖浆含果糖含果糖7090%7090%第52页3.3.饴糖生产饴糖生产大米或糯米粉浆大米或糯米粉浆-淀粉酶淀粉酶pH6.57.0pH6.57.085908590MgSOMgSO4 4碘测试碘测试无颜色无颜色 饴糖饴糖-淀粉酶淀粉酶pH6.57.0pH6.57.06262糊精糊精麦芽糖含量麦芽糖含量6070%6070%，Glc(14)GlcGlc(14)GlcDE=1520DE=1520第53页4.4.酶在蛋白质制品加工方面应用酶在蛋白质制品加工方面应用乳制品乳制品凝乳酶：奶酪凝乳酶：奶酪乳糖酶：低乳糖奶乳糖酶：低乳糖奶过氧化氢酶：奶或奶酪中过氧化氢酶：奶或奶酪中H H2 2OO2 2蛋白酶：酪蛋白水解物蛋白酶：酪蛋白水解物蛋制品蛋制品 葡萄糖氧化酶：全蛋粉葡萄糖氧化酶：全蛋粉,蛋黄粉或蛋黄蛋黄粉或蛋黄片中葡萄糖片中葡萄糖第54页鱼制品鱼制品肉制品肉制品可溶性鱼蛋白粉、鱼露；三甲基胺氧化酶脱腥可溶性鱼蛋白粉、鱼露；三甲基胺氧化酶脱腥肉类水解蛋白、嫩肉粉、明胶、保鲜剂肉类水解蛋白、嫩肉粉、明胶、保鲜剂第55页5.5.酶在果蔬加工方面应用酶在果蔬加工方面应用果胶酶果胶酶葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶果汁和果酒澄清果汁和果酒澄清柚苷酶脱苦味柚苷酶脱苦味橙皮苷酶橙皮苷酶溶菌酶溶菌酶去除果汁、饮料、罐头食品和干燥果去除果汁、饮料、罐头食品和干燥果蔬制品中氧气蔬制品中氧气保鲜保鲜脱苦味脱苦味第56页6.6.酶在改进食品品质和风味中应用酶在改进食品品质和风味中应用洋葱风味酶、奶油风味酶洋葱风味酶、奶油风味酶-淀粉酶、蛋白酶淀粉酶、蛋白酶第57页3.3.3 3.3.3 酶在轻工业方面应用酶在轻工业方面应用1.1.酶在原料处理方面应用酶在原料处理方面应用发酵原料处理发酵原料处理纺织原料处理纺织原料处理造纸原料纸浆造纸原料纸浆生丝脱胶处理生丝脱胶处理羊毛除垢羊毛除垢第58页2.2.酶在轻工产品制造方面应用酶在轻工产品制造方面应用酶法生产酶法生产L-氨基酸氨基酸酶法生产核苷酸酶法生产核苷酸酶法生产有机酸酶法生产有机酸酶法制酱酶法制酱酶法制革酶法制革第59页3.3.酶作为添加剂酶作为添加剂加酶洗涤剂：加酶洗涤剂：碱性蛋白酶、淀粉酶、果胶酶、纤维素酶碱性蛋白酶、淀粉酶、果胶酶、纤维素酶加酶牙膏：加酶牙膏：蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、右旋糖酐酶蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、右旋糖酐酶加酶饲料：加酶饲料：淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶加酶护肤用具：加酶护肤用具：SOD、碱性磷酸酶、弹性蛋白酶、碱性磷酸酶、弹性蛋白酶第60页第十六章第十六章 生物燃料电池生物燃料电池重点内容：重点内容：微生物燃料电池微生物燃料电池 酶生物燃料电池酶生物燃料电池第61页1.1 生物燃料电池发展简史生物燃料电池发展简史 1910，英国植物学家potter，开创；剑桥大学cohen教授构建了微生物电池堆；1970，生物燃料电池概念确定；1980后，生物燃料电池输出功率有较大提升，bond发觉特殊微生物地杆菌；，美国bruce教授、byung(韩国）和比利时willy教授在MFC上做了大量研究。第一节第一节 概述概述第62页1.2 生物燃料电池概念和特点生物燃料电池概念和特点 1.2.1 概念和原理概念和原理 生物燃料电池（生物燃料电池（biofuel cellbiofuel cell）：利用酶或者微生物组织作为催化）：利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料化学能转化为电能发电装置。剂，将燃料化学能转化为电能发电装置。生物燃料电池工作原理与传统燃料电池存在许多相同之处，以葡萄糖生物燃料电池工作原理与传统燃料电池存在许多相同之处，以葡萄糖为底料燃料电池为例，其阴阳极反应以下式所表示：为底料燃料电池为例，其阴阳极反应以下式所表示：阳极反应：C6H12O66H2O 6CO2 24e 24H 阴极反应：6O2 24e 24H 12H2O 第63页 1.2.2 特点特点n原料起源广泛：能够利用普通燃料电池不能利用各种有原料起源广泛：能够利用普通燃料电池不能利用各种有机物、无机物及微生物呼吸代谢产物、发酵产物、光合机物、无机物及微生物呼吸代谢产物、发酵产物、光合作用甚至污水等作为燃料；作用甚至污水等作为燃料；n操作条件温和：因为使用酶或微生物作为催化剂，普通操作条件温和：因为使用酶或微生物作为催化剂，普通只要求在近中性常温、常压条件下工作；只要求在近中性常温、常压条件下工作；n生物相容性好：因为可利用人体血液中葡萄糖和氧气作生物相容性好：因为可利用人体血液中葡萄糖和氧气作燃料，一旦开发成功，便能方便为植入人体一些人造器燃料，一旦开发成功，便能方便为植入人体一些人造器官提供电能；官提供电能；n生物燃料电池结构比较简单。生物燃料电池结构比较简单。第64页 1.3 1.3 生物燃料电池类型生物燃料电池类型n按使用催化剂形式不一样，可分为酶生物燃料电按使用催化剂形式不一样，可分为酶生物燃料电池和微生物燃料电池池和微生物燃料电池n依据电子转移方式不一样，可分为直接生物燃料依据电子转移方式不一样，可分为直接生物燃料电池和间接生物燃料电池电池和间接生物燃料电池第65页n酶生物燃料电池：酶生物燃料电池：先将酶从生物体系中提取出来，然后先将酶从生物体系中提取出来，然后利用其活性在阳极催化燃料分子氧化，同时加速阴极氧利用其活性在阳极催化燃料分子氧化，同时加速阴极氧还原；还原；n微生物燃料电池：微生物燃料电池：指利用整个微生物细胞作催化剂，依指利用整个微生物细胞作催化剂，依靠适当电子传递介体在生物组分和电极之间进行有效电靠适当电子传递介体在生物组分和电极之间进行有效电子传递。子传递。n直接生物燃料电池：直接生物燃料电池：燃料在电极上氧化，电子从燃料分燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接转移到电极上，生物催化剂作用是催化燃料在电子直接转移到电极上，生物催化剂作用是催化燃料在电极表面上反应；极表面上反应；n间接生物燃料电池：间接生物燃料电池：燃料不在电极上反应，而在电解液燃料不在电极上反应，而在电解液中或其它地方反应，电子则由含有氧化还原活性介体运中或其它地方反应，电子则由含有氧化还原活性介体运载到电极上去。载到电极上去。第66页n微生物燃料电池微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,(Microbial Fuel Cell,简称简称MFC)MFC)是以微生物为催化剂，将燃料中化学能转化是以微生物为催化剂，将燃料中化学能转化为电能装置。为电能装置。n含有发电与废弃物处置双重功效。微生物燃料电含有发电与废弃物处置双重功效。微生物燃料电池代表了当今最前沿废弃物资源化利用方向，有池代表了当今最前沿废弃物资源化利用方向，有望成为未来有机废弃物能源化处置支柱性技术。望成为未来有机废弃物能源化处置支柱性技术。第二节第二节 微生物燃料电微生物燃料电池池2.1 2.1 概述概述第67页MFCMFC实物组图实物组图 电化学工作站电化学工作站 数据采集系统数据采集系统恒温培养箱恒温培养箱 无菌操作台无菌操作台 厌氧工作站厌氧工作站MFC:第68页 2.1.1 2.1.1 微生物燃料电池特点微生物燃料电池特点:n直接将底物化学能转化为电能，能量利用率高；直接将底物化学能转化为电能，能量利用率高；n原料广泛，理论上任何有机物都能够作为微生物底原料广泛，理论上任何有机物都能够作为微生物底物；物；n微生物燃料电池能够在常温常压下环境中运行，操微生物燃料电池能够在常温常压下环境中运行，操作条件温和；作条件温和；n微生物燃料电池主要产生二氧化碳，环境保护无污微生物燃料电池主要产生二氧化碳，环境保护无污染，生物相容性好；染，生物相容性好；n微生物燃料电池对于缺乏发电设备地方存在很大市微生物燃料电池对于缺乏发电设备地方存在很大市场潜力，而且能够扩大当前燃料形式以满足我们能量场潜力，而且能够扩大当前燃料形式以满足我们能量需求需求第69页(1)燃料起源广泛燃料起源广泛,尤其可利用有机废水等废弃物尤其可利用有机废水等废弃物;(2)反应条件温和反应条件温和,常温常压下即可运行常温常压下即可运行;(3)环境友好环境友好,所产所产 生物质主要是生物质主要是CO2和和H2O,无酸、无酸、碱、重金属等污染物产生碱、重金属等污染物产生,无需对其产物做任何后处无需对其产物做任何后处理理;(4)因能量转化过程无燃烧步骤因能量转化过程无燃烧步骤,故理论转化效率较高。故理论转化效率较高。与常规燃料电池相比与常规燃料电池相比，MFC以微生物代替昂贵化学催以微生物代替昂贵化学催化剂化剂，因而含有更多优点，因而含有更多优点:第70页2.1.2 2.1.2 微生物燃料电池分类微生物燃料电池分类第71页有介体微生物燃料电池n概念：燃料在电解液中或其它处所反应，电子经过氧化还概念：燃料在电解液中或其它处所反应，电子经过氧化还原介体传递到电极上电池。原介体传递到电极上电池。n中间介体具备条件：中间介体具备条件：1 1）轻易与生物催化剂及电极发生可）轻易与生物催化剂及电极发生可逆氧化还原反应；逆氧化还原反应；2 2）氧化态和还原态都较稳定，不会因）氧化态和还原态都较稳定，不会因长时间氧化还原循环而被分解；长时间氧化还原循环而被分解；3 3）介体氧化还原电对有）介体氧化还原电对有较大负电势，使电池两级有较大电压；较大负电势，使电池两级有较大电压；4 4）有适当极性以）有适当极性以确保能溶于水且易经过微生物膜或被酶吸附；确保能溶于水且易经过微生物膜或被酶吸附；5 5）对微生）对微生物无毒，且不能被微生物利用。物无毒，且不能被微生物利用。第72页无介体微生物燃料电池n概念：在无电子传递中间存在条件下，直接将电子概念：在无电子传递中间存在条件下，直接将电子传递给电极，在闭合回路下产生电流，该类电池称传递给电极，在闭合回路下产生电流，该类电池称为无介体微生物燃料电池或直接微生物燃料电池。为无介体微生物燃料电池或直接微生物燃料电池。n从废水或海底沉积物中富集微生物群落也可用于构从废水或海底沉积物中富集微生物群落也可用于构建直接微生物燃料电池。建直接微生物燃料电池。第73页 MFCs 从结构上分为双室从结构上分为双室MFCs 和单室和单室MFCs。经典双室。经典双室MFCs 包含阳极室和阴极室包含阳极室和阴极室,中间由中间由PEM 或盐桥连接。单室或盐桥连接。单室MFCs 从电极构型上分为三类从电极构型上分为三类:阴阳极与膜压制成阴阳极与膜压制成“三合一三合一”电极、阴极与膜压制成电极、阴极与膜压制成“二合一二合一”电极、无质子交换膜或加电极、无质子交换膜或加入多孔膜入多孔膜;从外形上又分为平板型和管型。单室从外形上又分为平板型和管型。单室MFCs 通常直通常直接以空气中氧气作为氧化剂接以空气中氧气作为氧化剂,无需曝气无需曝气,因而含有结构简单和因而含有结构简单和成本低优点成本低优点,更适于规模化。更适于规模化。双室MFCs 和单室MFCs第74页2.1.3 2.1.3 产电微生物产电微生物n产电微生物产电微生物:指那些能够在厌氧条件下完全氧化指那些能够在厌氧条件下完全氧化有机物成有机物成CO2，然后把氧化过程中产生电子经，然后把氧化过程中产生电子经过电子传递链传递到电极上产生电流微生物，过电子传递链传递到电极上产生电流微生物，同时微生物在电子传递过程中取得能量支持生同时微生物在电子传递过程中取得能量支持生长。长。n间接间接MFC：需要外源中间体参加代谢，产生电：需要外源中间体参加代谢，产生电子才能传递到电极表面，如脱硫弧菌、普通变子才能传递到电极表面，如脱硫弧菌、普通变形杆菌和大肠杆菌等；形杆菌和大肠杆菌等；第75页n直接直接MFC：代谢产生电子可经过细胞膜直接传递：代谢产生电子可经过细胞膜直接传递到电极表面；如地杆菌、腐败希瓦式菌和铁还原到电极表面；如地杆菌、腐败希瓦式菌和铁还原红螺菌等；红螺菌等；大肠杆菌大肠杆菌变形杆菌变形杆菌梭状芽孢杆菌梭状芽孢杆菌第76页n组成成份原料原料标注标注阳极阳极石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳必需必需阴极阴极石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳必需必需阳极室阳极室玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃必需必需阴极室阴极室玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃非必需非必需质子交换膜质子交换膜质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸必需必