生物催化剂专业知识省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

v 振 国 光 鸿 组 v第1页生物催化剂v历史：v背景：v第2页v第3页v第4页v生物催化是利用生物催化剂（是酶或微生物）来改变（通常是加速）化学反应速率。v生物催化剂是指生物反指应过程中起催化作用游离或固定化细胞各游离或固定化酶总称。v第5页v第6页特点v一、效率极高。v二、高度专一。v三、条件温和。v四、清洁环境保护。v第7页生物催化剂应用v当前，生物催化工艺对化学工业已产生重大影响，全球酶市场规模约1O亿美元。在传统方面，微生物和酶工艺已被用于生物衍生原料，现在开始扩展到石油衍生材料领域，且手性酶在有机药品合成及柴油微生物脱硫中得到广泛应用，在反应中作歧化剂。在生产小分子药品及中间体时，生物转化和传统化学方法最显著区分就是能非常有效地不对称合成手性化合物。因为生物催化剂是一类以蛋白质为主体催化剂，其催化活性易受温度及pH 影响。伴随温度上升，反应速度加紧，但到达某一温度以上(普通455O)，蛋白质就会变性失活，其反应速度就会急速下降；一样它也只在有限pH 值范围内起反应，故每种酶都有其最正确温度和pH 值。而有些工业生产过程需在一定温度、压力、pH 值或有机溶剂条件下进行，所以要求所用生物催化剂含有较高耐受力，以适应工业化生产需要。当前生物催化技术应用主要局限于有没有适当生物催化剂，应用当代筛选技术可取得理想生物催化剂。v第8页生物催化剂筛选v生物催化剂广泛应用有赖于对大量生物分子有效筛选和检验。不一样菌株和不一样酶催化专一性、活力及稳定性有很大差异，所以相关菌种分离、筛选、选育等工作不可缺乏。在实际工作中，要扩大生物催化剂应用必须处理生物催化中一些经典困难和操作上限制，如温度、pH值、产物抑制、反应速度及处理物料浓度等。要处理这些问题必须以保持催化剂高效选择性和特异性为前提。在生物催化剂筛选中已打破传统方法，当前，将生物诱变技术和高通筛选技术相结合是取得理想生物催化剂有效方法。v第9页生物催化剂起源v当前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物 中提取，多数来自于微生物细胞。除真核生物。和单细胞酵母(如从南极假丝酵母中得到了高效脂肪酶CalB)外，原核微生物是生物催化剂主要起源。因为原核微生物(细菌和古生菌)是地球上出现最早和数量最多生命形态，经历了漫长演变后，许多微生物为适应“恶劣”环境而含有了非常高耐受性，从而可从中得到大量高性能生物催化剂。现在，即使微生物培养也有其不足，如很多生物体用当前技术还无法进行培养，但经过微生物培养来取得生物催化剂仍是最普通和最有效方法。这是因为微生物培养能加速生物体新陈代谢而增加其数量，为以后高通量筛选提供了有利条件。v第10页生物催化剂缺点v生物催化剂本质是酶，即使含有催化效率 高、专一性强和污染少等优点，但在有机溶剂中生物催化剂稳定性和耐受性都很低，易受到有机溶剂破坏，另外它催化活性还受到溶剂pH和反应温度影响。v第11页在有机合成方面应用v生物催化剂应用于取代反应 许多酶都能够用来催化丙氨酸、丝氨酸、半胱氨酸衍生物b一碳上取代反应以及蛋氨酸等化合物r一碳上取代反应。如O一乙酰基丝氨酸在酶作用下，发生b一碳原子上取代反应，得到L二分之一胱氨酸，再如，L二分之一胱氮酸与L一高丝氮酸反应，在酶作用下，r一碳上羟基被取代，生成L一胱硫醚：v第12页在食品工业中应用v在食品工业中能够用来降低粘度、提升抽职效率(或分离效率)、增香、实现生物转化等。在这些应用方面也一样推广着固定酶技术，当前世界上规模最大固定酶工艺就是用固定化葡萄糖异构酶以葡萄糖为原料生产果糖糖浆。详细方法是将葡萄糖异构酶固定在二乙胺乙基纤维素上，异构化条件是温度为20，PH为69。这种固定酶活力可达90，而且假如酶皤性降低可加入新酶使之再生。v第13页v第14页生物催化剂应用于加成与消除反应v一 碳碳双键加成 H-EHogberg及P Berglund等人系统地研究了碳碳双键在酵母粉下加成反应 v第15页v二 碳氧双键加成 醛缩合酶能够催化羟醛缩合反应。在这一类酶中，以果糖一1，6一二磷醛缩酶(FDPA)在有机合成中应用研究最为深入。举例来说，在二羟基丙酮与2一羟基丙醛反应中，以果糖一1，6-二磷醛缩酶催化，得到Furaneolv第16页生物催化剂应用于酯合成及水解反应v一 酯合成 酯合成惯用羧酸和醇作原料，比如Pseudomomasfragi脂肪酶经PEG修饰后能溶于苯中，可在25有效催化萜烯醇香料(香茅醇、香叶醇、金合欢醇、植醇)和短链羧酸(25碳酸)酯化反应，产率80 95”，酶也能够完成单脂肪酸甘油酯合成 以及促进内酯合成 等。另外酯交换反应也是制备酯一个主要方法，当采取此法合成新酯时，也能够用酶作催化剂，以下例所表示v第17页v第18页v二 酯水解反应 因为酯在酸性或碱性条件下水解，都可能引发碳架改变，得到副产物。而酶催化水解反应，条件温和，不会影响碳架结构，所以酯水解反应用酶来催化显得尤为主要。比如在酸性或碱性条件下水解环丙酵乙酸酯，都会发生开环反应，生成丙醛和一个羟醛缩合产物，而用猪肝酯酶作催化剂，在pH为75条件下水解才得到环丙醇v第19页生物催化剂应用于酰胺合成及水解反应v一 酰胺和肽合成 酶催化反应在青霉索和头孢菌素酰胺键生成中，起着极为主要作用。比如在酶作用下，7一氨基去乙酰氧基头孢菌素酸(7一ADAc)和D一苯基甘氮酸能够转变为头孢菌素。v第20页 当底物分子含有各种不一样反应能力官能团时，若想得到单一目标产物选取酶作催化剂是最正确，比如天冬门酰胺合成v第21页生物催化剂应用于氧化和还原反应v 一 氧化反应 酶催化氧化反应包含醇氧化、醛氧化以及酮氧化成酯反应。如伯醇与仲醇氧化普通采取醇脱氢酶，马肝脱氢酶(HLAD)就是其中之一；新型 环糊精衍生物催化糠醛制糠酸；环己酮氧化成环己内酯；酶还能够用来催化脱氢氧化反应，CHCH键脱氢反应，用微生物细胞将烯烃转变为环氧化物，氨基酸氧化反应，氮、硫、硒等原子氧化反应等。v第22页v二 醛和酮还原反应 除甲醛之外，全部醛都是潜手性。所以在酶催化下，醛还原得到a-碳为手性伯醇。比如 a一甲基苯丙醛在酵母粉作用下可还原成伯醇酮生物催化还原也是一类主要反应，而且还原产物通常含有光学活性。比如：v第23页在食品工业中应用v在食品工业中能够用来降低粘度、提升抽职效率(或分离效率)、增香、实现生物转化等。在这些应用方面也一样推广着固定酶技术，当前世界上规模最大固定酶工艺就是用固定化葡萄糖异构酶以葡萄糖为原料生产果糖糖浆。详细方法是将葡萄糖异构酶固定在二乙胺乙基纤维素上，异构化条件是温度为20，PH为69。这种固定酶活力可达90，而且假如酶皤性降低可加入新酶使之再生。v第24页v第25页在医学方面应用v生物摧化剂在医学方面应用已引出人玉细胞、人工器官等新概念。如利用微囊化技术，将酶等生物大分子固定在0.2-3um半透膜内，形成人工细胞。因为薄膜隔离，囊内酶分子不与囊外免 球蛋白接触，也不受水解酶破坏，这么制成含有一个酶人工细胞就是第一代人工细胞。利用这种脲酶微囊即脲酶人工细胞能够转化动物血中尿为氨，再用固定化吸附剂除去氨，这就是最简单人工肾。用上述徽囊法制成韵含有多酶系统微囊即是第二代人-工细胞，者把脲酶、谷氨陵脱氢酶、醇转氨酶等共同固定在微囊内，那么尿素和氨代谢就能够在这种微囊作用下周而复始地运转。这种人工肾就更进了一步 另外据报导用微囊化胰岛细胞植入诱发糖尿病大鼠体内能够控制血糖水平治疗糖尿病，机体排斥反应能够防止。v第26页市场现实状况v当前，用在精细化学品生产上生物催化荆市场不超出2 0002 500万美元，仅为藕制荆总市场5(见表1)。v第27页 生物催化剂市场很大部分是垄断或半垄断。这些催化剂常被提供给某个独家用户。倒如，意大利Do Bi-Sclavo企业就专为该国Recordati企业生产能拆分DL一对羟苯基甘氨酸乙内酰脲酶系统。相对于酶制刺工业其它部分，生物催化剂产品销售极为零碎，几乎还没有某种生物催化剂产品市场超出10O万美元。只有B-内酰胺酶类(如青霉素或头孢菌素酰胺酶)是个突出倒外，其市场约为8 OOl 000万美元，占生物催化剂市场5O。v第28页前景v 近年来，生物催化剂在精细化学品市场中显现强大增加率。预计用于精细化学工业和制药工业生物催化剂在1亿美元到13亿美元，预计年增加率达8-9。已工业化酶法合成有类固醇及甾醇合成、生物碱合成、有机酸类合成、糖转化、药用多肽及蛋白质合成、氨基酸类合成、核苷酸类合成。v世界经合组织(OECD)认为“生物催化技术是工业可连续发展最有希望技术”，它高速发展将带来技术上创新，也将推进生产力高速发展。v在过去十年中，因为开发了现在广泛使用必要分子生物科技工具和高通量筛选技术，生物催化剂已经取得了很大重视。因为上述特点，生物催化剂将会受到业界生产商深入青睐。到年，生物技术在全球精细化学工业份额将会由当前15%跃升至年6O，增加速度十分惊人，而且实现可能性很大。生物技术在有机精细化学工业合成领域份额将会快速增加，并将完全取代传统合成生产工艺在该领域使用。生物催化剂酶技术应用不但仅局限于合成手性分子，而且还可用于生产手性聚合物，尤其是在化装品工业和食品工业应用前景更为光明。v第29页v结语与展望v 因为生物催化剂具有催化效率高、专一性强和污染少等特点，生物催化已经和化学方法一样，被大量应用于药品研究开发。但生物催化剂热稳定性差、易受pH影响和有机溶剂耐受性差等缺点，限制了生物催化剂用于大规模工业化生产。不过随着新生物技术如定向进化出现，利用生物技术对生物催化剂进行改造优化已成为现实。相信在很快将来，生物催化定能在制药工业中发挥更大作用，给人类健康事业作出新贡献。正如20世纪中期石油化工飞速发展改变了人们生产、生活方式一样，尘物催化广泛应用，将会给人们提供性能更佳材料和能源 以可再生生物原料为基础生物生产过程，将逐步取代化石原料生产过程，成为二十一世纪化工生产主体，从而实现绿色化工、绿色生产目标。v第30页v第31页