环境生物公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx
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1、第十一章第十一章 生物化工技术生物化工技术第1页第1页第一节第一节 概述概述 1.1 1.1 生物化工简朴简介:生物化工简朴简介: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互相融合新型学科,它以生物起源技术互相融合新型学科,它以生物起源物质为原料,通过生物活性物质为催化物质为原料,通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
2、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构成部分。是生物技术一个主要构成部分。第3页第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不小于当前全球已拥有年销售额不小于1010亿美元生物技术产亿美元生物技术产品数品数1010个。到本世纪末,全球生物化工工业产品销售额可个。到本世纪末,全球生物化工工业产品销售额可达达10001000亿美元。仅美国从事生物技术制品生产公司约亿美元。仅美国从事生物技术制品生产公司约1
3、3001300多家,其中较大生物制药公司有多家,其中较大生物制药公司有225225家,年工业投资达家,年工业投资达350350亿美元。亿美元。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,但是生物化工在化学品制在医药、农业及保健食品领域,但是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用生物法生产,可见法生产化学品如丙烯酰胺等都开始采用生物法生产,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
4、第4页1.3 与老式化学工业相比,生物化工长处:与老式化学工业相比,生物化工长处:(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)生产工艺简朴,可实现连续化操作,可节约能源,)生产工艺简朴,可实现连续化操作,可节约能源,减少环境污染减少环境污染(5 5)可处理老式生产办法和技术中难以处理问题。)可处理老式生产办法和技术中难以处理问题。(6 6)可按照需要利用生物技术手段创造新物种、新产)可按照需要利用生物技术手段创造新物种、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5页第6页第6
5、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页第7页 2.1 生物催化优缺点生物催化优缺点(1 1)长处:长处: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
6、温室气体排放量低长处,并且生少、耗能低以及温室气体排放量低长处,并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,包括化学专一性和立体专一性等,能够有效催化包括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毕反应。手性反应等普通化学催化剂难以完毕反应。第8页第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。
7、生物催化剂开发周期较长。第9页第9页2.2 生物催化剂起源生物催化剂起源第10页第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107-10
8、13107-1013,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,其速度会增长诸多化此反应,其速度会增长诸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
9、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,并且要求键一端为葡萄糖,而另一端能够是任意糖。苷键,并且要求键一端为葡萄糖,而另一端能够是任意糖
10、。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:酶最佳作用条件是常温、常压、中性,酶最佳作用条件是常温、常压、中性,假如条件发生改变,酶催化活性则会减少。假如条件发生改变,酶催化
11、活性则会减少。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页第15页3.1.2 3.1.2 酶构成:酶构成:依据构成:酶分为依据构成:酶分为简朴酶简朴酶和和结合酶结合酶 简朴酶:简朴酶:只由蛋白构成酶,就是简朴酶。只由蛋白构成酶,就是简朴酶。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事事实实上上没没有有本本质质区区别别,只只是是辅辅基基与与酶酶结结合合作作用用力力强强,而而辅辅酶与酶结合力弱,事实上,辅酶只有在参与催化时才与酶结合。酶与酶结合力弱,事实上,辅酶只有在参与催化时才与酶结合
12、。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,尚有其它非蛋白成份。:酶组分中除了蛋白质外,尚有其它非蛋白成份。第16页第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构成酶;:两个或两个以上亚基构成酶;特点:亚基间以非共价键结合,容易在变性剂作用下失活特点:亚基间以非共价键结合,容易在变性剂作用下失活。多酶复合物多酶复
13、合物:由几种酶彼此嵌合形成复合体;:由几种酶彼此嵌合形成复合体;特点:有助于细胞中系列反应连续进行,催化效率高,便于特点:有助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页第
14、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
15、磷酸丙糖异构酶催化下列反应化下列反应甘油醛甘油醛3P 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮第20页第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,借助工程手段将相应原料所含有生物催化功效,借助工程手段将相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。包括酶制剂制备,酶固定化,酶修饰与改造及酶包括酶制剂制备,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页第21页3.2.
16、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页第23页n固定化酶是固定化酶是2020世纪世纪50
17、50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 采采用固定化酶用固定化酶第24页第24页3、固定化酶长处和缺点、固定化酶长处和缺点 长处长处:易于将酶与底物及产物分离,因而产物相对容易提纯;易于将酶与底物及产物分离,因而产物相对容易提纯;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;能够增长产物收率,提升产物质量;能够增长产物收率
18、,提升产物质量;有助于实现管道化、连续化以及自动化操作,易于与各有助于实现管道化、连续化以及自动化操作,易于与各种分离手段联用。种分离手段联用。第25页第25页 缺点:缺点:n但由于固定化酶是通过反应而被结合在载体上,固定但由于固定化酶是通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,这样才干够接触酶而发生反而底物则要求是水溶性,这样才干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胞内酶必须通过酶分离过程胞内酶必须通过酶分离过程第26页第26页4.4.酶固定化办法酶固定化办法交联法交联法胶体包
19、埋法胶体包埋法半透膜包埋法半透膜包埋法离子键结合法离子键结合法共价键结合法共价键结合法热处理法热处理法结合法结合法包埋法包埋法吸附法吸附法第27页第27页固定化酶模式图固定化酶模式图第28页第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办法。表面上而使酶固定化办法。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。长处:操作简朴、条件温和、载体廉价易得、可重复使用。长处:操作简朴、条件温和、载体廉价易得、
20、可重复使用。缺点:结合力不劳、容易脱落。缺点:结合力不劳、容易脱落。第29页第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,使酶固定化办将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中,使酶固定化办法称为包埋法。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办法。体包埋在凝胶微孔内固定化办法。第30页第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
21、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.制备办法:制备办法:酶,酶,水,水,乙二胺乙二胺癸二酰氯癸二酰氯+氯仿氯仿长处:结合力劳、活力回收高、底物专一性不变。长处:结合力劳、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页第31页3 3、结合法、结合法选择适宜载体,使之通过共价键或离子键与酶结合在一选择适宜载体,使之通过共价键或离子键与酶结合在一起固定化办法称为结合法。起固定化办法称为结合法。(1)离子结合法:)离子结合法:通过离子键使酶与载体结合固定化办法。通过离子键使酶与载体结合固
22、定化办法。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页第32页(2)共价结合法:)共价结合法:通过共价键将酶与载体结合固定化办法。通过共价键将酶与载体结合固定化办法。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页第33页载体载体活泼基团活泼基团第34页第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
23、页第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36页第37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结合力弱,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;酶结合力强,非常稳定n偶联条件激烈,易引起酶失活;成本高交联法交联法n可用交联试剂多,技术简易,酶结合力强,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、包埋办法可选余地大,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,不适合用于柱系统,常有扩散限制问
24、题各种酶固定化办法比较各种酶固定化办法比较第38页第38页3.2.2 3.2.2 酶分子修饰及修饰目的酶分子修饰及修饰目的 1 1、酶分子修饰、酶分子修饰 指通过对酶蛋白主链剪接、切割和侧链化学修饰对酶指通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页第39页改变酶特性有两种主要办法:改变酶特性有两种主要办法:1)1)通过度子修饰办法来改变已分离出来天然酶活性。通过度子修饰办法来改变已分离出来天然酶活性。2)2)
25、通过基因工程办法改变编码酶分子基因而达到改通过基因工程办法改变编码酶分子基因而达到改造酶目的。造酶目的。第40页第40页2 2、酶化学修饰目的、酶化学修饰目的(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(针对特异性反应减少生物辨认能力)。)消除抗原性(针对特异性反
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