2009-1生物催化及其应用前景

生物催化技术已成为发达国家 的重要科技与产业发展战略
◆ 美国政府：新的生物催化剂是21世纪可 持续发展的化学加工业的必需工具。 —到2020年，通过生物催化技术，降低 化学加工业的原料消耗、水资源消耗、 能量消耗降低各30％，减少污染物的排 放和污染扩散30％。 —美国能源部斥资1亿美元进行微生物 体系的基础研究(2002年末）。 ◆ 世界经合组织（OECD）：生物催化技术是工业可持续发展 最有希望的技术
DL － phenylglycine
L-氨基酸
D( － )phenylglycine salt
DL － phenylglycinamide
D( － )isomer
混 酐 和
protected ADCA cephalexin
unprotected ADCA cephalexin
催化过程和菌体生长耦联型
生物技术的第一次浪潮
近二十年来 ,医药生物工程产业取得了令人瞩 目的成就。 目前全世界已有的1400多家从事医药生物产 品生物技术公司 医药生物产品的销售额已达660亿美元 ,约占 整个医药产品销售额的10%。 在销售额超过20亿美元的4种药品中,有2种为 生物技术产品 其中美国生产的促红细胞生长素 (EPO)名列 第一 ,达30亿美元。被授予美国总统勋章
HO
HO
12
1 1
11
2
2
O
O
合成氢化可的松——生物催化
1952年
美国Upjohn药厂发现由黑根菌能使孕 酮1步转化为11α－羟基孕酮，从而开发了通过 弗氏链霉菌将Reichsteins化合物S一步发酵转 化成氢化可的松。 经过数次改进后，转化率可达80～90％
CH3
C O
HO 11
CH3
定了基础；开始二十世纪的“材料革命”; 尼龙首先由杜邦公司的W.H.Carothers研制 成功，1931年申请专利; 1939年，杜邦公司开始生产尼龙66; 40年代：杜邦的尼龙、氯丁橡胶和其它许多 产品在二战中大显身手; 现在尼龙系列的产品广泛的应用到我们生活 当中，关于尼龙改性的研究也不断进展;
催化过程和菌体生长耦联型
——1，3-丙二醇
葡萄糖
基因工程菌
酶
甘油
酶
还原当量
酶
1,3-PD
能量
副产物
五、生物可降解材料的研究
什么是生物可降解的材料？
可以被生物消化，变成无害的小分子，最好是二
氧化碳和水的材料; 这类材料通常是由生物合成的高分子，所以能够 被生物消化： –蛋白质 –多糖 –纤维素 –聚羟基脂肪酸酯（PHA）（微生物合成） 若作为包装材料，还必须能进行加工成型，特别 是热加工成型;（只有PHA能满足要求）
2) 二氧化碳排放量减 少1.5 kg/kg 3) 废弃物减少
物医药的产值。
四、生物催化的发展现状
生物催化的发展概况
现在确认的酶有3000多种，随基因组学和蛋
白组学的发展会更多; 研究的领域：精细化工（包括医药）、石油 化工、环境工程、日用化工等学科; 生物公司 1400家; 投资市场 970亿，其中用于R&D 90亿; 产品 ：90多种基因药物和疫苗，2000多万 人因此受益;
第一讲
生物催化及其应用前景
一、背景回顾
20世纪的一百年是人类历史上生产力飞速
发展的一百年; 钢铁、化工、电子技术： 衣食住行 一种新技术的发明及其广泛的应用，会带 动生产力的发展，带动一个行业的进步; 随着人类认识世界维度和广度的增加，科 技会发展更快;
尼龙
1802年：杜邦公司成立; 1927年：进行基础研究计划。为许多产品奠
可降解塑料国外发展现状
– 近年来国外各类降解塑料有了不同程度的进展， 光降解技术较为成熟，而生物降解塑料的研究 开发最为活跃; – 当前全世界完全生物降解塑料年产量约3万吨， 到2001年，美国、西欧、日本的生物降解塑料 产量将由1996年的1.4万吨增加到7万吨; – 1996-2001年生物降解塑料平均增长率为35%， 其中美国的产量和消费量占50%以上、西欧占 1/3;
生物技术的第二次浪潮
1983年转基因植物问世 ,1986年被批准进入田间试验 ,



根据美国农业部动植物检疫局 (APHIS)的数据 ,截止 1997年 1月 31日 ,美国已批准的转基因植物田间试验 达 2500多例; 转基因植物进入市场：如抗除草剂的大豆，抗病毒病 的甜椒，抗腐能力强、耐贮性高的番茄; 我国实施的“水稻基因组计划”采用离子束介导法将 外源基因转入水稻成功; 应用细胞工程技术建立了一系列快速高效的动植物育 种新方法; 据预计 ,21世纪农业生产品种的90%将通过生物技术改 良 ,生物技术对农业生产技术总贡献率会高于70%;
化学工业面临的挑战
石油资源枯竭
世界性的能源危机:我国每年1/3依赖进口; 污染问题严重 以破坏环境为代价发展经济不是长远之计; 寻找新的经济生长点
生物技术的发展
自20世纪 70年代初 ,以 DNA重组技术、淋巴
细胞杂交瘤技术和细胞的大规模培养技术的发 明和应用为标志的现代生物技术发展起来; 包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程 等四大体系; 生物技术诱人天地： 逐步揭示生命的奥秘 促进人类健康和长寿 利用生物技术进行生产
严重的白色污染问题已
——生物可降解塑料
引起全世界的关注，许 多国家正在开发可生物 降解的塑料来取代由石 油产物合成的塑料，用 微生物合成的各种聚羟 基烷酸酯（polyhydroxy alkanoate，PHA）就是 其中之一。它具有目前 使用的塑料的各种物理 特征，同时具有生物降 解性，是名副其实的生 物塑料。
生物技术第三次浪潮
生物医药
1980’s-
转基因植物
1990’s-
生物催化
2000’s-
Current Opinion in Microbiology 2, 241-245 (1999)
生物技术
医药 生物 技术 农业 生物 技术
工业 生物 技术
三足鼎立
推动
人类基因组及相关技术
推动
医药生物技术
动植物基因组及相关技术
再生生物能源取代不可再生化石能源;
◆以清洁高效的生物加工方式取代低效污 染的传统物质加工方式，以精细产品取 代大量粗加工产品;
二、化工和生物技术的发展历程
20世纪化学工业发展
经过数百年的高速发展，化学工业仍然是国民经济
的基础支柱行业之一。 以美国为例，美国是当今世界上最发达的国家，也 是最大的化学品生产国，其化学工业乃是国民经济 三大支柱产业之一。如下图 同时，化学工业也是美国经济民用部门中贸易顺差 最大的行业（1995年为204亿美元）。
——丙烯酰胺
水分子
腈水合酶
催化过程和菌体生长非耦联型
——丙烯酰胺
工业生物催化剂应用最为成功的例子之一;
1985年起 ,日本首次采用微生物法商业化
生产丙烯酰胺 ,现在已经广泛的应用;
生物法生产在转化率、ห้องสมุดไป่ตู้本、劳动条件、
环境保护上都远远优于化学法;
丙烯酰胺生产
丙烯腈单耗 产品纯度
铜系催化水合法 ~0.8 ~95%
生物技术的第一次浪潮
现代生物技术于20世纪70年代异军突起 ,在医
学基础和医学应用研究中取得了重大突破; 由此率先在西方工业发达国家形成了生物医药 工程产业; 生物医药技术的重点是应用基因工程技术 , 从 生物细胞内获得所需基因 ,将其进行剪切、拼 接、重组 ,并转入受体细胞 ,从而生产具有生 理活性的蛋白质、多肽、酶、疫苗、细胞生长 因子及单克隆抗体等 ,产品主要用作疾病治疗 剂、疾病诊断剂和预防用药物;
我国可持续发展面临严重挑战 ◆我国已成为世界第一资源加工消费大国
和第二能源耗用大国; ◆ 我国能源进口依赖性很大。2002年我国 进口原油6941万吨，预测2010年将在1亿 吨以上; ◆资源问题和能源问题已经严重影响我国 经济安全和国家安全;
可持续发展的两个方面： ◆以可再生生物资源取代化石资源，以可
生物催化法 0.75 >98% 副产物极少（少量 丙烯酸和丙烯醛） 99.9% 低
20-24 低（比铜催化节约 50%）
副产物、杂质及 产品中有较多催化 废物 剂铜离子，基本无 三废 丙烯腈转化率 83-87% 生产成本 高
反应温度（℃） 能耗 70-120 高
催化过程和菌体生长非耦联型
葡萄糖在转变为葡萄
生物催化的特点
高效性和选择性
易于催化得到相对较纯的产品，可减少三 废； 位点专一性、化学专一性、立体专一性催 化；
生物催化和化学催化的比较
生物催化剂（酶）
催化底物
不 同
化学催化剂
纯净物、简单的化 合物
催化剂催化单一化 学反应 适用于广泛的温度、 pH和机械强度范围
高分子复杂化合物
多种催化剂同时作用催 化多种耦合在一起的反 应
推动
农业生物技术
微生物基因及相关技术
工业生物技术
目前人类所了解的微生物仅占总数1％，故以微生物应用为主 的工业生物技术的发展潜力非常大，发展空间较大。
三、生物催化技术的特点和前景
生物学和化学本质相通性
生物体基本组成蛋白质、核酸、糖等都是由
分子构成的; 它们之间的作用力是化学键; 生物体内的反应也是化学反应; 生物体内的产品，如酶、细胞器、调节激素 等也都可以看作是结构复杂的化学产品; 生命，是分子运动的结果；从分子水平看， 生物运动的本质也是物理化学变化; 这为生物法生产化学产品提供了可能
C O
11
O
O
孕酮
11α－ 酮 孕
生物催化技术－碳水化合物经济的支柱
化石经济
不可 化石资源 再生
化石经济 竞 争 碳水化合物经济 时间
碳水化合物经济 碳水化合物资源 30$/桶？
根据预测，当原 油价格上升到每 桶30美元时，用 葡萄糖生产乙醇， 脱水生成乙烯就 能与传统的石油 化工路线竞争 。
可再 生
生物催化与生物转化初见端倪
◆ 大宗化学品：丙烯酰胺（10万
吨）、生物汽油与柴油（超过 1000万吨）、聚乳酸（1.3万吨 ）、L－赖氨酸（38万吨）.
◆ 精细化学品： 甜味剂阿斯巴甜
丙烯酰胺生产
生物法代替化学法
（已超过2万吨）、抗菌素中间 体6-APA(9千吨/年)
◆ 美国生物制造的产值已超过生
1) 能耗从化学法的 1.9MJ/kg降低到 0.4MJ/kg
细胞生长
酶的类别
反应区域 典型产品
多为有氧化还原酶参加的多 水解酶、异构酶类、裂合酶 个酶 等 酶需在菌体中实现催化作用 酶可分离，在菌体外仍然有 催化活性
1,3-PD，长链二元酸，青霉 丙烯酰胺，果葡糖浆，手性 素，PHB，天然香料等 药物，添加酶，DL-氨基酸 的拆分，油脂改性等
催化过程和菌体生长非耦联型
背景回顾
蒸汽时代交通
电力石油时代交通
信息生物时代交通
蒸汽时代工厂
电力石油时代工厂
信息生物时代工厂？
人类面临的危机！！
(1）资源危机：化石资源－不可再生资源 (2）能源危机：化石燃料－不可再生能源 (3）环境危机：三废排放－环 境 污 染
生存危机！ 社会危机！
核心还是资源与环境危机
可降解塑料国内发展现状
我国研究开发的降解塑料品种有： • 光降解，光/生物降解 • 光/氧化/生物降解(环境降解) • 光/碳酸钙降解 • 完全生物降解 • 崩坏性生物降解 • 高填充碳酸钙环境友好材料 除完全生物降解塑料外，我国降解塑料研究开发; 进程与世界同步，技术水平与国外先进技术接近或相当;
——葡萄糖异构酶
α-淀粉酶
糖-6-磷酸酯后，经异 淀粉糖液 构酶的作用可转变为 果糖-6-磷酸酯; 利用α-淀粉酶、葡萄 葡萄糖糖化酶 糖糖化酶、葡萄糖异 构酶直接从淀粉糖液 生产果葡糖浆 ; 1998年其产量已经达 到2.3亿吨 ; 果葡糖浆
葡萄糖异构酶
催化过程和菌体生长非耦联型
半生物法合成头孢菌素 手性医药中间体 D-氨基酸
反应模式 适用范围
催化温和条件下反应
相 同
本质
动力学
降低反应所需的活化能
可以用活化络合物理论来解释
合成氢化可的松——化学催化
1949年发现肾上腺皮质激素可的松(Cortisone)
对治疗风湿性关节炎有显著疗效 化学法合成：576g脱氧胆酸 938mg醋酸可的松 其中把C12的氧转移到C11，就需要10步
生物催化的两种类型
催化过程和菌 体生长耦联型
催化过程和菌体 生长非耦联型
两种类型的区别和联系
生长耦联型
反应过程 能量
非生长耦联型
多级反应，底物通过多个反 单级反应，底物通过简单反 应得到产物 应得到产物 需要生物体供能，如一些氧 不需要生物体供给能量 化还原酶系的反应，需要体 内提供NADH2等供体， 需要细胞生长 无细胞生长