生物催化剂

课程名称：工业催化剂

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生物催化剂

摘要近年来生物催化剂的发展，生物催化剂的制备及催化过程和生物催化剂的种类是近年来人们研究的重点方面之一，下面我们通过这些方面来了解生物催化剂，从而来展望一下生物催化剂未来的前景。

关键词生物催化剂

一．定义

1.广义是指由生物产生用于自身新陈代谢，维持其生物的各种活动。

2.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）化学反应的速率。

3.生物催化剂是指生物反指应过程中起催化作用的游离或固定化细胞各游离或固定化酶的总称。

4.工业用生物催化剂是游离或固定化的酶或活细胞的总称。它包括从生物体，主要是微生物细胞中提取出的游离酶或经固定化技术加工后的，以上统称为；也包括统称为的游离的、以整体微生物为主的活细胞及固定化活细胞。酶催化剂用于催化某一类反应或某一类反应物（在酶反应中常称为底物或基质），其过程则称为；而以整个微生物用于系列的串联反应的过程称为。死的细胞或干细胞制剂也具有催化作用，但其细胞已无新陈代谢能力，往往不能进行辅酶或辅基（酶的组成部分）的再生，只能进行简单的酶反应，属于一种不纯的酶催化剂。

5.酶是生物催化剂，是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的有机物(绝大多数的蛋白质。但少量RNA也具有生物催化功能)，旧称酵素。生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行。酶的催化作用同样具有选择性。例如，淀粉。酶催化淀粉水解为糊精和麦芽糖，蛋白酶催化蛋白质水解成肽等。活的生物体利用它们来加速体内的化学反应。如果没有酶，生物体内的许多化学反应就会进行得很慢，难以维持生命。大约在37℃的温度中(人体的温度)，酶的工作状态是最佳的。如果温度高于50℃或60℃，酶就会被破坏掉而不能再发生作用。因此，利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂，在低温下使用最有效。酶在生理学、医学、农业、工业等方面，都有重大意义。目前，酶制剂的应用日益广泛。

二．生物催化剂的特点

1．效率极高。2.高度专一。3.条件温和。4.清洁环保。

三．生物催化剂的来源

目前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取的，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的主要来源。由于原核微生物(细菌和古生菌)是地球上出现最早和数量最多的生命形态，经历了漫长的演变后，许多微生物为适应“恶劣”环境而具有了非常高的耐受性，从而可从中得到大量高性能的生物催化剂。现在，虽然微生物培养也有其局限性，如很多生物体用当前技术还无法进行培养，但通过微生物培养来获得生物催化剂仍是最普通和最有效的方法。这是因为微生物培养能加速生物体的新陈代谢而增加其数量，为以后的高通量筛选提供了有利条件。

四．生物催化剂的筛选

生物催化剂的广泛应用有赖于对大量生物分子的有效筛选和检验。不同菌株和不同酶的催化专一性、活力及稳定性有很大差异，因此有关菌种分离、筛选、选育等工作不可缺少。在实际工作中，要扩大生物催化剂的应用必须解决生物催化中的一些典型困难和操作上的限制，如温度、pH值、产物抑制、反应速度及处理的物料浓度等。要解决这些问题必须以保持催化剂的高效选择性和特异性为前提。在生物催化剂的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获得理想生物催化剂的有效方法。五．生物催化剂的优缺点

催化剂可分为生物催化剂和与非生物催化剂

与非生物催化剂相比，生物催化剂具有很大的优势，能在常温常压下反应，反应速率快，催化作用专一，价格较低等优点，但缺点是易受热、受某些化学物质及杂菌的破坏而失活，稳定性较差，反应时的温度和pH范围要求较高。用作固定化酶或固定化细胞时，使用寿命一般应不少于30批或连续使用3个月，否则经济上很难过关。

六．生物催化剂的应用

目前，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10亿美元。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。在生产小分子的药物及中间体时，生物转化和传统的化学方法最显著的区别就是能非常有效地不对称合成手性化合物。由于生物催化剂是一类以蛋白质为主体的催化剂，其催化活性易受温度及pH 的影响。随着温度的上升，反应速度加快，但达到某一温度以上(一般45～50℃)，蛋白质就会变性失活，其反应速度就会急速下降；同样它也只在有限的pH 值范围内起反应，故每种酶都有其最佳温度和pH 值。而有些工业生产过程需在一定的温度、压力、pH 值或有机溶剂条件下进行，因此要求所用生物催化剂具有较高的耐受力，以适应工业化生产需要。目前生物催化技术的应用主要局限于有无合适的生物催化剂，应用现代筛选技术可获得理想的生物催化剂。

1．在有机合成方面的应用

生物催化剂应用于取代反应。许多酶都可以用来催化丙氨酸、丝氨酸、半胱氨酸衍生物b一碳上的取代反应以及蛋氨酸等化合物r一碳上的取代反应。如O一乙酰基丝氨酸在酶的作用下，发生b一碳原子上的取代反应，得到L一半胱氨酸，再如，L一半胱氮酸与L一高丝氮酸反应，在酶的作用下，r一碳上的羟基被取代，生成L一胱硫醚：

2.在食品工业中的应用

在食品工业中可以用来降低粘度、提高抽职效率(或分离效率)、增香、实现生物转化等。在这些应用方面也同样推广着固定酶技术，目前世界上规模最大的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。具体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6—9。这种固定酶的活力可达90％，并且如果酶的皤性降低可加入新酶使之再生。

3.在医学中的应用

生物摧化剂在医学方面的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的半透膜内，形成人工细胞。由于薄膜的隔离，囊内的酶分子不与囊外的免球蛋白接触，也不受水解酶的破坏，这样制成的含有一种酶的人工细胞就是第一代人工细胞。利用这种脲酶微囊即脲酶的人工细胞可以转化动物血中的尿为氨，再用固定化的吸附剂除去氨，这就是最简单的人工肾。用上述徽囊法制成韵含有多酶系统的微囊即是第二代人-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，那么尿素和氨的代谢就可以在这种微囊的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的胰岛细胞植入诱发糖尿病的大鼠体内可以控制血糖水平治疗糖尿病，机体的排斥反应可以避免。七．市场现状

目前，用在精细化学品生产上的生物催化荆市场不超过2 000~2 500万美元，仅为藕制荆总市场的5％。生物催化剂市场的很大部分是垄断或半垄断的。这些催化剂常被提供给某个独家用户。倒如，意大利的Do Bi-Sclavo 公司就专为该国的Recordati公司生产能拆分D／L一对羟苯基甘氨酸的乙内酰脲酶系统。相对于酶制刺工业的其它部分，生物催化剂产品的销售极为零散，几乎还没有某种生物催化剂产品的市场超过100万美元的。只有B-内酰胺酶类(如青霉素或头孢菌素酰胺酶)是个突出的倒外，其市场约为800～l 000万美元，占生物催化剂市场的50% 。

八．前景

近年来，生物催化剂在精细化学品市场中显现强大的增长率。预计2008年用于精细化学工业和制药工业的生物催化剂在1亿美元到1．3亿美元，预计年增长率达8-9％。已工业化的酶法合成有类固醇及甾醇合成、生物碱合成、有机酸类合成、糖的转化、药用多肽及蛋白质的合成、氨基酸类合成、核苷酸类合成。世界经合组织(OECD)认为“生物催化技术是工业可持续发展最有希望的技术”，它的高速发展将带来技术上的创新，也将推动生产力的高速发展。在过去的十年中，由于开发了现在广泛使用的必要的分子生物科技工具和高通量筛选技术，生物催化剂已经获得了很大的重视。由于上述特点，生物催化剂将会受到业界生产商的进一步青睐。到2010年，生物技术在全球精细化学工业的份额将会由目前的15%跃升至2010年的60％，增长速度十分惊人，而且实现的可能性很大。生物技术在有机精细化学工业合成领域的份额将会快速增长，并将完全取代传统合成生产工艺在该领域的使用。生物催化剂酶技术的应用不仅仅局限于合成手性分子，而且还可用于生产手性聚合物，尤其是在化妆品工业和食品工业的应用前景更为光明。

九．结语与展望

由于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，被大量应用于药物的研究开发。但生物催化剂的热稳定性差、易受pH的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的工业化生产。不过随着新的生物技术如定向进化的出现，利用生物技术对生物催化剂进行改造优化已成为现实。相信在不久的将来，生物催化定能在制药工业中发挥更大的作用，给人类的健康事业作出新的贡献。正如20世纪中期石油化工的飞速发展改变了人们的生产、生活方式一样，尘物催化的广泛应用，将会给人们提供性能更佳的材料和能源以可再生的生物原料为基础的生物生产过程，将逐步取代化石原料生产过程，成为21世纪化工生产的主体，从而实现绿色化工、绿色生产的目标。