酶工程精品PPT课件

工业生物技术 （生物催化）
动力学 反应工程 反应器设计
采矿
药物 食品、营养 动物饲料 植物保护 造纸和纸浆 化学品
以生物催化法合成的主要产 品
产品名称
产量
丙烯酰胺
10万吨/年
聚乳酸
1.3万吨/年
阿斯巴甜
2万吨/年
生物柴油与汽油
1000万吨/年
抗菌素中间体6－APA
0.9万吨/年
趋势判断和需求分析
开发生物催化剂：催化性能更好、更快，成本更低 开发生物催化剂工具合：催化反应更广泛，功能更多
样 改善性能: 稳定性, 活性，溶剂兼容性 开发分子模型: 新酶的快速重新设计 创造新技术: 用于新生物催化剂的开发
生物催化剂工程技术瓶颈
对生物催化剂作用机理缺乏深入的认识 对次级代谢产物代谢途径（包括途径间相互关系）缺
新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生
生物技术的具体应用
生物技术
医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术 环境生物技术 材料生物技术
。 。 。 。
生物技术产业化的三个浪潮
医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术
医药生物技术产业
1982年重组人胰岛素上市 至2000年已有基于48种重组蛋白的117种基因工程
乏理解 细胞工程化的方法十分有限（即代谢工程） 生产酶和辅因子的成本过高
当前生物催化的研究热点
新酶或已有酶的新功能的开发 根据已有底物开发新的酶反应 利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能 利用重组DNA技术大规模生产生物催化剂 利用有机溶剂或共溶剂开发新的反应体系 体内或体外合成的多酶体系 克服底物和产物抑制 精细化工品或医药合成技术的放大 辅因子再生 生物催化剂的修饰
生物催化剂的固定化
第二节 研究内容
一．概念； 二．酶学研究简史； 三．研究内容；
一． 概念
酶工程（ Enzyme Engineering） 从应用目的出发研究酶，在一定的生物反应装置中利
用酶的催化性质，将相应原料转化成有用的物质。是 酶学和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学， 是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而 产生的边缘科学。 酶的生产、改性与应用的技术过程称为酶工程
2002年全球转基因植物种植面积达5870万公顷，16 个国家600万农民以种植转基因作物为主
预计到2020年全球转基因作物的种植面积将超过天然 作物
工业生物技术产业
能源生物技术 环保生物技术 生物材料：聚交酯、聚乳酸、生物钢 提升传统产业：化学工业、制药工业、发酵工
业 “美国21世纪发展规划”中预测到2020年生
Enzyme Engineering 酶工程
第一章 绪论
第一节 生物催化 第二节 酶工程的研究内容 第三节 国内外酶制剂工业概况 第四节 工作中应注意的事项
第一节 生物催化
生物学
生物
生物
化学 生物 工程
技术
化学
化学 工程
工程学
生物催化是随着生物科 学与生物技术研究的迅 速发展而发展的，特别 是酶学研究和酶工程的 迅速发展，以及有机化 学、生物化学、微生物 学的基本原理与化学工 程的有机结合和相互渗 透，从而发展而成的一 门新的边缘技术科学。
利用酶或有机体（细胞或细胞器等）作 为催化剂实现化学转化的过程。
生物催化是利用生物催化剂（主要是酶或微生物）来改 变（通常是加快）化学反应速度的作用，有时也称为 生物转化。
生物转化（Biotransformation)
生物催化相关学科和应用领域
医用诊断分析
微生物学 分子生物学 酶学
生物化学 有机化学 过程化学
药物上市，销售额达300亿美元，占药品市场的9%。 预计至2010年生物技术药物销售额将达1500亿美
元，占药品市场的25%。 组织工程、基因治疗、分子和生物指纹诊断等生
长点将形成新兴产业。 医药生物技术产业仍将是先导和主流。
农业生物技术产业
1993年转基因西红柿上市
1996年转基因大豆、玉米上市
生物催化的类型与方式
项目 类型
方式
含酶整细胞
生长细胞 休止细胞 冻干细胞 处理或修饰细胞 游离细胞 微胶囊，微乳状液 固定化细胞
分离纯化酶
细胞萃取液 纯酶制剂
处理或修饰酶 多酶系统 游离状态
微胶囊，微乳状液 固定化酶
催化反应相
水溶液 含有有机溶剂的水溶液 水—有机溶剂的双相系统
有机溶液
水溶液 含有有机溶剂的水溶液 水—有机溶剂的双相系统
➢ 生物催化剂在精细化学品市场中呈现强劲的增长势头。
➢ 到2020年，通过生物催化技术，将实现化学工业的 原料消耗、水资源消耗、能量消耗降低30%，污染物 的排放和污染扩散减少30%。
趋势判断和需求分析
目前生物催化技术已成为各公司争夺的目标并且已成 为一些公司谋求发展和提升地位的工具 。
Degussa、DSM、Roche、BASF、Dow、Lonza等许 多跨国公司都在积极采取措施，扩大他们在生物催化 领域里的生产能力。
工业生物技术是生物技术的重要组成部分
工业生物技术发展空间
提升传统产业 生物能源 环境生物技术 生物材料
典型工业生物技术过程
细胞
酶
生物催化剂 （游离或固定化）
空气
检测控 制仪表
除 菌
产品提取纯化
生物反应器
（灭菌）
原材料
底物
营养物 培养基
经加工 原料
机械能 热能
副产品 产品 废物
生物催化（Biocatalysis)
水微溶有机溶液
生物催化研究的主要内容
生物催化剂的来源 生物催化剂的获得是生物催化的根本。 生物催化剂的改造 通过改造使催化剂更适于工业反应条
件。
生物催化反应的过程工程 通过对催化过程中影响机制
及调控方法的研究，实现生物催化加工过程的最优化。
生物催化反应器酶反应器和微生物反应器
生物催化剂工程的目标
生物催化发展的主要推动力
新产品需求 (社会压力)
-健康：医药、检测 -日用品：洗涤用品、乳品、生物可降解塑料
环境 (法律法规压力)
－绿色化学、能源、温室效应
新发现或基础研究 (技术压力）
－基因工程 /定点突变/定向进化、代谢工程、组合化学
得益/成本降低 (商业压力)
-生物ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ离
The Biocatalysis Cycle
物催化技术将使化学工业的原材料单耗、能耗、 水耗、污染排放和污染扩散均下降30%。
工业生物催化是工业生物技术产业的核心技术
工业生物技术
含意：在工业规模的生产过程中使用或部分使用生物 技术来实现产品的制造，这种技术是应用微生物和生 物催化剂来提供产品和服务
核心目标：大规模利用生物体系（如细胞或酶）作为 催化剂实现物质转化