生物體化學品與生化酶課件

1、生物體化學品與生化酶知識回顧1985年將精細化學品分為35類，1990年擴大為36類。分別是：醫(yī)藥、農(nóng)藥、合成染料、有機顏料、涂料、粘合劑、香料、化妝品、表面活性劑、肥皂、洗滌劑、印刷油墨、有機橡膠助劑、照相感光材料、催化劑、試劑、高分子絮凝劑、石油添加劑、食品添加劑、獸藥、飼料添加劑、紙及紙漿用化學品、塑料添加劑、金屬表面處理劑、芳香消臭劑、汽車用化學品、殺菌防霉劑、脂肪酸、稀土化學品、精密陶瓷、功能性高分子、生化制品、酶、增塑劑、穩(wěn)定劑、混凝土外加劑、健康食品、有機電子材料等。精細化工的發(fā)展，為生物技術(shù)、信息技術(shù)、新材料、新能源技術(shù)、環(huán)保等高新技術(shù)的發(fā)展提供了保證。 精細化工的發(fā)展趨勢 當

2、前要優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù) (1)新催化技術(shù) (2)新分離技術(shù) (3)增效復配技術(shù) (4)氣霧劑(CFC)無污染替代技術(shù) (5)生物技術(shù) (酶，制漿）生物化工產(chǎn)品主要是以動物、植物、微生物為原料，采用生物化學工程、物理、化學的方法加工而成的產(chǎn)品。它廣泛應用在醫(yī)藥、食品、飼料、基本有機化工原料、有機酸、生物農(nóng)藥等領域。發(fā)展現(xiàn)狀 據(jù)統(tǒng)計全球500強中有17家化工企業(yè)，其中前幾位是美國杜邦公司、德國巴斯夫公司、赫斯特公司和拜爾公司，美國的道公司以及瑞士的汽巴嘉基公司等。它們都有百余年的歷史，在20世紀70年代以前都大力發(fā)展石油化工，后來逐漸轉(zhuǎn)向精細化工。 杜邦是世界上最大的化學公司從1980年前后才從石

3、油化工大幅度地轉(zhuǎn)向精細化工，比德國和日本起步晚，但發(fā)展速度卻很快。80年代以來，擴大了專用化學品的生產(chǎn)，主要為農(nóng)藥、醫(yī)藥、特種聚合物、復合材料等精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。該公司的長遠目標為發(fā)展生命科學制品，為保健品、抗癌、抗衰老等藥物和仿生醫(yī)療品。杜邦13個業(yè)務部門。 其中杜邦應用生物技術(shù)部門，即原生物材料部門，由生物燃料、生物材料、生物專項技術(shù)和生物醫(yī)藥業(yè)務組成。2007年杜邦就向其應用生物技術(shù)部門投資重金用于建立新的生物燃料設備和試驗工場，足以見其對生物技術(shù)的重視以及生物技術(shù)在今后的發(fā)展前景。杜邦 生物體化學品與生化酶一、生物技術(shù)二、生物技術(shù)在精細化工中的應用 （生化酶）三、生物產(chǎn)品1、谷氨酸2

4、、肌苷酸3、檸檬酸四、生物技術(shù)發(fā)展前景世界生物化工行業(yè)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代生物化工與精細化工的結(jié)合(1) 維生素(2) 生物農(nóng)藥（3）生物表面活性劑 從20世紀80年代以來，隨著微生物學、生物化學、遺傳學、細胞學和分子生物學以及現(xiàn)代實驗技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展和應用，極大地發(fā)展了生物技術(shù)，在傳統(tǒng)的生物技術(shù)基礎上，形成了基因重組技術(shù)、細胞融合技術(shù)、細胞大量培養(yǎng)技術(shù)和生物反應技術(shù)等具有強大生命力的現(xiàn)代生物工程，并逐步應用于醫(yī)藥、食品、化工、冶金、能源、醫(yī)學、農(nóng)林牧副漁以及環(huán)境保護與監(jiān)測等領域，為人類和社會提供商品與服務。近年來，生物化工在生物技術(shù)中的地位正在上升，生物技術(shù)正在從傳統(tǒng)醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)向生

5、物化工方面轉(zhuǎn)移。采用生物技術(shù)生產(chǎn)精細化工產(chǎn)品是精細化工發(fā)展的重要方向之一。 21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ膬纱螽a(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)和生物技術(shù),信息技術(shù)發(fā)展迅猛，并已滲遠到社會生活的各個角落。有關(guān)信息技術(shù)的報道多媒體、互聯(lián)網(wǎng)、信息全球化等，不斷頻頻亮相于媒體，而且與我們的日常生活息息相關(guān)。而與IT的轟轟烈烈相比，生物技術(shù)看起來卻平平淡談，雖然基因、克隆、人類簽因組計劃、生物多樣性等字眼經(jīng)常見諸報端，但離我們的生活似乎還很遙遠。所以，也有專家這樣評論；20世紀不是生物技術(shù)的世紀，而是生物工程蓄勢待發(fā)的世紀，21世紀才是生物工程的世紀。克隆羊多利的誕生，人類基因組90測序工作的完成，歐美、日本等發(fā)達國家對生物技術(shù)

6、產(chǎn)業(yè)投資的逐年加大，世界各大公司生命科學產(chǎn)業(yè)的合并浪潮一浪高過一浪，所有這一切，都使我們相信，21世紀的的確確是生物技術(shù)的時代?，F(xiàn)代生物技術(shù)是高新技術(shù)領域中最重要的三大技術(shù)之一，是出基因工程、細胞工程、酶工程和發(fā)酵工程四大先進技術(shù)組成的新技術(shù)群?，F(xiàn)代生物技術(shù)的進步將促進醫(yī)藥、農(nóng)牧、漁業(yè)、食品、化學等工業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)的生物化工著眼于生物資源的加工，用發(fā)酵的手段生產(chǎn)許多有用的產(chǎn)品。如味精、酒精、氨基酸等?，F(xiàn)在生物化工技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)藥、食品、基本有機化工原料、生物農(nóng)藥等方面。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，以遺傳工程為基礎、以微生物工程為核心，從分子和細胞水平上，定量地對生物體極其功能進行改造和利用，

7、使維生素、激素、疫苗、生物農(nóng)藥、生物表面活性劑、丙烯酰胺和有機酸等精細化學品達到了新的水平。生物化工產(chǎn)品 生物化工產(chǎn)品是一大類為數(shù)眾多的由各種生物反應過程所獲得的產(chǎn)品。它們的共同特點是以生物來源為主的物料為原料，通過的作用，在生物反應器中形成，并通過的有關(guān)手段將其提取純化。這些產(chǎn)品有的也可以用化學合成法生產(chǎn)，究竟采用化學合成法或生物合成法應從經(jīng)濟技術(shù)的綜合考慮決定；有些產(chǎn)品則僅能通過生物合成法生產(chǎn)或以生物合成更為經(jīng)濟合理，如、淀粉酶、維生素B、干擾素等分子結(jié)構(gòu)復雜的物質(zhì)；有些產(chǎn)品的生產(chǎn)則兼用化學合成和生物合成法，如半合成青霉素、可的松、維生素C等。世界生物化工發(fā)展現(xiàn)狀生物化工發(fā)展至今已經(jīng)歷了半

8、個多世紀。最早主要是生產(chǎn)抗生素；隨后，是為氨基酸發(fā)酵、甾體激素的生物轉(zhuǎn)化、維生素的生物法生產(chǎn)、單細胞蛋白生產(chǎn)及淀粉糖生產(chǎn)等工業(yè)化服務。自20世紀80年代起，隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的興起，生物化工又利用重組微生物、動植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)等手段生產(chǎn)藥用多肽、蛋白、疫苗、干擾素等。生物化工的應用已涉及到人民生活的方方面面，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化工原料生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、環(huán)境保護、資源和能源的開發(fā)等各領域。隨著生物化工上游技術(shù)生物工程技術(shù)的進步以及化學工程、信息技術(shù)和生物信息學等學科技術(shù)的發(fā)展生物化工將迎來又個嶄新的發(fā)展時期。山東龍力科技股份有限公司山東福田藥業(yè)有限公司山東保齡寶生物有些精細化工產(chǎn)品是無法用化學合

9、成法生產(chǎn)的，如美國軍方研究用生物技術(shù)生產(chǎn)一種用于制造降落傘的蠶絲蛋白質(zhì)，其韌性和強度均為其他材料無法比擬二戰(zhàn)，當時 美國對蠶絲 需求量 大 蠶絲 主要供應商 日本和中 國 ，當時中國 受列強 侵略、百業(yè)蕭條 因此日本成為 主要 蠶絲供應商 ，當時美日關(guān)系緊張， 雖然 當時 粘膠纖維很 象蠶絲 ，但是僅光澤與蠶絲相像， 其彈性、纖細等都 不如蠶絲 因此美國致力于蠶絲代替物的 開發(fā)研究 。32歲的才華橫溢的Carothers 1928年被任命杜邦公司的總負責人，他們不注重眼前利益，而是進行一項長時期的研究。他們首先在二醇和二的酸 縮聚反應中進行 由于原料原因放棄 ，1934年合成出了尼龍66 但是

10、工業(yè)化實驗并不太成功，極度痛苦的Carothers承受了巨大的精神負擔和心理壓力，又由于姐姐的去世這種雙重打擊下，得了憂郁癥，1937年自殺了，未能享受成功的快樂，然而杜邦公司在先后十年時間投入了近300多人的研究隊伍，2700多萬美元的經(jīng)費。1937年底杜邦公司成功開發(fā)出了工業(yè)化尼龍，1940年上市后被一搶而空，尤其在二戰(zhàn)其間，被美國軍方收購用于制造降落傘。若他在堅持半年，他就會看到他的成果給世人帶來的巨大利益，也必將是諾貝爾獎金的獲得者小故事蠶絲蛋白 又稱絲素蛋白，是從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，含量約占蠶絲的70%80%，含有18種氨基酸，其中甘氨酸(gly)、丙氨酸(ala)和絲氨

11、酸(ser)約占總組成的80%以上。 絲素本身具有良好的機械性能和理化性質(zhì)，如良好的柔韌性和抗拉伸強度、透氣透濕性、緩釋性等，而且經(jīng)過不同處理可以得到不同的形態(tài)，如纖維、溶液、粉、膜以及凝膠等。 絲素蛋白是一種從蠶絲中提取的蛋白質(zhì)，具有很好的生物相容性，能制備成膜、凝膠、微膠囊等多種形態(tài)的材料，由于它獨特的理化性能，目前絲素蛋白材料在生物醫(yī)學材料領域被廣泛的研究，如固定化酶材料、細胞培養(yǎng)基質(zhì)、藥物緩釋劑、人工器官等等。為了提高絲素蛋白的性能，使其更好地應用于生物材料領域，近年來，國內(nèi)外學者通過不同方法對絲素蛋白進行了化學修飾，取得了一些新的研究成果。絲素蛋白材料改性在提高絲素蛋白材料的力學性能

12、、熱穩(wěn)定性等理化性質(zhì)；改變絲素蛋白材料對藥物的釋放速度；賦予絲素蛋白材料抗血凝性、對細胞生長的調(diào)控性等方面都有顯著的研究。日本的TDA公司最新研究的應用微生物生產(chǎn)新型磁性材料都顯示了生物技術(shù)在精細化工生產(chǎn)中的重要性。預計與生物技術(shù)有關(guān)的產(chǎn)品的最大市場將是由醫(yī)藥品和調(diào)味品(包括酸味劑、甜味劑、鮮味劑等)及染料、香料、色素和農(nóng)藥等組成的精細化工產(chǎn)品領域，這類產(chǎn)品產(chǎn)量低、價格高，其中以人生長激素、人胰島素、干擾素等為代表的產(chǎn)品已捷足先登，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。造紙行業(yè)生物酶脫墨劑采用現(xiàn)代生物科技，優(yōu)選針對性強的多種高效生物酶復配而成，與酶激活專用助劑配合使用，適用于混合辦公廢紙、報紙雜志等的脫墨，并能明

13、顯改善造紙過程中的膠粘物沉積現(xiàn)象。各種專用生物酶分工協(xié)作，作用于纖維表面的細小纖維、油墨、膠粘物中的聯(lián)結(jié)劑及油墨、膠粘顆粒，使纖維與油墨、膠粘物之間結(jié)合力變?nèi)?；直接分解油墨、膠粘物，使其顆粒更細小，并加強其親水性；在機械力及專用助劑作用下使油墨、膠粘物與纖維充分分離，并保持良好的分散性，有效地防止油墨及膠粘物的附聚及對纖維的二次污染；從而在后續(xù)工段中將其除去。脫墨機理1、直接降低脫墨成本，綜合成本優(yōu)勢明顯；2、生物酶脫墨條件溫和，化學品用量少,纖維損失小,保持良好 的纖維特性；3、大幅度降低污水COD和BOD，有利于環(huán)保，減輕污水處理壓力；4、有效處理膠粘物問題，提高紙機效率；5、明顯提高紙漿

14、得率及提高紙張強度 ；6、清潔生產(chǎn)，節(jié)省能源，降低物耗；7、使用簡單,適應現(xiàn)有大多數(shù)脫墨工藝。生物脫墨劑特點：典型的生物產(chǎn)品的生產(chǎn)一、谷氨酸谷氨酸生產(chǎn)工藝 利用淀粉水解糖為原料通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的工藝，是當前國內(nèi)外最成熟、最典型的一種氨基酸生產(chǎn)工藝二、肌苷酸三、檸檬酸檸檬酸在食品工業(yè)中廣泛用于飲料、果汁、果醬和糕點等食品中；在醫(yī)藥工業(yè)中用于制造糖漿或藥品的調(diào)味劑、油膏的緩沖劑和補血劑等;在化學工業(yè)中用作緩沖劑、配合劑和化工原料等。生物化工行業(yè)的發(fā)展趨勢一、工業(yè)結(jié)構(gòu) 行業(yè)與行業(yè)間的劃分將日趨模糊，企業(yè)間的合作將加大。目前許多從事醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等方面生產(chǎn)的企業(yè)，正在從事生物化工生產(chǎn)。

15、特別是某些從事傳統(tǒng)化工行業(yè)的生產(chǎn)廠家也紛紛涉足生物化工領域。如杜邦公司，長期以來主要從事有機化工和聚合材料的生產(chǎn)現(xiàn)在正加大生物化工的開發(fā)力度，已開發(fā)成功了生物法生產(chǎn)1，3丙二醇工藝，并正在開發(fā)用改性大腸桿菌生產(chǎn)己二酸工藝。DsM公司以前主要從事抗菌素方面的生產(chǎn)，現(xiàn)也加大了生物化工的投資力度。 由于生物化工涉及面廣，許多生化公司都有自己的專長，它們之間為了商業(yè)利益的合作也非?；钴S。此外，隨著從事傳統(tǒng)行業(yè)的生產(chǎn)廠家的加入，由于技術(shù)與生產(chǎn)方面的原因，它們與從事止物化工開發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)合作也很頻繁。所有這一切，都使生物化工行業(yè)的合作越來越廣泛。二、產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 生物化工產(chǎn)品正向?qū)I(yè)化、高科技含量、高附加值

16、方向發(fā)展。傳統(tǒng)的低價值產(chǎn)品受到冷落，而高價位產(chǎn)品如生化藥物、保健品、生化催化劑等則備受青睞。許多公司為了追求較高利潤，都將低附加值的產(chǎn)品剝離。例如日本武田藥品工業(yè)公司不再生產(chǎn)味精，轉(zhuǎn)而生產(chǎn)其他高附加值的調(diào)味品，如肌苷酸二鈉和鳥苷酸二鈉。另外，生物化工將涉足它以前很少涉足的領域，如高分于材料和表面活性劑等。 生化藥物由于附加值高而成為今后生物化工領域發(fā)展的重點。 在氨基酸方面雖然用于藥物合成氨基酸的量相對較小，但其發(fā)展?jié)摿艽蟆?碳水化合物方面，用于臨床的碳水化合物受到人們越來越多的關(guān)注。但是，用于臨床的碳水化古物結(jié)構(gòu)復雜，如一對單糖，其不同的化學鍵就多達22種。因此，用化學法合成復雜的碳水化合

17、物比較困難，難以實現(xiàn)工業(yè)化，而用酶法合成則是一條切實可行的途徑。 生化表面活性劑由于具有無毒、生物降解性好等優(yōu)點，今后可能將成為表面活性劑的升級換代產(chǎn)品，但目前還處于探索階段。 生物化工在高分子材料、特殊化學品、生物晶片、環(huán)境保護等方面也將有極大的發(fā)展?jié)摿Α?作為生化催化劑的酶，也將是今后發(fā)展的重點。生化催化劑主要用于手性藥物的合成。當前，手性藥物已成為國際新藥研究與開發(fā)的新方向之一。 在未來的的25年內(nèi)約有一半的手性藥物要通過生化催化合成，因此，生化催化劑無論從需求量還是從需求種類來看，都具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?我國生物化工技術(shù)的研究開發(fā)起步較晚但經(jīng)過改革開放20多年的發(fā)展，目前生物化工產(chǎn)品已

18、涉及醫(yī)藥、保健、農(nóng)藥、食品與飼料、有機酸等各個方面。生物法生產(chǎn)的品種有灑精、丙酮、丁醉、檸檬酸、乳酸、氨基酸、酶制劑、生物農(nóng)藥、果葡糖漿等。對微生物多糖、甘油和單細胞蛋白等的研究也進行了多年，有的已進行試生產(chǎn)。 發(fā)展我國的生物化工產(chǎn)業(yè)，應遵循以傳統(tǒng)改造為主，優(yōu)先安排效益較好的項目；優(yōu)先安排能發(fā)揮化工優(yōu)勢，稍加努力就可突破的項目；優(yōu)先安排生物工程重大技術(shù)關(guān)鍵項目。今后發(fā)展生物化工產(chǎn)業(yè)的主要任務是： 注重對傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的改造，不斷提高發(fā)酵法酒精、總?cè)軇?、有機酸等產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)水平。 大力發(fā)展單細胞蛋白、氨基酸等產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)，開展生物固氮、蛋白質(zhì)工程等現(xiàn)代技術(shù)研究，為改變我國現(xiàn)有食品結(jié)構(gòu)和來來糧食做出貢獻。 大力外展微生物法生產(chǎn)丙烯酰胺及聚B羧基丁酸酯的開發(fā)與生產(chǎn)。 開發(fā)眾多的精細化工產(chǎn)品，如微生物多糖、生物色素、酶制劑、甜味劑、表面活性劑等。 大力發(fā)展生物農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)，促進我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。 大規(guī)模開發(fā)生物化學工程及裝備產(chǎn)業(yè)化。 利用生物化工技術(shù)，治理各種化工污染。 開展冉生資源纖維素等的工程研究為基本有機化工原料開拓新來源，為解決面臨的糧食、能源、原料緊缺等問題做員獻。 習題鞏固1、什么是生物技術(shù)生物技術(shù)是應用生物學、化學和工程學的基本原理，利用生