生物催化劑講課文稿

生物催化劑講課文稿第1頁(yè)/共52頁(yè)

相對(duì)于一般催化劑而言生物催化劑是天然來(lái)源的催化劑，它通常以完整細(xì)胞、游離酶或細(xì)胞壁的形式使用，并且已經(jīng)有上百年的歷史。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，伴隨著生物技術(shù)的巨大進(jìn)步及化學(xué)工業(yè)所面臨的新問(wèn)題，人們認(rèn)識(shí)到這種天然催化劑用于非天然有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化的巨大潛力，因而，作為一個(gè)新興領(lǐng)域受到廣泛重視。生物催化被認(rèn)為是催化技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，一段時(shí)間以來(lái)掀起了淘金熱般的吹捧，預(yù)示著不可估量的發(fā)展前景。第2頁(yè)/共52頁(yè)目錄1.生物催化劑的概述2.生物催化劑的特征3.生物催化劑的作用原理4.生物催化劑的應(yīng)用5.生物催化劑的制備與篩選6.市場(chǎng)現(xiàn)狀及前景7.結(jié)語(yǔ)及展望第3頁(yè)/共52頁(yè)1.1概念生物催化劑是由生物合成的具有催化作用的物質(zhì)總稱。廣義上講應(yīng)包括生物體、細(xì)胞器、酶、抗體酶、模擬酶等。然而，大多情況下生物催化劑主要指酶，它是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化功能的生物大分子。因此：生物催化劑就是指生物反指應(yīng)過(guò)程中起催化作用的游離或固定化細(xì)胞各游離或固定化酶的總稱。酶所催化的化學(xué)反應(yīng)稱為酶促反應(yīng)。在酶促反應(yīng)中被催化的物質(zhì)叫底物；催化所產(chǎn)生的物質(zhì)叫產(chǎn)物。酶的催化能力稱為活力，如果酶喪失催化能力稱為酶失活。酶促反應(yīng)中底物為非天然有機(jī)化合物時(shí)通常將生物催化反應(yīng)稱為生物轉(zhuǎn)化。第4頁(yè)/共52頁(yè)1.2認(rèn)識(shí)過(guò)程

1896年buchner證明酶的存在

1926年sumner證明酶的化學(xué)本質(zhì)屬于蛋白質(zhì)

1944年pouling發(fā)展了酶催化的過(guò)渡態(tài)互補(bǔ)理論

1978年分子生物學(xué)的發(fā)展促使酶的分子設(shè)計(jì)

20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)了由RNA組成的酶酶的分子屬性進(jìn)一步擴(kuò)展。

R酶核糖類酶

P酶蛋白類酶第5頁(yè)/共52頁(yè)1.3來(lái)源目前，少數(shù)生物催化劑是從動(dòng)物肝臟或植物中提取的，多數(shù)來(lái)自于微生物細(xì)胞。除真核生物和單細(xì)胞酵母外，原核微生物是生物催化劑的主要來(lái)源。由于原核微生物(細(xì)菌和古生菌)是地球上出現(xiàn)最早和數(shù)量最多的生命形態(tài)，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演變后，許多微生物為適應(yīng)“惡劣”環(huán)境而具有了非常高的耐受性，從而可從中得到大量高性能的生物催化劑?，F(xiàn)在，雖然微生物培養(yǎng)也有其局限性，如很多生物體用當(dāng)前技術(shù)還無(wú)法進(jìn)行培養(yǎng)，但通過(guò)微生物培養(yǎng)來(lái)獲得生物催化劑仍是最普通和最有效的方法。這是因?yàn)槲⑸锱囵B(yǎng)能加速生物體的新陳代謝而增加其數(shù)量，為以后的高通量篩選提供了有利條件。第6頁(yè)/共52頁(yè)1.4常見(jiàn)生物催化酶的類別（1）水解酶－使底物與水分子發(fā)生水解反應(yīng)（2）氧化還原酶－加速底物氧化或還原（3）轉(zhuǎn)移酶－將官能團(tuán)從一個(gè)底物轉(zhuǎn)到另一個(gè)底物（4）異構(gòu)酶－使底物分子內(nèi)的重排、構(gòu)型改變（5）裂解酶－使底物分子裂解成兩部分（6）連接酶－使兩個(gè)底物分子連接成一個(gè)分子單純酶：由簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)構(gòu)成，如水解酶（淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶等）復(fù)合酶：除蛋白質(zhì)（酶蛋白）外，還有非蛋白質(zhì)部分（輔因子或輔酶），酶蛋白與輔酶結(jié)合在一起才顯示催化活性，分開(kāi)后均無(wú)催化活性，如大多數(shù)氧化還原酶第7頁(yè)/共52頁(yè)2.1專一性酶的最大優(yōu)勢(shì)在于其無(wú)與倫比的選擇性，這種高度的選擇性通常用專一性來(lái)表述，指的是一種酶在一定條件下只能催化一種或一類結(jié)構(gòu)相似的底物進(jìn)行某種類型反應(yīng)的特性。根據(jù)專一性嚴(yán)格程度劃分：（1）絕對(duì)專一性（2）相對(duì)專一性具體表現(xiàn)為：鍵專一性基團(tuán)專一性區(qū)域?qū)Ｒ恍裕?）立體專一性（酶催化的最重要特征）根據(jù)具體情況可分為：對(duì)映體專一性幾何專一性前手性專一性第8頁(yè)/共52頁(yè)2.2優(yōu)勢(shì)除選擇性方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)外，酶催化與化學(xué)催化相比還有以下優(yōu)勢(shì)（1）催化效率高過(guò)氧化氫酶比鐵離子10的10次方一般都要高10的7-13次方酶用量少10-4~10-3％，普通催化劑0.1~1％（2）易于生物降解催化劑本身綠色催化劑（3）作用條件溫和常溫常壓中性條件（4）具有相容性多酶系統(tǒng)（5）對(duì)底物和環(huán)境適應(yīng)性好高度的耐受性第9頁(yè)/共52頁(yè)2.3缺點(diǎn)（1）不穩(wěn)定這是生物催化劑最大的缺點(diǎn)溫度PH界面作用共價(jià)作用（2）對(duì)于特定的反應(yīng)，適應(yīng)的生物催化劑數(shù)量不多理論上幾乎都可以實(shí)際上4000能商業(yè)獲得的就只有百余種（3）發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)的周期太長(zhǎng)

10-20年第10頁(yè)/共52頁(yè)2.4形式雖然生物催化劑作用的本質(zhì)是酶，但其具體應(yīng)用形態(tài)是多種多樣的，常有完整微生物細(xì)胞、粗酶、純酶、固定化酶或微生物等。相應(yīng)的生物催化反應(yīng)亦做一下劃分（1）發(fā)酵（2）前體發(fā)酵（3）生物轉(zhuǎn)化（4）酶作用第11頁(yè)/共52頁(yè)

作為生物催化劑的酶產(chǎn)生于活細(xì)胞的生命過(guò)程，其催化功能與構(gòu)成它的酶蛋白質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在適宜的人工環(huán)境下可以發(fā)揮期望的催化功能。第12頁(yè)/共52頁(yè)

3.1酶的分子結(jié)構(gòu)第13頁(yè)/共52頁(yè)3.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與催化功能酶的分子結(jié)構(gòu)是催化功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，酶蛋白之所以異于非酶蛋白，各種酶之所以有催化活性和專一性，都是出于其分子結(jié)構(gòu)的特殊性。酶蛋白分子上具有與催化有關(guān)的特定區(qū)域，稱之為活性部位或活性中心。酶的活性中心具有特殊空間構(gòu)型，包括兩類基團(tuán)催化基團(tuán)：促使底物發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化，形成產(chǎn)物結(jié)合基團(tuán)：與底物結(jié)合，形成共價(jià)鍵或配位鍵多個(gè)催化基團(tuán)和多個(gè)結(jié)合基團(tuán)協(xié)同作用，決定了酶催化的高活性和專一性構(gòu)成酶活性中心的各活性基團(tuán)在一級(jí)結(jié)構(gòu)中可能相距很遠(yuǎn)，甚至在一條肽鏈上，但由于肽鏈的盤(pán)旋和折疊，使彼此在空間結(jié)構(gòu)上很靠近，從而形成具有特殊空間結(jié)構(gòu)的活性區(qū)域酶蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)一般無(wú)催化活性，只有二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu)才有催化活性第14頁(yè)/共52頁(yè)結(jié)合點(diǎn)的定向效應(yīng)：使底物分子間或底物各基團(tuán)間彼此靠近，形成合適的空間結(jié)構(gòu)基團(tuán)的協(xié)同效應(yīng)：通常各個(gè)基團(tuán)分別發(fā)揮不同的催化作用，進(jìn)行多個(gè)基元反應(yīng)微環(huán)境效應(yīng)：酶的活性中心處在不同的微環(huán)境中，受到微環(huán)境中的電子效應(yīng)和空間效應(yīng)影響中間物的誘導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)酶和底物結(jié)合時(shí)，酶蛋白產(chǎn)生扭曲變形，使底物活化，降低反應(yīng)活化能第15頁(yè)/共52頁(yè)3.3催化作用機(jī)理第16頁(yè)/共52頁(yè)第17頁(yè)/共52頁(yè)第18頁(yè)/共52頁(yè)酶催化的過(guò)渡態(tài)中間物模型酶催化反應(yīng)要經(jīng)歷一系列復(fù)雜過(guò)程：1、酶（E）與底物（S）結(jié)合2、二者互補(bǔ)形成過(guò)渡態(tài)中間物（ES）3、中間物向產(chǎn)物（P）轉(zhuǎn)化4、產(chǎn)物釋放，酶復(fù)原S+E=[ES]→P+E酶與底物過(guò)渡態(tài)中間物互補(bǔ)，控制步驟為中間物ES的分解第19頁(yè)/共52頁(yè)如圖所示第20頁(yè)/共52頁(yè)第21頁(yè)/共52頁(yè)第22頁(yè)/共52頁(yè)4.1生物催化的應(yīng)用主要方向（1）在有機(jī)合成方面的應(yīng)用（2）在食品工業(yè)中的應(yīng)用（3）在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用（4）在高分子合成中的應(yīng)用（5）在綠色化學(xué)和新藥開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用（6）在化工原料生產(chǎn)上的應(yīng)用（7）在石油化工方面的應(yīng)用（8）在染整加工方面的應(yīng)用第23頁(yè)/共52頁(yè)4.2應(yīng)用實(shí)例介紹（1）兩種氧化酶可單獨(dú)或順序作用于D-葡萄糖，可高收益得到三種有用的D-葡萄糖衍生物第24頁(yè)/共52頁(yè)（2）食品用生物酶在食品工業(yè)中可以用來(lái)降低粘度、提高抽職效率(或分離效率)、增香、實(shí)現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化等。在這些應(yīng)用方面也同樣推廣著固定酶技術(shù)，目前世界上規(guī)模最大的固定酶工藝就是用固定化葡萄糖異構(gòu)酶以葡萄糖為原料生產(chǎn)果糖糖漿。具體方法是將葡萄糖異構(gòu)酶固定在二乙胺乙基纖維素上，異構(gòu)化條件是溫度為20℃，PH為6—9。這種固定酶的活力可達(dá)90％，并且如果酶的皤性降低可加入新酶使之再生。第25頁(yè)/共52頁(yè)（3）人工細(xì)胞、人工器官

利用微囊化技術(shù),將酶等生物大分子固定在02一3um的半透膜內(nèi),形成人工細(xì)胞。由于薄膜的隔離,囊內(nèi)的酶分子不與囊外的免疫球蛋白接觸,也不受水解酶的破壞,這樣制成的含有一種酶的人工細(xì)胞就是第一代人工細(xì)胞。利用這種脈酶微囊即脈酶的人工細(xì)胞可以轉(zhuǎn)化動(dòng)物血中的尿?yàn)榘?再用固定化的吸附劑除去氨,這就是最簡(jiǎn)單的人工腎用上述微囊法制成的含有多酶系統(tǒng)的微囊即是第二代人工細(xì)胞,若把脈酶、谷氨酸脫氫酶、醇轉(zhuǎn)氨酶等共同固定在微囊內(nèi),那么尿素和氨的代謝就可以在這種微囊的作用下周而復(fù)始地運(yùn)轉(zhuǎn)這種人工腎就更進(jìn)了一步。另外據(jù)報(bào)導(dǎo)用微囊化的胰島細(xì)胞植入誘發(fā)糖尿病的大鼠體內(nèi)可以控制血糖水平治療糖尿病,機(jī)體的排斥反應(yīng)可以避免第26頁(yè)/共52頁(yè)（4）對(duì)5-甲基-5-芐氧基-羰基-l，3-二氧-2-酮的均聚及其與TMC共聚

Bisht和AL-Azemi對(duì)5-甲基-5-芐氧基-羰基-l，3-二氧-2-酮的均聚及其與TMC共聚的化學(xué)及酶合成條件進(jìn)行了比較，并對(duì)酶及反應(yīng)條件作了優(yōu)化．TMC與5-甲基-5-芐氧基-羰基-1，3-二氧-2-酮共聚，產(chǎn)生具有不同組分的隨機(jī)共聚物．脂肪酶用作催化劑，聚合物產(chǎn)率在任何情況下都很高．第27頁(yè)/共52頁(yè)（5）青霉素?；冈讦?2內(nèi)酰胺類抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用

Β-2內(nèi)酰胺類抗生素主要由6-氨基青霉烷酸(6-APA)或者氨基去乙酰氧基頭孢霉烷酸(7-ADCA)衍生合成。目前世界上6-APA和7-ADCA的年產(chǎn)量分別是8000噸和600噸。但直到最近,這兩種中間體一直由青霉素G通過(guò)化學(xué)脫酰基法制備。在該工藝中,青霉素G的羧基首先需硅烷化以進(jìn)行保護(hù),隨后進(jìn)行選擇性脫羧,最后除去保護(hù)基團(tuán)(以6-APA為例說(shuō)明,R=H或OH)。該方法需要化學(xué)計(jì)量的硅烷化試劑,氯化磷,N,N2二甲基苯胺和大量的二氯甲烷;而且,反應(yīng)在-40℃中進(jìn)行。相比之下,青霉素G?；复呋拿擋；磻?yīng)在室溫水溶液中進(jìn)行,無(wú)須引入保護(hù)和去保護(hù)步驟。而且,通過(guò)反應(yīng)工程的研究和酶固定化,青霉素G酰化酶催化6-APA與氨基酯或氨基酰胺進(jìn)行?；磻?yīng)可合成眾多的半合成β-2內(nèi)酰胺類抗生素,如青霉素,阿莫西林,頭孢克洛,頭孢氨芐和頭孢羥氨等。類似的方法也可應(yīng)用于7-ADCA及其衍生抗生素的合成。第28頁(yè)/共52頁(yè)第29頁(yè)/共52頁(yè)（6）L-賴氨酸的生產(chǎn)氨基酸是食品、藥物、化妝品的重要原料,用化學(xué)方法合成的氨基酸皆為D，L-氨基酸的消旋混合物。作為藥用的氨基酸只有L一異構(gòu)體具有生理活性,為了得到純的異構(gòu)體,就必須對(duì)消旋的混合物進(jìn)行光學(xué)拆分,以前用化學(xué)方法拆分成本高效率低,現(xiàn)在可以用固定酶的方法拆分,將氨基酸混合通過(guò)固定化的酞化氨基酸水解酶柱式反應(yīng)器,可將混合物轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-異構(gòu)體,收率可達(dá)80%L-賴氨酸是一種生物體必須的氨基酸,目前利用固定酶,已可以從合成的化工原料環(huán)已烷開(kāi)始生產(chǎn)L-賴氨酸方法是：首先將環(huán)已烷轉(zhuǎn)化成D.L-a氨基-已內(nèi)酞胺。將L-a氨基-已內(nèi)酞胺水解酶和a-氨基-已內(nèi)酞胺消旋酶以離子鍵方式固定在纖維素上。將這兩種固定酶同時(shí)作用于D，L-a-氨基-已內(nèi)酰胺。L-a-氨基-已內(nèi)酞胺水解成L-賴氨酸,剩下的D-a-氨基-已內(nèi)酸胺又消旋為D,L一消旋體,再水解為賴氨酸,這種方法收率兒乎達(dá)100%第30頁(yè)/共52頁(yè)（7）石油餾分生物脫硫第31頁(yè)/共52頁(yè)（8）印染用生物酶生物酶在紡織工業(yè)中的應(yīng)用，最初是將僅淀粉酶應(yīng)用于棉織物的退漿工藝，后來(lái)發(fā)展到纖維素酶應(yīng)用于牛仔布水洗和生物拋光工藝，如今又發(fā)展到果膠酶的生物精練技術(shù)，雙氧水酶的催化分解技術(shù)，蛋白酶在蠶絲和羊毛纖維上的應(yīng)用等。目前在紡織加工中使用較廣泛的酶制劑主要是纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶、果膠酶、脂肪酶、過(guò)氧化酶、漆酶、葡萄糖氧化酶八類。在紡織品精加工中開(kāi)發(fā)生物酶的新用途，開(kāi)發(fā)低能耗的生物酶凈洗劑，在紡織加工中采用各種生物酶處理以取代粗放式、高能耗、重污染的化學(xué)處理工藝，是國(guó)外助劑行業(yè)和印染加工行業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)各印染廠采用較多的有丹麥諾維信公司和美國(guó)杰能科公司生產(chǎn)的淀粉酶、纖維素酶、雙氧水酶、蛋白酶和堿陛果膠酶等。國(guó)內(nèi)也有不少化工企業(yè)研制開(kāi)發(fā)了部分生物酶品種，如上海永光化工貿(mào)易公司開(kāi)發(fā)的SKD系列煮練酶?jìng)位蚋男陨飶?fù)合酶制劑)，可適用于不同類型紡織品的前處理領(lǐng)域；上海市紡織科學(xué)研究院研制開(kāi)發(fā)的生物酶制劑清棉師Sco-lase100T由生物復(fù)合酶和螯合分散劑復(fù)合而成。但總的看來(lái)，國(guó)內(nèi)品種單一，應(yīng)用效果不夠理想。第32頁(yè)/共52頁(yè)4.3應(yīng)用的化學(xué)反應(yīng)（1）水解反應(yīng)（2）還原反應(yīng)（3）氧化反應(yīng)（4）加成反應(yīng)（5）轉(zhuǎn)移反應(yīng)（6）異構(gòu)反應(yīng)第33頁(yè)/共52頁(yè)特殊反應(yīng)實(shí)例：（1）生物催化劑應(yīng)用于取代反應(yīng)許多酶都可以用來(lái)催化丙氨酸、絲氨酸、半胱氨酸衍生物b一碳上的取代反應(yīng)以及蛋氨酸等化合物r一碳上的取代反應(yīng)。如O一乙?；z氨酸在酶的作用下，發(fā)生b一碳原子上的取代反應(yīng)，得到L一半胱氨酸，再如，L一半胱氮酸與L一高絲氮酸反應(yīng)，在酶的作用下，r一碳上的羥基被取代，生成L一胱硫醚：（2）生物催化劑應(yīng)用于加成與消除反應(yīng)一碳碳雙鍵的加成H．-E．Hogberg及PBerglund等人系統(tǒng)地研究了碳碳雙鍵在酵母粉下的加成反應(yīng)二碳氧雙鍵的加成醛縮合酶可以催化羥醛縮合反應(yīng)。在這一類酶中，以果糖一1，6一二磷醛縮酶(FDPA)在有機(jī)合成中的應(yīng)用研究最為深入。舉例來(lái)說(shuō)，在二羥基丙酮與2一羥基丙醛的反應(yīng)中，以果糖一1，6-二磷醛縮酶催化，得到Furaneol 第34頁(yè)/共52頁(yè)（3）生物催化劑應(yīng)用于酯的合成及水解反應(yīng)一酯的合成酯的合成常用羧酸和醇作原料，例如Pseu—domomasfragi的脂肪酶經(jīng)PEG修飾后能溶于苯中，可在25℃有效催化萜烯醇香料(香茅醇、香葉醇、金合歡醇、植醇)和短鏈羧酸(2—5碳酸)的酯化反應(yīng)，產(chǎn)率80～95”，酶也可以完成單脂肪酸甘油酯的合成以及促進(jìn)內(nèi)酯的合成等。另外酯交換反應(yīng)也是制備酯的一個(gè)重要方法，當(dāng)采用此法合成新酯時(shí)，也可以用酶作催化劑，如下例所示二酯的水解反應(yīng)由于酯在酸性或堿性條件下水解，都可能引起碳架的改變，得到副產(chǎn)物。而酶催化的水解反應(yīng)，條件溫和，不會(huì)影響碳架結(jié)構(gòu)，因此酯的水解反應(yīng)用酶來(lái)催化顯得尤為重要。例如在酸性或堿性條件下水解環(huán)丙酵乙酸酯，都會(huì)發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)，生成丙醛和一個(gè)羥醛縮合產(chǎn)物，而用豬肝酯酶作催化劑，在pH為7．5的條件下水解才得到環(huán)丙醇

第35頁(yè)/共52頁(yè)（4）生物催化劑應(yīng)用于酰胺和肽的合成酶催化反應(yīng)在青霉索和頭孢菌素的酰胺鍵生成中，起著極為重要的作用。例如在酶的作用下，7一氨基去乙酰氧基頭孢菌素酸(7一ADAc)和D一苯基甘氮酸可以轉(zhuǎn)變?yōu)轭^孢菌素。當(dāng)?shù)孜锓肿雍卸喾N不同反應(yīng)能力的官能團(tuán)時(shí)，若想得到單一的目標(biāo)產(chǎn)物．選用酶作催化劑是最佳的，例如天冬門(mén)酰胺的合成（5）

生物催化劑應(yīng)用于氧化和還原反應(yīng)一氧化反應(yīng)酶催化的氧化反應(yīng)包括醇氧化、醛氧化以及酮氧化成酯的反應(yīng)。如伯醇與仲醇的氧化一般采用醇脫氫酶，馬肝脫氫酶(HLAD)就是其中之一；新型環(huán)糊精衍生物催化糠醛制糠酸；環(huán)己酮氧化成環(huán)己內(nèi)酯；酶還可以用來(lái)催化脫氫氧化反應(yīng)，CH—CH鍵的脫氫反應(yīng)，用微生物細(xì)胞將烯烴轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)氧化物，氨基酸的氧化反應(yīng)，氮、硫、硒等原子的氧化反應(yīng)等。二醛和酮的還原反應(yīng)除甲醛之外，所有醛都是潛手性的。因此在酶催化下，醛還原得到a-碳為手性的伯醇。例如a一甲基苯丙醛在酵母粉的作用下可還原成伯醇酮的生物催化還原也是一類重要的反應(yīng)，而且還原產(chǎn)物通常具有光學(xué)活性。第36頁(yè)/共52頁(yè)4.4關(guān)于仿生酶及其催化的研究化學(xué)模擬生物酶催化：結(jié)構(gòu)性模擬功能性模擬仿生酶催化的關(guān)鍵技術(shù)：確定生物酶及其活性中心的結(jié)構(gòu)確定催化作用機(jī)理化學(xué)模擬合成方法及技巧仿生酶催化的主要內(nèi)容：酶的局部結(jié)構(gòu)、功能的模擬金屬酶的模擬—高分子金屬催化劑第37頁(yè)/共52頁(yè)第38頁(yè)/共52頁(yè)第39頁(yè)/共52頁(yè)仿生酶最典型的例子是化學(xué)模擬生物固氮工業(yè)鐵催化劑（350～400℃）的合成氨數(shù)量占化肥產(chǎn)量的大部分，而常溫常壓下每年生物固定成氨的數(shù)量是工業(yè)合成氨的三倍研究表明，固氮酶主要由鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成，鉬鐵蛋白含有催化活性中心，鐵蛋白則起電子載體的作用，盡管含Mo-Fe-S的固氮酶與工業(yè)鐵催化劑的化學(xué)性質(zhì)很不相同，但氨合成機(jī)理，即N≡N三鍵活化和加氫成氨仍有相同之處

研究比較酶與非酶固氮成氨催化劑的活性中心和作用機(jī)理，將有助于解釋過(guò)渡金屬或原子簇配合物的配位與催化作用的密切關(guān)系，并為溫和條件下工業(yè)固氮成氨催化劑的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供有用的信息目前已開(kāi)發(fā)出釕羰基配合物、多金屬中心負(fù)載型氨合成催化劑，活性提高，反應(yīng)溫度降低（250℃），突破了近一個(gè)世紀(jì)的鐵催化劑時(shí)代，但由于生產(chǎn)成本以及性價(jià)比的關(guān)系，在一定時(shí)期內(nèi)，熔鐵仍是氨合成的主要催化劑。盡管幾代科學(xué)家都為化學(xué)模擬生物固氮付出了不懈的努力，但距離人工合成出真正由實(shí)用價(jià)值的固氮酶化學(xué)模擬催化劑還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走第40頁(yè)/共52頁(yè)5.1制備方法

酶，不受氣候和地理?xiàng)l件限制，一般酶的制備成本很高酶可從生物界提取，目前工業(yè)上大多采用微生物發(fā)酵法制取酶的分離提純與一般蛋白質(zhì)的分離提純方法相似選擇性吸附、沉淀、鹽析、凝膠過(guò)濾絕大多數(shù)酶都是水溶性的，酶催化反應(yīng)在水介質(zhì)中間歇操作反應(yīng)后需要將酶分離與回收再利用將酶有效地用于工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：

1、提高穩(wěn)定性

2、易于回收循環(huán)使用第41頁(yè)/共52頁(yè)（關(guān)鍵）優(yōu)良菌種的要求第42頁(yè)/共52頁(yè)5.2固定化（固載）與一般催化劑相比，酶的穩(wěn)定性太差，在熱、酸堿和有機(jī)溶劑等環(huán)境下容易變質(zhì)失活，因此需要對(duì)酶進(jìn)行改性。例如，在工業(yè)化運(yùn)用過(guò)程中，提高酶的熱穩(wěn)定性尤為重要，因?yàn)樘岣叻磻?yīng)溫度有利于加快反應(yīng)速度、縮短工時(shí)、降低成本.

酶的固載有利于：提高酶的穩(wěn)定性，反復(fù)利用，循環(huán)操作物理吸附：載體與酶結(jié)合力弱，酶結(jié)構(gòu)和活性中心不易破壞，但吸附量小，酶易脫落偶聯(lián)合：載體與酶之間化學(xué)交聯(lián)，酶與載體結(jié)合力強(qiáng)，但易影響酶分子的結(jié)構(gòu)截留法：將酶截留在膜上制成膜反應(yīng)器包埋法：酶包在高分子凝膠或半透膜微膠囊中交聯(lián)法：利用交聯(lián)劑將酶分子聚集成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)第43頁(yè)/共52頁(yè)第44頁(yè)/共52頁(yè)第45頁(yè)/共52頁(yè)5.3篩選生物催化劑的廣泛應(yīng)用有賴于對(duì)大量生物分子的有效篩選和檢驗(yàn)。不同菌株和不同酶的催化專一性、活力及穩(wěn)定性有很大差異，因此有關(guān)菌種分離、篩選、選育等工作不可缺少。在實(shí)際工作中，要擴(kuò)大生物催化劑的應(yīng)用必須解決生物催化中的一些典型困難和操作上的限制，如溫度、pH值、產(chǎn)物抑制、反應(yīng)速度及處理的物料濃度等。要解決這些問(wèn)題必須以保持催化劑的高效選擇性和特異性為前提。在生物催化劑的篩選中已打破傳統(tǒng)方法，當(dāng)前，將生物誘變技術(shù)和高通篩選技術(shù)相結(jié)合是獲得理想生物催化劑的有效方法。第46頁(yè)/共52頁(yè)6.1市場(chǎng)現(xiàn)狀

Staathof報(bào)道中提到目前有134種工業(yè)級(jí)生物轉(zhuǎn)化，其中水解酶（44%）和氧化還原酶（30%）在工業(yè)生物催化應(yīng)用中占主導(dǎo)地位；生物催化的平均效率為：產(chǎn)物濃度：100g/l，得率：69.5%。目前，用在精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)上的生物催化劑市場(chǎng)不超過(guò)2000-2500萬(wàn)美元，僅為藕制荊總市場(chǎng)的5％生物催化劑市場(chǎng)的很大部分是壟斷或半壟斷的。這些催化劑常被提供給某個(gè)獨(dú)家用戶。倒如，意大利的DoBi-Sclavo公司就專為該國(guó)的Recordati公司生產(chǎn)能拆分D／L一對(duì)羥苯基甘氨酸的乙內(nèi)酰脲酶系統(tǒng)。相對(duì)于酶制刺工業(yè)的其它部分，生物催化劑產(chǎn)品的銷售極為零散，幾乎還沒(méi)有某種生物催化劑產(chǎn)品的市場(chǎng)超過(guò)10O萬(wàn)美元的。只有B-內(nèi)酰胺酶類(如青霉素或頭孢菌素酰胺酶)是個(gè)突出的倒外，其市場(chǎng)約為8OO～l000萬(wàn)美元，占生物催化劑市場(chǎng)的5O。第47頁(yè)/共52頁(yè)6.2前景進(jìn)入90年代以來(lái)，毒副作用小，生物利用度高的手性藥物（光學(xué)藥物）發(fā)展速度極其迅速，市場(chǎng)年銷售額已超過(guò)百億美元。與此同時(shí)，生產(chǎn)手性藥物必不可少的生物催化劑即工業(yè)酶制劑的生產(chǎn)也迅速崛起，成為一項(xiàng)充滿活力的新興高科技產(chǎn)業(yè)。在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，品種繁多的新