第一章 緒論 酶工程

EnzymeEngineering

酶工程2023最新整理收集do

something第一章緒論第一節(jié)生物催化第二節(jié)酶工程的研究內容第三節(jié)國內外酶制劑工業(yè)概況第一節(jié)生物催化生物學化學工程工程學化學生物工程生物化學生物技術新興、前沿學科往往在學科交叉中產生生物技術醫(yī)藥生物技術農業(yè)生物技術工業(yè)生物技術環(huán)境生物技術材料生物技術

...用生物或生物分子機器生產產品和解決問題生物技術的具體應用生物技術產業(yè)化的三個浪潮

醫(yī)藥生物技術:

1982年重組人胰島素上市農業(yè)生物技術:

1996年轉基因大豆、玉米、油菜相繼上市工業(yè)生物技術:

世紀之交聚交酯、生物鋼、聚乳酸相繼上市工業(yè)生物技術---邁向發(fā)達國家之戰(zhàn)略工業(yè)生物技術含意：在工業(yè)規(guī)模的生產過程中使用或部分使用生物技術來實現(xiàn)產品的制造，這種技術是應用微生物和生物催化劑來提供產品和服務核心目標：大規(guī)模利用生物體系（如細胞或酶）作為催化劑實現(xiàn)物質轉化工業(yè)生物技術是生物技術的重要組成部分工業(yè)生物技術發(fā)展空間提升傳統(tǒng)產業(yè)生物能源環(huán)境生物技術生物材料底物生物反應器檢測控制儀表培養(yǎng)基（滅菌）經加工原料酶細胞生物催化劑（游離或固定化）機械能除菌空氣產品提取純化副產品產品廢物熱能原材料營養(yǎng)物典型工業(yè)生物技術過程核心技術？生物催化（Biocatalysis）利用酶或有機體（細胞或細胞器等）作為催化劑實現(xiàn)化學轉化的過程。生物轉化（Biotransformation）生物催化化學工業(yè)發(fā)酵工業(yè)輕工業(yè)采礦醫(yī)藥能源材料生物安全環(huán)境生物催化是工業(yè)生物技術的核心技術食品以生物催化法合成的主要產品產品名稱產量丙烯酰胺10萬噸/年聚乳酸1.3萬噸/年阿斯巴甜2萬噸/年生物柴油與汽油1000萬噸/年抗菌素中間體6－APA0.9萬噸/年趨勢判斷和需求分析生物催化劑在精細化學品市場中呈現(xiàn)強勁的增長勢頭。到2020年，通過生物催化技術，將實現(xiàn)化學工業(yè)的原料消耗、水資源消耗、能量消耗降低30%，污染物的排放和污染擴散減少30%。目前生物催化技術已成為各公司爭奪的目標并且已成為一些公司謀求發(fā)展和提升地位的工具。Degussa、DSM、Roche、BASF、Dow、Lonza等許多跨國公司都在積極采取措施，擴大他們在生物催化領域里的生產能力。

生物催化發(fā)展的主要推動力新產品需求(社會壓力)-健康：醫(yī)藥、檢測-日用品：洗滌用品、乳品、生物可降解塑料環(huán)境(法律法規(guī)壓力)－綠色化學、能源、溫室效應新發(fā)現(xiàn)或基礎研究(技術壓力）－基因工程/定點突變/定向進化、代謝工程、組合化學

得益/成本降低(商業(yè)壓力)-生物分離TheBiocatalysisCycle生物催化劑工程的目標開發(fā)生物催化劑：催化性能更好、更快，成本更低開發(fā)生物催化劑工具合：催化反應更廣泛，功能更多樣改善性能：穩(wěn)定性,活性，溶劑兼容性開發(fā)分子模型：新酶的快速重新設計創(chuàng)造新技術：用于新生物催化劑的開發(fā)CompetitiveImperativeCurrentChemicalVarietiesCurrentBiocatalystsBiocatalystoftheFutureSpeedtoMarket2-5years10years2-3yearsCosttoManufacture$1-10/kg$10-100/kg$1-3/kgRangeofProductsBroadNarrowBroad

生物催化劑發(fā)展的工業(yè)展望生物催化劑工程技術瓶頸對生物催化劑作用機理缺乏深入的認識對次級代謝產物代謝途徑（包括途徑間相互關系）缺乏理解細胞工程化的方法十分有限（即代謝工程）生產酶和輔因子的成本過高當前生物催化的研究熱點新酶或已有酶的新功能的開發(fā)根據已有底物開發(fā)新的酶反應利用突變或定向進化技術改善生物催化劑性能利用重組DNA技術大規(guī)模生產生物催化劑利用有機溶劑或共溶劑開發(fā)新的反應體系體內或體外合成的多酶體系克服底物和產物抑制精細化工品或醫(yī)藥合成技術的放大輔因子再生生物催化劑的修飾生物催化劑的固定化生物催化劑高效生產與催化功能研究強化微生物細胞培養(yǎng)與發(fā)酵的調控措施，研究酶的誘導策略實現(xiàn)生物催化劑的自主和規(guī)模生產分析生物催化劑所催化的特定基團開辟全新的生物催化反應第二節(jié)酶工程的研究內容一、概念二、酶與酶工程發(fā)展簡史三、研究內容四、酶與酶工程研究的重要意義五、酶工程簡介一、概念酶工程（EnzymeEngineering）從應用目的出發(fā)研究酶，在一定的生物反應裝置中利用酶的催化性質，將相應原料轉化成有用的物質。是酶學和工程學相互滲透結合形成的一門新的技術科學，是酶學、微生物學的基本原理與化學工程有機結合而產生的邊緣科學。生物催化劑的發(fā)現(xiàn)微生物可培養(yǎng)微生物酶資源的開發(fā)利用不可培養(yǎng)微生物酶資源的開發(fā)利用基因已知基因的克隆未知基因的克?。ㄒ唬┟笇W研究簡史1、不自覺的應用①4000多年前，我國夏禹時代盛行釀酒。酒是酵母發(fā)酵的產物，是胞內酶作用的結果。②公元10世紀，我國用豆類做醬。豆醬是在霉菌蛋白酶作用下，豆類蛋白質水解的產物。二、酶與酶工程發(fā)展簡史③3000年前，利用麥曲含的淀粉酶將淀粉降解為麥芽糖，制造飴糖。④用富含酶和維生素的曲當做健胃藥治療消化障礙。⑤春秋戰(zhàn)國時期，漆被廣泛應用，而漆是漆樹的樹脂被漆酶作用的氧化產物。⑥1833年，Payen和Person從麥芽的水抽提物中用酒精沉淀得到一種對熱不穩(wěn)定的活性物質，它能促進淀粉水解成可溶性的糖，他們把這種物質稱為淀粉酶制劑（diastase）。2、酶學的產生①1878年，德國Kuhne首先把淀粉酶制劑這類物質稱為Enzyme。Enzyme來自希臘文，原意是“在酵母中”。中文譯為酶。②1896年，德國學者Buchner兄弟發(fā)現(xiàn)了用石英砂磨碎的酵母細胞或無細胞慮液能和酵母一樣將1分子葡萄糖轉化為兩分子乙醇和2分子CO2。他將這種能發(fā)酵的蛋白質稱為酒化酶。一般認為酶學的研究始于1896年Buchner的發(fā)現(xiàn)。3、酶學的迅速發(fā)展20世紀初，酶學得到了迅速發(fā)展。發(fā)現(xiàn)了更多的酶，并注意到某些酶的作用需要有低分子物質（輔酶）參加。①1913年MichaelisMenton提出酶反應動力學原理－－米氏學說。這一學說的提出，對酶的作用機理的研究是一個重要的突破。②1926年Sumner從刀豆中得到脲酶結晶，并證實這種結晶催化尿素水解，產生CO2和氨，提出酶本身就是一種蛋白質。并于1947年獲得諾貝爾獎。③迄今，數百種酶已純化達到了均一純度，大約有200多種酶得到了結晶。④20世紀50～60年代，發(fā)現(xiàn)了酶有相當的柔性，Koshland提出了“誘導契合”理論，以解釋酶的催化理論和專一性。⑤1961年Monod及其同事提出了“變構模型”，用以解釋有些酶的活性可以通過結合分子進行調節(jié)，從而提供了認識細胞中許多酶調控作用的基礎。⑥1982年，Cech小組發(fā)現(xiàn)四膜蟲的rRNA前體能在完全沒有蛋白質的情況下進行自我加工，催化得到成熟的rRNA產物，提出核酶的概念，“ribozyme”。⑦1986年，Schultz和Learner兩個小組同時報道，用事先設計好的過渡態(tài)類似物作半抗原，按標準單克隆抗體制備法獲得具有催化活性的抗體，即抗體酶。（二）酶的應用研究促進酶工程的形成1808年，羅門等利用胰酶制皮革。1917年，法國人用枯草桿菌淀粉酶作紡織退漿劑。1949年，日本用深層培養(yǎng)法生產α－淀粉酶，使酶制劑生產應用進入工業(yè)化階段。1959年，日本采用葡萄糖淀粉酶催化淀粉生產葡萄糖新工藝研究成功。1969年日本千鈿一郎首先在工業(yè)上應用固定化氨基酰化酶拆分DL-氨基酸獲得成功。20世紀70年代，大規(guī)模開展了固定化細胞、輔酶共固定化、增值細胞固定、動植物細胞固定化等研究。同時根據酶反應動力學理論，用化學工程成果建立了多種類型的酶反應器，促進了酶工程的形成。三、研究內容（一）化學酶工程：自然酶、化學修飾酶、固定化酶及化學人工酶的研究和應用。（二）生物酶工程：酶學和以基因重組技術為主的現(xiàn)代分子生物學技術相結合的產物。（一）化學酶工程1自然酶的開發(fā)2酶的化學修飾3酶的固定化4人工合成酶的研究（二）生物酶工程1酶基因的克隆表達2酶的遺傳修飾3酶的遺傳設計本課程主要講述內容酶的抑制作用固定化酶有機介質中的酶促反應酶的化學修飾核酶和抗體酶酶的定向進化與穩(wěn)定性研究酶的人工模擬酶的工業(yè)化應用同工酶與氣體酶學四、酶與酶工程研究的重要意義1、新陳代謝是生命活動的最重要特征。酶是促進一切代謝反應的物質，沒有酶，代謝就會停止，生命也將結束。研究酶的理化性質及其作用機理，對闡明生命現(xiàn)象的本質具有十分重要的意義。2、酶是分子生物學研究的重要工具。某些專一性工具酶的出現(xiàn)，使核酸一級結構測定有了重要突破。限制性內切酶的發(fā)現(xiàn)促進了DNA重組技術的誕生，推動基因工程的發(fā)展。3、酶的研究深刻影響生物化學以及整個生物學領域，刺激了許多化學研究，成為靈感的源泉。20世紀以來，化學與生物學的融合先后形成了生物化學、生物技術、生物有機化學、生物無機化學等學科。其中生物技術占據重要位置，而酶工程是生物技術的重要分支，廣泛應用工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)藥食品等方面。在解決當代能源、資源、環(huán)保等多種問題方面起舉足輕重的作用。五、酶工程簡介⑴是隨著酶學研究迅速發(fā)展，特別是酶的應用推廣使酶學和工程學相互滲透結合、發(fā)展而成的一門新的技術科學。⑵是酶學和微生物學的基本原理與化學工程有機結合而產生的邊緣科學技術。⑶是應用的目的出發(fā)研究酶，是在一定生物反應裝置中利用酶的催化性質，將相應原料轉化成有用物質的技術，是生物工程的重要組成部分。酶工程面對的挑戰(zhàn)盡管目前已發(fā)現(xiàn)和鑒定的酶約有8000多種，但大規(guī)模生產和應用的商品酶只有數十種。其主要原因有：①大多數酶脫離其生理環(huán)境后極不穩(wěn)定。而酶的生產和應用過程中的條件往往與其生理環(huán)境相去甚遠。②酶的分離純化工藝復雜。③酶制劑成本較高。第三節(jié)

國內外酶制劑工業(yè)概況一．國內外酶制劑生產和應用現(xiàn)狀二．國內外酶制劑生產應用差異三．我國酶制劑工業(yè)的若干對策建議一．國內外酶制劑生產和應用現(xiàn)狀NovoNordisk（丹麥）GenencorInternational（美國）Cuitor（芬蘭）三大公司銷售額占世界總額的70%1、世界三大酶制劑公司國際市場酶制劑銷售額比例

2001年工業(yè)酶制劑的世界市場約為15億美元用于制藥工業(yè)與精細化學工業(yè)約1.2億~1.5億美元2、我國酶工業(yè)發(fā)展階段1）1965無錫酶制劑廠淀粉酶2）1979糖化酶3）堿性蛋白酶4）中性蛋白酶5）1993耐高溫淀粉酶6）1998國外大公司紛紛入駐，1999年投產國內酶制劑銷售額比例二．國內外酶制劑生產應用差異1、規(guī)模：國外多公司重組