生物催化技术的研究

工业催化课程论文

课程名称: 工业催化

论文题目: 生物催化技术的研究

授课教师： 吴彬

姓 名： 邹浩

学 号: [1**********]

系 别: 化学化工学院

日 期: 2012.12.30

目 录

中文摘要.......................................................................................................................3

英文摘要.......................................................................................................................4

引言................................................................................................................................5 1 生物催化剂的种类及性质.......................................................................................5 1.1 生物催化剂的种类...............................................................................................5

1.2 生物催化剂的性质...............................................................................................5 2 生物催化技术的发展及应用领域...........................................................................5 2.1 生物催化技术的发展..........................................................................................5

2.2 生物催化剂与化学催化剂的比较.......................................................................6

2.3 新型生物催化.......................................................................................................7 2.3.1 非水相酶催化.................................................................................................8

2.4 生物催化技术面临的挑战和发展前景................................................................8

生物催化技术的研究

化学化工学院 化学工程与工艺 邹浩（[1**********]）

指导老师：吴彬（助理工程师 ）

摘 要：本文主要探讨生物催化剂的性质、用途及和其他催化剂相比存在的优点。现代生物催化技术的发展及研究。

关键词：生物催化剂；性质；用途；发展

Biological catalyst research College of chemistry and chemical engineering Chemical engineering

and technology Zou Hao（[1**********]）

Guidance teacher :Wu Bin（Assistant engineer）

Abstract ：This paper mainly discusses the biological catalyst properties, applications and compared with other catalysts are advantages. Modern biological catalyst development and research.

Key Words：Biological catalyst; Properties ; Applications; Development

引言

生物催化剂是游离的或固定的细胞或酶的总称，它们在生物反应中起着催化剂的作用[1]。

生物催化是利用生物催化剂，改变（通常是加速）化学反应速率，合成有机化学品和药物制品。生物催化涉及三个学科的不同部分：化学中的生物化学和有机化学；生物学中的微生物学、分子生物学和酶学；化学工程学中的催化、传递工程和反应工程学。人类很早就知道利用酶和微生物细胞作为生物催化剂进行生物催化已有几千年历史，早已发明了麦芽制曲酿酒工艺，古埃及和古代中国都有历史记载。近现代认识酶是与发酵和消化现象联系在一起的。后来创造了“酶”这一术语以表述催化活性，近代科学技术对酶的认识研究，成为现代酶学与生物催化研究的基础[2]。

现代科学技术以及化工行业的不断发展，对于催化剂的要求越来越高，人们不断探索新的催化技术以满足不发展的化工行业的需求。与化学工业相反，生物催化技术工业是产销量不大的行业，主要应用与制药领域及少数的化工行业及视频行业。生物催化技术对化学工业的影响主要是可再生资源的生物加工[3]。

自生物技术诞生之日起，人们就一直致力于把它应用到工业生产当中去。工业生物催化技术是生物技术应用中一个新兴和关键的领域。生物催化技术首先从和它联系做紧密的医药、农业开始，逐渐涉及到化工、材料等行业，并通过它们影响社会生产、生活的各个方面。美国21实际发展规划中预计，到2020年，通过生物催化技术，将实现降低化学工业原料消耗、水资源消耗、能量消耗30%，减少污染物的排放和污染扩散[4]。

以蛋白质酶的工程应用为核心的工业生物催化技术, 被认为是生物技术继生物医药和转基因植物之后的第三次浪潮。它的发展与应用将对人类的工业化学过程带来根本的变革。工业生物催化的兴起与以下的两个关键技术因素有密切的关系:(1)蛋白质定向进化技术的出现,(2)基因组学和蛋白质组学的发展。探讨了工业生物催化技术的现状和发展趋势, 并对我国如何发展该领域的基础和应用研究提出一些见解[5]。

1 生物催化剂的种类及性质

1.1 生物催化剂的种类

从酶的作用和功能的发现过程中了解到，人们最早使用的是游离的细胞活体，即使用这些细胞中的酶作为生物催化剂；在此基础上考虑将该酶蛋白质从细胞中提取分离出来，比较纯的催化剂形态进行的反应催化，也可以采用固定化技术将酶或细胞固定在惰性固体表面后再使用。因此，固定化细胞和固定化酶又称固定化催化剂[2]。

生物催化剂的类别如下：

1. 生长细胞

2. 休止细胞

3. 冻干细胞

4. 处理细胞

1.2 生物催化剂的性质

生物催化剂具有催化高效性，催化种类的专一性及反应条件专一性三大基本性质。生物催化剂的三大特征决定了生物催化剂的广泛的用途[6]。 2 生物催化技术的发展及应用领域

2.1 生物催化技术的发展

现代生物技术从七十年代初诞生以来，在世界范围内得到迅猛发展，预计在未来的20年内，工业生物催化研究将有望实现以下突破：

（1）在于生物生长有关的代谢有关的有机化学品生产上，取代化学法成为主流生产工艺。

（2）开发出利用生物法生产的安全、环保、节能新产品，引导消费取向和潮流。

（3）降低化学工业的原料消耗、能量消耗的30%、睡资源消耗，减少污染的排放和污染扩散30%。

（4）对于生物催化技术体系，可以达到：研制出可以比现在应用的化学催化剂更好、更快、价格更低廉的生物催化剂；提高生物催化剂的稳定性、活性和对溶剂的兼容能力；提高酶以及固化细胞的机械强度；对于转换时间较长的酶，提高其转化速度，使之可以和现在的化学催化剂相比[7]。

2.2 生物催化剂与化学催化剂的比较

表 1 对生物 催化剂和化 学催化剂 进行了比较。可以看出生物催化剂能高效和高选择性的催化生化反应, 并在一些化学合成领域有着传统的催化剂不可比拟的优势。现在许多国家正致于酶工程的研究, 从而提高酶的活性、稳定性和单位产率, 逐步实现酶的工业化应用。生物技术与医药、农业结合极大的推动了这两个学科的发展, 也预示着生物技术与化学工业结合的美好前景。

表一 生物催化剂和化学催化剂的比较

生物催化剂 化学催化剂

催化底物 多为高分子复杂化合物 纯净物、简单的花和物 反应模式 多种催化剂同时作用催化 单一催化剂单一化学反 多种耦合在一起的反应 应

使用范围 催化温和条件下反应 可在苛刻的条件下实现

本质动力学 反应降低反应所学的活化能，可以用反应络和物 理论来解释

生物催化技术是生物学和化学工程的交叉学科。它把生物技术的最新研究成果, 应用于化学工业最为关键的、而且是普遍应用的催化剂领域, 是一个很好的结合点。作为一门新兴的边缘学科, 生物催化技术既具有现代科学研究前沿的生物学基础理论的指导, 又具有化学工程成熟的工业化经验的支持。开展生物催化技术工作, 是生物技术是实现工业化, 把理论研究成果转向市场的一个关键的切入点; 对于化学工业则是引入新的经济增长点, 由传统的化学工业向新世纪绿色化工转变的一个契机。生物技术与化学工业结合, 必将迎来生物技术的第三次浪潮[10]。

2.3 新型生物催化技术

2.3.1 非水相酶催化

20世界80年代中期Klibanov 等[8]开创性表明，许多酶在非水相中不仅不失活，而且在某些情况下其活力与在水相当中相当，奠定了非水相酶学基础，一些没在不同的溶剂催化活性、选择性有较大的变化。这是因为在非水介质中酶的空间结构会发生一定的变化，而且酶与底物之间成键自由能也会发生[9]。这就会使一些本来在水中不能和不容易进行的反应可以在有机相中较容易地发生。

在酶催化合成的体系中，选择不同的反应介质，可以影响聚合反应中生成的聚合物的相对分子质量、聚合度分布、产量和构造。非水相酶促反应对一些传统化学催化困难的过程具有重要的意义。另外，通过改变溶剂和相条件，可以得到不同空间结构和光学特性的聚合物[7]。

2.4 生物催化技术面临的挑战和发展前景

尽管生物催化技术的前景非常广阔, 但它的发展受到现在生物技术发展水平和研究水平的制约[11]。

主要包括以下几个方面:

( 1) 对于酶的结构知识、酶催化机理缺乏了解；

( 2) 对于次级代谢产物的代谢途径以及各个代谢途径之间的相互影响不清晰；

( 3) 在酶的筛分、选择及扩增缺少相关的工具箱；

( 4) 目前工业上应用的生物催化剂种类较少, 而研究也处于分散状态, 缺乏系统化, 缺少专业的书籍和文献资料, 检索和查阅相关资料都不方便；

( 5) 酶的制造比较贵, 研究经费投入较高[12]。

目前已经定性的酶有 3000 多种, 其中商品酶有200 种左右, 而工业上应用 的酶仅有 50 多种, 至于大量工业生产的酶只有 10 多种, 这说明酶工程仍然是一门年轻的学科, 既预示广阔的发展前景, 也表明加强基础研究的必要[13]。

对我国的生物催化技术领域发展战略的建议:

1、前期阶段, 以跟踪 国外进展 为主要策 略。加强国际合作与交流, 适当引进急需品种, 在逐步缩小差距的过程中力争与国外同步发展。

2、在中后期, 以发展有中国特色和自主知识产权的生物催化工业为 主要策

略。利用中国江河湖海、森林沼泽中丰富的生物种群资源, 筛选特种微生物及其酶, 并利用定向进化技术等新技术加强酶的构效关系分析与新酶的构建, 为发展有中国特色和自主知识产权的生物催化工业奠定资源基础。

3、选择模式生物或有高附加值产物的代表性生物, 深入代谢途径研究, 建立生物代谢调控的示范性平台技术; 加强反应器与检控设备的研发。为生物催化的工业放大与调控奠定技术与设备基础。

4、组建生物催化技术学会和产业协会, 加强交流, 促进合作, 加速新生物催化剂的产业化。

参考文献

[1] 王新广. 生物技术简介[J].北京水产2004.2.31

[2] 黄仲涛，耿建铭. 工业催化[M].北京. 化学工业出版社.

[3] 李祖义，陈颖. 生物催化技术在化学工业中的应用[J].精细与专用化学,2003.13.3-5

[4] New Biocatalysts: Essential Tools for a Sustainable 21st Century Chemical Industry. Palo Alti: The Council for Chemical Reasearch, 2000

[5] 林章凛; 曹竹安; 邢新会; 刘铮. 工业生物催化技术[J].生物加工过程,2003,1.12-16

[6] Du Chenyu (杜晨宇），Zheng Yuguo (郑玉果）， Li Chun （李春），Cao Zhu， an （曹竹安）. The Essential of Industrial Biotechnology-Biocat alysis. Progress in Biotechnology （生物工程进展），2002,22（1）：9-14

[7] 杜晨宇，李春，张才，曹竹安. 生物催化过程的发展及其展望[J].化工学报，2003,54,4. 456-462.

[8] Zaks A，Klibanov A M . Enzymaic Catalysis in Organci .Science ,1984,224:1249-1251

[9] 刘铭, 焦鹏, 曹竹安 化工学报 2001 52 (10) : 847- 852 .

[10] Peng Jiao, Yingming Huang, Zhu. an Cao, et al. J. Biotech. & Bio-eng. 2001 75 ( 4) : 456- 462.

[11] Chirumamilla RR, Muralidhar R, Marchant R, et al Molecular andCellular Biochemistry 2001 224 ( 1- 2) : 159- 168 .

[12] Castanon S , Marin MS , Martin-Alonso JM et al. J Virol, 1999, 73(5) : 4452- 4455.

[13] 居乃琥 工业微生物 2001 31 ( 1) : 37- 45.

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