第一章緒論第一節(jié)

酶工程的研究內容第二節(jié)

生物催化第三節(jié)國內外酶制劑工業(yè)概況第一章緒論第一節(jié)酶工程的研究內容1第一節(jié)研究內容一．概念二．酶工程研究簡史三．研究內容第一節(jié)研究內容一．概念2酶的新概念：酶是具有生物催化功能的生物大分子（蛋白質或RNA）。按照酶的化學組成，酶有兩大類別：蛋白類酶（P酶）：主要由蛋白質組成核酸類酶（R酶）：主要由核糖核酸組成一．概念酶的新概念：一．概念3酶學與酶工程（一）酶學(enzymology)：是生物化學的分支學科。

研究內容：酶的組成、結構、性質、功能、生物學合成及其調節(jié)等方面的基本理論和基本知識。（二）酶工程(enzymeengineering)：指酶的生產(chǎn)和應用的技術過程。酶學理論在工程方面的實際應用。

研究內容：酶的生物生產(chǎn)、酶的提取與分離純化、酶和細胞固定化、酶的分子修飾、酶的非水相催化、酶反應器和酶的應用。酶學與酶工程（一）酶學(enzymology)：是生物化學的4酶的生產(chǎn)（enzymeproduction）是指通過各種方法獲得人們所需酶的技術過程，主要包括微生物發(fā)酵產(chǎn)酶、動植物培養(yǎng)產(chǎn)酶和酶的提取與分離純化等。提取分離法生物合成法化學合成法酶的生產(chǎn)方法酶的生產(chǎn)（enzymeproduction）是指通過各種方5酶的生產(chǎn)方法提取分離法(Extraction)生物合成(Biosynthesis)化學合成(chemicalsynthesis)SOD-bloodPapain-PapayaChymotrypsin-Pancrea……organ/tissue/cellAmylasefromBacillusProteasefromBacillusPhosphatasefromBacillusGlucoamylasefromAspergillus……PlantcellcultureAnimalcellcultureFewexample酶的生產(chǎn)方法提取分離法生物合成化學合成SOD-blood6酶工程緒論課件7酶的改性（enzymeimproving）是通過各種方法改進酶的催化特性的技術過程，主要包括酶分子修飾、酶固定化、酶非水相催化和酶定向進化等。酶的應用（enzymeapplication）是通過酶的催化作用獲得人們所需的物質或者除去不良物質的技術過程，主要包括酶反應器的選擇與設計以及酶在各個領域的應用等。酶的改性（enzymeimproving）是通過各種方法改8酶的固定化

菌種→擴大培養(yǎng)→發(fā)酵→發(fā)酵酶液→酶的提取→酶成品

原料→前處理→殺菌→酶反應器←↓

反應液→產(chǎn)品提取→產(chǎn)品酶工程基本過程酶的固定化酶工程基本過程9酶工程研究內容1、酶制劑的大批量生產(chǎn)2、酶制劑的分離、提純3、酶分子改造與化學修飾，模擬酶、抗體酶等的研究（化學酶工程）（生物酶工程）4、酶與細胞固定化5、酶的非水相催化6、酶的應用性開發(fā)酶工程研究內容1、酶制劑的大批量生產(chǎn)10⒈酶制劑的生產(chǎn)

2.酶制劑的分離、提純工業(yè)用酶制劑一般是從細菌、酵母、植物和動物細胞中生產(chǎn)并且需要分離、提純。影響其價格的因素，主要是分離、純化過程，其費用通常占生產(chǎn)成本的50％～70％，甚至高達90％。分離步驟多、耗時長，往往成為制約生產(chǎn)的“瓶頸”。尋求經(jīng)濟適用的分離純化技術，成為熱點。⒈酶制劑的生產(chǎn)

2.酶制劑的分離、提純工業(yè)用酶制劑一般是11目前已發(fā)現(xiàn)和鑒定的酶有8000多種，但大規(guī)模生產(chǎn)和應用的商品酶只有數(shù)十種。傳統(tǒng)酶在工業(yè)上受到一些限制：①穩(wěn)定性②酶的分離純化工藝復雜，造價高

目前已發(fā)現(xiàn)和鑒定的酶有8000多種，但大規(guī)模生產(chǎn)和應用的商品12(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(一）化學酶工程1自然酶的開發(fā)13（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（二）生物酶工程1酶基因的克隆表達143.1化學酶工程（1）化學修飾酶可以改善酶的性能，以適用于醫(yī)藥的應用及研究工作的要求?；瘜W修飾酶的功能基：如α-胰凝乳蛋白酶表面的游離氨基修飾成親水性更強-NHCH2COOH,使酶抗不可逆熱失活的穩(wěn)定性在60℃提高1000倍；大分子修飾：可溶性高分子化合物如肝素、葡聚糖、聚乙二醇可修飾酶蛋白的側鏈，提高酶的穩(wěn)定性，改變酶的一些重要性質。3.1化學酶工程（1）化學修飾酶15（2）人工模擬酶利用有機化學的方法合成一些比酶簡單的非蛋白質分子，可以模擬酶對底物的絡合和催化過程，既可達到酶催化的高效性，又可克服酶的不穩(wěn)定性。酶的模擬工作可分為3個層次：(1)合成有類似酶活性的簡單絡合物；(2)酶活性中心模擬；(3)整體模擬，即包括微環(huán)境在內的整個酶活性部位的化學模擬。目前用于構建模擬酶的這類酶模型分子有環(huán)糊精、冠醚、穴醚、籠醚、卟啉、大環(huán)番等。利用環(huán)糊精已成功地模擬了胰凝乳蛋白酶、核糖核酸酶、轉氨酶、碳酸酐酶等。（2）人工模擬酶利用有機化學的方法合成一些比酶簡單的非蛋白質161985年Bender等人成功制備了名為-benzyme的胰凝乳蛋白模擬酶。-環(huán)糊精模擬酶催化反應的速率與傳統(tǒng)酶近似，但熱穩(wěn)定性與酸堿穩(wěn)定性大大優(yōu)于天然酶。OH1985年Bender等人成功制備了名為-benzyme的17（3）抗體酶以過渡態(tài)類似物作為半抗原，誘發(fā)的抗體即與該類似物有著互補的構象，這種抗體與底物結合后，即可誘導底物進入過渡態(tài)構象，從而引起催化作用抗體酶的出現(xiàn)為生物學、化學和醫(yī)學提供具有高度特異性的人工生物催化劑，并可以根據(jù)需要獲得催化某些不能被酶催化或較難被催化的反應的催化劑?？贵w酶的出現(xiàn)，意味著有可能出現(xiàn)簡單有效的方法，從而可憑主觀愿望來設計蛋白質（人工裁制）（3）抗體酶以過渡態(tài)類似物作為半抗原，誘發(fā)的抗體即與該類183.2生物酶工程酶學與現(xiàn)代分子生物學技術相結合，主要包括：用基因工程技術大量生產(chǎn)酶（克隆酶）；對酶基因進行修飾，產(chǎn)生遺傳修飾酶（突變酶);設計新的酶基因，合成自然界即不曾有的新酶。3.2生物酶工程酶學與現(xiàn)代分子生物學技術相結合，主要包括：19用基因工程技術大量生產(chǎn)酶（克隆酶）在表達載體，通過發(fā)酵方法大量生產(chǎn)所需要的酶與載體連接克隆目的基因用于醫(yī)藥或工業(yè)上的尿激酶原、組織纖溶酶原激活劑、凝乳酶、α-淀粉酶、青霉素G?；傅榷伎捎么朔ù罅揩@得。用基因工程技術大量生產(chǎn)酶（克隆酶）在表達載體，通過發(fā)酵方法大20對酶基因進行修飾，產(chǎn)生遺傳修飾酶（突變酶)通過定點誘變技術，能產(chǎn)生被改造的新酶；可改變酶的催化活性、底物專一性、最適PH;改變含金屬酶的氧化還原能力；改變酶的別構調節(jié)功能；改變酶對輔酶的要求；提高酶的穩(wěn)定性例如將枯草桿菌蛋白酶的第99位門冬氨酸及156位谷氨酸替換為賴氨酸后，使這個酶在pH7時的活力提高了1倍，在pH6時活力提高了10倍。例如,將T4溶菌酶的第51位蘇氨酸轉變成脯氨酸,使酶活力提高了25倍。對酶基因進行修飾，產(chǎn)生遺傳修飾酶（突變酶)通過定點誘變技術，214、酶與細胞固定化一般酶催化反應是在水溶液中進行的，而固定化酶是將水溶性酶用物理或化學方法處理，使之成為不溶于水的，但仍具有酶活性的狀態(tài)。其中固定化酶技術是酶工程的核心。實際上有了酶的固定化技術，酶在工業(yè)生產(chǎn)中的利用價值才真正得以體現(xiàn)。

4、酶與細胞固定化一般酶催化反應是在水溶液中進行的，而固定22酶固定化之后，不僅具有高的催化效率和高度專一性，而且提高了對酸堿和溫度的穩(wěn)定性，增加了酶的使用壽命；反應后易于反應產(chǎn)物分離，減少了產(chǎn)物分離純化的困難，從而提高產(chǎn)量和質量。因此固定化酶已成為酶應用的主要形式。固定化酶已在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、分析、親和層析、能源開發(fā)、環(huán)保和理論研究方面得到廣泛應用。酶固定化之后，不僅具有高的催化效率和高度專一性，而且提高了對23◆酶在非水相介質中催化反應的研究:在理論上進行了非水介質（包括有機溶劑介質，超臨界流體介質，氣相介質，離子液介質等）中酶的結構與功能、非水介質中酶的作用機制，非水介質中酶催化作用動力學等方面的研究，初步建立起非水酶學（non-aqueousenzymology）的理論體系?！舴撬橘|中酶催化作用的應用研究，取得顯著成果。5、酶的非水相催化5、酶的非水相催化246、酶的應用研究酶工程的應用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。6、酶的應用研究酶工程的應用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及25食品工業(yè)：β-淀粉酶水解淀粉產(chǎn)生麥芽糖，用來生產(chǎn)高麥芽糖漿（糖果、果脯、餅干、面包等代替飴糖和蔗糖）a-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡糖異構酶這三個酶連續(xù)作用于淀粉，就可以代替蔗糖生產(chǎn)出高果糖漿醫(yī)用針劑麥芽糖，麥芽糖醇，麥芽糊精等。食品工業(yè)：26凝乳酶與奶酪生產(chǎn)

啤酒的制作凝乳酶與奶酪生產(chǎn)

啤酒的制作27輕工業(yè)：

酶用于洗滌劑制造----加酶洗衣服

在護膚品中添加SOD，清除皮膚表面的超氧自由基可抗衰老蛋白酶用于皮革脫毛膠輕工業(yè)：酶用于洗滌劑制造----加酶洗衣服28醫(yī)藥：

診斷---可根據(jù)體液中酶活性的變化診斷疾病，一般健康人體液中所含的某一種酶的量是恒定在某一范圍的，若發(fā)生變化則可能得病，如谷丙轉氨酶活性升高，可能的肝炎治療---有些消化藥中，往往用胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶與淀粉酶、脂肪酶等制成復合制劑，增加療效醫(yī)藥：

診斷---可根據(jù)體液中酶活性的變化診斷疾病，一般健康29二、酶的研究簡史1897年，德國巴克納Buchner兄弟用石英砂磨碎酵母細胞，制備的抽提液，并證明不含細胞的酵母提取液也能使糖發(fā)酵，說明發(fā)酵與細胞的活動無關。從而說明發(fā)酵是酶作用的化學本質，為此Buchner獲得了1911年諾貝爾化學獎。1896年,日本的高峰讓吉首先從米曲霉中制得高峰淀粉酶,用作消化劑,開創(chuàng)了有目的的進行酶生產(chǎn)和應用的先例。二、酶的研究簡史1897年，德國巴克納Buchner兄弟用石30酶的研究歷史1878年,給酶一個統(tǒng)一的名詞，叫Enzyme，這個字來自希臘文，其意思“在酵母中”。酶的作用機理及酶的本質做了深入研究，1930年，證實酶是一種蛋白質；80年代初發(fā)現(xiàn)了具有催化功能的RNA——核酶，打破了酶是蛋白質的傳統(tǒng)觀念，開辟了酶學研究的新領域，現(xiàn)已鑒定出4000多種酶，數(shù)百種酶已得到結晶，而且每年都有新酶被發(fā)現(xiàn)。酶的研究歷史1878年,給酶一個統(tǒng)一的名詞，叫Enzyme31酶的應用歷史1908年,德國的羅姆制得胰酶,用于皮革的軟化。1908年,法國的波伊登(Boidin)制備了細菌淀粉酶,應用于紡織品的退漿。1911年,美國的華勒斯坦(Wallestein)制得木瓜蛋白酶,用于除去啤酒中的蛋白質渾濁。在50年代以前停留在從微生物，動物或植物中提取酶,加以利用階段。特點：生產(chǎn)力落后,生產(chǎn)工藝較繁雜,難以進行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。酶的應用歷史1908年,德國的羅姆制得胰酶,用于皮革的軟化。32酶的應用歷史1949年，日本采用微生物液體深層培養(yǎng)進行細菌α-淀粉酶的發(fā)酵生產(chǎn)，揭開了現(xiàn)代酶制劑工業(yè)的序幕，發(fā)酵工程技術發(fā)展使酶的生產(chǎn)得以大規(guī)模發(fā)展。50年代以后，生化工程的發(fā)展,大多數(shù)酶制劑的生產(chǎn)已轉向微生物深層發(fā)酵的方法。酶的應用越來越廣泛。1953年德國科學家首先將聚氨基苯乙烯樹脂與淀粉酶,胃蛋白酶,羧肽酶和核糖核酸酶等結合,制成了固定化酶。酶的應用歷史1949年，日本采用微生物液體深層培養(yǎng)進行細菌α33自然酶在工業(yè)應用上受限制的原因：脫離其生理環(huán)境后不穩(wěn)定酶的分離純化工藝復雜酶制劑成本較高自然酶在工業(yè)應用上受限制的原因：脫離其生理環(huán)境后不穩(wěn)定34酶工程60年代，固定化酶技術迅速發(fā)展的時期。1969年,日本的千煙一郎首次在工業(yè)上應用固定化氨基?；笍腄L-氨基酸生產(chǎn)L-氨基酸。出現(xiàn)了“酶工程”來代表有效利用酶的科學技術領域。固定化酶的研究始于1910年,正式研究于20世紀60年代，70年代已在全世界普遍開展。酶工程60年代，固定化酶技術迅速發(fā)展的時期。35酶工程1971年第一屆國際酶工程學術會議在美國召開,主題即是固定化酶，開展了對微生物細胞固定化的研究。1973年,千煙一郎首次利用固定化的大腸桿菌細胞生產(chǎn)L-天冬氨酸。1978年,日本的鈴木等固定化細胞生產(chǎn)α-淀粉酶研究成功。80年代，發(fā)展了固定化原生質體技術,排除了細胞壁障礙。酶工程1971年第一屆國際酶工程學術會議在美國召開,主題即是36固定化細胞采用固定化細胞生產(chǎn)蛋白酶、糖化酶、果膠酶、溶菌酶、天冬酰胺酶等的研究相繼取得進展。1986年，我國學者郭勇等采用固定化原生質體生產(chǎn)堿性磷酸酶、葡萄糖氧化酶、谷氨酸脫氫酶等的研究相繼成功，為胞內酶的連續(xù)生產(chǎn)開辟新途徑。固定化細胞采用固定化細胞生產(chǎn)蛋白酶、糖化酶、果膠酶、溶菌酶、37酶的非水相催化1984年，克里巴諾夫（Klibanov）等進行了有機介質中酶的催化作用的研究，發(fā)現(xiàn)脂肪酶在有機介質中不但具有催化作用，而且還具有很高的熱穩(wěn)定性，改變了酶只能在水溶液中進行催化的傳統(tǒng)觀念。此后，有機介質中酶的催化作用的研究迅速發(fā)展。酶的非水相催化1984年，克里巴諾夫（Klibanov）等進38酶分子修飾20世紀80年代以來，酶分子修飾技術發(fā)展很快，修飾方法主要有：酶分子主鏈修飾、酶分子側鏈基團修飾、酶分子組成單位置換修飾、酶分子中金屬離子置換修飾和物理修飾等。酶分子修飾20世紀80年代以來，酶分子修飾技術發(fā)展很快，修39酶分子進化隨著易錯PCR（error-pronePCR）技術、DNA重排（DNAshuffling）技術、基因家族重排（genefamilyshuffling）技術等體外基因隨機突變技術以及各種高通量篩選（high-throughoutscreening）技術的發(fā)展，酶定向進化（enzymedirectedevolution）技術已經(jīng)發(fā)展成為改進酶催化特性的強有力手段。酶分子進化隨著易錯PCR（error-pronePCR）技40酶分子進化酶的定向進化是一種快速有效地改進酶的催化特性（底物特異性、酶活性、穩(wěn)定性、對映體選擇性等）的手段，通過酶的定向進化，有可能獲得具有優(yōu)良特性的酶分子。酶的定向進化技術已經(jīng)成為酶工程研究的熱點。經(jīng)過100多年的發(fā)展，酶工程已經(jīng)成為生物工程的主要內容。在世界科技和經(jīng)濟的發(fā)展中起重要作用。酶分子進化酶的定向進化是一種快速有效地改進酶的催化特性（底物41酶工程的主要任務經(jīng)過預先設計，通過人工操作獲得人們所需要的酶，并通過各種方法使酶的催化特性得以改進，充分發(fā)揮其催化功能。酶工程的主要任務經(jīng)過預先設計，通過人工操作獲得人們所需要的酶42

酶工程的研究概況及發(fā)展前景

新酶的研究與開發(fā)自然酶的開發(fā)，自然酶開發(fā)的寶藏是極端環(huán)境微生物和不可培養(yǎng)微生物

核酸類酶的研究與開發(fā)抗體酶的研究與開發(fā)端粒酶的研究與開發(fā)化學酶工程

酶的化學修飾酶的固定化；新載體、新方法、新機理人工合成酶的研制酶工程的研究概況及發(fā)展前景新酶的研究與開發(fā)43酶工程的研究概況及發(fā)展前景生物酶工程

酶基因的克隆和表達酶的遺傳修飾：多位點定點突變技術、酶定向進化技術酶的遺傳設計酶的優(yōu)化生產(chǎn)

酶的高效應用

酶工程的研究概況及發(fā)展前景生物酶工程44第二節(jié)工業(yè)生物技術和生物催化工業(yè)生物技術在現(xiàn)代生物技術中的地位生物催化在工業(yè)生物技術的地位酶工程在生物催化中的地位第二節(jié)工業(yè)生物技術和生物催化工業(yè)生物技術在現(xiàn)代生物技術中的45生物技術醫(yī)藥生物技術農(nóng)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...生物技術的具體應用生物技術醫(yī)藥生物技術生物技術的具體應用46生物技術產(chǎn)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,紅色生物技術農(nóng)業(yè)生物技術:

1996年轉基因大豆、玉米、油菜相繼上市，綠色生物技術

工業(yè)生物技術:

世紀之交,聚交酯、生物鋼、聚乳酸相繼上市，白色生物技術工業(yè)生物技術---邁向發(fā)達國家之戰(zhàn)略生物技術產(chǎn)業(yè)化的三個浪潮醫(yī)藥生物技術:1982年重組人胰47工業(yè)生物技術含意：在工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)過程中使用或部分使用生物技術來實現(xiàn)產(chǎn)品的制造，這種技術是應用微生物和生物催化劑來提供產(chǎn)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)生物技術含意：在工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)過程中使用或部分使用生物技48工業(yè)生物技術發(fā)展空間提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生物能源環(huán)境生物技術生物材料工業(yè)生物技術發(fā)展空間提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)49底物生物反應器檢測控制儀表培養(yǎng)基（滅菌）經(jīng)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(chǎn)品提取純化副產(chǎn)品產(chǎn)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？底物生物反應器檢測控培養(yǎng)基（滅菌）經(jīng)加工酶細胞生物催化劑機械50生物催化化學工業(yè)發(fā)酵工業(yè)輕工業(yè)采礦醫(yī)藥食品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生物催化化學工業(yè)發(fā)酵工業(yè)輕工業(yè)采礦醫(yī)藥食品能源材料生物安全環(huán)51酶工程緒論課件52以生物催化法合成的主要產(chǎn)品

產(chǎn)品名稱產(chǎn)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

6-氨基青霉烷酸以生物催化法合成的主要產(chǎn)品產(chǎn)品名稱產(chǎn)量丙烯酰胺10萬噸/年53生物催化（Biocatalysis)生物催化（biocatalysis）是指利用生物催化劑【酶或者生物有機體（全細胞、細胞器、組織等】作為催化劑進行化學轉化的過程，這種反應過程又稱為生物轉化（biotransformation）。根據(jù)底物復雜度和反應步驟多少分類：發(fā)酵（fermentation)生物轉化（Biotransformation,Bioconversion)

微生物生物轉化、酶生物轉化

生物催化（Biocatalysis)生物催化（biocata54發(fā)酵與生物轉化的區(qū)別發(fā)酵（fermentation)：活細胞培養(yǎng)，原料（糖、淀粉等）轉化為更復雜的目標產(chǎn)物，多步驟酶促反應。生物轉化（Biotransformation,Bioconversion)：酶或靜息細胞，一個或幾個酶催化步驟，底物和產(chǎn)物往往化學結構類似。幾乎不產(chǎn)生副產(chǎn)物、不需要復雜昂貴的發(fā)酵裝置，不必一直進行通風、攪拌和滅菌。底物不會分散用于從頭合成的生物量。發(fā)酵與生物轉化的區(qū)別發(fā)酵（fermentation)：55生物催化的重要意義基于生物催化與生物轉化的物質加工新模式是人類發(fā)展的必然趨勢資源、能源、環(huán)境、社會危機加劇，必須對傳統(tǒng)的基于化學過程的物質加工模式（化學加工和化學制造）進行革命性轉變，轉向以可再生資源為原料的、環(huán)境友好的、高效的生物加工和生物制造模式。生物催化的核心目標是大規(guī)模采用微生物或酶作為催化劑生產(chǎn)化學品、醫(yī)藥產(chǎn)品、能源物質、材料等，最終建立以生物轉化為基礎的新物質加工體系?；瘜W加工業(yè)的兩大挑戰(zhàn)：化石資源枯竭、過程污染和低效。發(fā)展可再生資源作為原料，生物催化劑替代人工的化學催化劑的生物制造，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢，人類社會的一次重大技術革命，其深度的、廣度的、和長遠的影響可與工業(yè)革命相匹敵。生物催化的重要意義基于生物催化與生物轉化的物質加工新模式是人56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。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%。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57趨勢判斷和需求分析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(chǎn)能力。趨勢判斷和需求分析目前生物催化技術已成為各公司爭奪的目標并且58生物催化發(fā)展的主要推動力新產(chǎn)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)-生物分離生物催化發(fā)展的主要推動力新產(chǎn)品需求(社會壓力)59TheBiocatalysisCycleTheBiocatalysisCycle60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)生物催化劑工具盒：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)

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61

生物催化劑發(fā)展的工業(yè)展望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CompetitiveImper62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(chǎn)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(chǎn)酶和輔因子的成本過高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63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隆生物催化劑的發(fā)現(xiàn)微生物64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(jù)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(chǎn)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(chǎn)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)65我國生物催化產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀有機酸、抗生素、維生素、激素、和氨基酸規(guī)模大，其中檸檬酸、味精、維生素C和青霉素等產(chǎn)量世界領先。生物催化生產(chǎn)手性化合物成績卓著。L-蘋果酸、酒石酸、天冬氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、肉堿、D-泛酸、（S）-布洛芬等。我國基本上停留在利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)簡單代謝物的水平（有機酸、氨基酸）上，在精細化學品（包括藥物中間體）方面普遍落后于發(fā)達國家。我國生物催化產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀有機酸、抗生素、維生素、激素、和氨基酸規(guī)66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。美國規(guī)劃，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%。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67第三節(jié)：國內外酶制劑工業(yè)概況一．國內外酶制劑生產(chǎn)和應用現(xiàn)狀二．國內外酶制劑生產(chǎn)應用差異三．我國酶制劑工業(yè)的若干對策建議第三節(jié)：國內外酶制劑工業(yè)概況一．國內外酶制劑生產(chǎn)和應用現(xiàn)狀68一．國內外酶制劑生產(chǎn)和應用現(xiàn)狀1.世界酶制劑公司NovoNordisk（丹麥）GenencorInternational(美國）Cuitor(芬蘭）三大公司銷售額占世界總額的70%一．國內外酶制劑生產(chǎn)和應用現(xiàn)狀1.世界酶制劑公司69諾維信酶制劑公司，全球最大的酶制劑公司。公司產(chǎn)品占有中國50%的工業(yè)酶制劑市場。總公司位于丹麥，在天津有它的生產(chǎn)基地，并在全國都有分廠和合作工廠。世界第二大酶制劑公司genencor已被丹尼斯克收購；德國AB酶制劑公司;比利時BELDEM諾維信酶制劑公司，全球最大的酶制劑公司。公司產(chǎn)品占有中國5070國際市場酶制劑銷售額比例

國際市場酶制劑銷售額比例71國內酶制劑銷售額比例國內酶制劑銷售額比例72二我國酶工業(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(chǎn)二我國酶工業(yè)發(fā)展階段1.1965無錫酶制劑廠淀粉73我國比較知名的酶制劑公司浙江錢江生物化學股份有限公司安徽豐原生物化學股份有限公司無錫市杰能科生物工程有限公司河北勝利酶制劑有限公司宜興市生物工程公司湖南尤特爾生化有限公司廣東省江門生物技術開發(fā)中心岳陽浩潤科技有限公司北京東華強盛生物技術有限公司我國比較知名的酶制劑公司浙江錢江生物化學股份有限公司74國內酶制劑銷售額比例國內酶制劑銷售額比例75二．國內外酶制劑生產(chǎn)應用差異1．規(guī)模：國外多公司重組，國內重復建設、效益低2.投入：國外：開發(fā)經(jīng)費高達15%，甚至19%銷售額；國內：研究、開發(fā)投入不足，占1%銷售額3.開發(fā)重點：國外：大力研制、開發(fā)新酶種和新用途；國內：品種少、劑型少二．國內外酶制劑生產(chǎn)應用差異1．規(guī)模：國外多公司重組，國76三．我國酶制劑工業(yè)的若干對策建議

1．走集約化、規(guī)?；?jīng)營2．加大科研投入3．發(fā)展具有自己知識產(chǎn)權的新技術4.調整產(chǎn)品結構、大力開發(fā)新品種三．我國酶制劑工業(yè)的若干對策建議

77杰能科:占中國紡織酶制劑市場的三分之一

美國杰能科公司是一家高科技、多元化生物技術跨國公司，也是紡織品酶制劑的專業(yè)公司。公司成立于1989年，是全球第二大工業(yè)酶制劑生產(chǎn)廠商，有1500名員工，總部在美國，亞太總部在新加坡。2003年杰能科公司的全球銷售額為3.8億美元，產(chǎn)品覆蓋紡織加工，糧食加工和洗滌劑三大領域。用于紡織加工的產(chǎn)品包括：退漿酶，Optisize和OptisizeHT系列；基因改性纖維素酶，IndiAgeMax和IndiAgeSuper系列；全纖維素酶，Primifast系列，去雙氧水酶，CatalastT100和OxygonePlus，蛋白酶，ProtexOXG。杰能科:占中國紡織酶制劑市場的三分之一

美國杰能科公司是一家781999年，杰能科公司的酶制劑正式進入中國市場，酶制劑特別是各種不同品種的纖維素酶的使用，改變了中國牛仔褲加工中單一的處理風格，大大提高了產(chǎn)品檔次，無論是產(chǎn)品的高對比度，低背面沾色的基因改性纖維素酶，還是起花速度快的全纖維素酶，都給使用者提供了極大的靈活性，使紡織工程師變成了藝術家，不斷整理出風格迥異的牛仔褲。1999年，杰能科公司的酶制劑正式進入中國市場，酶制劑特別是79在提倡環(huán)保的時代，杰能科公司適時推出了低溫纖維素酶，使后整理的溫度降低了約15℃-20℃，特別是CATALASET100去雙氧水酶工藝代替了傳統(tǒng)的化學去雙氧水法，使針織布染色過程的用水量減少了1/3。2002年推出的Primifast系列產(chǎn)品大大降低了處理時間和成本，滿足了大眾的需要。到2003年底，杰能科公司在中國紡織酶制劑的市場份額超過了30%，換句話來形容就是在每3個人穿的牛仔褲中，就有一條是用杰能科公司的產(chǎn)品整理的。這個數(shù)字背后蘊藏著杰能科公司在中國的艱辛歷程以及對中國紡織業(yè)的貢獻。

在提倡環(huán)保的時代，杰能科公司適時推出了低溫纖維素酶，使后整理80目前杰能科公司在中國有員工約200名，有北京、上海、廣州三個辦事處及無錫工廠。2005年1月，杰能科公司在中國無錫的新工廠奠基了，這是杰能科公司迄今為止在海外的最大的一筆投資，新廠建成后，產(chǎn)品不僅滿足國內市場的需求，而且將出口到全球市場。目前杰能科公司在中國有員工約200名，有北京、上海、廣州三個81酶的應用歷史1960年，法國的雅各布（Jacob）和莫諾德（Monod）提出操縱子學說，闡明了酶生物合成的調節(jié)機制，從而顯著提高了酶的產(chǎn)率。20世紀80年代迅速發(fā)展起來的動植物細胞培養(yǎng)技術，繼微生物發(fā)酵生產(chǎn)酶之后，已成為酶生產(chǎn)的又一種途徑。隨著酶生產(chǎn)的發(fā)展，酶的應用越來越來廣泛。由于酶具有專一性強、催化效率高、作用條件溫和等顯著的特點，在醫(yī)學、食品、輕工、能源、環(huán)保和科研等領域廣泛應用。酶的應用歷史1960年，法國的雅各布（Jacob）和莫諾德（82第一章緒論第一節(jié)

酶工程的研究內容第二節(jié)

生物催化第三節(jié)國內外酶制劑工業(yè)概況第一章緒論第一節(jié)酶工程的研究內容83第一節(jié)研究內容一．概念二．酶工程研究簡史三．研究內容第一節(jié)研究內容一．概念84酶的新概念：酶是具有生物催化功能的生物大分子（蛋白質或RNA）。按照酶的化學組成，酶有兩大類別：蛋白類酶（P酶）：主要由蛋白質組成核酸類酶（R酶）：主要由核糖核酸組成一．概念酶的新概念：一．概念85酶學與酶工程（一）酶學(enzymology)：是生物化學的分支學科。

研究內容：酶的組成、結構、性質、功能、生物學合成及其調節(jié)等方面的基本理論和基本知識。（二）酶工程(enzymeengineering)：指酶的生產(chǎn)和應用的技術過程。酶學理論在工程方面的實際應用。

研究內容：酶的生物生產(chǎn)、酶的提取與分離純化、酶和細胞固定化、酶的分子修飾、酶的非水相催化、酶反應器和酶的應用。酶學與酶工程（一）酶學(enzymology)：是生物化學的86酶的生產(chǎn)（enzymeproduction）是指通過各種方法獲得人們所需酶的技術過程，主要包括微生物發(fā)酵產(chǎn)酶、動植物培養(yǎng)產(chǎn)酶和酶的提取與分離純化等。提取分離法生物合成法化學合成法酶的生產(chǎn)方法酶的生產(chǎn)（enzymeproduction）是指通過各種方87酶的生產(chǎn)方法提取分離法(Extraction)生物合成(Biosynthesis)化學合成(chemicalsynthesis)SOD-bloodPapain-PapayaChymotrypsin-Pancrea……organ/tissue/cellAmylasefromBacillusProteasefromBacillusPhosphatasefromBacillusGlucoamylasefromAspergillus……PlantcellcultureAnimalcellcultureFewexample酶的生產(chǎn)方法提取分離法生物合成化學合成SOD-blood88酶工程緒論課件89酶的改性（enzymeimproving）是通過各種方法改進酶的催化特性的技術過程，主要包括酶分子修飾、酶固定化、酶非水相催化和酶定向進化等。酶的應用（enzymeapplication）是通過酶的催化作用獲得人們所需的物質或者除去不良物質的技術過程，主要包括酶反應器的選擇與設計以及酶在各個領域的應用等。酶的改性（enzymeimproving）是通過各種方法改90酶的固定化

菌種→擴大培養(yǎng)→發(fā)酵→發(fā)酵酶液→酶的提取→酶成品

原料→前處理→殺菌→酶反應器←↓

反應液→產(chǎn)品提取→產(chǎn)品酶工程基本過程酶的固定化酶工程基本過程91酶工程研究內容1、酶制劑的大批量生產(chǎn)2、酶制劑的分離、提純3、酶分子改造與化學修飾，模擬酶、抗體酶等的研究（化學酶工程）（生物酶工程）4、酶與細胞固定化5、酶的非水相催化6、酶的應用性開發(fā)酶工程研究內容1、酶制劑的大批量生產(chǎn)92⒈酶制劑的生產(chǎn)

2.酶制劑的分離、提純工業(yè)用酶制劑一般是從細菌、酵母、植物和動物細胞中生產(chǎn)并且需要分離、提純。影響其價格的因素，主要是分離、純化過程，其費用通常占生產(chǎn)成本的50％～70％，甚至高達90％。分離步驟多、耗時長，往往成為制約生產(chǎn)的“瓶頸”。尋求經(jīng)濟適用的分離純化技術，成為熱點。⒈酶制劑的生產(chǎn)

2.酶制劑的分離、提純工業(yè)用酶制劑一般是93目前已發(fā)現(xiàn)和鑒定的酶有8000多種，但大規(guī)模生產(chǎn)和應用的商品酶只有數(shù)十種。傳統(tǒng)酶在工業(yè)上受到一些限制：①穩(wěn)定性②酶的分離純化工藝復雜，造價高

目前已發(fā)現(xiàn)和鑒定的酶有8000多種，但大規(guī)模生產(chǎn)和應用的商品94(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(一）化學酶工程1自然酶的開發(fā)95（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（二）生物酶工程1酶基因的克隆表達963.1化學酶工程（1）化學修飾酶可以改善酶的性能，以適用于醫(yī)藥的應用及研究工作的要求。化學修飾酶的功能基：如α-胰凝乳蛋白酶表面的游離氨基修飾成親水性更強-NHCH2COOH,使酶抗不可逆熱失活的穩(wěn)定性在60℃提高1000倍；大分子修飾：可溶性高分子化合物如肝素、葡聚糖、聚乙二醇可修飾酶蛋白的側鏈，提高酶的穩(wěn)定性，改變酶的一些重要性質。3.1化學酶工程（1）化學修飾酶97（2）人工模擬酶利用有機化學的方法合成一些比酶簡單的非蛋白質分子，可以模擬酶對底物的絡合和催化過程，既可達到酶催化的高效性，又可克服酶的不穩(wěn)定性。酶的模擬工作可分為3個層次：(1)合成有類似酶活性的簡單絡合物；(2)酶活性中心模擬；(3)整體模擬，即包括微環(huán)境在內的整個酶活性部位的化學模擬。目前用于構建模擬酶的這類酶模型分子有環(huán)糊精、冠醚、穴醚、籠醚、卟啉、大環(huán)番等。利用環(huán)糊精已成功地模擬了胰凝乳蛋白酶、核糖核酸酶、轉氨酶、碳酸酐酶等。（2）人工模擬酶利用有機化學的方法合成一些比酶簡單的非蛋白質981985年Bender等人成功制備了名為-benzyme的胰凝乳蛋白模擬酶。-環(huán)糊精模擬酶催化反應的速率與傳統(tǒng)酶近似，但熱穩(wěn)定性與酸堿穩(wěn)定性大大優(yōu)于天然酶。OH1985年Bender等人成功制備了名為-benzyme的99（3）抗體酶以過渡態(tài)類似物作為半抗原，誘發(fā)的抗體即與該類似物有著互補的構象，這種抗體與底物結合后，即可誘導底物進入過渡態(tài)構象，從而引起催化作用抗體酶的出現(xiàn)為生物學、化學和醫(yī)學提供具有高度特異性的人工生物催化劑，并可以根據(jù)需要獲得催化某些不能被酶催化或較難被催化的反應的催化劑?？贵w酶的出現(xiàn)，意味著有可能出現(xiàn)簡單有效的方法，從而可憑主觀愿望來設計蛋白質（人工裁制）（3）抗體酶以過渡態(tài)類似物作為半抗原，誘發(fā)的抗體即與該類1003.2生物酶工程酶學與現(xiàn)代分子生物學技術相結合，主要包括：用基因工程技術大量生產(chǎn)酶（克隆酶）；對酶基因進行修飾，產(chǎn)生遺傳修飾酶（突變酶);設計新的酶基因，合成自然界即不曾有的新酶。3.2生物酶工程酶學與現(xiàn)代分子生物學技術相結合，主要包括：101用基因工程技術大量生產(chǎn)酶（克隆酶）在表達載體，通過發(fā)酵方法大量生產(chǎn)所需要的酶與載體連接克隆目的基因用于醫(yī)藥或工業(yè)上的尿激酶原、組織纖溶酶原激活劑、凝乳酶、α-淀粉酶、青霉素G?；傅榷伎捎么朔ù罅揩@得。用基因工程技術大量生產(chǎn)酶（克隆酶）在表達載體，通過發(fā)酵方法大102對酶基因進行修飾，產(chǎn)生遺傳修飾酶（突變酶)通過定點誘變技術，能產(chǎn)生被改造的新酶；可改變酶的催化活性、底物專一性、最適PH;改變含金屬酶的氧化還原能力；改變酶的別構調節(jié)功能；改變酶對輔酶的要求；提高酶的穩(wěn)定性例如將枯草桿菌蛋白酶的第99位門冬氨酸及156位谷氨酸替換為賴氨酸后，使這個酶在pH7時的活力提高了1倍，在pH6時活力提高了10倍。例如,將T4溶菌酶的第51位蘇氨酸轉變成脯氨酸,使酶活力提高了25倍。對酶基因進行修飾，產(chǎn)生遺傳修飾酶（突變酶)通過定點誘變技術，1034、酶與細胞固定化一般酶催化反應是在水溶液中進行的，而固定化酶是將水溶性酶用物理或化學方法處理，使之成為不溶于水的，但仍具有酶活性的狀態(tài)。其中固定化酶技術是酶工程的核心。實際上有了酶的固定化技術，酶在工業(yè)生產(chǎn)中的利用價值才真正得以體現(xiàn)。

4、酶與細胞固定化一般酶催化反應是在水溶液中進行的，而固定104酶固定化之后，不僅具有高的催化效率和高度專一性，而且提高了對酸堿和溫度的穩(wěn)定性，增加了酶的使用壽命；反應后易于反應產(chǎn)物分離，減少了產(chǎn)物分離純化的困難，從而提高產(chǎn)量和質量。因此固定化酶已成為酶應用的主要形式。固定化酶已在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、分析、親和層析、能源開發(fā)、環(huán)保和理論研究方面得到廣泛應用。酶固定化之后，不僅具有高的催化效率和高度專一性，而且提高了對105◆酶在非水相介質中催化反應的研究:在理論上進行了非水介質（包括有機溶劑介質，超臨界流體介質，氣相介質，離子液介質等）中酶的結構與功能、非水介質中酶的作用機制，非水介質中酶催化作用動力學等方面的研究，初步建立起非水酶學（non-aqueousenzymology）的理論體系?！舴撬橘|中酶催化作用的應用研究，取得顯著成果。5、酶的非水相催化5、酶的非水相催化1066、酶的應用研究酶工程的應用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。6、酶的應用研究酶工程的應用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及107食品工業(yè)：β-淀粉酶水解淀粉產(chǎn)生麥芽糖，用來生產(chǎn)高麥芽糖漿（糖果、果脯、餅干、面包等代替飴糖和蔗糖）a-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡糖異構酶這三個酶連續(xù)作用于淀粉，就可以代替蔗糖生產(chǎn)出高果糖漿醫(yī)用針劑麥芽糖，麥芽糖醇，麥芽糊精等。食品工業(yè)：108凝乳酶與奶酪生產(chǎn)

啤酒的制作凝乳酶與奶酪生產(chǎn)

啤酒的制作109輕工業(yè)：

酶用于洗滌劑制造----加酶洗衣服

在護膚品中添加SOD，清除皮膚表面的超氧自由基可抗衰老蛋白酶用于皮革脫毛膠輕工業(yè)：酶用于洗滌劑制造----加酶洗衣服110醫(yī)藥：

診斷---可根據(jù)體液中酶活性的變化診斷疾病，一般健康人體液中所含的某一種酶的量是恒定在某一范圍的，若發(fā)生變化則可能得病，如谷丙轉氨酶活性升高，可能的肝炎治療---有些消化藥中，往往用胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶與淀粉酶、脂肪酶等制成復合制劑，增加療效醫(yī)藥：

診斷---可根據(jù)體液中酶活性的變化診斷疾病，一般健康111二、酶的研究簡史1897年，德國巴克納Buchner兄弟用石英砂磨碎酵母細胞，制備的抽提液，并證明不含細胞的酵母提取液也能使糖發(fā)酵，說明發(fā)酵與細胞的活動無關。從而說明發(fā)酵是酶作用的化學本質，為此Buchner獲得了1911年諾貝爾化學獎。1896年,日本的高峰讓吉首先從米曲霉中制得高峰淀粉酶,用作消化劑,開創(chuàng)了有目的的進行酶生產(chǎn)和應用的先例。二、酶的研究簡史1897年，德國巴克納Buchner兄弟用石112酶的研究歷史1878年,給酶一個統(tǒng)一的名詞，叫Enzyme，這個字來自希臘文，其意思“在酵母中”。酶的作用機理及酶的本質做了深入研究，1930年，證實酶是一種蛋白質；80年代初發(fā)現(xiàn)了具有催化功能的RNA——核酶，打破了酶是蛋白質的傳統(tǒng)觀念，開辟了酶學研究的新領域，現(xiàn)已鑒定出4000多種酶，數(shù)百種酶已得到結晶，而且每年都有新酶被發(fā)現(xiàn)。酶的研究歷史1878年,給酶一個統(tǒng)一的名詞，叫Enzyme113酶的應用歷史1908年,德國的羅姆制得胰酶,用于皮革的軟化。1908年,法國的波伊登(Boidin)制備了細菌淀粉酶,應用于紡織品的退漿。1911年,美國的華勒斯坦(Wallestein)制得木瓜蛋白酶,用于除去啤酒中的蛋白質渾濁。在50年代以前停留在從微生物，動物或植物中提取酶,加以利用階段。特點：生產(chǎn)力落后,生產(chǎn)工藝較繁雜,難以進行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。酶的應用歷史1908年,德國的羅姆制得胰酶,用于皮革的軟化。114酶的應用歷史1949年，日本采用微生物液體深層培養(yǎng)進行細菌α-淀粉酶的發(fā)酵生產(chǎn)，揭開了現(xiàn)代酶制劑工業(yè)的序幕，發(fā)酵工程技術發(fā)展使酶的生產(chǎn)得以大規(guī)模發(fā)展。50年代以后，生化工程的發(fā)展,大多數(shù)酶制劑的生產(chǎn)已轉向微生物深層發(fā)酵的方法。酶的應用越來越廣泛。1953年德國科學家首先將聚氨基苯乙烯樹脂與淀粉酶,胃蛋白酶,羧肽酶和核糖核酸酶等結合,制成了固定化酶。酶的應用歷史1949年，日本采用微生物液體深層培養(yǎng)進行細菌α115自然酶在工業(yè)應用上受限制的原因：脫離其生理環(huán)境后不穩(wěn)定酶的分離純化工藝復雜酶制劑成本較高自然酶在工業(yè)應用上受限制的原因：脫離其生理環(huán)境后不穩(wěn)定116酶工程60年代，固定化酶技術迅速發(fā)展的時期。1969年,日本的千煙一郎首次在工業(yè)上應用固定化氨基?；笍腄L-氨基酸生產(chǎn)L-氨基酸。出現(xiàn)了“酶工程”來代表有效利用酶的科學技術領域。固定化酶的研究始于1910年,正式研究于20世紀60年代，70年代已在全世界普遍開展。酶工程60年代，固定化酶技術迅速發(fā)展的時期。117酶工程1971年第一屆國際酶工程學術會議在美國召開,主題即是固定化酶，開展了對微生物細胞固定化的研究。1973年,千煙一郎首次利用固定化的大腸桿菌細胞生產(chǎn)L-天冬氨酸。1978年,日本的鈴木等固定化細胞生產(chǎn)α-淀粉酶研究成功。80年代，發(fā)展了固定化原生質體技術,排除了細胞壁障礙。酶工程1971年第一屆國際酶工程學術會議在美國召開,主題即是118固定化細胞采用固定化細胞生產(chǎn)蛋白酶、糖化酶、果膠酶、溶菌酶、天冬酰胺酶等的研究相繼取得進展。1986年，我國學者郭勇等采用固定化原生質體生產(chǎn)堿性磷酸酶、葡萄糖氧化酶、谷氨酸脫氫酶等的研究相繼成功，為胞內酶的連續(xù)生產(chǎn)開辟新途徑。固定化細胞采用固定化細胞生產(chǎn)蛋白酶、糖化酶、果膠酶、溶菌酶、119酶的非水相催化1984年，克里巴諾夫（Klibanov）等進行了有機介質中酶的催化作用的研究，發(fā)現(xiàn)脂肪酶在有機介質中不但具有催化作用，而且還具有很高的熱穩(wěn)定性，改變了酶只能在水溶液中進行催化的傳統(tǒng)觀念。此后，有機介質中酶的催化作用的研究迅速發(fā)展。酶的非水相催化1984年，克里巴諾夫（Klibanov）等進120酶分子修飾20世紀80年代以來，酶分子修飾技術發(fā)展很快，修飾方法主要有：酶分子主鏈修飾、酶分子側鏈基團修飾、酶分子組成單位置換修飾、酶分子中金屬離子置換修飾和物理修飾等。酶分子修飾20世紀80年代以來，酶分子修飾技術發(fā)展很快，修121酶分子進化隨著易錯PCR（error-pronePCR）技術、DNA重排（DNAshuffling）技術、基因家族重排（genefamilyshuffling）技術等體外基因隨機突變技術以及各種高通量篩選（high-throughoutscreening）技術的發(fā)展，酶定向進化（enzymedirectedevolution）技術已經(jīng)發(fā)展成為改進酶催化特性的強有力手段。酶分子進化隨著易錯PCR（error-pronePCR）技122酶分子進化酶的定向進化是一種快速有效地改進酶的催化特性（底物特異性、酶活性、穩(wěn)定性、對映體選擇性等）的手段，通過酶的定向進化，有可能獲得具有優(yōu)良特性的酶分子。酶的定向進化技術已經(jīng)成為酶工程研究的熱點。經(jīng)過100多年的發(fā)展，酶工程已經(jīng)成為生物工程的主要內容。在世界科技和經(jīng)濟的發(fā)展中起重要作用。酶分子進化酶的定向進化是一種快速有效地改進酶的催化特性（底物123酶工程的主要任務經(jīng)過預先設計，通過人工操作獲得人們所需要的酶，并通過各種方法使酶的催化特性得以改進，充分發(fā)揮其催化功能。酶工程的主要任務經(jīng)過預先設計，通過人工操作獲得人們所需要的酶124

酶工程的研究概況及發(fā)展前景

新酶的研究與開發(fā)自然酶的開發(fā)，自然酶開發(fā)的寶藏是極端環(huán)境微生物和不可培養(yǎng)微生物

核酸類酶的研究與開發(fā)抗體酶的研究與開發(fā)端粒酶的研究與開發(fā)化學酶工程

酶的化學修飾酶的固定化；新載體、新方法、新機理人工合成酶的研制酶工程的研究概況及發(fā)展前景新酶的研究與開發(fā)125酶工程的研究概況及發(fā)展前景生物酶工程

酶基因的克隆和表達酶的遺傳修飾：多位點定點突變技術、酶定向進化技術酶的遺傳設計酶的優(yōu)化生產(chǎn)

酶的高效應用

酶工程的研究概況及發(fā)展前景生物酶工程126第二節(jié)工業(yè)生物技術和生物催化工業(yè)生物技術在現(xiàn)代生物技術中的地位生物催化在工業(yè)生物技術的地位酶工程在生物催化中的地位第二節(jié)工業(yè)生物技術和生物催化工業(yè)生物技術在現(xiàn)代生物技術中的127生物技術醫(yī)藥生物技術農(nóng)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...生物技術的具體應用生物技術醫(yī)藥生物技術生物技術的具體應用128生物技術產(chǎn)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,紅色生物技術農(nóng)業(yè)生物技術:

1996年轉基因大豆、玉米、油菜相繼上市，綠色生物技術

工業(yè)生物技術:

世紀之交,聚交酯、生物鋼、聚乳酸相繼上市，白色生物技術工業(yè)生物技術---邁向發(fā)達國家之戰(zhàn)略生物技術產(chǎn)業(yè)化的三個浪潮醫(yī)藥生物技術:1982年重組人胰129工業(yè)生物技術含意：在工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)過程中使用或部分使用生物技術來實現(xiàn)產(chǎn)品的制造，這種技術是應用微生物和生物催化劑來提供產(chǎn)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)生物技術含意：在工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)過程中使用或部分使用生物技130工業(yè)生物技術發(fā)展空間提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生物能源環(huán)境生物技術生物材料工業(yè)生物技術發(fā)展空間提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)131底物生物反應器檢測控制儀表培養(yǎng)基（滅菌）經(jīng)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(chǎn)品提取純化副產(chǎn)品產(chǎn)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？底物生物反應器檢測控培養(yǎng)基（滅菌）經(jīng)加工酶細胞生物催化劑機械132生物催化化學工業(yè)發(fā)酵工業(yè)輕工業(yè)采礦醫(yī)藥食品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生物催化化學工業(yè)發(fā)酵工業(yè)輕工業(yè)采礦醫(yī)藥食品能源材料生物安全環(huán)133酶工程緒論課件134以生物催化法合成的主要產(chǎn)品

產(chǎn)品名稱產(chǎn)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

6-氨基青霉烷酸以生物催化法合成的主要產(chǎn)品產(chǎn)品名稱產(chǎn)量丙烯酰胺10萬噸/年135生物催化（Biocatalysis)生物催化（biocatalysis）是指利用生物催化劑【酶或者生物有機體（全細胞、細胞器、組織等】作為催化劑進行化學轉化的過程，這種反應過程又稱為生物轉化（biotransformation）。根據(jù)底物復雜度和反應步驟多少分類：發(fā)酵（fermentation)生物轉化（Biotransformation,Bioconversion)

微生物生物轉化、酶生物轉化

生物催化（Biocatalysis)生物催化（biocata136發(fā)酵與生物轉化的區(qū)別發(fā)酵（fermentation)：活細胞培養(yǎng)，原料（糖、淀粉等）轉化為更復雜的目標產(chǎn)物，多步驟酶促反應。生物轉化（Biotransformation,Bioconversion)：酶或靜息細胞，一個或幾個酶催化步驟，底物和產(chǎn)物往往化學結構類似。幾乎不產(chǎn)生副產(chǎn)物、不需要復雜昂貴的發(fā)酵裝置，不必一直進行通風、攪拌和滅菌。底物不會分散用于從頭合成的生物量。發(fā)酵與生物轉化的區(qū)別發(fā)酵（fermentation)：137生物催化的重要意義基于生物催化與生物轉化的物質加工新模式是人類發(fā)展的必然趨勢資源、能源、環(huán)境、社會危機加劇，必須對傳統(tǒng)的基于化學過程的物質加工模式（化學加工和化學制造）進行革命性轉變，轉向以可再生資源為原料的、環(huán)境友好的、高效的生物加工和生物制造模式。生物催化的核心目標是大規(guī)模采用微生物或酶作為催化劑生產(chǎn)化學品、醫(yī)藥產(chǎn)品、能源物質、材料等，最終建立以生物轉化為基礎的新物質加工體系?；瘜W加工業(yè)的兩大挑戰(zhàn)：化石資源枯竭、過程污染和低效。發(fā)展可再生資源作為原料，生物催化劑替代人工的化學催化劑的生物制造，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢，人類社會的一次重大技術革命，其深度的、廣度的、和長遠的影響可與工業(yè)革命相匹敵。生物催化的重要意義基于生物催化與生物轉化的物質加工新模式是人138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。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%。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139趨勢判斷和需求分析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(chǎn)能力。趨勢判斷和需求分析目前生物催化技術已成為各公司爭奪的目標并且140生物催化發(fā)展的主要推動力新產(chǎn)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)-生物分離生物催化發(fā)展的主要推動力新產(chǎn)品需求(社會壓力)141TheBiocatalysisCycleTheBiocatalysisCycle142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)生物催化劑工具盒：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)

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143

生物催化劑發(fā)展的工業(yè)展望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CompetitiveImper144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(chǎn)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(chǎn)酶和輔因子的成本過高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145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隆生物催化劑的發(fā)現(xiàn)微生物146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(jù)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(chǎn)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(chǎn)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)147我國生物催化產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀有機酸、抗生素、維生素、激素、和氨基酸規(guī)模大，其中檸檬酸、