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Enzyme Engineering
酶工程
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第一章 绪论
?第一节 生物催化
?第二节 酶工程的研究内容
?第三节 国内外酶制剂工业概况
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生物学
化学
工程 工程学 化学
生物
工程
生物
化学 生物
技术
第一节 生物催化
新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生
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生物技术
医药生物技术
农业生物技术
工业生物技术
环境生物技术
材料生物技术,
,,
用生物或生物分子机器生产产品和解决问题
生物技术的具体应用
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生物技术产业化的三个浪潮
医药生物技术, 1982年重组人胰岛素上市
农业生物技术, 1996年转基因大豆、玉米、油
菜相继上市
工业生物技术, 世纪之交聚交酯、生物钢、聚
乳酸相继上市
工业生物技术 ---迈向发达国家之战略
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工业生物技术
? 含意:在工业规模的生产过程中使用或部
分使用生物技术来实现产品的制造,这种
技术是应用微生物和生物催化剂来提供产
品和服务
? 核心目标:大规模利用生物体系(如细胞
或酶)作为催化剂实现物质转化
工业生物技术是生物技术的重要组成部分
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工业生物技术发展空间
提升传统产业
生物能源
环境生物技术
生物材料
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底物
生物反应器
检测控
制仪表
培养基
(灭菌)
经加工
原料
酶 细胞
生物催化剂
(游离或固定化)
机械能


空气
产品提取纯化
副产品
产品
废物
热能 原材料
营养物
典型工业生物技术过程
核心技术?
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生物催化 ( Biocatalysis)
? 利用酶或有机体 ( 细胞或细胞器等 )
作为催化剂实现化学转化的过程 。
生物转化( Biotransformation)
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生物催化
化学工业 发酵工业
轻工业
采矿
医药
食品
能源
材料
生物安全
环境
生物催化是工业生物技术的核心技术
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以生物催化法合成的主要产品
产品名称 产量
丙烯酰胺 10万吨 /年
聚乳酸 1.3万吨 /年
阿斯巴甜 2万吨 /年
生物柴油与汽油 1000万吨 /年
抗菌素中间体 6- APA 0.9万吨 /年
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趋势判断和需求分析
? 生物催化剂在精细化学品市场中呈现强
劲的增长势头。
? 到 2020年,通过生物催化技术,将实现
化学工业的原料消耗、水资源消耗、能量
消耗降低 30%,污染物的排放和污染扩散
减少 30%。
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趋势判断和需求分析
? 目前生物催化技术已成为各公司争夺的目标
并且已成为一些公司谋求发展和提升地位的
工具 。
? Degussa,DSM,Roche,BASF,Dow、
Lonza等许多跨国公司都在积极采取措施,
扩大他们在生物催化领域里的生产能力。
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生物催化发展的主要推动力
新产品需求 (社会压力 )
-健康:医药、检测
-日用品:洗涤用品、乳品、生物可降解塑料
环境 (法律法规压力 )
-绿色化学、能源、温室效应
新发现或基础研究 (技术压力)
-基因工程 /定点突变 /定向进化、代谢工程、组合化学
得益 /成本降低 (商业压力 )
-生物分离
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The Biocatalysis Cycle
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生物催化剂工程的目标
? 开发生物催化剂:催化性能更好、更快,成
本更低
? 开发生物催化剂工具合:催化反应更广泛,
功能更多样
? 改善性能, 稳定性,活性,溶剂兼容性
? 开发分子模型, 新酶的快速重新设计
? 创造新技术, 用于新生物催化剂的开发
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生物催化剂发展的工业展望
Competitive
Imperative
Current Chemical
Varieties
Current
Biocatalyst
s
Biocatalyst of
the Future
Speed to Market 2-5 years 10 years 2-3 years
Cost to
Manufacture
$1-10/kg $10-100/kg $1-3/kg
Range of
Products
Broad Narrow Broad
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生物催化剂工程技术瓶颈
? 对生物催化剂作用机理缺乏深入的认识
? 对次级代谢产物代谢途径(包括途径间相互
关系)缺乏理解
? 细胞工程化的方法十分有限(即代谢工程)
? 生产酶和辅因子的成本过高
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当前生物催化的研究热点
? 新酶或已有酶的新功能的开发
? 根据已有底物开发新的酶反应
? 利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能
? 利用重组 DNA技术大规模生产生物催化剂
? 利用有机溶剂或共溶剂开发新的反应体系
? 体内或体外合成的多酶体系
? 克服底物和产物抑制
? 精细化工品或医药合成技术的放大
? 辅因子再生
? 生物催化剂的修饰
? 生物催化剂的固定化
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生物催化剂高效生产与催化功能研究
? 强化微生物细胞培养与发酵的调控措施,研
究酶的诱导策略
? 实现生物催化剂的自主和规模生产
? 分析生物催化剂所催化的特定基团 开辟全新
的生物催化反应
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第一节结束
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第二节 研究内容
? 一.概念,
? 二.酶学研究简史
? 三.研究内容
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一,概念,
? 酶工程( Enzyme Engineering)
? 从应用目的出发研究酶,在一定的生物反应装置中利用
酶的催化性质,将相应原料转化成有用的物质。是酶学
和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学,是酶
学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而产生的
边缘科学。
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生物催化剂的发现
微生物
? 可培养微生物酶资源的开发利用
? 不可培养微生物酶资源的开发利用
基因
? 已知基因的克隆
? 未知基因的克隆
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二, 酶学研究简史
? 1878 德国的 Kuhne 定义 Enzyme 原意为在酵母中
? 1926 美国的 Sumner从刀豆中得到脲酶结晶( 1947年诺
贝尔奖)
? 1970 美国的 Smith 发现限制性内切酶( 1979年诺贝尔奖)
? 1969 日本固定化氨基酰化酶,第一次将固定化酶成功地
应用于工业生产。 —— 酶工程诞生
? 1986 美国 核酶发现获得诺贝尔奖
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三,研究内容
? (一)化学酶工程
? (二)生物酶工程
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(一)化学酶工程
? 1 自然酶的开发
? 2 酶的化学修饰
? 3 酶的固定化
? 4 人工合成酶的研究
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(二)生物酶工程
? 1 酶基因的克隆表达
? 2 酶的遗传修饰
? 3 酶的遗传设计
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本课程主要讲述内容
? 以下是必修板块
? 1 酶的抑制作用
? 2 固定化酶
? 3 有机介质中的酶促反应
? 4 酶的化学修饰
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本课程主要讲述内容
? 以下是选学板块
? 核酶和抗体酶
? 酶的定向进化与稳定性研究
? 酶的人工模拟
? 酶的工业化应用
? 同工酶与气体酶学
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第二节结束
? 概念,
? 酶学研究简史
? 研究内容
1,化学酶工程
2,生物酶工程
1 自然酶的开发
2 酶的化学修饰
3 酶的固定化
4 人工合成酶的研究
1 酶基因的克隆表达
2 酶的遗传修饰
3 酶的遗传设计
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第二节结束
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第三节:国内外酶制剂工业概况
? 一,国内外酶制剂生产和应用现状
? 二,国内外酶制剂生产应用差异
? 三,我国酶制剂工业的若干对策建议
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一,国内外酶制剂生产和应用现状
? 1 世界三大酶制剂公司
? Novo Nordisk (丹麦)
? Genencor International(美国)
? Cuitor(芬兰)
? 三大公司销售额占世界总额的 70%
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洗涤剂用酶
纺织用酶
乳制品用酶
酿酒用酶
饲料用酶
焙烤食品用酶
其它行业用酶
洗涤剂用酶
纺织用酶
乳制品用酶
酿酒用酶
饲料用酶
焙烤食品用酶
其它行业用酶
国际市场酶制剂销售额比例
2001年工业酶制剂的世界市场约为 15亿美元
用于制药工业与精细化学工业约 1.2亿 ~1.5亿美元
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二 我国酶工业发展阶段
? 1 1965 无锡酶制剂厂 淀粉酶
? 2 1979 糖化酶
? 3 碱性蛋白酶
? 4 中性蛋白酶
? 5 1993 耐高温淀粉酶
? 6 1998 国外大公司纷纷入驻 1999年投产
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国内酶制剂销售额比例
洗涤剂用酶 淀粉、酒精用酶 其它
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二.国内外酶制剂生产应用差异
? 1,规模:国外多公司重组
? 国内重复建设、效益低
? 2 投入,国外:开发经费高达 15%,甚至 19%销售额
? 国内:研究、开发投入不足,占 1%销售额
? 3 开发重点国外:大力研制、开发新酶种和新用途
? 国内:品种少、剂型少
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三.我国酶制剂工业的若干对策建议
? 1.走集约化、规模化经营
? 2,加大科研投入
? 3,发展具有自己知识产权的新技术
? 4 调整产品结构、大力开发新品种
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第三节结束
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