《环境生物》PPT课件.ppt
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1、第十一章 生物化工技术,第一节 概述,1.1 生物化工的简单介绍:生物化工是生物学技术和化学工程技术相互融合的新型学科,它以生物来源的物质为原料,通过生物活性物质为催化剂使其转化,或用其他生物技术进行制备、纯化,从而得到我们预期的产品。,生物化工作为生物技术下游过程的支撑学科,对生物技术的发展和产业的建立起着十分重要的作用,它是基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程走向产业化的必由之路。同时也是生物技术的一个重要组成部分。,1.2 国内外生物化工现状:目前全球已拥有年销售额大于10亿美元的生物技术产品数10个。到本世纪末,全球生物化工工业产品销售额可达1000亿美元。仅美国从事生物技术制品生产的
2、公司约1300多家,其中较大的生物制药公司有225家,年工业投资达350亿美元。生物化工是生物技术产业化的关键,目前生物技术主要在医药、农业及保健食品领域,但是生物化工在化学品的制备中发展是最快的,每年以18的速度发展,许多过去以化学法生产的化学品如丙烯酰胺等都开始采用生物法生产,可见生物化工在化学工业中的重要作用。,1.3 与传统化学工业相比,生物化工的优点:(1)原料可再生(2)反应条件温和(3)反应专一性强,副反应少(4)生产工艺简单,可实现连续化操作,可节省能源,减少环境污染(5)可解决传统生产方法和技术中难以解决的问题。(6)可按照需要利用生物技术手段创造新物种、新产品以及其他有经济
3、价值的生命类型。,第二节 生物催化,生物催化是用生物催化剂来对底物进行催化反应,生物催化剂通常是完整细胞或酶。工业生物催化技术是生物技术应用中一个关键领域,是生物技术革命的第三个浪潮。工业生物催化技术是生物学、化学和现代过程工程的综合技术。,2.1 生物催化的优缺点(1)优点:工业催化在常温、常压下进行反应,具有投资少、耗能低以及温室气体排放量低的优点,而且生物催化剂是微生物和蛋白质,可生物降解,环境友好,具有极高的催化效率,并具有高度专一性,包括化学专一性和立体专一性等,能够有效催化手性反应等一般化学催化剂难以完成的反应。,(2)缺点:生物催化剂在反应介质中往往不稳定;目前可用于工业化应用的
4、生物催化剂还太少;生物催化剂开发的周期较长。,2.2 生物催化剂的来源,2.3 生物催化的主要应用方向,第三节 酶工程,3.1 酶 概念:酶是由生物体内活细胞产生的一种具有高效性与专一性的生物催化剂,绝大多数为蛋白质,少数为RNA。3.1.1 酶作为生物催化剂的特点:1.高效率:比非酶反应要高105-1017,比非酶催化剂催化时要高107-1013,例如过氧化氢的分解,无催化剂时不反应,用Fe催化,其反应速度不大,如果用过氧化氢酶催化此反应,其速度会增加很多,2.高度专一性:,结构专一性,绝对专一性相对专一性立体专一性,基团专一性键专一性旋光异构专一性顺反异构专一性,绝对专一性:一种酶只催化特
5、定的底物发生反应,如:脲酶只催化尿素分解:,H2NCONH2+H2O=2NH3+CO2,相对专一性:键专一性酶对反应键两端的基团都没有特殊要求,如酯酶只要是酯键就可水解。,基团专一性:即酶对反应键一端的基团有绝对要求,而对另一端的基团则无特殊要求,如葡萄糖苷酶,可以催化水解糖苷键,并且要求键的一端为葡萄糖,而另一端可以是任意糖。,立体专一性:旋光异构专一性L-氨基酸氧化酶只催化L-氨基酸氧化,而对D-氨基酸无作用,顺反异构专一性:如琥珀酸脱氢酶只催化产生反式结构的丁烯二酸即延胡索酸。,3.对环境条件敏感:酶的最佳作用条件是常温、常压、中性,如果条件发生改变,酶的催化活性则会降低。4.活性可调:
6、酶的活性可在调节因子的作用下发生变化。,3.1.2 酶的组成:根据组成:酶分为简单酶和结合酶 简单酶:只由蛋白组成的酶,就是简单酶。,辅基和辅酶实际上没有本质的区别,只是辅基与酶结合的作用力强,而辅酶与酶的结合力弱,实际上,辅酶只有在参与催化时才与酶结合。,结合酶:酶的组分中除了蛋白质外,还有其他非蛋白成分。,根据分子结构:可分为单体酶、寡聚酶和多酶复合物单体酶:只具有一条多肽链的酶;特点:分子量较小。寡聚酶:两个或两个以上的亚基组成的酶;特点:亚基间以非共价键结合,容易在变性剂的作用下失活。多酶复合物:由几种酶彼此嵌合形成的复合体;特点:有利于细胞中系列反应的连续进行,催化效率高,便于调控。
7、,3.1.3 酶分为六类,2.转移酶类 催化底物中基团(如:甲基、氨基、酰基等)转移的酶类。如谷丙转氨酶:,1.氧化还原酶类 AH2+B A+BH2 如:乙醛氧化为乙酸,CH3CHO+H2O CH3COOH+2H+2e-,3.水解酶类 催化底物发生水解反应,如蛋白质的水解,4.裂解酶类 催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合成为一个化合物,如醛缩酶催化的反应,蛋白质+H2O 氨基酸,6.合成酶类 催化各种合成反应,该过程是需能过程。如脂酰CoA合成酶催化的反应:,5.异构酶类 催化各种同分异构反应。如磷酸丙糖异构酶催化的如下反应,3.2 酶工程,概念:酶工程就是将酶或微生物细胞,动植物细胞
8、,细胞器等在一定的生物反应装置中,利用酶所具有的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转换成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。包括酶制剂的制备,酶的固定化,酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。,3.2.1 酶的固定化,游离酶的一些不足之处:(1)酶的稳定性较差(2)酶的一次性使用(3)产物的分离纯化较困难,1、为什么开展酶的固定化技术?,2、什么是固定化酶?,水溶性酶,水不溶性载体,固定化技术,水不溶性酶(固定化酶),固定化酶是被固定在某一有限空间内不再能自由流动而仍有催化活性的酶。,固定化酶是20世纪50年代发展起来的一项技术1969年固定化氨基酸酸化酶在工业生产中被正式应用1971年
9、的第一届国际酶工程会议上,正式 采用固定化酶,3、固定化酶的优点和缺点,优点:易于将酶与底物及产物分离,因而产物相对容易提纯;酶能够重复利用,使用效率提高,成本低;大多数情况下可以提高酶的稳定性;可以增加产物的收率,提高产物质量;有利于实现管道化、连续化以及自动化操作,易于与各种分离手段联用。,缺点:,但由于固定化酶是通过反应而被结合在载体上,固定化过程中酶的活力难免有一定损失;而底物则要求是水溶性的,这样才能够接触酶而发生反应;也不适宜于需要辅助因子的反应。胞内酶必须经过酶的分离过程,4.酶的固定化方法,交联法,胶体包埋法半透膜包埋法,离子键结合法共价键结合法,热处理法,结合法,包埋法,吸附
10、法,固定化酶的模式图,1、吸附法,吸附法是利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上而使酶固定化的方法。,常用载体:活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石。,优点:操作简单、条件温和、载体廉价易得、可反复使用。,缺点:结合力不劳、容易脱落。,2、包埋法,将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中,使酶固定化的方法称为包埋法。,载体:琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、聚丙烯酰胺,(1)凝胶包埋法:以各种多孔凝胶为载体,将酶、细胞或原生质体包埋在凝胶的微孔内的固定化方法。,(2)半透膜包埋法,将酶包埋在由各种高分子聚合物制成的小球内,制成固定化酶.,制备方法:,酶,水,乙二
11、胺,癸二酰氯+氯仿,优点:结合力劳、活力回收高、底物专一性不变。,缺点:制备较难,载体无法回收、扩散限制。,包埋法,3、结合法,选择适宜载体,使之通过共价键或离子键与酶结合在一起的固定化方法称为结合法。,(1)离子结合法:通过离子键使酶与载体结合的固定化方法。,载体:DEAE纤维素、TEAE纤维素、DEAE葡聚糖凝胶,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,(2)共价结合法:通过共价键将酶与载体结合的固定化方法。,载体:,纤维素琼脂糖凝胶葡聚糖凝胶甲壳质氨基酸共聚物,酶分子中可以形成共价键的基团:,氨基、羧基、巯基、羟基、酚基、咪唑基,载
12、体,活泼基团,4、交联法,(1)交联法常用试剂,(2)交联形式,酶直接交联法:,各种酶固定化方法的比较,3.2.2 酶分子修饰及修饰目的 1、酶分子修饰 指通过对酶蛋白主链的剪接、切割和侧链的化学修饰对酶分子进行改造。限制酶大规模应用的原因:1)细胞外稳定性差;2)酶活性不够高;3)具有抗原性。,改变酶特性有两种主要的方法:1)通过分子修饰的方法来改变已分离出来的天然酶的活性。2)通过基因工程方法改变编码酶分子的基因而达到改造酶的目的。,2、酶化学修饰的目的(1)研究酶的结构与功能的关系。(50年代末)(2)人为改变天然酶的某些性质,扩大酶的应用 范围。(70年代末之后)1)提高酶的生物活性(
13、酶活力)。2)增强酶的稳定性(热稳定性、体内半衰期)。3)消除抗原性(针对特异性反应降低生物识别能力)。4)产生新的催化能力。5)允许酶在一个变化的环境中起作用6)提高催化过程的反应效率7)改变最适的pH值和温度,3.酶化学修饰的原理1)如何增强酶天然构象的稳定性与耐热性 修饰剂分子存在多个反应基团,可与酶形成多点交联。使酶的天然构象产生“刚性”结构。2)如何保护酶活性部位与抗抑制剂 大分子修饰剂与酶结合后,产生的空间障碍或静电斥力阻挡抑制剂,“遮盖”了酶的活性部位。,3)如何维持酶功能结构的完整性与抗蛋白水解酶 酶化学修饰后通过两种途径抗蛋白水解酶:1)大分子修饰剂产生空间障碍阻挡蛋白水解酶
14、接近酶分子。“遮盖”酶分子上敏感键免遭破坏。2)酶分子上许多敏感基团交联上修饰剂后,减少了受蛋白水解酶破坏的可能性。,4)如何消除酶的抗原性及稳定酶的微环境1)酶蛋白氨基酸组成的抗原决定簇,与修饰剂形成了共价键。破坏了抗原决定簇抗原性降低乃至消除“遮盖”了抗原决定簇阻碍抗原、抗体结合2)大分子修饰剂本身是多聚电荷体,能在酶分子表面形成“缓冲外壳”,抵御外界环境的极性变化,维持酶活性部位微环境相对稳定。,3.3 酶工程的应用领域,把生物工程技术应用到药物制造的过程称之为生物制药。生物药品是以微生物、寄生虫、动物毒素、生物组织为原材料,采用生物学工艺和分离、纯化技术,并以生物学的分析技术控制中间产
15、物和成品质量制成的生物活化制剂,包括菌苗、疫苗、毒素、类毒素、血清、血液制品、免疫制剂、细胞因子、抗原、单克隆抗体及基因工程产品等。,酶在医学方面的应用,1、酶在疾病诊断方面的应用,酶学诊断:,()根据体内原有酶活力的变化诊断某些疾病()利用酶测定体内某些物质的含量,(1)根据体内原有酶活力的变化诊断某些疾病,(2)用酶测定体液中某些物质的量诊断疾病,葡萄糖氧化酶过氧化氢酶,测血糖和尿糖,尿酸酶,血液尿酸,胆碱酯酶或胆固醇氧化酶,血液胆固醇含量,糖尿病,痛风病,心血管疾病和高血压,2、酶在疾病治疗方面的应用,蛋白酶:消化剂、消炎剂、治疗高血压,溶菌酶:抗菌、消炎、镇痛,SOD:红斑狼疮、皮肌炎
16、、结肠炎、氧中毒,L-天冬酰胺酶:癌症,3、酶在生物制药方面的应用,1.青霉素酰化酶,2.-酪氨酸酶,3.核苷磷酸化酶,4.无色杆菌蛋白酶,3.3.2 酶在食品方面的应用,1.酶法生产葡萄糖,30-40%淀粉浆,糊精,-淀粉酶pH6.06.58590CaCl2,NaCl,葡萄糖,糖化酶pH4.55.05560,45min,48h,pH至2.02.5,室温,除去葡萄糖苷转移酶,DE=1520,2.酶法生产果葡糖浆,4045%葡萄糖,果葡糖浆,葡萄糖异构化酶pH6.57.06070MgSO4,45min,预先经层析脱钙处理DE96,果糖53.556.5%葡萄糖43.547.5%,脱色、精制、浓缩,
17、果糖42%葡萄糖52%低聚糖6%,高果糖浆含果糖7090%,3.饴糖的生产,大米或糯米粉浆,-淀粉酶pH6.57.08590MgSO4,碘测试无颜色,饴糖,-淀粉酶pH6.57.062,糊精,麦芽糖含量6070%,Glc(14)Glc,DE=1520,4.酶在蛋白质制品加工方面的应用,乳制品,凝乳酶:奶酪乳糖酶:低乳糖奶过氧化氢酶:奶或奶酪中的H2O2蛋白酶:酪蛋白水解物,蛋制品,葡萄糖氧化酶:全蛋粉,蛋黄粉或蛋黄片中的葡萄糖,鱼制品,肉制品,可溶性鱼蛋白粉、鱼露;三甲基胺氧化酶脱腥,肉类水解蛋白、嫩肉粉、明胶、保鲜剂,5.酶在果蔬加工方面的应用,果胶酶,葡萄糖氧化酶,果汁和果酒澄清柚苷酶脱苦
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