《酶工程基础》PPT课件.ppt

酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 酶 工 程 李小英 生命科学技术系医用生物学教研室 E-mail: 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 酶 酶工程 课程介绍 参考书及相关网站 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 酶是具有生物催化功能的生物大分子。是 生物催化剂(Biological Catalyst)，酶催化是生 物体的一切生命活动的基础，是生物反应的核 心。 一.酶 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 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。 生物催化中常用的有机体主要是微生物， 其本质是利用微生物细胞内的酶进行催化。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 夏禹时代，人们掌 握了酿酒技术。 公元前12世纪周朝 ，人们酿酒，制作饴糖 和酱。 春秋战国时期已知 用麴(曲)治疗消化不良 的疾病。 1.研究简史 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 李比希（JLiebig,1803 1873），德国化学家 西方国家19世纪对酿酒发酵过程进行了大量研究 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 直到1897年，德国巴克纳Buchner兄弟用石英砂 磨碎酵母细胞，制备了不含酵母细胞的抽提液， 并证明此不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵， 说明发酵与细胞的活动无关。从而说明了发酵是 酶作用的化学本质，为此Buchner获得了1907年 诺贝尔化学奖。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 1876年, 昆尼Kunne给酶一个统一的名词，叫 Enzyme，这个字来自希腊文，其意思“在酵母 中”。后来对酶的作用机理及酶的本质做了深 入研究。 1926年，萨姆纳证实酶是一种蛋白质。并由此 获得1946年诺贝尔化学奖。 80年代初发现了具有催化功能的核酸核酶 (ribozyme)，这一发现打破了酶是蛋白质的传 统观念，开辟了酶学研究的新领域。切克和阿 尔曼特获得1989年诺贝尔化学奖。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 定量分析 作用机理 酶动力学 酶的结构 2.酶的基础理论研究 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 二.酶工程 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 有机结合产生的。 生产廉价、高效符合规格的酶。 利用生物或化学手段改造酶，有效地发挥催化活性 。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 二.酶工程 酶工程又称酶反应技术，就是将酶、细胞 或细胞器等置于特定的生物反应装置中，利用 酶具有的生物催化功能，借助工程学手段将相 应的原料转化成有用的物质并应用于社会生活 的一门科学技术。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 酶工程的终极目标是发挥酶在人类生活中的催 化潜能。 酶工程 酶的生产 酶的改造 酶的应用 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 1896年,日本的高峰让吉首先从米曲霉中制得高 峰淀粉酶,用作消化剂,开创了有目的的进行酶生 产和应用的先例。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 1908年,德国的罗姆制得胰酶,用于皮革的软化。 1911年,美国的华勒斯坦(Wallestein)制得木瓜蛋 白酶,用于除去啤酒中的蛋白质浑浊。 1917年,法国的波伊登(Boidin)制备了细菌淀粉酶, 应用于纺织品的退浆,此后酶的生产和应用逐步发 展。 然而在50年代以前停留在从细胞、动物或植物中 提取酶,加以利用阶段。由于当时生产力落后,生 产工艺较繁杂,难以进行大规模工业化生产。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 1949年,用液体深层培养法进行细菌淀粉酶的发酵 生产,揭开了近代酶工业的序幕。 50年代：开始了酶固定化研究。1953年德国科学 家首先将聚氨基苯乙烯树脂与淀粉酶,胃蛋白酶, 羧肽酶和核糖核酸酶等结合,制成了固定化酶。 60年代，是固定化酶技术迅速发展的时期。1969 年,日本的千钿一郎首次在工业上应用固定化氨基 酰化酶从DL-氨基酸生产L-氨基酸。出现了“酶工 程”这个名词来代表有效利用酶的科学技术领域 。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 1971年第一届国际酶工程学术会议在美国召开, 当时的主题即是固定化酶，进一步开展了对微 生物细胞固定化的研究。 1973年,千钿一郎首次利用固定化的大肠杆菌细 胞生产L-天冬氨酸。 70年代是固定化细胞技术取得进展的时期。 80年代，固定化细胞已能用于生产胞外酶,因此 ,80年代又发展了固定化原生质体技术,排除了 细胞壁这一障碍。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 在酶的固定化技术发展的同时,酶分子修饰技术 也取得了进展。 60年代，用小分子化合物修饰酶分子侧链基团, 使酶性质发生改变; 70年代,修饰剂的选用、修饰方法上又有了新的 发展。 此外,对抗体酶,人工酶,模拟酶等方面,以及酶 的应用技术研究 ,在近20年均取得了较大进展, 使酶工程不断向广度和深度发展,显示出广阔而 诱人的前景。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 l化学酶工程 自然酶的开发 酶的化学修饰 酶的固定化 人工合成酶的研究 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 l生物酶工程 酶基因的克隆表达（用基因工程技术大量生产 酶） 酶的遗传修饰（修饰酶基因，产生遗传修饰， 突变） 酶的遗传设计（设计出新酶基因，合成自然界 从未有过的酶） 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 生物技术 酶工程 发酵工程细胞工程基因工程 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 （一）酶工程的发展趋势 从人类不涉足的新生资源中发掘新的酶 依靠微生物基因组测序结果发现新酶 借助定向进化和DNA重组技术创造新酶。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 （二）酶制剂工业概况 近代酶制剂工业 国内外酶制剂生产和应用现状 国内外酶制剂生产应用差异 我国酶制剂工业的若干对策建议 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 1.近代酶制剂工业 20世纪50年代，葡萄糖淀粉酶催化淀粉生产葡萄 糖工艺研究成功。 60年代中期，欧洲加酶洗衣粉风行，碱性蛋白酶 供不应求。 70年代末。固定化葡萄糖异构酶用于生产果葡糖 浆，开创了利用淀粉生产食糖的新途径。 现在，各种试剂酶用于遗传工程，蛋白质工程。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 Novozymes A/S诺维信酶制剂公司（丹麦） genencor International(杰能科公司，美国) 德国AB（Associated British Foods）酶制剂公司 Beldem（焙乐道公司，比利时） GistBrocades(荷兰) Quest(荷兰） Novo Nordisk(诺和诺德公司，丹麦) 2.国内外酶制剂生产和应用现状 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 20012001年世界酶制剂年销售额约为年世界酶制剂年销售额约为1616亿美元亿美元 用于制药工业与精细化学工业约用于制药工业与精细化学工业约1.21.2亿亿1.51.5亿美元亿美元 国际市场酶制剂销售额比例 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 我国酶工业发展阶段 1965年 无锡酶制剂厂 BF-7685淀粉酶 1979 年糖化酶 黑曲UV-11糖化酶菌种 1990年碱性蛋白酶 2709碱性蛋白酶 （颗粒） 1992年中性蛋白酶 1.398中性蛋白酶 1993年 耐高温淀粉酶 1998 年国外大公司纷纷入驻 生物酶制剂中国企业黄页 /s%E7%94%9F%E7%89%A 9%E9%85%B6%E5%88%B6%E5%89%82-p- 2.html 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 2006年中国酶制剂总产量约53万吨。高档次 、高活性、高质量、高水平“ 淀粉加工用酶占74.80，洗涤剂用酶16.09 ，纺织用酶2.3，其他行业用酶占6.81 。 我国各种酶制剂产品出口量1999年为2219吨 ，出口额1029万美金；2000年出口量达3530 吨，出口额1760万美金；2001年出口量达 4812吨，出口额2867万美金，呈逐年增加趋 势。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 2001年国内酶制剂销售额6亿元 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 研究、开发投入大，高新技术应用广 如诺和诺德公司，1998年用于研究、开发的 经费达到其产品销售额的19%，从事研究和开发工 作的人数达到该公司总雇员的23%，直接用于酶制 剂的研究和开发的经费估计在1亿美元以上。 3.国际酶制剂工业发展趋势 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 大力研制、开发新酶种和新用途 诺和诺德公司已经开发出不依赖Ca离子的 耐高温-淀粉酶，用于洗涤剂的碱性-淀粉 酶，极端耐热、极端耐酸的酶，用于非水有机 溶剂系统中反应的酶，能够应用半年以上的固 定化酶。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 酶制剂的剂型趋向多样化 国外大型酶制剂公司生产的酶制剂的剂型， 不断向多品种、多剂型、功能性、专用性和复合 性的多样化方向发展 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 4.我国际酶制剂工业发展情况 重复建设，效益低下。生产成本占7080，200 家到50家。 工艺设备落后。 研究、开发不足，新产品开发能力差。 剂型少、产品结构不合理，应用范围窄。 -淀 粉酶、糖化酶、碱性蛋白酶（97.65，45.31 ；1996）。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 5.我国酶制剂工业的若干对策建议 走集约化、规模化经营 加大科研投入，大力开发新品种 发展具有自己知识产权的新技术 调整产品结构，提高技术含量 开发国际市场，创国际名牌 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 在“十一五”期间，原有酶制剂将继续提高酶活 性，创国际名牌，加快开发和生产特种复合酶 制剂，应用到造纸、饲料、环保、食品、纺织 等新领域中去。 原有的酶制剂生产要继续提高酶活性、产品档 次，加快开发和生产特种复合酶制剂，满足各 个行业的广泛需要。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 研究热点 酶的基因克隆和异源表达 酶分子的定向改造和进化 融合蛋白与融合酶 酶的人工模拟 端粒酶 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 饲用酶制剂的发展现状 2000年全国饲用酶制剂的销售量已达到6000t。 到2005年我国饲用酶制剂的市场容量已达到2万t， 而市场生产量大概只有8000t。按照我国配合饲料 产量年产量1亿t计算，如果饲用酶制剂添加量按 0.1%计，全国1/2 配合饲料添加饲用酶制剂，则需 要5万t的饲用酶制剂，而我国目前饲用酶制剂市场 生产量远未达到市场容量。因此，饲用酶制剂在我 国还有很大的市场空间和潜力 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 饲料中添加木聚糖酶可有效降解饲料中的木聚糖 ，消除饲料中的抗营养因子，降低动物肠道内食 糜粘度，提高饲料利用率，改善动物生产性能， 故木聚糖酶在饲料上的应用市场前景非常广阔。 植酸酶在饲料中得到成功推广应用。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 2000年之前国内植酸酶市场还是以国外酶制剂厂 商销售为主，到2002年之后国内酶制剂生产企业 不但占领了国内绝大部分植酸酶市场，而且使中 国一跃成为世界上最大的植酸酶生产和销售国家 。目前许多发达国家，政府有严格的法律限制， 防止环境的污染，尤其是对养殖场氮、磷的排放 ，且许多国家更是为了解决环境污染问题强制推 荐在饲料中使用植酸酶等酶制剂，这也给我们国 内一些品牌酶制剂产品扩大国际市场份额和影响 力提供了很好的发展机会。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 通过基因工程和蛋白质工程手段已经对酶制剂的 基因进行了不断的研究，并培养出了很多活性强 、酶活稳定、使用条件宽松的产酶菌种，使产酶 菌种的发酵能力大大提高，发酵效率得到了不断 提升。单位酶活力的升高，再加上酶制剂的生产 工艺和菌种的发酵水平的提高， 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 三.课程介绍 酶工程学是生物学等学科的专业课，是生 物科学，特别是生物技术专业的核心课程。本 课程主要介绍酶分析方法，酶的分离工程，酶 的生产，酶的固定化技术，酶的分子工程，酶 反应器及酶在医药、食品、化工、环境等方面 的应用。 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 了解酶工程研究的基本理论和方法，初步掌 握酶的发酵生产和分离纯化的大致流程以及酶 制剂的保存方法，同时对酶的固定化、酶的修 饰改造和主要的酶反应器类型有一定的认识， 此外对酶的应用有所了解。 1.课程目的 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 2.课程初步安排：理论45学时 第一讲 绪论 3个学时 第二讲 酶工程基础 3个学时 第三讲 酶的发酵工程 3个学时 第四讲 酶的分离工程 6个学时 第五讲 化学酶工程 3个学时 第六讲 固定化酶与固定化细胞 8个学时 第七讲 生物酶工程 3个学时 第八讲 核酶 3个学时 第九讲 酶的非水相催化 4个学时 第十讲 酶反应器与酶传感器 3个学时 第十一讲 酶抑制剂 3个学时 第十二讲 酶的应用 3个学时 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 理论结合实践 课堂讲授与专题讨论 文献综述 3.学习方法 酶工程 医用生物学教研室 李小英 绪 论 四.教材与参考书 1.酶与酶工程，袁勤生、赵健主编，华东理工 大学出版社，2005。 2.酶工程，郭勇主编，科学出版社