生物化学的世界

生物化学的世界,赵玮钦,一、爱情中的生物化学,有个简单的问题，什么是爱情？,有人说，爱情就是一种说不清，道不明的感觉,关于爱情，难道我们就不能抛开玄学，聊！点！科！学吗？,多巴胺(C6H3(OH)2-CH2-CH2-NH2) 由脑内分泌，可影响一个人的情绪。 它正式的化学名称为4-(2-乙胺基)苯-1,2-二酚大脑中心丘脑是人的情爱中心，其间贮藏着丘比特之箭多种神经递质，也称为恋爱兴奋剂，包括多巴胺，肾上腺素等。当一对男女一见钟情或经过多次了解产生爱慕之情时，丘脑中的多巴胺等神经递质就源源不断地分泌，势不可挡地汹涌而出。于是，我们就有了爱的感觉。,爱情也有物质基础 多巴胺,7 / 12,爱情也有物质基础 苯乙胺,苯乙胺（Phenethylamine，PEA），或称-苯乙胺、2-苯乙胺，是一种生物碱与单胺类神经递质苯乙胺的注入会提升细胞外液中多巴胺的水平，苯乙胺可以使人完全沉醉在恋爱的幸福之中。于是,就出现了“情人眼里出西施”爱侣是如此的完美无缺的情况。热恋的人就像瞎了一样,对对方身上的所有毛病视若无睹,听不进别人的任何劝告。那些初坠人爱河的人,问脑底部也会开始分泌苯乙胺,分泌的苯乙胺愈多,发生的效力就愈激烈。,8 / 12,催产素（英语：Oxytocin，简称为OT）是一种哺乳动物激素。可以在大脑下视丘 “室旁核”与“视上核”神经元所自然分泌，经下视丘脑下垂体路径神经纤维送到后叶分泌。它不是女人的专利，男女都会分泌。当一个人的催产素水平升高时，即便是对完全陌生的人也会变得更加慷慨，更有爱心，因此又被称为爱情激素或道德分子。当男女双方进入稳定的恋爱关系后，男性体内的雄激素会降低，而与此同时，女性体内的雄激素会升高。同时女性和男性体内都会分泌大量的“亲密激素”后叶催产素，让彼此感到安全感和满足感。尽管激素、味道和基因的作用很重要，但人类在爱情方面并不完全受到本能的支配，不同的人生经历会使人作出不同的选择。因此，后天因素在人类的爱情生活中仍然很重要。,爱情也有物质基础 催产素,9 / 12,是不是一不小心就会被他/她问到你为什么喜欢我啊？,被问到很！崩！溃！有木有,、,孩子，展现科学的力量的时候到来了,、,和她聊聊爱情背后的激素水平问题吧,、,当然，你还有更多的选择,、,文艺范儿：情不知其所起，一往而深,、,深情版：I love you not because of who you are, but because of who I am when I am with you,、,机智版：我会用我的一辈子来回答你这个问题,、,二、工业中的生物化学,生物化工,生物技术是在生物学、分子生物学、细胞生物学和生物化学等基础上发展起来的，是由基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四大先进技术组成的新技术群。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。,定义：,生物化工特点,（1）以生物为对象，常以有生命的活细胞或酶为催化剂，创造必要的生化反应条件，不依靠地球上的有限资源，着眼于再生资源的利用。（2）由于细菌不耐高温，需在常温常压下连续化生产，工艺简单，并可节约能源，减少环境污染。（3）定向地按人们的需要创造新物种、新产品和有经济价值的生命类物质，开辟了生产高纯度、优质、安全可靠的生物制品的新途径。（4）生物化工为生物技术提供了高效率的反应器、新型分离介质、工艺控制技术和后处理技术，扩大了生物技术的应用范围。,世界生物化工行业的现状生物化工发展至今已经历了半个多世纪，最早主要是生产抗生素；随后，是为氨基酸发酵、舀体激素的生物转化、维生素的生物法生产、单细胞蛋白生产及淀粉糖生产等工业化服务。随着生物化工上游技术生物工程技术的进步以及化学工程、信息技术(IT)和生物信息学等学科技术的发展，生物化工将迎来又一个崭新的发展时期。世界大公司正把注意力向生命科学部分转移,生物化工的发展,生物化工的应用领域,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。,现代生物制药,基本制造方法,现代生物制药,生化制药的六个阶段 原料的选择和预处理 原料的粉碎 提取 纯化 浓缩 制剂,现代生物制药,基因工程是在体外对生物的遗传物质基因进行剪切、拼接、重新组合，与适宜的载体连接，构成完整的基因表达系统，然后导入宿主生物细胞内，与原有遗传物质整合或以质粒形式单独在细胞中繁殖，编码产生人类所需的物质或创造新的物种，也可对疾病进行基因治疗。,基因工程,现代生物制药,1973年重组DNA技术的建立为标志，是科学技术史上的里程碑。应用于农业、医药、轻工、化工、环境等领域，成为人类解决粮食、能源、环境、制药的主要手段。1976年世界上第一家基因工程技术开发药物的公司（Genentech公司）建立，开始了现代生物技术产业发展的新纪元。1982年世界上第一个基因工程药物重组人胰岛素获得FDA批准，由Eli Lilly公司正式生产，推向市场。基因工程技术首先在医药领域实现产业化，到现在仍有6080集中在医药领域，占主要地位的是基因工程药物的研究和商品化。研究开发的治疗药物是癌症、心脑血管疾病、艾滋病、遗传病等重大病而用常规方法又难以获得的药物。,基因工程主要包括三大类：基因工程药物、生物疫苗和生物诊断试剂。这些药品在诊断、预防、控制及消灭传染病，保护人类健康，延长寿命中发挥着越来越重要的作用。,生物技术在农作物中已有广泛的应用。最初通过遗传工程获得而进入市场的作物是：玉米、大豆和棉花。它们经转基因后具有抗除草剂和棉铃虫的能力。利用Bt细菌获得经遗传改良的作物的商业潜力是相当大的。例如：美国有200万公顷的Bt棉花，澳大利亚有40万公顷，两者各相当于2.5亿美元价值。如果将Bt玉米引种在美国1000万公顷的土地上，只要增产5%，就意味着能增加3.5亿美元收入。,农业生物技术与生物农药,生物化工的应用领域,农业生物技术应用国际服务组织(ISAAA),生物技术在畜牧业上应用所获得的益处与在农作物上相似。一方面，生物技术有助于提高畜禽的生命力以及消灭竞争者。如利用鼠类基因（该基因能促进角蛋白的形成）获得了经遗传改良的绵羊，这种绵羊比普通棉羊产毛量能提高6%左右。另一方面，生物技术在提高农作物产量、质量的同时，有助于提高畜牧业的生产力发展水平。例如，通过控制饲料作物体内碳水化合物含量可提高畜牧业生产力；利用基因调控技术可以提高包括豆科作物在内一些作物的蛋白质含量，减少饲料作物中难消化的木质素含量等。,农业生物技术与生物农药,我国在抗病抗虫方面的转基因植物的研究取得了实质性进展。目前已经获得了抗病毒的转基因烟草、番茄、马铃薯、小麦、玉米等植物，并成功地竟苏云金芽抱杆菌杀虫基因导入棉花和水稻种，获得了抗虫棉和抗虫水稻。抗烟草花叶病毒、黄瓜花叶病毒的转基因烟草，在大田试验表现了较强的抗病性。,农业生物技术与生物农药,生物农药是利用微生物本身或代谢物防治虫、草等的制剂。包括农用抗生素、细菌农药、真菌农药和病毒农药，具有选择性高、易于降解、用量少、污染小、对人畜毒性小、保护环境、病虫害不易产生抗性等优点。因而发展生物农药，减少化学合成农药的使用，已成为全球农药产业发展的新趋势。,农业生物技术与生物农药,精细化工中的生物技术,生物有机酸的应用 采用发酵法生产的有机酸已在食品、医药、塑料、香料等行业得到应用。柠檬酸用途很广，其中用于食品和饮料行业的为50%，医药行业为20%，化学工业为20%，化妆品为2%，其他8%。柠檬酸是我国最大的出口发酵产品。L-苹果酸主要用于食品业、保健品、化妆品及饮料的酸味剂和防腐剂。,酶制剂的应用 酶是细胞原生质合成的一种高活性的生物催化剂，由许多氨基酸组成，其催化性能具有高效和专一性。酶普遍存在于动物、植物、微生物中，通过采取适当的理化方法，将酶从生物组织或细胞以及发酵液中提取出来，加工成具有一定纯度标准的生化制品，成为酶制剂。酶制剂主要有-（-）淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、纤维素酶、碱性蛋白酶和中性蛋白酶等。,精细化工中的生物技术,生物石油化工,石油微生物炼制（1）石油脱蜡：利用解脂假丝酵母、拟圆酵母、粉孢霉菌、诺卡氏菌等进行发酵法脱蜡可出去石油及其馏分产物的蜡质，获得高质量、低凝固点的航空汽油、高级柴油、变压器油和多种机油。（2）石油脱硫：许多地区的原油中含硫量高，这些硫化物腐蚀设备，影响产品质量，而且石油产品燃烧时，还生成SOX 污染环境，因此石油脱硫十分重要。,（3）石油脱氮：利用土壤中培养出的微生物，通过环羟基化和断裂机理，使吡啶降解成NH3、CO2和H2O。这些微生物能对含氮杂环化合物分子的氧化有专一性，并能把油中的含氮杂环化合物氧化。,生物石油化工,原料选择与预处理,原料选择的基本准则： 在大量的信息资料和实践经验的基础上，选择目标原料 选择有效成分含量高的新鲜材料； 来源丰富易得； 制造工艺简单易行； 成本比较低； 原料的采集不破坏生态环境, 选择对环境友好的原材料资 源，防止生物入侵。,生物化工品的生产工艺技术,生物催化剂是指由常规选育或经现代生物工程方法获得的菌株、细胞系或从中提取的酶。它的作用相当于化学反应中的催化剂，是生化反应中不可缺少的。从自然界得到的菌种要进行筛选、分离、遗传育种，有的还要经过菌种变异才能使用。,生物催化剂,生物反应器是整个生物反应过程的关键设备，为特定的细胞或酶提供适宜的增殖环境，也可在反应器中进行特定的生化反应。它的结构、操作方式和操作条件与产品的质量、转化率和能耗有着密切的关系。根据反应器的操作方式，可分为间歇操作、连续操作和半间歇操作。根据生物催化剂在反应器中的分布方式进行分类，可分为生物团块（包括细胞、絮凝物、菌丝体）反应器和生物膜反应器两大类。,生物反应器,生物反应器的分类,从生物反应器中排出的反应产物是一种混合物，里面除含有目的产品外，还含有未转化的基质、不能转化的物质、大量的水、微生物体及各种微量杂质。为了获得合格的生化产品，并且不浪费其他有用的物质，必须对需要的生化产品进行分离或提纯。这一过程称之为“下游加工”，这样可以使其他物质循环使用或再进行综合利用，既降低了成本又保护了环境。,生物化工品的分离与提纯,分离与提纯,1固体物质的去除 分离生化反应液的细胞或其他固体物质，是提取生化产品的重要一步。分离过程是基于它们的粒度、密度、溶解度和扩散度等的不同实现的，分离的粒度范围为0.310m。为了提高分离效率要进行预处理，以促进细胞的絮凝。常用的去除固体的分离方法是过滤、离心分离、沉降及倾析等。,2初步分离 当从反应器出来的反应液除去了不需要的固体颗粒后，一般要进一步把溶液浓缩，以提高目的产品在溶液中的浓度。为了实现这一过程，可以使用蒸发、萃取、沉淀和膜分离等单元操作。如膜分离技术是一种新型的分离技术，近年来发展很快。它是用一种半透明的薄膜，使溶液中的某些组分通过，其他组分被阻止或截留，从而达到分离的目的。它包括反渗透法和超滤法。膜分离法不同于萃取和沉淀法那样，需要加入溶剂或盐类等其他物质，也不同于蒸发操作，需要加入热量，膜分离法只是根据物质粒度的大小这一几何特性的差异，来分离物质，因此产品的损失很少，产率和质量较高。,3产品提纯 产品提纯的目的主要是去除溶液中的各种微量杂质，进一步提高产物的纯度。常用的方法有沉淀法、层析法和吸附法。但是生物产品的提纯，更多用的是层析法。层析法有吸附层析法、离子交换层析法、分子筛层析法和亲和层析法等，根据不同被分离物的特性，选择不同的层析分离方法。,4产品的最终分离 最后一步必须使产品达到规定的质量指标，以适合销售市场的要求。主要的单元操作是先离心分离，然后进行干燥或冷冻干燥等。干燥操作往往是生物产品的最后工序，其目的是除去物料中的水分，便于产品的保藏和运输。由于很多的生物产品，如味精、柠檬酸、酶制剂、抗生素及单细胞蛋白等均是固体产品，因此干燥操作在生物产品的最终分离方面十分重要。,生物能源,燃料酒精 生物柴油 生物能源 生物质液化 生物制氢,生物柴油是指由动植物油脂（大豆油、菜籽油、棉籽油、动物油、废食用油等）同一些短链的醇（常用甲醇）在催化剂的作用下发生转酯反应后，生成的长链脂肪酸酯类物质。 甘油三酯 生物柴油 甘油,生物柴油特点,可再生、生物可分解、毒性低 悬浮微粒 30 CO 50 黑烟 80 醛类化合物 30 SOx 100 碳氢化合物 95 闪火点高，不易意外失火 110170 vs 52十六烷值（Cetane Number） 高 5085 vs 42和石化柴油能以任何比例互溶 B5 & B20,生物柴油与柴油的比较,生物柴油开发状况,1997年 欧洲 60.1万公吨 美国 5.0万公吨 其他 1.2万公吨1999年 欧洲以油菜籽油为原料，生化柴油总生产量81.1万公吨 美国以黄豆油为原料大量生产20万公吨 日本以废油为原料有4家厂商生产 35万公吨2001年 欧盟生物柴油产量超过100万吨 2003年 欧盟 200多万吨， 日本40万吨 2010年 欧盟 1400万吨 美国 115万吨,如何将油脂原料（动植物油脂、废食用油脂）转化为生物柴油 （转酯反应）,酸催化剂 生产过程有废碱(酸)液排放, 化学法 带来二次污染； 碱催化剂 油脂里的游离脂肪酸及 严 重影响生物柴油产率及量 反应条件温和；醇用量小；生物酶法 无污染物排放； 产品分离回收方便酶法还未能实现 酶的操作寿命过短，导致生物柴油的产业化 酶的使用成本过高,工艺流程,油脂原料预处理 二次酶转化（常温常压) 未转化油脂酶转化（常温常压） 简单蒸馏 精馏 产品生物柴油溶剂回收 中间过程副产物 副产物甘油,用于生物柴油合成的脂肪酶,产氢微生物,产氢微生物,生物化工发展趋势,高技术的生