第9章-生物化工

1、,第9章 生物化工,据有关方面预测，未来将有2030的化学工艺过程将会被生物技术过程所取代，生物化工产业将成为21世纪的重大化工产业。 生物化工就是把生物技术转化为生产力。现代生物技术的发展离不开化学工程，如生物反应器以及目的产物的分离、提纯技术和设备都要靠化学工程来解决；而化学工业作为传统的基础工业，不可避免地面临着生物新技术的挑战。,随着基因重组、细胞融合、酶的固定化等技术的发展，生物技术不仅可提供大量廉价的化工原料和产品，而且还将改变某些化工产品的传统工艺，甚至一些不为人所知的性能优异的化合物也将被生物催化所合成。生物化工的发展将有力地推动生物技术和化工生产技术的变革和进步，产生巨大的经

2、济效益和社会效益。,可持续发展的对策,1.循环经济（资源循环使用） 2.节约资源（能源），发掘新资源 3.利用国际资源 4.提高资源（能源）利用效率 5.绿色产品、绿色工艺 6.采用生物技术 7.保护环境及土地 8.控制人口,减少资源能源消耗 减少废弃物排放,改变原料路线 改变物质生产工艺,世界各国产出1美元的能源消耗比较,生物化工,改变产品生产原料路线 改变产品生产工艺,生物化工的特点,利用再生性资源 符合可持续发展 生产过程温和 污染少，多为可利用废料 自身效率提高潜力大,生物技术改造后自身效率提高实例,生物技术生产化学品的方式,生物质原料 产物 相关底物 产物,多酶系统催化,（发酵）,单

3、酶催化,（生物催化）,生物直接生产的化学品,生物技术生产农用抗生素,生物质原料及生物技术生产的主要有机酸,生物质原料及生物技术生产的主要氨基酸,生物技术生产维生素,生物技术生产保健品,生物质原料生产高分子化合物,生物技术生产化工原料,生物技术的能源路线,太阳能 陆地：1150亿吨/年 海洋： 550亿吨/年,碳水化合物,生物柴油,农业生物技术,25吨/公顷,甲醇,乙醇,甲烷,氢,1700亿吨/年,生物技术生产乙醇生产工艺的进步,糖蜜 淀粉 葡萄糖 乙醇 淀粉 乙醇 化学品 纤维素 葡萄糖 乙醇 酒精浓度 10 20 生产用菌种：耐高温、耐乙醇、耐渗透压 自凝絮、快发酵,传统化工工艺,乙醇代替汽

4、油的可能性,石油有关的生物技术,生物催化脱硫流程,生 物 催 化 反 应,生物催化技术生产化学品,淀粉酶、糖化酶,异构酶,天门冬氨酸酶,苹果酸酶,水合酶,腈酶,水合酶,加氧酶,脱羧酶,加氨酶,酶催化在光学活性手性化合物合成中的应用,手 性 化 酶,微生物酶异构化合成手性化合物,NOCl,NH3,Backman rearrangement reaction,H2SO4,Cyclohexene,Nitrosdimer,DL-Aminocaprolactam,D-型,L型,L-Lysine,异构酶,水解,氨基化合成氨基手性化合物,加氨酶,水 解 手 性 化,水解酶,还 原 手 性 化,还原酶,DL-

5、,（L-）,（D-）,Microbial reduction of inabenfide ketone derivative to (S)-inabenfide,Ketone derivative of inabenfide,(s)-inabenfide,Agonomycetales sp.,yield: 98% optical purity: ca 100%,Asymmetric enzymatic hydrolysis of racemic allethrolon acetate to (R)-allethrolon,microorganism or enzyme,acetate of r

6、acemic allethrolon,(R)-allethrolon,(S)-allethrolon,生物技术在工业中应用的问题,生物技术效率低、成本高 产物浓度低 在水溶液中反应 水消耗量大 酶（生物体）安定性差 易污染杂菌 工艺过程复杂、控制点多 计算机联机控制较难 操作者技术素质要求高 动植物细胞培养技术问题更多,生物技术在化工领域应用优先研发的课题,实现几个关键化工原料产品的经济性产业化 从可再生资源开发新产品 更广泛地发现新生物源 改造生物，提高生物加工效率 开发生物催化的新领域 开发未利用的生物资源生产有用物质 解决生物技术规模生产的工程问题，控制及过程检测问题 基因重组技术的开发

7、和应用,利用生物质开发生物源农药,新生物源农药活性物质,磷氮霉素 白肽霉素 制黄杆菌素 拟鲥霉素 变构霉素 RS-22 A、B、C,磷氮霉素类化合物的结构,磷氮霉素增加血小板作用（体内试验）,变构菌素的结构,Tautomycetin,拟鲥霉素的结构,拟鲥霉素的抗菌作用,拟鲥霉素的抗菌作用,*1（丁基氨基甲酰）2苯并咪唑,白肽霉素的结构,制黄杆菌素的结构,RS-22活性成份的化学结构,RS-22 A: R1=H, R2=H RS-22 B: R1=CH3, R2=H RS-22 C: R1=CH3, R2=CH3,井冈霉素 7051杀虫素 浏阳霉素 Lovastatin 2098，FK506 金

8、核霉素 Tautomycin,可再生资源生产活性物质,井 冈 霉 素 A,白色吸湿性粉末，微碱性 分子式：C20H35NO13 分子量：497.5 熔 点：无固定熔点，约102开始熔化，135分解 旋光性：旋光 11010（C=1 H2O） 溶解性；溶于水、甲醇、DMF、DMSO；微溶于乙醇、 丙酮；不溶于酯、醚、苯等有机溶剂 稳定性：pH 59时稳定,井冈霉素对主要病害的防治作用,井冈霉素和有机砷制剂的比较,7051 杀 虫 素,原料 淀粉 黄豆粉 等农副 产品,微生物发酵,7051杀虫素和目前常用杀虫剂效果的比较,7051杀虫素生产的工艺路线,生产菌种制备,种子罐,发酵罐,放罐,压滤,上柱

9、吸附,解吸,浓缩,结晶,制剂,7051杀虫素产业化后的经济效益,浏阳霉素结构及其急性毒性,R1, R2, R3, R4=methyl; nonactin R1,R2,R3=methyl, R4=ethyl; monactin R1,R2=methyl, R3, R4=ethyl; dinactin R1=methyl; R2, R3, R4=ethyl; trinactin R1, R2, R3,R4=ethyl; tetranactin,浏阳霉素对抗性螨害的防治效果,2098 抗 生 素,2098FR900520 RCH2CH3 FK-506 RCH2-CH=CH2,Compactin类降低

10、胆固醇药物,Compactin,Provastatin,Lovastatin,Simvastatin,变 构 霉 素 的 结 构,腈酶、腈水合酶在工业上的应用,丙烯酰胺工业化生产 脂肪腈化合物的催化水合 芳香腈化合物的催化水合 杂环腈化合物的腈化水合 手性催化中的应用,分解腈类化合物的微生物,含腈化合物的水解,水解酶,腈水合酶对杂环腈化合物的催化水合,腈酶、腈水合酶在手性催化中的应用（一）,腈酶、腈水合酶在手性催化中的应用（二）,芳香腈化合物的水合催化,用于丙烯酰胺工业生产的微生物,只含腈水合酶，不含酰胺酶和腈酶，反应只按下列进行 2. 对底物耐受性高 3. 对产物耐受性高 4. 稳定性好 5. 催化效率高,丙烯酰胺的工业化技术,丙烯酰胺 Acrylamide 制法 硫酸水合法 钢镍催化水合法 微生物酶催化水合法,催 化,水 合,丙烯腈水合酶的制备流程图,丙烯腈水合酶催化水合流程图,工 艺 路 线,微生物催化法,丙烯腈水,催化剂,水合反应 100150,脱色,催化剂分离