01 第一章 酶工程绪论.ppt

第1页：第一章绪论 章节封面

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

第2页：生物技术的学科交叉来源

生物学、化学工程、工程学、化学生物工程、生物化学等学科相互渗透，交叉形成生物技术与生物工程。

第一节 生物催化：新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生。

第3页：生物技术的具体应用领域

生物技术包括：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，是生物技术的具体应用。

第4页：生物技术产业化三次浪潮

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。

第5页：工业生物技术的含义与核心目标

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。

第6页：工业生物技术的发展空间

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

第7页：典型工业生物技术过程流程图

典型工业生物技术过程：原材料与营养物经加工原料、培养基（灭菌）进入生物反应器，在酶或细胞（游离或固定化）生物催化剂作用下转化，再经产品提取纯化得到产品与副产品，并排出废物与热能；过程需机械能、除菌空气与检测控制仪表。

核心技术？

第8页：生物催化的定义

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）

以生物体系实现底物转化的过程。

第9页：生物催化是工业生物技术的核心技术

生物催化广泛应用于化学工业、发酵工业、轻工业、采矿、医药、食品、能源、材料、生物安全、环境等领域。

生物催化是工业生物技术的核心技术。

第10页：

第11页：生物催化法合成的主要产品产量

以生物催化法合成的主要产品

第12页：生物催化的趋势判断与需求分析

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%。

第13页：跨国公司的生物催化布局

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。

第14页：生物催化发展的主要推动力

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

第15页：

第16页：生物催化剂工程的目标

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盒：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

第17页：生物催化剂发展的工业展望

生物催化剂发展的工业展望

第18页：生物催化剂工程技术瓶颈

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

第19页：当前生物催化的研究热点

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

第20页：生物催化剂高效生产与催化功能研究

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

第21页：第一节结束

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第22页：第二节酶工程的研究内容 目录

第二节 研究内容

• 一．概念：
• 二．酶学研究简史
• 三．研究内容

第23页：酶工程的概念

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。

第24页：生物催化剂的发现途径

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

第25页：酶学研究简史年表

二．酶学研究简史

第26页：酶工程研究内容总览

三．研究内容

• （一）化学酶工程
• （二）生物酶工程

第27页：化学酶工程的研究内容

（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

第28页：生物酶工程的研究内容

（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

第29页：本课程必修板块

本课程主要讲述内容——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

第30页：本课程选学板块

本课程主要讲述内容——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

第31页：第二节内容小结

第二节结束

• 概念：酶工程（Enzyme Engineering）
• 酶学研究简史
• 研究内容：1. 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）；2. 生物酶工程（酶基因的克隆表达、酶的遗传修饰、酶的遗传设计）

第32页：第二节结束

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第33页：第三节国内外酶制剂工业概况 目录

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

第34页：世界三大酶制剂公司

一．国内外酶制剂生产和应用现状

• 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%

第35页：国际市场酶制剂销售额

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

第36页：我国酶工业发展阶段

二 我国酶工业发展阶段

第37页：国内酶制剂销售额比例

国内酶制剂销售额比例：本页以图示方式给出国内酶制剂销售额构成比例，源文件未提取到具体数值，建议对照原图补充。

第38页：国内外酶制剂生产应用差异

二．国内外酶制剂生产应用差异

第39页：我国酶制剂工业的发展对策

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

第40页：第三节结束

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