生物催化剂在化工中的应用：高效、环保的物质转化工具

生物催化剂在化工中的应用：高效、环保的物质转化工具

生物催化剂在化工领域的应用 生物催化剂是游离或固定化细胞和游离

利用生物催化剂催化化学反应实现物质转化的过程称为

生物催化和转化。生物催化和转化提供了许多使用传统化学方法无法或难以合成的方法。

活性化合物的合成方法与技术符合“原子经济性”和“绿色化学”的发展方向，已逐渐

已成为化学合成中不可缺少的工具，生物催化剂具有传统化学催化剂无法比拟的优势：

催化效率高、立体选择性和区域选择性强、反应条件温和、操作简单、无需保护和脱保护，

生物催化剂具有环境友好、反应产物纯度高、易分离纯化等优点，因此得到了广泛的应用

广泛用于各种医药中间体及其他精细化学品的生产。

据统计，80%以上的工业化学反应都是以催化反应为基础的。

该过程中的大多数反应可以由生物来源的酶催化。

随着环境问题的加剧，人们越来越呼吁“可持续发展”、“绿色化学”和“环境友好制造”。

生物催化与转化也越来越受到研究人员和工业界的关注。

该工艺的核心，随着生物催化技术的广泛应用，生物催化剂的发展面临新的挑战

竞争的主要表现为：商业化的生物催化剂少，供应不足；

该试剂在所需的反应介质中不够稳定，且容易失活，因此需要筛选和开发新的高效、稳定的生产方法。

生物催化剂已成为生物催化与转化研究领域的热点，只有通过开发生物催化剂，才能

加快推动“绿色化学”的推广应用。目前，筛选生物催化剂的方法主要可分为以下两个方面：

开始：一方面从环境样品中筛选新的生物催化剂；另一方面探索现有的生物催化剂

1 从环境样品中筛选新型生物催化剂环境样品是指

所有动物、植物和微生物都是所有生物催化剂的直接来源。

用于氧化剂筛选的动物酶源一般是指高等动物的肝、肾、血液等器官、组织，或

从动物中筛选生物催化剂的原理是根据目标反应的特点，找到其生理活性。

从发生类似反应的器官和组织中提取、筛选目标酶。提取过程一般可分为

经过如下步骤：组织破碎、硫酸铵分级沉淀、凝胶层析、离子交换层析，最终得到

以纯酶为目标。例如，从动物脂肪代谢的主要器官---中筛选用于酯水解的酯酶

猪肝酯酶是从猪肝脏中提取的酯水解酶。2005年，

高立体选择性使其广泛应用于有机合成，如手性醇或羧酸的合成。

对于昆虫等低等动物，可以从其全体中提取相关的酶或直接使用它们的提取混合物作为催化剂。

2001年Lee等人从蜜蜂中提取了海藻糖酶，该酶是唯一能特异性水解海藻糖产生葡萄糖的酶。

人体内的酶。以蚯蚓细胞提取物为催化剂，在辅酶NADH或

在NADPH存在下，3-甲基-2-氧代丁酰乙酯选择性催化生成相应醇，ee值可

1.2 植物源生物催化剂的筛选植物酶源一般指植物的叶、花、种子等。

其筛选原理和方法与动物源基本相同，从植物中也获得了一定数量的生物催化剂。

例如，氰醇裂解酶是一种从李属植物中提取的裂解酶，用于合成R-泛内酯。

.2008.无论是动物或植物来源的酵素萃取过程，由于萃取原料的个体差异

由于提取工艺的差异及操作误差，从每批组织中直接获得的酶的组成和含量有所不同。

因此，目前对动植物酶源生物催化剂的开发研究主要集中在

应重点利用基因工程从动植物中克隆相应酶的编码基因并在高效宿主微生物中表达。

该生物催化剂可以通过在生物体中表达而稳定获得。例如，上文提到的猪肝酯酶已被

该功能在毕赤酵母中得到表达。2008. 1.3 微生物生物催化剂的筛选

催化剂的主要来源是微生物，占生物催化剂总来源的80%以上。

世界上最具多样性、分布最广的生物种群，它的多样性保证了微生物源生物催化剂的多样性

筛选微生物生物催化剂（无论是酶还是细胞）的关键是确定

产酶微生物筛选的一般原则包括：孙志浩2005：①可

1.通过发酵的方法，能在较短的时间内生产出目标酶；2.微生物应尽可能利用廉价、方便的原料。

③微生物产生的酶最好具有较高的专一性，且不产生或产生很少的副产物。

④所用的微生物应为安全、无致病性、不产生有害物质的微生物；⑤微生物的

微生物的遗传稳定性要高，才能重复稳定地获得微生物酶。

菌株可以从国内外各菌株保藏机构保藏的已知菌株中筛选得到，也可以直接从自然界中筛选得到。

生物催化剂在精细化工中的应用-手性化合物的合成手性是指

不同的原子或基团可以在空间以两种形式排列，形成结构不同、互为镜像的对映异构体。

它们对称但不重叠。单个对映体可以偏转偏振光的方向，因此也称为光学异构体或光学活性

手性化合物现称为手性化合物。手性是自然界的一个重要性质。

对映体表现出不同的性质。首先，同一化合物的两种对映体不仅具有不同的光学性质

而且它们具有不同的生物活性，并能以手性方式与受体相互作用，因此手性已成为生命的一部分。

科学的一个关键因素。例如，在药理学中，药物作用包括酶抑制、药物跨膜转运和

受体结合等都与药物的手性结构有关。

利用生物方法制备手性化合物主要有三种方法：2.1 酶法分离

该方法利用水解酶的高立体选择性、位点选择性和区域选择性来催化外消旋体的化学合成。

对衍生物的一种对映体进行水解反应，得到反应的和未反应的光学异构体的混合物。

利用两种对映体不同的物理化学性质进行拆分，得到两个单一光学活性的产品。

拆分法主要用于制备手性醇、酸、胺、酯、酰胺等化合物。

该比例为50，但在实际中很难实现。为了将外消旋化合物转化为单一手性化合物

另一对映体可进行消旋化并反复拆分。拆分方法中最常用的酶是水解酶，例如酯酶、

脂肪酶、酰胺酶、酰化酶、腈水合酶、磷脂酶等。2.2 生物合成此方法是利用氧化

由还原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羟化酶、环氧合酶、醛缩酶等催化的不对称合成。

合成反应将化学合成的前体转化为复杂的手性醇、酮、醛、胺、酸、酯、酰胺、

卤素、金属前驱体转化为手性化合物，硫、氮等衍生物，理论转化率为

100.2.3 生物转化 该方法利用微生物与动植物细胞的单酶或多酶系统及代谢途径

有时，死细胞也可以用来将前体化合物转化为目标产物。在这种情况下，细胞通常被用作酶。

有时活细胞在转化过程中需要利用细胞的多酶系统或代谢途径。

在某些情况下需要辅助因子或能量供应，有时转化是在细胞培养过程中进行的。

生物转化可用于简单化合物。

生物转化的主要应用是复杂天然化合物的转化，其优点是步骤相对简单。

可能还有其他途径可以代谢该产品，这可能导致转化率低，也可能造成转化过程中的细胞增殖。

细胞的其他代谢产物或细胞自溶产物进入转化反应体系，增加了产物分离纯化的难度。

工业生物催化是发达国家和我国的一大产业。

当前化学工业的发展面临两大挑战：l 现代

化学工业很大程度上依赖于石油加工。随着石油等不可再生资源的日益稀缺，我们应该

开展替代原料研究。生物可再生原料可能是必然的选择。

生物可再生原料的利用还将带动整个农业的提高，增加农民的收入，对国民经济产生很大的影响。

对经济结构的改善和社会发展具有重要的战略意义。2传统化工工业过程效率低下、污染问题突出

自然界的化学过程核心是“蛋白质酶”的催化作用，其高效、温和、

环境兼容性。人类开发的工业化学工艺基本上依靠人工化学催化剂来实现通常的

该过程效率低下、耗能严重、且不环保。

人工化学催化剂可以从根本上改变人类的工业化学过程，这是可持续发展的重要因素。

3.1 工业生物催化的可行性 20 世纪 90 年代工业生物催化的兴起归因于以下几点

两个关键技术因素密切相关：1.蛋白质定向进化技术的出现；2.基因组学与蛋白质

蛋白质组学的发展。工业生物催化的核心是蛋白酶生物催化剂的应用。

该催化剂的条件温和、效率高、选择性高,在化学工业中越来越受到人们的青睐。

生物催化剂易于催化，可得到较为纯净的产品，从而减少资源的浪费和废物的排放。

生物催化剂可以实现传统化学无法实现的位点特异性、化学特异性和立体特异性。

生物催化剂的应用也有助于

生物可再生原料可以替代石油等矿物原料，或直接从阳光、大气和土壤中合成化学物质。

催化化学品占化工产品的60%，其技术渗透率占当前化工生产技术的10%。

90. 生物催化剂逐步替代传统化学催化剂将给化学工业带来深刻的变革。

3.2 蛋白质定向进化技术的主要步骤1. 选取目标基因蛋白酶2. 构建基因变体文库3.

将突变基因插入表达载体，将载体引入细菌或酵母细胞中进行表达。

通过在96孔ELISA板上分析蛋白质酶来筛选/选择所获得的蛋白质酶的性能。

3.3 工业生物催化研究趋势 基因组学与蛋白质的结合

蛋白质组学研究探索蛋白酶的来源和类型2基于定向进化技术的分子生物学

3.利用最新植物转基因技术开发植物“生物

反应器”4 在应用方面，它正朝着手性化合物合成、有机相生物催化、生物能源、生物材料和

环境保护领域的发展 4 生物催化剂在化工领域的商业化应用 4.1

随着大分子研究的日益广泛，生物催化剂在药物研发和生产业务链中扮演着越来越重要的角色。

（原 ）是一家德国特种化学品制造商

生物催化剂及均相催化剂工业研究所所长认为，生物催化剂

它已成为复杂有机分子制造商的一项重要技术。 正在开发其

独家催化酶法生产手性分子技术，酶技术在手性分子生产领域的开发与应用

可以利用生物催化剂的手性特性来开发高效的生物催化剂。

它在取向和立体化学方面具有高度选择性，在降低催化剂生产成本和提高空间产率方面具有巨大潜力。

效果是显而易见的。为此，益创工业公司正在开发具有巨大应用潜力的新型酶。

公司已建立基于以下两个共同努力的全细胞技术平台：乙醇脱氢酶/葡萄糖脱氢酶生产

手性醇、醇乙内酰脲酶/结构反应激酶/消旋酶和水解酶生产α-氨基酸的合成

在生物催化剂领域拥有雄厚的技术实力，并结合其传统

自从其前身德固赛公司率先开发并应用酶技术以来，

经过30多年的研究，终于开发出了一种经济有效的生产工艺。4.2瑞士

生命科学公司Lonza也是一家拥有强大生物催化酶技术的公司。

总裁助理 Hans-Peter Meyer 指出，该公司拥有自己的

通过其分子生物技术中心， 利用现代基因工程工具

龙茶除了生产水解酶外，还有一系列的腈转化

该公司的另一个研究领域是转移酶。作为该领域的领先公司，

在过去的 25 年里，已经开发了 50 种不同的生物转化工艺。

为其合成化学品业务开发尽可能多的酶。 与其他公司和大学建立了许多小型合作伙伴关系。

4.3 生物催化剂具有优势

与传统的合成手性分子的化学路线相比，生物催化剂的主要优势在于其效率。

产物纯度高，生产成本低。生物催化剂通常采用消旋化技术制备

非对称技术最大收益率为50%，非对称技术最大收益率为100%。

该酶具有选择性，可以产生超过90的对映体过量。这对于生产中间体或

同时，生物催化剂为复杂有机化合物的逆合成提供了新的机遇。

酶还提供了补充纯化学方法的新方法。

酶具有味觉选择性和立体选择性，产物的产率很高。酶还可以使用有机溶剂。酶的优点

包括生产过程的安全和环境保护。例如，当使用生物降解催化剂时，生物转化过程相对温和。

这最大限度地减少了不受控制的反应的可能性，并降低了对技术工人的健康风险。

这些酶的性价比很高，但却能提供独特的经济优势。

随着必要的分子生物技术工具和高通量筛选技术的发展，生物催化剂受到了极大的关注。

由于以上特点，生物催化剂将进一步受到行业厂商的青睐。

预计这一发展趋势将持续下去，生物催化剂将在手性精细化学品市场和外消旋

市场分析师认为，生物转化过程与非对称均相催化剂拥有相同的市场份额。

有机化学工业的作用将会不断增大，并最终成为最重要的技术。

生物技术在全球精细化工领域的份额已跃升至60%，增长速度令人惊叹。

有机精细化工合成比重将快速增长，将全面取代传统合成生产工艺。

生物催化酶技术的应用不仅限于手性分子的合成，还可以用于

手性聚合物的应用前景十分广阔，特别是在化妆品和食品工业中。

在某些领域，无论是市场对天然产品的需求，还是工艺本身的生产优势，都需要使用