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行业资讯
生物催化剂的现状和前景
 

  生物催化是利用生物催化剂(酶或微生物)来改变(通常是加速)化学反应的速率。

  生物催化剂是指生物反应过程中起催化作用的游离或固定化细胞以及游离或固定化酶的总称。

  特点:一、效率极高。二、高度专一。三、条件温和。四、清洁环保。

生物催化剂的应用

 目前,生物催化工艺对化学工业已产生重大影响,全球酶市场规模约60亿美元。在传统方面,微生物和酶工艺已被用于生物衍生原料的制造,现在开始扩展到石油衍生材料领域,并且在有机药品合成及柴油微生物脱硫中得到广泛应用,在反应中作歧化剂。在生产手性小分子的药物及中间体时,生物转化和传统的化学方法最显著的区别就是能非常有效地不对称合成手性化合物。由于生物催化剂是一类以蛋白质为主体的催化剂,其催化活性易受温度及pH 的影响。随着温度的上升,反应速度加快,但达到某一温度以上(一般4550),蛋白质就会变性失活,其反应速度就会急速下降;同样它也只在有限的pH 值范围内起反应,故每种酶都有其最佳温度和pH 值。而有些工业生产过程需在一定的温度、压力、pH 值或有机溶剂条件下进行,因此要求所用生物催化剂具有较高的耐受力,以适应工业化生产需要。目前生物催化技术的应用主要局限于无合适的生物催化剂,应用现代筛选技术可获得理想的生物催化剂。

生物催化剂的筛选

生物催化剂的广泛应用有赖于对大量生物分子的有效筛选和检验。不同菌株和不同酶的催化专一性、活力及稳定性有很大差异,因此有关菌种分离、筛选、选育等工作不可缺少。在实际工作中,要扩大生物催化剂的应用必须解决生物催化中的一些典型困难和操作上的限制,如温度、pH值、产物抑制、反应速度及处理的物料浓度等。要解决这些问题必须以保持催化剂的高效选择性和特异性为前提。在生物催化剂的筛选中已打破传统方法,当前,将生物诱变技术和高通筛选技术相结合是获得理想生物催化剂的有效方法。

生物催化剂的来源

目前,少数生物催化剂是从动植物组织中提取的,多数来自于微生物细胞。除真核生物和单细胞酵母(如从南极假丝酵母中得到了高效脂肪酶CALB)外,原核微生物是生物催化剂的主要来源。由于原核微生物(细菌和古生菌)是地球上出现最早和数量最多的生命形态,经历了漫长的演变后,许多微生物为适应“恶劣”环境而具有了非常高的耐受性,从而可从中得到大量高性能的生物催化剂。现在,虽然微生物培养也有其局限性,如很多生物体用当前技术还无法进行培养,但通过微生物培养来获得生物催化剂仍是最普通和最有效的方法。这是因为微生物培养能加速生物体的新陈代谢而增加其数量,为以后的高通量筛选提供了有利条件。

生物催化剂的缺点

生物催化剂的本质是酶,虽然具有催化效率高、专一性强和污染少等优点,但在有机溶剂中生物催化剂的稳定性和耐受性都很低,易受到有机溶剂的破坏,此外它的催化活性还受到溶剂pH和反应温度的影响。   

在有机合成方面的应用

一、生物催化剂应用于取代反应

 许多酶都可以用来催化丙氨酸、丝氨酸、半胱氨酸衍生物beta-碳上的取代反应以及蛋氨酸等化合物r-碳上的取代反应 。如O-乙酰基丝氨酸在酶的作用下,发生beta-碳原子上的取代反应,得到L-半胱氨酸 ,再如,L-半胱氨酸与L-高丝氨酸反应,在酶的作用下,r-碳上的羟基被取代,生成L-胱硫醚。

二、生物催化剂应用于加成与消除反应

  1  碳碳双键的加成     H-EHogbergP Berglund等人系统地研究了碳碳双键在酵母粉下的加成反应。

  2   碳氧双键的加成    醛缩合酶可以催化羟醛缩合反应。在这一类酶中,以果糖-16-二磷醛缩酶(FDPA)在有机合成中的应用研究最为深入。举例来说,在二羟基丙酮与2-羟基丙醛的反应中,以果糖-16-二磷醛缩酶催化,得到Furaneol

三、生物催化剂应用于酯的合成及水解反应 

  1  酯的合成     酯的合成常用羧酸和醇作原料,例如洋葱假单胞菌脂肪酶PEG修饰后能溶于苯中,可在25℃有效催化萜烯醇香料(香茅醇、香叶醇、金合欢醇、植醇)和短链羧酸(2-5碳酸)的酯化反应,产率80-95% ,酶也可以完成单脂肪酸甘油酯的合成,以及促进内酯的合成等。另外酯交换反应也是制备酯的一个重要方法,当采用此法合成新酯时,也可以用酶作催化剂。

  2  酯的水解反应   由于酯在酸性或碱性条件下水解,都可能引起碳架的改变,得到副产物。而酶催化的水解反应,条件温和,不会影响碳架结构,因此酯的水解反应用酶来催化显得尤为重要。例如在酸性或碱性条件下水解环丙醇乙酸酯,都会发生开环反应,生成丙醛和一个羟醛缩合产物,而用猪肝酯酶作催化剂,在pH75的条件下水解才得到环丙醇。

四、生物催化剂应用于酰胺的合成及水解反应

  1    酰胺和肽的合成    酶催化反应在青霉索和头孢菌素的酰胺键生成中,起着极为重要的作用。例如在酶的作用下,7-氨基去乙酰氧基头孢菌素酸(7ADCA)D-苯基甘氮酸可以转变为头孢菌素。

  当底物分子含有多种不同反应能力的官能团时,若想得到单一的目标产物.选用酶作催化剂是最佳的,例如天冬门酰胺的合成。

五、生物催化剂应用于氧化和还原反应

  1  氧化反应    酶催化的氧化反应包括醇氧化、醛氧化以及酮氧化成酯的反应。如伯醇与仲醇的氧化一般采用醇脱氢酶,马肝脱氢酶(HLAD)就是其中之一;新型环糊精衍生物催化糠醛制糠酸;环己酮氧化成环己内酯;酶还可以用来催化脱氢氧化反应,CHCH键的脱氢反应,用微生物细胞将烯烃转变为环氧化物,氨基酸的氧化反应,氮、硫、硒等原子的氧化反应等。

    醛和酮的还原反应除甲醛之外,所有醛都是潜手性的。因此在酶催化下,醛还原得到a- 碳为手性的伯醇。例如 a-甲基苯丙醛在酵母粉的作用下可还原成伯醇酮的生物催化还原也是一类重要的反应,而且还原产物通常具有光学活性。

在食品工业中的应用

在食品工业中可以用来降低粘度、提高提效率(或分离效率)、增香、实现生物转化等。在这些应用方面也同样推广应用固定酶技术,目前世界上规模最大的固定酶工艺就是用固定化葡萄糖异构酶以葡萄糖为原料生产果糖糖浆。具体方法是将葡萄糖异构酶固定在二乙胺乙基纤维素上,异构化条件是温度为20℃,PH69。这种固定酶的活力可达90%,并且如果酶的活性降低可加入新酶使之再生。

在医学方面的应用

生物催化剂在医学方面的应用已引出人工细胞、人工器官等新概念。如利用微囊化技术,将酶等生物大分子固定在0.2-3um的半透膜内,形成人工细胞。由于薄膜的隔离,囊内的酶分子不与囊外的免疫球蛋白接触,也不受水解酶的破坏,这样制成的含有一种酶的人工细胞就是第一代人工细胞。利用这种脲酶微囊即脲酶的人工细胞可以转化动物血中的尿为氨,再用固定化的吸附剂除去氨,这就是最简单的人工肾。用上述微囊法制成韵含有多酶系统的微囊即是第二代人工细胞,把脲酶、谷氨酸脱氢酶、醇转氨酶等共同固定在微囊内,那么尿素和氨的代谢就可以在这种微囊的作用下周而复始地运转。这种人工肾就更进了一步 另外据报导用微囊化的胰岛细胞植入诱发糖尿病的大鼠体内可以控制血糖水平治疗糖尿病,机体的排斥反应可以避免。

市场现状

目前,用在精细化学品生产上的生物催化剂市场不超过2 -3亿美元,仅为酶制剂总市场的5%。生物催化剂市场的很大部分是垄断或半垄断的。这些催化剂常被提供给某个独家用户。倒如,意大利的Do Bi-Sclavo公司就专为该国的Recordati公司生产能拆分DL一对羟苯基甘氨酸的乙内酰脲酶系统。相对于酶制刺工业的其它部分,生物催化剂产品的销售极为零散,几乎还没有某种生物催化剂产品的市场超过10O万美元的。只有B-内酰胺酶类(青霉素或头孢菌素酰胺酶)是个突出的例外,其市场约为12亿美元,占生物催化剂市场的50%

前景

近年来,生物催化剂在精细化学品市场中显现强大的增长率。预计2013年用于精细化学工业和制药工业的生物催化剂在2亿美元到3亿美元,预计年增长率达8-9%。已工业化的酶法合成有类固醇及甾醇合成、生物碱合成、有机酸类合成、糖的转化、药用多肽及蛋白质的合成、氨基酸类合成、核苷酸类合成等。世界经合组织(OECD)认为“生物催化技术是工业可持续发展最有希望的技术”,它的高速发展将带来技术上的创新,也将推动生产力的高速发展。在过去的十年中,由于开发了现在广泛使用的必要的分子生物科技工具和高通量筛选技术,生物催化剂已经获得了很大的重视。由于上述特点,生物催化剂将会受到业界生产商的进一步青睐。到2013年,生物技术在全球精细化学工业的份额将会由目前的15%跃升至60%,增长速度十分惊人,而且实现的可能性很大。生物技术在有机精细化学工业合成领域的份额将会快速增长,并将完全取代传统合成生产工艺在该领域的使用。生物催化剂酶技术的应用不仅仅局限于合成手性分子,而且还可用于生产手性聚合物,尤其是在化妆品工业和食品工业的应用前景更为光明。

结语与展望

 由于生物催化剂具有催化效率高、专一性强和污染少等特点,生物催化已经和化学方法一样,被大量应用于药物的研究开发。但生物催化剂的热稳定性差、易受pH的影响和有机溶剂耐受性差等缺点,限制了生物催化剂用于大规模的工业化生产。不过随着新的生物技术如定向进化的出现,利用生物技术对生物催化剂进行改造优化已成为现实。相信在不久的将来,生物催化定能在制药工业中发挥更大的作用,给人类的健康事业作出新的贡献。正如20世纪中期石油化工的飞速发展改变了人们的生产、生活方式一样,生物催化的广泛应用,将会给人们提供性能更佳的材料和能源以可再生的生物原料为基础的生物生产过程,将逐步取代化石原料生产过程,成为21世纪化工生产的主体,从而实现绿色化工、绿色生产的目标 。

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