第六章 微生物学新技术在环境工程中的应用.ppt

第二篇第六章微生物学新技术在环境工程中的应用
第一节酶工程
早期的酶工程技术主要是从动物、植物、微生物材料中提取、分离、纯化制造各种酶制剂,并将其应用于化工、食品和医药等工业领域。
70年代后,酶的固定化技术取得了突破,使固定化酶、固定化细胞、生物反应器与生物传感器等酶工程技术迅速获得应用。
随着第三代酶制剂的诞生,应用各种酶工程技术制造精细化工产品和医药用品及其在化学检测、环境保护等各个领域的有效应用,使酶工程技术的产业化水平在现代生物技术领域中名列前茅,并正在与基因工程、细胞工程和发酵工程融为一体,形成一个具有很大经济效益与社会效益的新型工业门类。
——酶
酶的功能特异,威力非凡,生物的生长、发育、繁殖、营养、运动以及发酵、呼吸、光合作用、神经刺激、免疫反应无一不受到酶的催化作用。
已知酶的种类约有8000种,它们都是由生物细胞合成的一类特殊蛋白质,细胞的一切活动都离不开酶的“推动”。
酶催化活力的高效性和专一性是任何其他催化剂所无法比拟的。正因为体内存在为数众多、魔力非凡的酶,体内的生化反应才能在十分温和的条件下(如37C体温,近中性PH)飞快地进行。

以微生物酶为主体的酶制剂工业形成于50年代。其中工业用酶50一60种,治疗和诊断用酶120多种,酶试剂300多种,已涉及到食品、医药、发酵、日用化工、轻纺、制革、水产、木材、造纸、能源、农业、环保等经济部门。因此,人们把酶制剂工业称为工业领域中的“医学金矿”。
国际上酶制剂的年产量已超过10万吨,其来源有动物、植物与微生物。微生物酶制剂是工业酶制剂的主体,年产值已超过6亿美元。由于酶制剂主要作为催化剂与添加剂使用,它带动了许多产业的发展。
酶制剂的主要发展动态是:
洗涤剂用酶迅速普及西欧、美日等国;
凝乳酶广泛用于乳酪制造;
酶制剂新市场——催化剂、医药用酶和三废处理用酶迅速发展;
应用固定化异构酶大量生产高果糖浆;
筛选耐高温脂肪酶、糖化酶和蛋白酶;
应用基因工程技术改造和生产新型酶制剂。
通常生物材料中所含酶的总量并不太少,但每一种酶的含量却很低,-1%,如胰腺中含有5%的胰蛋白酶,%。由于各种酶在生物材料中含量很低,因此提取、分离和纯化各种酶制剂是一项比较复杂的工艺过程,犹如“沙里淘金”的“冶炼术”。

固定化酶与固定化细胞是酶工程的核心“软件”,因为以它为基础就可以根据化学反应工程的需要,组装成高效、连续运转的生物反应器,再与其他工程设备、电子元件配套形成完整的生物反应工艺装置。
酶的催化作用主要取决于酶的活性部位(即活性中心)与底物的相互作用。酶的活性中心是由数个氨基酸残基组成的。要使酶在固定化状态仍保持活性不变,使用时活力长久不衰,则必须保持活性小心不受损伤。所以制备固定化酶或固定化细胞时,需要在严密和尽量温和的条件下进行,已研究许多有效的方法可以制备表现活力高,使用寿命长的“长效、无公害”的生物催化剂。因为应用这些催化剂不仅使用寿命长,而且整个工艺过程几乎无三废污染。
在固定化酶广泛应用的基础上,人们发现天然细胞本身就具有多功能的系列化反应系统,因此采用物理或化学方法将细胞固定化,这是利用酶或酶系的一条捷径。
固定化细胞技术开始于70年代,其实际应用程度已超过固定化酶。
固定化细胞比固定化酶具有明显的优点,主要是省去了破碎细胞提取酶的手续。酶在细胞内环境中稳定性较高,进行完整细胞固定化时,酶活力丢失较少。尤其在需要利用复合酶系时,应用固定化细胞生物反应器可以把发酵工艺改为连续酶法反应,其制造成本也较低。