生物催化剂与酶工程

前言

1酶技术简介

1.1引言

1.1.1什么是生物催化剂

1.2生物技术生产工艺的目的与潜能

1.3酶技术与应用生物催化的历史节点

1.3.1早期发展

1.3.219世纪90年代的科学进展：生物化学的典范；应用中走向成功

1.3.320世纪50年代后的发展

1.4生物技术过程：游离酶或胞内酶作为生物催化剂的应用

1.5以酶为基础的生产过程的优点与缺点

1.6新的以及改进的酶工艺的目的和系统基本特征

1.6.1目的

1.6.2酶工艺过程的合理设计系统的基本特征

1.6.3酶技术的使用现状和展望

1.7练习

2酶作为生物催化剂的基础知识

2.1引言

2.2酶的分类

2.3酶的合成与结构

2.4酶的功能及其催化机制

2.5自由能变化与酶催化反应的特异性

2.6酶催化的平衡控制和动力学控制的反应

2.7酶催化反应动力学

2.7.1酶催化反应动力学性质和选择性的定量关系

2.7.2水深液中kcat、Km对pH、温度、抑制剂、激活剂和离子强度的依赖性和选择性

2.8酶反应终点和给定时间内到达终点所需酶量

2.8.1产率的湿度依赖性

2.8.2终点产率的pH依赖性

2.8.3外消旋物动力学分解反应的终点

2.9微溶性产物和底物的酶催化过程

2.9.1水悬液中的酶催化过程

2.9.2在产物和底物可溶（酶悬浮）的非常规溶剂中的酶催化过程

2.10酶的稳定性、变性和复性

2.11通过自然进化、体外进化或理性酶工程得到的更好的酶

2.11.1自然进化引起的酶性质的改变

2.11.2通过体外进化提高酶性质的方法

2.11.3理性酶工程

2.11.4生物合成（催化抗体）或化学合成（合成酶）的新酶

2.12练习

3有机化学中的酶

3.1引言

3.1.1动力学拆分或不对称合成

3.2实例分析

3.2.1氧化还原酶（EC1）

3.2.2水解酶（EC3.1）

3.2.3裂合酶（EC4）

3.3练习

4酶的生产与纯化

4.1引言

4.2酶源

4.2.1动物和植物组织

4.2.2野生型微生物

4.2.3重组微生物

4.3酶产量的提高

4.3.1影响酶产量的过程

4.4提高周质酶和胞外酶产量

4.4.1青霉素酰化酶

4.4.2脂肪酶

4.5酶的下游处理

4.5.1工业用酶

4.5.2用于治疗和诊断的酶

4.6练习

5酶在溶液中的应用：可深酶和酶系统

5.1引言及应用领域

5.1.1遗传工程的影响

5.1.2培养基的设计

5.1.3安全问题

5.2时空产率和生产效率

5.3酶在溶液中的应用例子

5.3.1概论

5.3.2淀粉加工

5.3.3范例和前景

5.4膜系统和工艺

5.5练习

5.5.1练习1：用转化酶生产转化糖

5.5.2练习2：不同条件下酶失活计算

5.5.3练习3：用青霉素酰胺酶水解青霉素

6酶的固定化及其应用

6.1原理

6.1.1固定化的参数

6.2载体

6.2.1无机载体

6.2.2多糖

6.2.3合成聚合物

6.3结合方法

6.3.1吸附

6.3.2共价结合

6.4例子：固定化酶的应用

6.4.1碳水化合物的水解与修饰

6.4.2青霉素和头孢菌素的合成和水解

6.4.3其他工艺

6.5练习

6.5.1酶固定化在离子交换器上

7微生物和细胞的固定化

7.1引言

7.1.1基本观点

7.2通过聚集作用和絮凝作用固定化

7.3包埋固定化

7.3.1在多聚网格中的包埋

7.3.2离子化凝胶中的包埋

7.4吸附

7.5黏附

7.5.1基本思路

7.5.2应用

7.6展望：设计的细胞

7.7练习

7.7.1用藻酸钙包埋酵母菌用于乙醇生产

7.7.2厌氧流化床反应器的特点

8固定化生物催化剂的特性

8.1引言

8.2影响固定化生物催化剂时空产率的因素

8.3固定化生物催化剂的效力因子

8.4传质与反应

8.4.1固定化生物催化剂最大反应速率与颗粒半径的函数关系

8.4.2效力因子和颗粒内外浓度分布曲线计算

8.5时空产率和不同反应器的效力因子

8.5.1连续搅拌反应器

8.5.2填料床反应器（PB）或间歇搅拌反应器

8.5.3CST与PB反应器的比较

8.6固定化生物催化剂基本性质的测定

8.6.1物理-化学性质

8.6.2固定化生物催化剂的动力学性质；水系和其他体系中支持物性质在纳米或微米水平上的影响

8.6.3反应条件下的生产能力和稳定性

8.7固定化生物催化剂计算数据与实验数据的比较

8.8水悬浮液中固定化生物催化剂在酶反应过程中的应用

8.9改善固定化生物催化剂的效能

8.10练习

9反应器及过程技术

9.1反应器类型

9.1.1基本反应器类型及物料平衡

9.1.2其他反应器类型和结构：应用实例

9.2实例学习1：由头孢菌素C催化生产7-ACA

9.2.1生产-内酰胺抗生素的酶催化过程

9.2.27-ACA的生产过程

9.2.3从头孢菌素C到7-ACA的转换

9.2.4反应特征及确定限制因素

9.2.5酶的特性及其限制因素

9.2.6过程选择的评估

9.3反应器中的停留时间分布、混合、压降和质量传递

9.3.1放大，无因次数

9.3.2停留时间分布

9.3.3搅拌式反应器中的混合

9.3.4反应器中的质量传递

9.3.5管式反应器中的压降和流化

9.4过程技术

9.4.1概述

9.4.2实例学习2：高果糖浆的生产

9.4.3反应器设备

9.4.4展望：对集成化过程工程的一点看法

9.5练习

9.5.1实例学习2相关习题

9.5.2混合与搅拌相关习题

附录A生物技术信息世界：反应信息行为的8个要素

附录B符号

索引

　　本书为“应用生物技术大系”中的一本。全书为读者带来人类应用生物催化剂的历史，酶的催化原理、动力学、产量、循环、特性以及设计方法等知识。不仅涵盖了常用的可溶性酶，也着重介绍了新式的固定化酶在有机合成、生物反应器设计和反应工程中的应用。　　生物催化剂和酶工程是生物工程的重要研究和应用领域，本书将为读者带来人类应用生物催化剂的历史，酶的催化原理、动力学、产量、循环、特性以及设计方法等知识。不仅涵盖了常用的可溶性酶，也着重介绍了新式的固定化酶在有机合成、生物反应器设计和反应工程中的应用。每一章都有大量的应用实例，章末还设有习题以帮助读者更好地学习这门令人兴奋的学科。　　本书适合于生物化学、生物催化工程、发酵生产等领域的研究者和技术人员使用。