《工业催化》结课论文生物催化剂姓名：郭超指导教师：吴彬院系：化学化工学院专业： 10化工提交日期： 2013/1/13一、前言二、内容<一>、1、概述2、生物催化剂的定义3、生物催化剂的类别4、生物催化剂-酶的主要特性5、酶是蛋白质，所以酶促反应又固有其特点<二>、生物催化剂筛选的反应过程的设计1、一般产酶微生物筛选的原则、酶或产酶微生物的筛选2、生物催化剂筛选的主要途径3、从极端微生物中筛选极端酶的策略4、未培养生物催化剂的发现策略<三>、微生物和酶的一般筛选方法1、从自然界发现产酶微生物2、生物催化剂的高效筛选3、优良菌种选育三、参考文献《应用催化基础》(吴越)广义是指由生物产生用于自身新陈代谢，维持其生物的各种活动。
工业用生物催化剂是游离或固定化的酶或活细胞的总称。
它包括从生物体，主要是微生物细胞中提取出的游离酶或经固定化技术加工后的，以上统称为；也包括统称为的游离的、以整体微生物为主的活细胞及固定化活细胞。
酶催化剂用于催化某一类反应或某一类反应物（在酶反应中常称为底物或基质），其过程则称为；而以整个微生物用于系列的串联反应的过程称为。
死的细胞或干细胞制剂也具有催化作用，但其细胞已无新陈代谢能力，往往不能进行辅酶或辅基（酶的组成部分）的再生，只能进行简单的酶反应，属于一种不纯的酶催化剂。
催化剂可分为生物催化剂和与非生物催化剂与非生物催化剂相比，生物催化剂具有很大的优势，能在常温常压下反应，反应速率快，催化作用专一，价格较低等优点，但缺点是易受热、受某些化学物质及杂菌的破坏而失活，稳定性较差，反应时的温度和pH范围要求较高。
用作固定化酶或固定化细胞时，使用寿命一般应不少于30批或连续使用3个月，否则经济上很难过关。
酶是生物催化剂。
活的生物体利用它们来加速体内的化学反应。
如果没有酶，生物体内的许多化学反应就会进行得很慢，难以维持生命。
大约在37℃的温度中（人体的温度），酶的工作状态是最佳的。
如果温度高于50℃或60℃，酶就会被破坏掉而不能再发生作用。
因此，利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂，在低温下使用最有效。
<一>1、概述•提高筛选效率的基本原则①需要设计合适的用酶方法，使得目标反应非常清楚②需要在有希望的微生物中寻找具有合适活性的微生物③需要建立方便和敏感的分析系统尽可能多的搜寻微生物2、生物催化剂的定义生物催化剂：是生物反应过程中起催化作用的游离或固定化酶的总称。
3、生物催化剂的类别生物催化剂的来源与多样性a、高效性：酶的催化效率比无机催化剂更高，使得反应速率更快；b、专一性：一种酶只能催化一种或一类底物，如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽；c、温和性：是指酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的。
d、活性可调节性：包括抑制剂和激活剂调节、反馈抑制调节、共价修饰调节和变构调节等。
e. 有些酶的催化性与辅因子有关。
f. 易变性，由于大多数酶是蛋白质，因而会被高温、强酸、强碱等破坏专一性、高效性、可调节性5、酶是蛋白质，所以酶促反应又固有其特点：（1）酶易失活（2）高度的催化效率：一般而论，酶促反应速度比非催化反应高106-1013倍，例如，反应：H2O2+H2O2→2H2O+O2在无催化剂时，需活化能18，000卡/克分子；胶体钯存在时，需活化能11，700卡/克分子；有过氧化氢酶(catalase)存在时，仅需活化能2，000卡/克分子以下。
-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65 C条件下可催化2吨淀粉水解。
（3）高度的专一性：酶对所作用的底物有严格的选择性，一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进一定的化学变化，并生成一定的产物，这种现象称为酶的特异性或专一性(specificity)。
受酶催化的化合物称为该酶的底物或作用物(substrate)。
酶对底物的专一性通常分为以下几种：结构专一性：①绝对特异性(absolute specifictity)有的酶只作用于一种底物产生一定的反应，称为绝对专一性，如脲酶(urease)，只能催化尿素水解成NH3和CO2，而不能催化甲基尿素水解。
②相对特异性(relative specificity)一种酶可作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的专一性称为相对专一性。
如脂肪酶(lipase)不仅水解脂肪，也能水解简单的酯类；磷酸酶(phosphatase)对一般的磷酸酯都有作用，无论是甘油的还是一元醇或酚的磷酸酯均可被其水解。
立体异构特异性(stereopecificity)酶对底物的立体构型的特异要求，称为立体异构专一性或特异性，分为旋光异构专一性和顺反（几何）异构专一性。
如α-淀粉酶(α-amylase)只能水解淀粉中α-1,4-糖苷键，不能水解纤维素中的β-1，4-糖苷键；L-乳酸脱氢酶(L-lacticacid dehydrogenase)的底物只能是L型乳酸，而不能是D型乳酸。
而延胡索酸酶只能催化延胡索酸（反丁烯二酸）生成苹果酸，而不能催化顺丁烯二酸反应。
（4）、酶活性的可调节性：酶是生物体的组成成份，和体内其他物质一样，不断在体内新陈代谢，酶的催化活性也受多方面的调控。
例如，酶的生物合成的诱导和阻遏、酶的化学修饰、抑制物的调节作用、代谢物对酶的反馈调节、酶的别构调节以及神经体液因素的调节等，这些调控保证酶在体内新陈代谢中发挥其恰如其分的催化作用，使生命活动中的种种化学反应都能够有条不紊、协调一致地进行。
有胞内酶和胞外酶之分，也有单体酶和多酶复合体之分。
（5）酶反应条件温和但不稳定：反应条件：室温、常压、温和的PH。
酶是蛋白质，酶促反应要求一定的pH、温度等温和的条件，但剧烈条件反而使酶失活，如强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。
生物催化剂筛选的反应过程的设计图例：图：海因酶和N-氨基甲酰氨基酸水解酶两步选择性水解制备D-对羟基苯基甘氨酸••••••例：①生物法：腈水合酶与酰胺酶催化反应生产丙烯酰胺•②传统法：铜催化丙烯腈的水合生产丙烯酰胺<二>、生物催化剂筛选的反应过程的设计1、一般产酶微生物筛选的原则、酶或产酶微生物的筛选•①能够通过发酵在相对较短的时间内高产目标酶；②微生物应该尽可能地利用便宜和方便的原料生产酶；③微生物所产生的酶最好有比较高的专一性④所采用的微生物应该是不产生有害物质的非致病性的安全微生物⑤微生物的遗传稳定性应该比较高2、生物催化剂筛选的主要途径（1）从商品酶库中筛选（2）从已知菌种来源和菌种保藏中心筛选生物催化剂（3）从自然界发现和筛选产酶微生物（4）从基因库筛选3、从极端微生物中筛选极端酶的策略•极端酶（extremozyme）是由极端微生物（extremophile）产生的酶，与之相对应的中间型是常态微生物（mesophilic organism）产生的酶。
•如何进行极端酶的研究和开发①必须有足够的酶，这就涉及极端微生物的培养②依赖极端酶在中间宿主中的表达表2-1 某些有应用前景的超级嗜高温酶4、未培养生物催化剂的发现策略•未培养微生物（uncultured microorganism）•美国微生物学家Colwell的实验室在1982年首先提出“不能培养微生物（nonculturable microorganism）”的概念，他们发现快速生长的霍乱弧菌和大肠杆菌移植到无营养料的盐水中，经长时期的低温保存后，细胞数不减，代谢活力不变，但在正常肉汤培养条件下不产生菌落，因此他们用“活的但不能培养（viable but nonculturable, VBNC)”一语描述这种潜伏状态的细菌。
<三>、微生物和酶的一般筛选方法•1、从自然界发现产酶微生物•(1)采样富集培养：是根据微生物的生理特点，在目的微生物含量较少时，设计一种选择型培养基，创造有利的生长条件，是目的微生物在最适的环境下迅速地生长繁殖，数量增加，由原来自然条件下的劣种变成人工环境下的优势种。
分为分批式（摇瓶培养）和恒化式（连续培养）两种不同的方式。
(2)分离(3)筛选图2-2 从自然界发现产酶微生物的方法2、生物催化剂的高效筛选高通量筛选（high-through screening, HTS）是近年来发展起来的一种新型筛选技术，其特点是微量、快速、灵敏、准确，在短时间内可以检测大量的微生物。
3、优良菌种选育•优良生产菌种应该具备的基本特点：①生产菌种应该具备在较短的发酵周期内产生大量发酵物②在发酵过程中不产生或少产生与目标产品性质相近的反应产物或副产物，以便于分离纯化。
③能利用多种来源的原材料，并对发酵原料成分的波动敏感性较小，可用价廉易得的原材料进行培养，以降低发酵成本。
④对需要添加的前体物质（底物）有耐受力，并且不将底物、产物作为一般碳源利用。
⑤具有抗杂菌污染，抗噬菌体感染的能力。
⑥发酵泡沫少，利于提高装料系数、提高单罐产量、降低发酵成本⑦生长繁殖能力强，有较快的生长速率，遗传特性稳定。