2021年非水相生物催化(1).ppt

概述
生产工艺的优化是减少资源消耗和环境污染的必然要求，即“化工过程生物化”或“化学-生物一体化”。
生物催化系统主要由底物及产物、反应介质、生物催化剂三个基本要素构成。
可以通过对基本要素的改变达到优化反应的目的。
非水相生物催化 (1)
2021/1/15
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非水相生物催化
是将生物催化剂应用于非水介质来实现所期望的化学反应或化学转化，这些技术和方法人们称之为非水相生物催化。
早在1913年，Bousquelt等就发现酶在有机溶剂（乙醇、***等）中具有一定的催化活性，但传统的观念认为酶催化反应需要在水溶液中进行，只有在水溶液里酶才能维持其催化活性结构，有机溶剂将使酶变性失活或抑制其活性，所以这一发现在当时并未受到应有的重视。
1966年， Dostoli 和Siegel 报道Chymotrypsin、Horseradish peroxidase在含有机溶剂介质中具有催化活性。
1975～1983年，微生物细胞、游离酶和固定化酶在有机溶剂中合成酯、内固醇以及甾醇转化。
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直到1984年， Klibanov等在《Science》上报道了脂肪酶在有机介质中不仅具有较高的催化活性，而且具有极高的热稳定性，同时同种酶在不同的有机溶剂中可以表现出不同的立 体选择性。之后，非水相生物催化的研究才引起人们广泛的关注和重视，相关的研究报道日渐增多，并取得了突破性的进展。开辟了非水相酶学（Non-aqueous enzymology)这一崭新的研究领域，拓展了酶的应用范围。
2001年， Klibanov在《Nature》上综述了酶在有机溶剂中的催化特性以及展望未来非水相生物催化的发展趋势
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酶的活性和选择性实质上取决于酶的空间结构，尤其是高级结构；而酶的结构又取决于其分子内部以及它与周围环境之间的各种作用力，如离子键、氢键等。
改变酶的一级结构是从根本上改变酶的空间结构，而构象的改变可以通过微环境的调整来实现。
介质多样化才能适应底物和催化剂的多样化。
水100%
%
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非水介质酶催化的研究内容
基本理论的研究，包括影响非水介质中酶催化的主要因素以及非水介质中酶学性质
通过非水介质中结构和功能的研究，阐明非水介质中酶的催化机制，建立完善基本理论
利用上述理论指导非水介质中酶催化反应的应用
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酶非水相催化的几种类型
有机介质中的酶催化
有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化作用。酶在有机介质中由于能够基本保持其完整的结构和活性中心的空间构象，所以能够发挥其催化功能。
气相介质中的酶催化
酶在气相介质中进行的催化反应。适用于底物是气体或者能够转化为气体的物质的酶催化反应。
超临界介质中的酶催化
酶在超临界流体中进行的催化反应。超临界流体是指温度和压力超过某物质超临界点的流体。
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有机相酶反应的优点
有利于疏水性底物的反应
可提高酶的热稳定性
能催化在水中不能进行的反应
可改变反应平衡移动方向
可控制底物专一性
可防止由水引起的副反应
可扩大反应pH值的适应性
酶易于实现固定化
酶和产物易于回收
可避免微生物污染
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单一的水或缓冲溶液系统
有利于溶解和传质，各组分分布均匀。
由于酶的构象与其离子化状态密切相关，因此酶的体外实验研究通常在一定浓度的缓冲溶液体系中进行，这样可保证酶在最佳pH附近发挥最大的活力。
缓冲溶液的种类很多，在酶催化中使用最多的可能是磷酸盐和Tris-HCl，因为大多数酶的最佳pH在中性范围内(pH5~9)，但也有例外的情况。
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水-有机溶剂单相系统
这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶组成的反应体系。
有机溶剂的比例对反应体系具有重要影响。
酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。不存在传质阻碍，但由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能在该反应体系的进行催化反应的酶较少。
如果该系统中有机溶剂的比例高过某一阈值，将夺去酶分子表面的结构水，使酶失活
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水-有机溶剂两相系统
水-有机溶剂两相系统是指由水相和非极性有机溶剂相(烃、醚、酯等)组成的非均相反应系统，体积比可以在很宽的范围内变动。