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新型生物催化剂介绍
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新型生物催化剂介绍 一、研讨问题 专家研讨和制定本指南是从两方面考虑：一是从生物催化剂的类别，即酶、微生物和多细胞生物（植物和动物）；二是从生产规模功能的类别，即制药、精细化学品、通用化学品和燃料。这两方面的交汇点构成的领域、技术状态（包括研究开发所用方法和生产水平）都有很大区别。各种科学手段都可以在以下领域内应用：生物催化剂筛选和选择；生物催化剂的开发和工程化；在较大的工艺中集成（如分离）；建立模型（分子尺寸和工艺过程/经济规模两方面建模）。 生产规模、生物催化剂类别、技术开发状态和原料来源的差异带来研究开发工作的复杂性，需要设法简化以期发挥优势并达到目标。研讨时分成4个系列：少量生物加工工艺（精细化学品，药品）；工业加工工艺（大宗化学品和材料）；生物催化剂的筛选、选择和开发；多细胞生物催化剂。 用简单的线性时间序列难以指明和引导生物催化剂的开发。这些工艺过程复杂，在各开发阶段又互相影响。例如应用整个细胞作生物催化剂，生物聚合物如a-羟基聚酯已经有良好的结果。又如应用生物质作为液体燃料生产已经实现工业化，但仍面临许多争议。应当交错应用上述4 个系列作为基本途径来扩大生物催化剂的未来应用和提高其价值。 研讨过程分成4个阶段： 1.确定2020年及以后的目标 (1)在减少废料方面：推广应用生物催化剂使化学工业材料密集度、水耗、 能耗、毒性排放和废物排放都减少30％。 (2)在工艺指标方面：提高酶温度稳定性为120－13O℃； 在当前水平上提高活性100-1000倍（在水和有机溶剂中）；生产率提高10-100倍；酶生产效率与当前化学催化剂相当；生命期达到数月甚至数年；增加酶类别的应用（扩大到异构酶、转换酶、氧化还原酶等）；改进酶或细菌在固定化状态下的性能；用分子模型全面设计酶功能时间由数年提速到数月。 综上所述，可以归纳为5个目标：生物催化剂能更廉价地生产， 能广泛应用于化学反应中以产生更大影响；生物催化剂要十分可靠，使化学家们能在选用中与化学催化剂那样得到信任；生物催化剂能降低水、原料和能量消耗，减少毒物和污染物排放，有利于减少碳的排放；生物催化和生物催化剂系统是绿色化学的一个组成部分；在生物催化剂的开发上要进一步投入资金和注意力。 总之，生物催化剂需要进一步发展与完善，以低成本生产适应需要的产品，取代现在的合成催化剂。生物催化剂，在20％-30％的传统工艺中可以提高20 ％竞争力，而各种新工艺开发中约有50％将是以生物为基础，随着国际石油市场的变化，许多新的化学工艺将要以生物为基础。因此，生物基产业利用生物催化剂对碳螯合作用和节能都应是优先选择，这可减少温室气体排放和环境污染。同时，公众的“ 天然物较好”的概念将为绿色化学工业提供市场和谋求利润。要确定生物催化工艺特性尚需进行生命期分析。只有通过生物催化剂的开发才能更快地促进绿色化学的扩大应用，而用基因工程方法制成的酶催化剂引起的环境问题要进一步交流。 参与研讨专家的共识是要开发生物催化剂库。生物催化剂在工业方面成功地被应用，但并没有广泛了解，因此在教科书中要增加有关内容，如新型生物催化剂和新型生物催化剂系统以及加速发展生物催化剂的方法，降低研究开发费用的系统等。要更好地在基础科学水平上进一步了解生物催化剂和酶反应历程，要在现在知识基础上扩大适用的生物催化剂的筛选和选择（如一种实验性开发路线）。另一目的是减少生物催化剂开发时间。 2.找出技术上的障碍 (1)精细化学品/少量生产品种 ①在教科书中有关转化、建模手段、固定化技术。装置、新操作技术等知识有限； ②成本的竞争性； ③酶系列产品及其筛选； ④稳定性及活性问题； ⑤工艺过程开发中的集成。 (2)工业化工艺/大量生产产品 ①适用的转化反应可能性有限； ②各种因素所需费用较高； ③成本的竞争性； ④发现新型催化剂时间过慢，所需跨学科技术少。 (3)筛选、选择、开发 ①对酶或生物催化剂功能了解不够，影响对其选择性、速度和稳定性的提高； ②缺少在工艺中操作生物催化剂活性的手段和方法； ③筛选、选择和开发工作中手段不够先进； 二、指南的实施 1.关于目标问题 以“指南”为目标，在化学工业中开发生物催化剂并为其应用提供充分信息，开辟研究开发的途径。 实施“指南”是要规划出其战略，以促进生物催化剂的发展。 2.关于业绩指标问题 （1）工艺化学家应用生物催化剂有如应用常用催化剂。 生物催化剂将成为一种试剂，可以从生物催化剂开发公司订货购买。 ①生物催化剂应用范围扩大； ②生物催化剂的功能将可预见，特别是在特定条件下的催化反应。 （2 ）生物催化剂开发时间（从设计到合成到应用）要具有与常用催化剂竞争能力。 基于基质、介质和反应等功能平台的利用，从而迅速筛选和开发针对需要设计的生物催化剂。 （3）生物催化剂的结构和功能性质，有利于在工业中广泛应用生物催化剂。 3.关于战略问题 （1）研究开发和应用 ①常用工艺过程生产专用化学品和精细化学品以及在非常用工艺领域进行通用化学品和石化产品加工（有机介质、气相等）； ②发现新的生物催化剂，为新能源需要设计具有优化特定性能的新型生物催化剂； ③为加工可再生生物质资源、可再生气体转化和其他非常用资源（如无机物）提出生物催化剂应用新途径。包括开发非常用主体，如动植物中的生物催化剂； ④生物催化剂结构及功能的基本知识和开发工具的发展，为开发者提供关键技术以取得成功。 （2）研究开发的监测 为了使各类研究机构成功地和有效地实施此“指南”，要对这些研究实体进行监测，特别是化学工业中的机构，可由政府和私人的生物催化剂研究开发基金会进行，要重视生物工艺中的新型工业开发和文献中出现的新型生物催化剂。 ①关于途径问题 为了实施上述战略，提出了2 个层次的途径：一是要确定促进此“指南”中规定的研究开发的所有权；二是建立机制，跟踪和监测生物催化剂研究开发及其应用。 ②具体实施措施 成立执行筹备委员会并召开会议，应包括化学工业贸易组织、政府和非盈利机构代表；将此“指南”分发到贸易机构及有关代表；向各种专业会议分发此“指南” 文件，介绍有关内容；在各种专业会议上组织技术研讨，宣读有关研究论文。 4.“指南”信息用户的利益 各种组织和机构应用“指南”将有助于提高对生物催化剂的挑战和机遇的警觉，可以了解“指南”中所述的技术状况及研究。有经验的科学工作者可以从中得到生物催化剂各方面的知识，此“指南”可以作为提交有关建议、研究规划以及有关生物催化剂开发工作的有力手段。 此“指南”可为政府机构和产业部门提供指导研究和基金投放的有用的信息，对制定有关政策，特别是建立有关环境、促进生物技术迅速发展提供了极其有益的信息支持。 三、实施“指南”中研究开发的成功因素 在化学工业中实施此“指南”的潜在成功因素有几个方面： 投资渠道到2020年要比目前水平提高10倍，是取得高度成效的措施。 新产品进入市场通用化学品工业在过去15年内只有少量产品实现工业化，如果此“指南”对其产生影响，如制药工业将与广义的化学工业不同而迅速发展，每年可增50％新产品，其他化学工业新产品中应用生物催化剂将增3-5倍。 建立委员会包括有声誉的组织成员、监测生物催化剂的开发和应用，特别是基因改性生物体，显示此“指南”实施的成效。 广泛宣传有关成就在产业、政府和学术机构中进行竞赛，显示各化学实体对“ 指南”中提出的建议实施成绩。报道化学工业界有关生物催化剂的工作岗位、销售额、经济性改善情况，显示其成效。 在专业会议上成立分会由政府提出项目评论。 生物催化剂各领域的具体目标如下： 1.精细化学品──少量生产生物加工和制药 （1）技术方面 ①提高工艺过程强度或容量生产率：kg／容积·单位时间比 2000年水平提高 10倍； ②将1／3工艺由间歇式改为流动反应器； ③提高催化剂产值成本比； ④增加生物催化剂生产的产品数量：2010年增10％，2020年增20％，用生物催化工艺取代30％传统工艺，精细化学品产值30％来自生物催化剂； ⑤开发广泛的生物催化工具库，改变化学催化剂与生物催化剂明显差别状况； ⑥开发和生产速度将提高10倍； ⑦开发多步反应的催化剂。 （2）教育和政策等方面 ①在化学问题中纳入生物催化剂内容。 ②开发除整个细胞工艺过程外的新工艺。 2.工业化工艺用生物催化剂（大宗化学品和材料） （1）技术方面 ①每磅（1磅=0.4536kg，下同）催化剂生产2000磅产品， 每 5 年（从现在到 2020年）单位容积生产价值提高1倍； ②加工成本将低于常用的化学催化剂，20％化学和燃料产品将用生物技术生产， 50％的新产品将由生物加工过程生产； ③设计化学品和工艺过程要能回收或生物降解； ④开发具有同样或更好性能的生物产品； ⑤化学工业物质消耗、水消耗、能耗、毒物和污染物排放至少降低30％。 （2）教育和政策方面 ①用生物催化反应回收碳； ②提高公众对生物技术及其产品和服务的接受程度。 (3)筛选、选择和开发生物催化剂； ①使物料、水、能量消耗及毒物和污染物排放降低30％； ②开发能在2周内筛选1种生物催化剂或酶的方法； ③开发1种催化剂使其具有广阔的基质物性，但仍保持反应、 反应点及主体结构的特性； ④筛选以配制过程为基础的系统； ⑤从功能上弄清酶机制； ⑥将合成酶用于生物加工工艺； ⑦开发高收率筛选和保持生物多样化的非均相过程的关键技术； ⑧降低研究费用90％，缩短研究周期； ⑨制备性能高于工业催化剂20％的生物催化剂，具有较高产率，较大活力，可处理各种原料，减少能源消耗和废料产出。 来源：生命经纬 [ Last edited by rabbit7708 on 2006-11-13 at 14:54 ] |
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