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前言1

1 酶技术简介1

1.1 引言1

1.1.1 什么是生物催化剂1

1.2 生物技术生产工艺的目的与潜能2

1.3 酶技术与应用生物催化的历史节点5

1.3.1 早期发展5

1.3.2 19世纪90年代的科学进展：生物化学的典范；应用中走向成功6

1.3.3 20世纪50年代后的发展9

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11

1.5 以酶为基础的生产过程的优点与缺点12

1.6 新的以及改进的酶工艺的目的和系统基本特征15

1.6.1 目的15

1.6.2 酶工艺过程的合理设计系统的基本特征17

1.6.3 酶技术的使用现状和展望19

1.7 练习20

2 酶作为生物催化剂的基础知识23

2.1 引言24

2.2 酶的分类24

2.3 酶的合成与结构26

2.4 酶的功能及其催化机制28

2.5 自由能变化与酶催化反应的特异性33

2.6 酶催化的平衡控制和动力学控制的反应35

2.7 酶催化反应动力学38

2.7.1 酶催化反应动力学性质和选择性的定量关系38

2.7.2 水溶液中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45

2.8 酶反应终点和给定时间内到达终点所需酶量52

2.8.1 产率的温度依赖性54

2.8.2 终点产率的pH依赖性55

2.8.3 外消旋物动力学分解反应的终点55

2.9 微溶性产物和底物的酶催化过程57

2.9.1 水悬液中的酶催化过程58

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59

2.10 酶的稳定性、变性和复性62

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64

2.11.1 自然进化引起的酶性质的改变65

2.11.2 通过体外进化提高酶性质的方法69

2.11.3 理性酶工程77

2.11.4 生物合成（催化抗体）或化学合成（合成酶）的新酶79

2.12 练习80

3 有机化学中的酶88

3.1 引言88

3.1.1 动力学拆分或不对称合成89

3.2 实例分析90

3.2.1 氧化还原酶（EC 1）90

3.2.2 水解酶（EC 3.1）102

3.2.3 裂合酶（EC 4）123

3.3 练习133

4 酶的生产与纯化141

4.1 引言141

4.2 酶源142

4.2.1 动物和植物组织142

4.2.2 野生型微生物143

4.2.3 重组微生物144

4.3 酶产量的提高144

4.3.1 影响酶产量的过程144

4.4 提高周质酶和胞外酶产量147

4.4.1 青霉素酰化酶147

4.4.2 脂肪酶151

4.5 酶的下游处理152

4.5.1 工业用酶156

4.5.2 用于治疗和诊断的酶156

4.6 练习157

5 酶在溶液中的应用：可溶酶和酶系统161

5.1 引言及应用领域161

5.1.1 遗传工程的影响163

5.1.2 培养基的设计164

5.1.3 安全问题165

5.2 时空产率和生产效率165

5.3 酶在溶液中的应用例子169

5.3.1 概论169

5.3.2 淀粉加工172

5.3.3 范例和前景179

5.4 膜系统和工艺185

5.5 练习190

5.5.1 练习1：用转化酶生产转化糖190

5.5.2 练习2：不同条件下酶失活计算192

5.5.3 练习3：用青霉素酰胺酶水解青霉素193

6 酶的固定化及其应用199

6.1 原理199

6.1.1 固定化的参数202

6.2 载体203

6.2.1 无机载体206

6.2.2 多糖206

6.2.3 合成聚合物208

6.3 结合方法212

6.3.1 吸附212

6.3.2 共价结合212

6.4 例子：固定化酶的应用215

6.4.1 碳水化合物的水解与修饰215

6.4.2 青霉素和头孢菌素的合成和水解222

6.4.3 其他工艺224

6.5 练习226

6.5.1 酶固定化在离子交换器上226

7 微生物和细胞的固定化233

7.1 引言233

7.1.1 基本观点235

7.2 通过聚集作用和絮凝作用固定化236

7.3 包埋固定化239

7.3.1 在多聚网格中的包埋239

7.3.2 离子化凝胶中的包埋240

7.4 吸附247

7.5 黏附248

7.5.1 基本思路248

7.5.2 应用252

7.6 展望：设计的细胞262

7.7 练习265

7.7.1 用藻酸钙包埋酵母菌用于乙醇生产265

7.7.2 厌氧流化床反应器的特点266

8 固定化生物催化剂的特性273

8.1 引言273

8.2 影响固定化生物催化剂时空产率的因素274

8.3 固定化生物催化剂的效力因子275

8.4 传质与反应277

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277

8.4.2 效力因子和颗粒内外浓度分布曲线计算278

8.5 时空产率和不同反应器的效力因子281

8.5.1 连续搅拌反应器282

8.5.2 填料床反应器（PB）或间歇搅拌反应器282

8.5.3 CST与PB反应器的比较283

8.6 固定化生物催化剂基本性质的测定283

8.6.1 物理-化学性质285

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287

8.6.3 反应条件下的生产能力和稳定性292

8.7 固定化生物催化剂计算数据与实验数据的比较293

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294

8.9 改善固定化生物催化剂的效能295

8.10 练习297

9 反应器及过程技术302

9.1 反应器类型303

9.1.1 基本反应器类型及物料平衡303

9.1.2 其他反应器类型和结构：应用实例307

9.2 实例学习1：由头孢菌素C催化生产7-ACA311

9.2.1 生产β-内酰胺抗生素的酶催化过程311

9.2.2 7-ACA的生产过程314

9.2.3 从头孢菌素C到7-ACA的转换315

9.2.4 反应特征及确定限制因素316

9.2.5 酶的特性及其限制因素317

9.2.6 过程选择的评估318

9.3 反应器中的停留时间分布、混合、压降和质量传递321

9.3.1 放大，无因次数321

9.3.2 停留时间分布322

9.3.3 搅拌式反应器中的混合325

9.3.4 反应器中的质量传递329

9.3.5 管式反应器中的压降和流化330

9.4 过程技术331

9.4.1 概述331

9.4.2 实例学习2：高果糖浆的生产333

9.4.3 反应器设备336

9.4.4 展望：对集成化过程工程的一点看法336

9.5 练习338

9.5.1 实例学习2相关习题338

9.5.2 混合与搅拌相关习题339

附录A 生物技术信息世界：反应信息行为的8个要素343

附录B 符号349

索引352