生物催化
生物催化与酶工程
生物催化与酶工程生物催化，即利用生物催化剂（酶）对底物进行特异性催化转化的过程，是一种绿色环保、高效可持续的化学合成方法。
酶工程作为生物催化的关键领域，研究了酶的选择和设计，以提高催化效率和底物特异性。
本文将重点讨论生物催化与酶工程的原理、应用和发展前景。
一、生物催化的原理生物催化是利用酶的特异性催化底物的化学反应。
酶是一种生物大分子，由氨基酸组成，具有复杂的三维结构。
其活性位点与底物结构互补配对，通过形成酶底物复合物，使底物发生催化反应，生成产物。
生物催化具有高效选择性、温和条件、可逆性和不产生污染等优点。
二、酶工程的应用1. 医药工业：酶工程在药物的合成、转化和纯化过程中发挥着重要作用。
通过对酶的改造和优化，可以生产出具有更好活性和稳定性的药物。
例如，利用酶催化合成酶抑制剂，可以有效治疗多种疾病。
2. 食品工业：酶工程在食品加工中广泛应用。
例如，利用改造的淀粉酶可以提高面包的质量和口感，利用改造的蛋白酶可以提高奶酪的风味和质量。
3. 生物燃料工业：酶工程在生物质转化为生物燃料的过程中发挥着重要作用。
通过改造酶的底物特异性和催化活性，可以提高生物质的转化率和产物选择性。
4. 环境保护工业：酶工程在废水处理、废弃物降解等环保领域有广泛应用。
通过利用酶的催化特性，可以高效降解废水中的有机污染物，实现废水的净化和资源化利用。
三、酶工程的发展前景酶工程作为一门新兴的交叉学科，具有广阔的发展前景。
随着基因工程和蛋白工程等技术的不断进步，酶工程的研究和应用将会得到进一步的提升和拓展。
未来，可以通过对酶的高通量筛选和智能设计，开发出更高效、更稳定的酶催化剂。
同时，酶工程还可以与其他领域相结合，如纳米技术、材料科学等，开创出更多新的研究和应用领域。
总结：生物催化与酶工程作为一种绿色可持续的催化方法，在医药工业、食品工业、能源工业和环境保护等领域有广泛的应用前景。
随着酶工程技术的不断发展和创新，我们可以更好地利用酶的催化特性，解决许多现实中面临的难题，并推动工业生产和科学研究的发展。
生物催化和生物转化
生物催化和生物转化是在生物体内发生的重要过程。
生物催化指的是利用生物催化剂（如酶）来促进某些生物化学反应的反应速率，从而实现某种生物过程的过程。
而生物转化则是指生物体内发生的化学物质的转化过程。
这里就分别对进行探讨和探究。
一、生物催化酶是一种生物催化剂，它能够促进反应的进行从而加快反应速率。
酶具有高度的特异性和高效的催化作用，因此在工业生产和医学方面得到了广泛的应用。
具体来说，酶在工业生产中主要应用于催化生物质的降解、物质合成和分离纯化等过程。
在降解方面，比如利用酶将高聚糖分解为低聚糖；在物质合成方面，比如合成植物激素和抗生素等；在分离纯化方面，比如利用酶将分子量较小的产物从复杂的混合物中分离出来。
酶也被广泛用于口服酶替代治疗、生物传感器、药物制剂等医疗领域。
生物催化在不同生物体内扮演着重要的角色。
生物催化在细胞内是发挥生化反应的本质过程，从而维持细胞的基本生物学特性。
而在全身范围内，如人体、环境等方面，生物催化还可以作为一个重要治疗来源。
比如，在人体中，酶参与着消化、吸收和代谢等生理过程。
而在环境保护方面，酶又可以作为一种生物防治的工具，通过利用各种细菌、真菌、酵母菌等生物来降解或清除环境中的有害化学物质。
二、生物转化生物转化是指生物体内不同的化学物质互相转化的过程。
这个过程不仅包括生化反应的过程，还包括可以通过微生物和其他生物触角实现生物生长、修复、再生等生命活动的过程。
生物体内的生物转化包括不同类型的代谢。
其中最重要的两个代谢类型是能量代谢和生物大分子的代谢。
能量代谢是指生物体内通过氧化还原反应，将生物高能分子（例如ATP）。
产生能量来满足生命活动的能量需求。
生物高能分子在生物转化过程中，会转换成形成ATP的大量中间代谢产物。
这些代谢产物通过生物体内的氧化过程，释放电子，进而产生能量，供给生命活动所需。
ATP通常是细胞生物活动的重要物质来源，而这种生物转化代谢通过线粒体的呼吸链而发生。
生物大分子的代谢是指生物体内分解和重组生物大分子，从而满足生命活动的需要。
生物催化ppt
酶的作用特点
⑴ 酶对环境条件的敏感性：酶易失活，要求的反应 条件温和，对环境条件敏感。
固氮酶
N2+6H++6e 常温、常压 2NH3
Fe N2+3H2 500℃,300大气压2NH3
酶的作用特点
(2) 酶催化的高效性：酶具有极高的催化效率。 相同条件下，以分子比表示： 酶（V）高于无酶（V）108 ～1020 倍 酶（V）高于普通催化剂（V）107 ～1013 倍
几何异构 专一性
光学异构 专一性
酶专一性类型
结构专一性——酶对所催化的分子（底物，Substrate）化 学结构的特殊要求和选择。
绝对专一性——指某些酶对底物有绝对严格的要求，
即一种酶只能催化一种特定的底物进行反应 。
O=C
NH2
+ NH2
H2O
脲酶
NH3 + CO2
O=C NH2 NHCl
O=C NH2 NHCH3
LOGO
生物催化
Contents
1
生物催化的概述
2
生物催化的作用机制
3
生物催化的应用
4
发展前景与展望
2
生物催化的定义
WHAT IS biocatalysis? 什么是生物催化？
生物催化（ biocatalysis ）是利用生物 催化剂(主要是酶或微生物)来改变(通常是加快) 化学反应速度的作用。
2 3
19
“三点结合”催化理论
认为酶与底物的结合处至少有三个点，只有在完全结 合情况下，不对称催化作用才能实现。
2 3
20
生物催化酶的类别
水解酶 氧化还原酶
转移酶
生生物物催催化化酶酶
生物催化的原理和应用
生物催化的原理和应用生物催化是指利用酶或微生物等生物体对化合物进行催化反应的过程。
相比于传统化学催化，生物催化具有更高的催化效率、更加环保、选择性更好等优点，因此被广泛应用于化工、制药、食品等诸多领域。
一、生物催化的基本原理酶是一种生物大分子催化剂，由蛋白质和辅助因子组成，具有催化化学反应的能力。
酶分子可以与底物分子进行互相作用，形成酶底物复合物，通过反应之后又生成新的产物和酶分子，在整个反应过程中酶本身不参与反应，也不改变反应的平衡常数。
酶催化过程中需要满足的条件主要包括适宜的温度、pH值等环境因素以及适宜酶底物比例等物理、化学的因素。
二、生物催化的应用1. 食品工业酶在食品加工生产中具有广泛的应用，一些常见的应用包括：食用油的加工工艺中发酵的脱酸化酶；发酵面包、酸奶中的酵母等。
2. 医药工业生物催化在药物的合成、提取、纯化等方面也扮演着重要的角色。
医药生产中，亲水性、疏水性等物质的合成和转化，通过境界界面催化技术和基于酶催化技术结合的生物催化工艺进行。
3. 化工工业生物催化在化工生产、环保等方面也得到了广泛的应用。
优良的化学特性为使生物催化在过程在工业生产中具备优势，而在环境保护领域，在废水处理、废气治理等同时发挥了重要作用。
生物催化技术通过提高传统化学方法的效率，降低副产品生成率，并能显著降低化工行业的资源消耗与环境污染。
三、生物催化技术发展目前，生物催化技术已经发展了多达上千种不同的化学反应，该技术的应用领域和成果日趋多样化和复杂化。
随着人们对环保和可持续发展的越来越认识和要求，化工过程的优化成为未来生物催化技术发展的主要方向。
目前，在国际上，生物催化工艺作为一种环保、低能耗、高效的新兴技术，受到广泛关注和重视。
总之，生物催化技术在现代化工、制药等产业，具有更加环保、高效、低成本的特点，已经成为一种热门的研究方向。
希望通过不断的技术创新，生物催化技术可以更好地应用于我们的生活和工作中，为我们创造更加便捷、高效的工作环境和生活品质。
生物催化资料
生物催化
生物催化是一种利用生物体内酶类催化剂来促进化学反应进行的技术。
随着科
技的不断进步，生物催化在各个领域都展现出了巨大的潜力。
生物催化可以提高反应的速率和选择性，减少废物产生，降低能源消耗，从而在环境保护和可持续发展方面发挥着重要作用。
生物催化的基本原理是利用生物体内的酶类催化剂来降低化学反应所需的能量。
酶是一种生物催化剂，它可以在较温和的条件下促进特定的化学反应发生，加速反应速率，降低能量障碍。
生物催化在工业生产上具有广泛的应用，例如在生物柴油生产中，利用生物催化将植物油转化为生物柴油，不仅提高了反应速率，还减少了能量消耗和废物产生。
生物催化还被广泛运用于药物合成、食品加工、环境保护等领域。
在药物合成中，生物催化可以提高产物的纯度和产率，降低生产成本，减少有害副产物的生成。
在食品加工中，生物催化可以提高食品的口感和营养价值，延长食品的保质期，减少食品加工过程中的化学添加剂使用。
同时，生物催化对环境的影响也较小。
由于生物催化的反应条件较温和，不需
要高温高压等条件，因此可以减少能源消耗和废物排放，降低环境污染。
生物催化还可以利用可再生资源作为原料，降低对化石能源的依赖，有利于可持续发展。
总的来说，生物催化作为一种高效、环保的化学反应促进技术，具有广阔的应
用前景。
随着科技的不断发展，相信生物催化技术将在未来发挥更加重要的作用，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
生物催化反应
生物催化反应生物催化反应是一种利用酶作为催化剂来加速生化反应速率的过程。
酶是生物体内重要的催化剂，能够在相对温和的条件下促进化学反应的进行。
本文将介绍生物催化反应的原理、应用以及未来发展方向。
一、生物催化反应的原理生物催化反应的原理基于酶的特性。
酶是生物体内的蛋白质催化剂，具有高度的特异性和效率，能够在生物体内调控和加速化学反应的速率。
酶分子结构具有活性位点，能够与底物结合，并在底物之间形成特定的键和键解离，从而使反应过程更为迅速和高效。
生物催化反应是由酶催化的，相较于非生物催化反应，具有以下几个优势：1. 温和的反应条件：生物催化反应在相对温和的条件下进行，不需要高温和强酸碱等条件，可以保护反应物和产物的活性，提高化学反应的选择性。
2. 高效率和高特异性：酶催化的生物反应具有高水平的催化效率和特异性，可以加速反应速率，同时避免对其他反应物的干扰，从而提高反应的纯度和产率。
3. 可逆性和重复使用性：酶具有可逆性和重复使用性，可以在反应结束后再次进行催化反应，提高催化剂的利用率，减少资源的浪费。
二、生物催化反应的应用生物催化反应在生物工程、医药、食品工业等领域有着广泛的应用。
1. 生物工程：生物催化反应在生物工程领域中被广泛应用于生产生物质和制造化学品。
通过酶的催化作用，可以提高化学反应的效率和产率，减少废物的产生，实现绿色环保的化工过程。
2. 医药领域：生物催化反应在药物合成和新药研发中发挥着重要作用。
利用酶的催化作用，可以合成具有特定结构和活性的药物分子，提高药物的纯度和治疗效果，同时减少药物副作用。
3. 食品工业：生物催化反应在食品工业中常被用于提高食品的品质和保鲜性。
例如，利用酶的催化作用可以降解食品中的有害物质、改善食品的味觉和口感，延长食品的保鲜期。
三、生物催化反应的未来发展随着生物技术和工程学的不断发展，生物催化反应在未来将拥有更广阔的应用前景。
1. 高效的酶催化剂：研究人员正在探索和开发更高效、更稳定的酶催化剂，以提高反应的速率和选择性。
生物催化
编号的第二个数字
表示在类以下的大组.
• 氧化还原酶：表示氧化反应供体基团 的类型； • 转移酶：表示被转移基团的性质； • 水解酶：表示被水解键的类型； • 裂解酶：表示被裂解键的类型； • 异构酶：表示异构作用的类型； • 连接酶：表示生成键的类型.
编号的第三和第四个数字
• 编号的第三个数字：表示大组下面的 小组，各个数字在不同类别，不同大 组中都有不同的含义； • 编号的第四个数字：是小组中各种酶 的流水编号.
1.2 生物催化的产生与发展
远古时代：酒的酿造,饴糖的制作,豆类做酱
酵母发酵的产物, 是细胞内酶作用的结果
用麦曲含有的淀粉酶 将淀粉降解为麦芽糖
在霉菌蛋白酶作用下,豆类蛋白质水解 得豆酱和豆鼓,压榨后制得酱油
• 1878年,Kuhne第一次提出 “酶”(Enzyme)的概念,意为“在酵母 中”(in yeast); • 1894年,Emil Fischer发现了酶对底物 (酶作用的物质)的专一性现象,提出了 “锁和钥匙”模型; • 酶晶体的获得,才认识到酶是蛋白质,是 由酰胺键连接的氨基酸组成; • 1926年,Sumner从刀豆中得到脲酶结晶, 催化尿素水解,产生CO2和NH3.
现 状
• 1996年生物催化剂已占世界催化剂90 亿美元市场的11%; • 美国EBC成功开发了一种生物脱硫的新 工艺; • 我国:生物催化丙烯腈制丙烯酰胺、有 机废水发酵法制氢技术、生物发酵法 制造甘油已建成投产或通过中试验证.
内 容
• • • • • • • • • • • 酶的结构和分类 酶的分离与纯化 酶活力测定 酶作用动力学 酶的抑制作用 pH值和温度对酶作用的影响 酶的作用机制 应用酶学 酶法制备L-氨基酸 生物催化反应器 生物有机化学与生物催化
生物催化名词解释
生物催化名词解释生物催化是一个化学过程。
从一些无机或有机的化学物质与酶结合起，这些化学物质即发生了变化。
酶催化生物反应并不改变反应物和产物的化学性质。
下列反应中，如果没有催化剂参加，反应按其速率平衡后所得到的化学方程式是：二氧化碳+水－－－－＋o2(g)＋H2O＝=======三碳化合物＋氧气－－－－＋O2(g)那么，由于酶的作用而促使以上反应的加快，是否一定使其速率加快呢?换言之，如果以上化学反应中没有酶，将会出现怎样的情况呢?设想一下，没有酶促进上述反应的进行，那么此反应只能缓慢进行，因为反应的反应速率常数k＝k1／ n(n 为催化剂)，上式表明K和n成正比，这是一个特殊情况，对于绝大多数的反应则不成立，在所有的反应中，其速率常数的值与催化剂的浓度无关，因此在绝大多数情况下，酶促进反应的进行速率可以简单地写成：速率＝k×n(k1为反应速率常数)，上式中1k为一定条件下的特定常数，实际上它是酶促进反应速率的决定因素。
如果反应的速率常数K已知，则可通过酶的反应速率来确定该酶的最适浓度。
如果不考虑酶的浓度，则还要求确定一种酶的最适浓度。
氨基酸进入酶系统的途径，一般都需要一个载体蛋白，一般以小分子葡萄糖或甘油为载体，这种能与底物共价结合形成一种复合物，并带有一个供氨基酸进入的通道。
所谓共价结合，就是指整个过程中载体蛋白与底物或氨基酸分子一样均可以被解离成自由状态。
载体蛋白带有可溶性的或不溶性的多糖链，它们彼此相互作用，就可以构成通道。
当带有多个通道的载体蛋白吸附于酶上时，就会提供通道，可以引导多个氨基酸同时进入一个酶反应器，从而加快反应速率。
关于生物催化剂、辅助因子的概念，可以参见“物理化学”、“化学”等教材中的有关内容。
目前生物催化剂主要指能降低反应活化能的物质。
常见的生物催化剂有酶类、非酶生物催化剂等，其中尤以酶类催化剂在工业上的应用最广泛。
酶是一种特殊的蛋白质，它的化学本质是具有生物催化作用的蛋白质。
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分批培养 (Batch culture)转化法，在摇瓶或发酵罐中进行培养转化，
这是较常用的方法。 加底物的时间
一般是在微生物培养至生长旺盛的对数生长期的中期，或在后期产
生酶的高峰时期，加入底物进行转化。个别也有在生长早期加底物。
加入底物的状态
加入的底物可以是水溶液或直接用粉末状的固体底物，必要时也可以 使用对微生物毒性较小的溶剂如乙醇、丙酮、二甲基甲酰胺(DMF)，
或二甲基亚砜(DMSO)，丙二醇等配制底物溶液。
对于水不溶的底物，如甾体化合物，除了用上述任何一种方法溶解后 加入培养菌液进行转化外，最好另外再加少量表面活性剂如吐温-80等， 使底物均匀地分散在培养液中，便于转化。 加底物的方式 投料方式可以一次或分批添加。在任何一种生物转化过程中，都必须 考虑底物的各种性质，如渗透性、溶解度、稳定性、毒性等。
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50年代初，Peterson及Murray成功地将微生物转化用于甾体合成。 60年代和70年代以来应用微生物转化合成各种新青霉素和新头孢霉素。 90年代后微生物转化技术又得到进一步的发展，成为合成手性药物不可 缺少的合成技术。 微生物转化反应已涉及到直链烷烃类、环状烷烃类、碳水化合物类、萜
类、甾醇类、非甾醇环状类和杂环类等化合物的合成，并已广泛地应用
2
催化剂的性能指标
酶活
人们并不关注总酶活，而更多关注比活和体积活力
活性
比活
为评价生物催化剂的性能，比活是一个基本指标
转换频率（turnover frenquency, 缩写为tof）
催化事件的数目 转换频率（tof）＝ 时间 活性位点的数目
转换频率使得人们能对不同催化体系（生物的或非生物）的性能进行比较
High enzyme concentration.
in practice,owing to an either excessive viscosity increase or excess of deactivated protein in the reactor, a maximum limit of enzyme concentration is reached. An increase can be effected through the temperature (Arrhenius behavior)
选择性
衡量在一定转化程度下的对映选择性
反映产品分离后整体选择性的大小。
BIOCATALYSIS TECHNOLOGY
4
稳定性
抑制剂、氧、不合适的pH或其它因素如机械压力或剪切力等
能显著影响酶的稳定性，但酶的稳定性通常是指温度稳定性
酶活对时间的衰减
[E]t=[E]0exp(-kd· t)
[E]t和[E]0分别是在时间t和零点时的酶活，kd是失活速率常数。
When considering the Michaelis–Menten equation
[v = vmax[S]/(KM + [S])= kcat[E][S]/(KM + [S])], there are three possible ways to achieve a maximum reaction rate:
（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更大价值的化合
物。 微生物转化法是一种古老的技术。例如酿醋，就是人类最早利用
的微生物转化技术。
1862年巴斯德开始用纯菌种木醋杆菌 (Acetobacter xylinum)使乙醇 转化（氧化）生成醋酸，这就成了典型的微生物转化反应。
2015/1/19
BICATALYSIS TECHNOLOGY
微生物转化的方法
生长细胞培养转化法(growing culture)
静止细胞培养转化法(resting culture) 固定化细胞转化法(Immobilized cells)
生长细胞培养转化法
在培养菌体的适当时间(中期或后期)，将底物直接加到微生物生长培 养基中，微生物自身繁殖生长的同时对底物进行生物转化。一般用
第二阶段是加入底物进行转化
◦ 需要将底物进行适当处理，配制成溶液，与微生物发酵液或菌体 悬浮液混合，按适宜的转化条件进行转化反应。
微生物转化步骤
筛选菌种→培养菌（体）丝或孢子→选择适宜的转化方式
→转化培养 (即转化发酵)或菌体及孢子悬浮液转化 →转化液的分离提取→产品精制。
微生物转化概要
1. 筛选菌种：菌种是微生物转化的关键。根据转化反应类型，收 集相关类别的微生物菌株。可参考文献用过的菌株，从国家或 部门菌种保藏中心、学校或研究机关实验室索取、购买。也可 从土壤分离筛选。
底物
（进入）
菌种 ↓ 培养（发酵） ↓ 菌体细胞（反应）
（分泌）
产物
微生物转化通常的两个阶段
第一阶段为菌体培养
◦ 为了获得较多的微生物菌体或酶，需供给菌体丰富的营养，在最 适的温度、pH和通气条件下，使其充分繁殖，保证菌体良好生长。 培养时间的长短随菌种而异，一般细菌需要12-24h，霉菌24-48h。 但微生物菌体生长与酶的产生条件不完全一致，还需研究发酵产 酶的条件，尽可能地诱导产生所需要的酶，抑制不需要的酶。
TTN
生成的产物摩尔数 消耗的催化剂摩尔数
在应用生物催化中，生物催化剂的纯度常常不知道，生物催化的 稳定性常以酶消耗数（酶单耗）（enzyme consumption number，
缩写为e.c.n）表示
消耗的酶量 酶的克数 e.c.n. ＝ 生成的产物量 产物的千克数（或磅数 ）
空间-时间收率（space-time yield，缩写为s.t.y.）
微生物转化收率高、成本低
微生物转化反应是在全细胞内进行，保持原有整体酶系统，比较符
合生物催化所需环境与条件。
在氧化 - 还原等催化反应时不需添加辅酶，对于酶法合成来说这是 很难满足的。 微生物转化反应可以持续进行，反应量大，收率高，可以大规模工 业生产。加上设备和原料简单易得等优点，生产成本一般低于化学 合成，也往往低于分离纯化酶的酶法合成。
选择性σ和转化程度x有关
从方程可以计算产物浓度[P]:
γ＝x· σ
[P]=[S]0· γ=[S]0 · x· σ
大规模生产的化学品，收率达到98%或99%是绝对必要, 精细化学品产率
90%~95%就够了，对于具有特殊性能的化学品的初步生产阶段，例如药物，
收率只要大于80%就可被接受； 可接受的收率取决于工艺的步骤数，其中包括产品的分离步骤。 如果每一步收率都达到90%，总收率取决于经历的步骤数n，对于一步操 作，γoverall,1＝90％，对于三步操作，γoverall,3＝73％，对于10步操作， γoverall,10＝35％ ！
High substrate concentration (increase of space–yield).
Enzyme reactions can be accelerated by increasing the substrate concentration up to the limit of saturation (≈ 10KM). If [S] ≥ KM, the enzyme is saturated which means enhancing either the biocatalyst concentration and/ or the time constant kcat.
生物催化的应用
第一节 酶催化工艺性能指标 第二节 微生物生物转化 第三节 用于生物催化的主要酶与微生物
2015/1/19
BIOCATALYSIS ENGINEERING
1
4.1 酶催化工艺性能指标
催化剂的性能指标
活性 选择性 稳定性
催化工艺的性能指标
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BIOCATALYSIS & CHIROTECHNOLOGY
催化速率常数kcat和失活速率常数kd的比值，可用 于快速评价失活酶的潜力。
决定、评价、优化工艺路线，常见指标：
①
产品收率，
②（生物）催化剂生产率，
③ ④ 操作稳定性／（生物）催化剂稳定性， 反应器生产率。
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BIOCATALYSIS & CHIROTECHNOLOGY
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产物的收率γ:
到制药、农药、食品、日用品和石油化工等工业领域。
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BICATALYSIS TECHNOLOGY
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微生物转化的特点
对立体结构合成上具有高度的专一选择性
严格的立体结构选择性，对药物合成来说是非常重要的。特别像生理活性 很高的激素、抗生素以及心血管系统和神经系统药物等的药效对立体结构 的要求很高，往往具有严格对映体立体构型要求，此为有机化学合成方法 难以达到的。 微生物转化反应是一种酶的催化反应，有严格的区域选择性 (regioselectivity)、面选择性(face selectivity )和对映异构体选择性(enantiope selectivit。并且，微生物或酶有时能在有机分子的非活性中心发生反应， 这对一般化学方法来说是很难实现的。
微生物转化反应条件温和，设备简单，公害少，并且反应
速率快
高效催化是微生物转化的另一特征。在最适条件下，酶能在1s内使 102～106个底物分子转变成产物，并在常温、常压和pH近中性等条 件进行催化反应，这往往是普通化学催化剂所不能进行的。
微生物转化无需高压、强热等苛刻的条件，设备简单，反应条件温
和，生产安全，原料除底物和普通培养基外没有其他化学品，避免 或减少使用强酸、强碱和一些有毒原料，改善操作条件，环境友好
Increase in the time constant.
Catalytic Constant
2.3 微生物生物转化