《工业催化原理》第八单元生物催化基础及过程8
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工业催化原理PPT
1.2.1催化反应分类
按催化反应系统物相的均一性进行分类
均相催化反应
非均相（又称多 相）催化反应
酶催化反应
均相催化反应是指 反应物和催化剂居 于同一相态中的反 应。
非均相催化反应是 指反应物和催化剂 居于不同相态的反 应。
酶催化反应同时 具有均相和非均 相反应的性质。
1.2.1催化反应分类
按反应类型进行分类
表1-3 催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作
反应类用型
常用催化剂
加氢 脱氢 氧化
羰基化
聚合 卤化 裂解 水合 烷基化，异构化
Ni,Pt,Pd,Cu,NiO,MoS2,WS2,Co(CN)63Cr2O3,Fe2O3,ZnO,Ni,Pd,Pt V2O3,MoO3,CuO,Co3O4,Ag,Pd,Pt,PdCl2 Co2(CO)8,Ni(CO)4,Fe(CO)3,PdCl(Pph3)3*,RhCl2(CO)Pp
问题2：请同学们举二个以上的实例？
1.1.4催化剂对加速化学反应具有选择性
表1-2 催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作 用
反应物 催化剂及反应条件
Rh/Pt/SiO2，573K，7×105Pa
CO+H
2
Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133×107～ 2.0266×107Pa
1.1.2催化作用不能改变化学平衡
问题1：实际工业上催化正反应、逆反应 时为什么往往选用不同的催化剂？
❖ 第一，对某一催化反应进行正反应和进行逆反应的操 作条件（温度、压力、进料组成）往往会有很大差别， 这对催化剂可能会产生一些影响。
❖ 第二，对正反应或逆反应在进行中所引起的副反应也 是值得注意的，因为这些副反应会引起催化剂性能变 化。
《工业生物催化技术》PPT课件
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氧化还原酶 Oxidoreductase(氧化还原反应)
• 氧化-还原酶催化氧化-还原反应。 • 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶
(Oxidase)。 • 如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
C H 3 C H C O O H N A D + C H 3 C C O O H N A D HH +
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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
异构酶 裂合酶 合成酶
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14
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水解酶 hydrolase(水解反应)
❖ 水解酶催化底物的加水分解反应。 ❖ 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 ❖ 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应： R C O O C H 2 C H 3H 2 O R C O O HC H 3 C H 2 O H
• 2010年生物技术药物销售额达1500亿美元，占药品 市场的25%。
• 组织工程、基因治疗、分子和生物指纹诊断等生长 点将形成新兴产业
• 医药生物技术产业仍将是编辑先ppt 导和主流
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农业生物技术产业
• 1993年转基因西红柿上市
• 1996年转基因大豆、玉米上市
• 2002年全球转基因植物种植面积达5870万公顷，16 个国家600万农民以种植转基因作物为主
1926年 Sumner首 次从刀豆 中提出脲 酶结晶。
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9
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1930年 Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳 蛋白酶的结晶。
J.B.Sumner
J.H.Northrop
生物反应器
间歇式生物反应器的基本特征：反应物料一次性加入和取 出，反应器内物系的组成仅随时间而变化。在该类反应器内进 行的反应过程是一非稳态过程。
连续式生物反应器：以一定的流量不断加人新的培养基， 同时以相同的流量不断取出反应液。
这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物 则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。
酿酒工业
麦芽产生的淀粉酶、蛋白 酶、葡萄糖酶
β-葡聚糖酶 淀粉葡萄糖苷酶 木瓜蛋白酶
将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用 的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇 的产量
改进啤酒的过滤性能
用于生产低糖啤酒
去降乳糖为葡萄糖和半乳糖
第八章 生物反应器
应用领域
使用的酶种类
用途
乳制品工业 糖工业
凝乳酶 乳糖酶 淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖异构酶
3、酶在工业上的应用
应用领域
使用的酶种类
用途
洗涤剂工业 细菌蛋白酶类
淀粉酶类
用于污渍去除，可以直接液体使用或 用胶囊包埋后使用
可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难 溶的淀粉残迹等
烘烤食品工业 真菌产的-淀粉酶
蛋白酶类
催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类， 用于面包及面卷的制作等
在饼干制作过程中，用于降低面粉中 的蛋白质含量等
半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应 器和连续式生物反应器的一些特点。
第八章 生物反应器
3、按反应器结构特征分
釜式、管式、塔式、膜式等类型
第八章 生物反应器
4、按能量的输入方式分
通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式 利用气体喷射动能的气升式 利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等
第八章 物反应器
用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于 去除坏死组织，抑制污染微生物生长
连续式生物反应器：以一定的流量不断加人新的培养基， 同时以相同的流量不断取出反应液。
这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物 则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。
酿酒工业
麦芽产生的淀粉酶、蛋白 酶、葡萄糖酶
β-葡聚糖酶 淀粉葡萄糖苷酶 木瓜蛋白酶
将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用 的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇 的产量
改进啤酒的过滤性能
用于生产低糖啤酒
去降乳糖为葡萄糖和半乳糖
第八章 生物反应器
应用领域
使用的酶种类
用途
乳制品工业 糖工业
凝乳酶 乳糖酶 淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖异构酶
3、酶在工业上的应用
应用领域
使用的酶种类
用途
洗涤剂工业 细菌蛋白酶类
淀粉酶类
用于污渍去除，可以直接液体使用或 用胶囊包埋后使用
可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难 溶的淀粉残迹等
烘烤食品工业 真菌产的-淀粉酶
蛋白酶类
催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类， 用于面包及面卷的制作等
在饼干制作过程中，用于降低面粉中 的蛋白质含量等
半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应 器和连续式生物反应器的一些特点。
第八章 生物反应器
3、按反应器结构特征分
釜式、管式、塔式、膜式等类型
第八章 生物反应器
4、按能量的输入方式分
通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式 利用气体喷射动能的气升式 利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等
第八章 物反应器
用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于 去除坏死组织，抑制污染微生物生长
《工业催化原理》
1.1催化剂是一种能够改变化学反应的速度，而它本身不参与最终产物，也不会改变反应的最终热力学平衡的物质。
催化剂的这种作用叫做催化作用。
催化剂的基本特征：催化剂只能加速热力学可行的反应，不能实现热力学不可能的反应；催化剂只能改变化学反应的速度，不能改变化学平衡的位置；催化剂能降低反应的活化能，改变反应的历程；催化剂对反应具有选择性。
2.1超均匀共沉淀法基本原理：首先制成盐溶液的悬浮层，并将这些悬浮层（一般为2－3层）立即瞬间混合成为过饱和的均匀溶液，然后由过饱和溶液得到超均匀的沉淀物。
可见沉淀过程中可大大减小时间差和空间差，因此，可以形成超均匀沉淀物。
2.2沉淀形成的影响因素：溶液的浓度；沉淀操作的温度；溶液的pH值；溶液的加料方式和搅拌强度2.3浸渍法的最大优点是催化剂的活性组分利用率高，用量少。
因为活性组分大多仅分布在载体的表面，这对贵金属催化剂有为重要。
同时，浸渍法的操作工艺相对较为简单，制备步骤也较少。
2.4等体积浸渍法；将载体与它正好可吸附体积的浸渍液混合，然后干燥、焙烧，得催化剂。
该法能精确调节负载量。
本法是将多孔载体与它正好可吸附体积的浸渍液相浸渍，由于浸渍溶液的体积与载体的微孔体积相当，浸渍后浸渍溶液恰好浸渍载体而无过剩，无需过滤等单元操作。
等体积浸渍法制备催化剂时，先将载体浸到初湿程度，计算好浸渍溶液的体积，然后就可以确定浸渍工艺。
2.5溶胶－凝胶法的优缺点：可制高均匀、高比表面积的催化材料；较容易控制孔径和孔径分布；较容易控制催化活性组分的组成。
制备溶胶常用金属有机物，价格较贵；制备工艺复杂；影响胶凝的因素较多，操作控制较严格。
基本原理：胶体是多相体系，在稳定的胶体溶液中，减少胶体质点所带的电荷，胶体质点就会相互结合，这种结合称为凝结，这是溶胶－凝胶法制备催化剂的基础。
加入电解质是使胶体溶液凝结的重要方法。
将这种凝结的胶体经过熟化、洗涤、干燥、焙烧，即可制成催化剂。
溶胶-凝胶法的基本原理在胶体化学中，被分散的胶体粒子称为分散相，粒子所在的介质称为分散介质（溶剂），当分散相颗粒大小在1-100 nm范围内形成的溶液称为胶体溶液，简称为溶胶。
工业催化--第八章 工业催化剂制备原理
多数非晶形沉淀，在沉淀形成后不采取老化 操作。
– 待沉淀析出后，加入较大量热水稀释，以减少杂 质在溶液中的浓度，同时使一部分被吸附的杂质 转入溶液。
加入热水后，一般不宜放置，而应立即过滤，以防沉 淀进一 步凝聚，并避免表面吸附的杂质包裹在沉淀内 部不易洗净。
洗涤操作的主要目的是除去沉淀中的杂质。
均匀沉淀法常用的类似沉淀母体见下表：
4、浸渍沉淀法
浸渍沉淀法是在普通浸渍法的基础上辅以沉淀 法发展起来的一种新方法。
– 待盐溶液浸渍操作完成之后，再加沉淀剂，而使待 沉淀组分沉积在载体上。
5、导晶沉淀法
借助晶化导向剂(晶种)引导非晶型沉淀转化为 晶型沉淀的快速而有效的方法。
– 普遍用来制备以水玻璃为原料的高硅钠型分子筛， 包括丝光沸石，Y型与X型合成分子筛。
对沉淀剂选择有以下要求：
(1) 尽可能使用易分解并含易挥发成分的沉淀剂
– 常用的沉淀剂有：
碱类(NH4OH、NaOH、KOH)； 碳酸盐[(NH4)2CO4、Na2CO4、CO2]； 有机酸(乙酸、草酸)等。 最处理常时用容的易是除NH去4O，H一和般(N不H会4)2遗CO留4，在因催为化铵剂盐中在，洗使涤催和化热剂
如此反复溶解、沉积的结果，消除了细晶体，获得了颗 粒大小均匀的粗晶体。
此时孔隙结构和表面积也发生了相应的变化。
–粗晶体表面积较小，吸附杂质少，吸留在细晶粒之 中的杂质也随溶解过程转入溶液。
– 老化的时间、温度及母液pH值等为老化应考虑的 几项影响因素。
在晶形催化剂制备过程中，老化对催化剂性 能的影响显著。
凝胶法特别适用于主要成分是氧化铝或二氧化 硅的催化剂或载体。
凝胶过程大致可分为缩合与凝结二个阶段。
– 待沉淀析出后，加入较大量热水稀释，以减少杂 质在溶液中的浓度，同时使一部分被吸附的杂质 转入溶液。
加入热水后，一般不宜放置，而应立即过滤，以防沉 淀进一 步凝聚，并避免表面吸附的杂质包裹在沉淀内 部不易洗净。
洗涤操作的主要目的是除去沉淀中的杂质。
均匀沉淀法常用的类似沉淀母体见下表：
4、浸渍沉淀法
浸渍沉淀法是在普通浸渍法的基础上辅以沉淀 法发展起来的一种新方法。
– 待盐溶液浸渍操作完成之后，再加沉淀剂，而使待 沉淀组分沉积在载体上。
5、导晶沉淀法
借助晶化导向剂(晶种)引导非晶型沉淀转化为 晶型沉淀的快速而有效的方法。
– 普遍用来制备以水玻璃为原料的高硅钠型分子筛， 包括丝光沸石，Y型与X型合成分子筛。
对沉淀剂选择有以下要求：
(1) 尽可能使用易分解并含易挥发成分的沉淀剂
– 常用的沉淀剂有：
碱类(NH4OH、NaOH、KOH)； 碳酸盐[(NH4)2CO4、Na2CO4、CO2]； 有机酸(乙酸、草酸)等。 最处理常时用容的易是除NH去4O，H一和般(N不H会4)2遗CO留4，在因催为化铵剂盐中在，洗使涤催和化热剂
如此反复溶解、沉积的结果，消除了细晶体，获得了颗 粒大小均匀的粗晶体。
此时孔隙结构和表面积也发生了相应的变化。
–粗晶体表面积较小，吸附杂质少，吸留在细晶粒之 中的杂质也随溶解过程转入溶液。
– 老化的时间、温度及母液pH值等为老化应考虑的 几项影响因素。
在晶形催化剂制备过程中，老化对催化剂性 能的影响显著。
凝胶法特别适用于主要成分是氧化铝或二氧化 硅的催化剂或载体。
凝胶过程大致可分为缩合与凝结二个阶段。
工业催化原理合成氨工业催化基础和过程
真实固体表面是不均匀的，各吸附中心的能量也不相同，吸附分子间的作用也不能忽略，这时吸 （脱）附热与吸（脱）附活化能都与覆盖度有关，吸附和脱附速率方程与理想方程也有一定的区 别，常用如下二种方程表示：
① Elovich 方程： 该方程用于描述慢化学吸附过程。若吸附能量随覆盖度呈线性变换，吸附活化 能增加，脱附活化能下降，即
① 反应物分子自气流的主体穿过催化剂颗粒外表面上的气膜扩散到催化剂颗粒外表 面（外扩散）；
② 反应物分子自外表面向孔内表面扩散（内扩散）；
③ 反应物分子在催化剂内表面上吸附形成表面物种（吸附）；
④ 表面物种反应形成吸附态产物（表面反应）；
⑤ 吸附态产物脱附，然后沿上述相反的过程，直到进入气流的主体。
（2）等温方程
等温方程是定量描述等温吸附过程中吸附量和吸附压力函数关系的方程式，不论物 理吸附或化学吸附，如果是可逆的，即在吸附、脱附的循环中吸附质不发生变化， 在达到平衡时，就可以根据情况分别应用以下给出的等温方程式进行描述。
① 理想吸附模型的等温方程：
满足Langmuir假设的吸附模型的条件，当达到吸附平衡时，吸附速率与脱附速率相 等，将Langmuir速率方程代入，即
（1）吸附等温线
在恒定温度下，对应一定的吸附质压力，在催化剂表面上吸附量是一定的，因此通 过改变吸附质压力可以求出一系列吸附压力-吸附量对应点，由这些点连成的线称为 吸附等温线。对于物理吸附，有5种类型的等温线。
化工资源有效利用国家重点实验室
8
第一节 吸附作用与催化反应
I型等温线:又称Langmuir等温线，表示吸附剂毛细孔的孔径比吸附质分子尺寸 略大时的单层分子吸附，或在微孔吸附剂中的多层吸附或毛细凝聚。如某些活 性炭上氮在-195 ℃的吸附。
① Elovich 方程： 该方程用于描述慢化学吸附过程。若吸附能量随覆盖度呈线性变换，吸附活化 能增加，脱附活化能下降，即
① 反应物分子自气流的主体穿过催化剂颗粒外表面上的气膜扩散到催化剂颗粒外表 面（外扩散）；
② 反应物分子自外表面向孔内表面扩散（内扩散）；
③ 反应物分子在催化剂内表面上吸附形成表面物种（吸附）；
④ 表面物种反应形成吸附态产物（表面反应）；
⑤ 吸附态产物脱附，然后沿上述相反的过程，直到进入气流的主体。
（2）等温方程
等温方程是定量描述等温吸附过程中吸附量和吸附压力函数关系的方程式，不论物 理吸附或化学吸附，如果是可逆的，即在吸附、脱附的循环中吸附质不发生变化， 在达到平衡时，就可以根据情况分别应用以下给出的等温方程式进行描述。
① 理想吸附模型的等温方程：
满足Langmuir假设的吸附模型的条件，当达到吸附平衡时，吸附速率与脱附速率相 等，将Langmuir速率方程代入，即
（1）吸附等温线
在恒定温度下，对应一定的吸附质压力，在催化剂表面上吸附量是一定的，因此通 过改变吸附质压力可以求出一系列吸附压力-吸附量对应点，由这些点连成的线称为 吸附等温线。对于物理吸附，有5种类型的等温线。
化工资源有效利用国家重点实验室
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第一节 吸附作用与催化反应
I型等温线:又称Langmuir等温线，表示吸附剂毛细孔的孔径比吸附质分子尺寸 略大时的单层分子吸附，或在微孔吸附剂中的多层吸附或毛细凝聚。如某些活 性炭上氮在-195 ℃的吸附。
《生物催化工程》PPT课件
不对称合成（Asymmetric synthesis），也称手性合成、立体选择性 合成、对映选择性合成，是研究向反应物引入一个或多个具手性元素 的化学反应的有机合成分支。按照Morrison和Mosher的定义，不对称 合成是“一个有机反应，其中底物分子整体中的非手性单元由反应剂 以不等量地生成立体异构产物的途径转化为手性单元”。这里，反应 剂可以是化学试剂、催化剂、溶剂或物理因素。
5
完整版课件ppt
主要内容
设计一种脂肪酶，阐述它的在某一领域的应用，说明如何采用两种酶分子修 饰方法进行修饰，修饰后的优点列举两种，如何采用酶的两种固定化方法做 固定化酶，设计这种脂肪酶在非水相介质中的催化反应过程。
6
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1.2 生物催化工程内涵及历史
1.2.1 生物催化工程界定
生物催化与生物转化( biocatalysis & biot ransformation) 是生物学、化学、过程工程科学 的交叉领域, 其核心目标是大规模采用微生物或 酶为催化剂生产化学品、医药、能源、材料等。 以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术将 是生物技术革命的第三个浪潮.
手性合成的难点在于：针对不同的手性或潜手性底物，必须使用与之高 度匹配的专一性“手性工具”(例如：手性拆分剂、手性催化剂、手性 溶剂或助剂，等等)，首要的任务是制备出对目标反应具有高度立体选 择性的手性生物催化剂。
13
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酶催化剂具有高度的对 映体选择性，不对称合 成。生物大分子含有很 多手性中心，故在结构 上形成高度不对称的微 环境空间，而在功能上 则作为一种“手性受 体”，对手性的药物(配 体)或手性的底物具有立 体专一性识别作用。
以2005年全球销售额（美元）统计，以下21种单一对映异构体药物都可被称为“重磅炸弹”。阿托伐 他汀（13.0亿），氯吡格雷（6.3亿），重组人红 细胞生成素（5.8亿），氟替卡松/沙美特罗复方制剂 （5.5亿），利妥昔单抗（5.2亿），埃索美拉唑（4.6亿），辛伐他汀（4.4亿），普伐他汀 （3.8亿） ，缬沙坦（3.7亿），依那西普（3.6亿），英利昔单抗（3.5亿），促红细胞生成素（3.3亿），舍曲林 （3.3亿），孟鲁司特钠 （3.0亿），依诺肝素钠（2.7亿），曲妥珠单抗（2.5亿），乙二醇化非14格司 亭（2.3亿），依地普仑（2.0亿），阿奇霉素（2.0亿），多烯紫杉 醇（2.0亿），奥沙利铂（1.9亿） 。
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主要内容
设计一种脂肪酶，阐述它的在某一领域的应用，说明如何采用两种酶分子修 饰方法进行修饰，修饰后的优点列举两种，如何采用酶的两种固定化方法做 固定化酶，设计这种脂肪酶在非水相介质中的催化反应过程。
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1.2 生物催化工程内涵及历史
1.2.1 生物催化工程界定
生物催化与生物转化( biocatalysis & biot ransformation) 是生物学、化学、过程工程科学 的交叉领域, 其核心目标是大规模采用微生物或 酶为催化剂生产化学品、医药、能源、材料等。 以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术将 是生物技术革命的第三个浪潮.
手性合成的难点在于：针对不同的手性或潜手性底物，必须使用与之高 度匹配的专一性“手性工具”(例如：手性拆分剂、手性催化剂、手性 溶剂或助剂，等等)，首要的任务是制备出对目标反应具有高度立体选 择性的手性生物催化剂。
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酶催化剂具有高度的对 映体选择性，不对称合 成。生物大分子含有很 多手性中心，故在结构 上形成高度不对称的微 环境空间，而在功能上 则作为一种“手性受 体”，对手性的药物(配 体)或手性的底物具有立 体专一性识别作用。
以2005年全球销售额（美元）统计，以下21种单一对映异构体药物都可被称为“重磅炸弹”。阿托伐 他汀（13.0亿），氯吡格雷（6.3亿），重组人红 细胞生成素（5.8亿），氟替卡松/沙美特罗复方制剂 （5.5亿），利妥昔单抗（5.2亿），埃索美拉唑（4.6亿），辛伐他汀（4.4亿），普伐他汀 （3.8亿） ，缬沙坦（3.7亿），依那西普（3.6亿），英利昔单抗（3.5亿），促红细胞生成素（3.3亿），舍曲林 （3.3亿），孟鲁司特钠 （3.0亿），依诺肝素钠（2.7亿），曲妥珠单抗（2.5亿），乙二醇化非14格司 亭（2.3亿），依地普仑（2.0亿），阿奇霉素（2.0亿），多烯紫杉 醇（2.0亿），奥沙利铂（1.9亿） 。
工业催化过程导论
催化剂的稳定性
催化剂的稳定性是指其在催化过程中保持活性和选择性的能力，是工业催化过程的重要 考量因素。
催化反应动力学
反应速率方程
描述反应速率与反应物浓度关系 的数学方程，是研究催化反应动 力学的基础。
反应机理
揭示反应过程中各步骤的详细变 化，有助于理解反应的本质和动 力学行为。
温度与压力的影响
温度和压力对催化反应速率有显 著影响，通过研究这些影响可以 优化催化过程。
常见的均相催化反应包括氢化 反应、氧化反应、酯化反应等 。
多相催化
多相催化是一种在固体催化剂 表面进行的催化反应技术。
固体催化剂通常由金属、金属 氧化物或分子筛等组成，通过 表面吸附和活化作用实现催化
效果。
多相催化的优点是催化剂易于 分离和回收，对环境友好，但 缺点是催化剂活性较低，需要 较高的反应温度和压力。
04
工业催化过程应用
石油化工
石油裂化
通过催化剂将重质石油转 化为轻质石油，提高石油 的利用效率。
石油加氢
在催化剂的作质量。
烷基化
利用催化剂将碳氢化合物 转化为高辛烷值的汽油添 加剂。
环境保护
废气处理
通过催化剂将有毒有害气体转化为无 害或低害物质，降低对环境的污染。
现状分析
目前，工业催化技术已经取得了重大突破，新型催化剂的研 发和应用不断涌现，为解决全球能源危机和环境污染问题提 供了有力支持。
02
工业催化理论基础
催化剂的基本性质
催化剂的化学性质
催化剂的化学性质决定了其在催化过程中的作用，包括与反应物的相互作用、对反应速 率的控制等。
催化剂的物理性质
催化剂的物理性质如颗粒大小、比表面积、孔结构等对催化性能有重要影响，这些性质 决定了催化剂的活性位点数量和反应物在催化剂表面的扩散性能。
催化剂的稳定性是指其在催化过程中保持活性和选择性的能力，是工业催化过程的重要 考量因素。
催化反应动力学
反应速率方程
描述反应速率与反应物浓度关系 的数学方程，是研究催化反应动 力学的基础。
反应机理
揭示反应过程中各步骤的详细变 化，有助于理解反应的本质和动 力学行为。
温度与压力的影响
温度和压力对催化反应速率有显 著影响，通过研究这些影响可以 优化催化过程。
常见的均相催化反应包括氢化 反应、氧化反应、酯化反应等 。
多相催化
多相催化是一种在固体催化剂 表面进行的催化反应技术。
固体催化剂通常由金属、金属 氧化物或分子筛等组成，通过 表面吸附和活化作用实现催化
效果。
多相催化的优点是催化剂易于 分离和回收，对环境友好，但 缺点是催化剂活性较低，需要 较高的反应温度和压力。
04
工业催化过程应用
石油化工
石油裂化
通过催化剂将重质石油转 化为轻质石油，提高石油 的利用效率。
石油加氢
在催化剂的作质量。
烷基化
利用催化剂将碳氢化合物 转化为高辛烷值的汽油添 加剂。
环境保护
废气处理
通过催化剂将有毒有害气体转化为无 害或低害物质，降低对环境的污染。
现状分析
目前，工业催化技术已经取得了重大突破，新型催化剂的研 发和应用不断涌现，为解决全球能源危机和环境污染问题提 供了有力支持。
02
工业催化理论基础
催化剂的基本性质
催化剂的化学性质
催化剂的化学性质决定了其在催化过程中的作用，包括与反应物的相互作用、对反应速 率的控制等。
催化剂的物理性质
催化剂的物理性质如颗粒大小、比表面积、孔结构等对催化性能有重要影响，这些性质 决定了催化剂的活性位点数量和反应物在催化剂表面的扩散性能。
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《工业催化原理》第 八单元生物催化基础
及过程8
主要内容： 生物催化的特征；生物催化作用原理；生物催化工业 应用实例
理解生物催化的特点；掌握生物催化的作用原理；理 解一些生物催化的工业应用
化工资源有效利用国家重点实验室1
第一节 生物催化的特征
生物催化是指生物催化剂作用下的催化反应，生物催化剂一般包括生 物酶、整体细胞、催化抗体等。然而大多数情况下生物催化剂主要 指酶，它是由细胞产生的具有催化功能的生物大分子。在酶催化反 应中，被酶催化的物质叫底物，酶的催化能力常用“酶的活力”表 示，酶的活力是指在一定条件下、单位时间内酶催化反应底物转化 的量或产物生成的量。
O
O
O
H 2 NC HC N HC HC N HC HCO H
R
R nR
第二节 生物催化作用原理
（2）二级结构
蛋白质的二、三和四级结构统称为蛋白质的构象。二级结构产生的机 理之一是蛋白质分子中的肽键的偏双键性质。由于双键中的π电子云与 N原子上的未共用电子对发生“电子共振”，使肽键具有部分双键的 性质，不能自由旋转；与肽键相连的六个原子构成刚性平面结构，称 为肽单元或肽平面（图1），这是多肽链固定不变的一面。但是，由于 α-碳原子与其它原子之间均形成单键，故两相邻的肽键平面可以作相 对旋转，旋转的角度分别叫做两面角 、Ψ，这是多肽链可变的一面 （图2）。固定不变的肽键和多变的两面角对立统一，达到协调后的状 态就是该条肽链的稳定二级结构，即主链骨架弯曲形成的空间排列。
图1 肽平面
图2 肽平面的两面角
第二节 生物催化作用原理
（3）三级、四级结构 三级结构是指多肽在二级结构的基础上进一步搭配和组装形成的具 有一定规律的三维空间结构。三级结构稳定主要借助各种次级键， 包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力等。各二级结构结构之间的 组装方式主要有 、 β、ββ，大多数情况下组装仅仅出现在一个 酶蛋白的局部，即呈现区域空间结构，在不同蛋白分子呈现的代表 性区域空间结构，有时也称为超二级结构。如果酶蛋白分子仅由一 条肽链组成，三级结构就是它的最高结构层次。
酶蛋白分子活性中心以外的部分对酶催化特性亦不可或缺，具 有维持完整结构、保护微环境的重要作用。分子的亲水性强弱， 整个分子的电性、电荷分布，以及活性中心周围的微环境都由 整个酶蛋白分子决定。
有些酶还具有与非底物物质结合的部位，结合后对反应速率具
第二节 生物催化作用原理
3、 酶催化机理 一般认为，酶发挥催化作用时活性中心的结合部位与底物分子结 合，形成酶-底物复合物，催化部位则与底物分子作用，首先将 其转变为过渡态，然后生成产物释放出去。
2、基团专一性： 酶作用于底物时不仅识别特定的化学键，而且还识别键某一侧的基团
。例如消化道中胃蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、胰蛋白酶 水解肽键时的选择性。
3、区域专一性： 指酶对位于同一底物分子中不同位置官能团的选择性。如磷脂酶A2仅
第一节 生物催化的特征
三、立体专一性： 指酶只能特异性地作用于所有立体异构体的其中一种的特性，这是酶
OH
OO
DL-泛解酸内酯
内酯酶 +H2O
OH HO
OH
+
O
D-泛酸
OH
OO
L-泛解酸内酯
消旋
第三节 生物催化的工业应用实例
（3）阿斯巴甜生产
阿斯巴甜是由天冬氨酸和苯丙氨酸甲酯缩合而成的二肽甲酯，是一种低热量、非糖甜
味剂，其甜度是蔗糖的200倍，广泛用于饮料、乳品、食品及药品方面。其生产工艺
以来源于芽孢杆菌菌株的嗜热菌蛋白酶催化二肽，经脱保护基生成产物阿斯巴甜。
CH2O H CHO H +
CH2O H
R1 CO O R' R2 CO O R' R3 CO O R'
油 脂
醇
甘 油
生 物 柴 油
（2）泛酸合成 泛酸又称维生素B5，通常以钙盐与其它B族维生素复合用于补充营养，在医药、食品、 饲料方面用途广泛。以尖镰孢霉菌产内酯酶催化泛解酸内酯不对称水解，实现消旋物 的光学拆分，可制备出光学纯度高的泛酸。
O
C O O H
S +
N
C O O H
O H O
头 孢 菌 素 G
7-A C A
苯 乙 酸
R 1
N H 2
H 2N
R 2
+
O
O
S
青 霉 素 酰 化 酶
N
R 3 -R 2H
R 1
C O O H
D -氨 基 酸 衍 生 物
7-A C A 衍 生 物
H
N
S
O
N
O
R 3
C O O H
半 合 成 头 孢 菌 素
催化的最重要特征，根据具体情况分为以下几类。
1、对映体专一性： 指酶只催化一对对映异构体中的一种对映体反应，如氨基酰化酶只催
化乙酰氨基酸反应生成氨基酸，而不催化乙酰氨基酸反应。
2、几何专一性： 酶对具有顺反异构的底物有严格的选择性，如延胡索酸水合酶只能催
化延胡索酸水合生成苹果酸，而对马来酸则不起作用。
④ 底物形变： 酶的诱导契合机理指出了底物诱导酶的构象改变，研究表明酶和底物的结合 是相互诱导契合的动态过程，不仅酶的构象发生改变，底物分子的构象也发 生变化，酶使底物中的敏感键发生“张力”甚至“变形”，从而使敏感键更容易 断裂，加速反应进行。
⑤ 共价催化： 某些酶增强反应速率是通过和底物以共价键形成不稳定的中间物，使能阈降 低，反应加快。
② 定向效应： 在酶分子中，由于底物与酶的紧密结合，活性部位的催化基团总是从 一个方向趋近底物，因此易于进行催化。
第二节 生物催化作用原理
③ 广义酸碱催化： 酸碱催化是化学催化中最常见的类型，从广义酸碱理论，质子供体和质子受 体分别等于酸和碱。酶活性中心的氨基、羧基、巯基、酚羟基和咪唑基等都 可作为酸或碱，对底物进行催化加快反应速率。例如组氨酸残基的咪唑基， 不仅在中性溶液中同时以广义酸碱两种形式存在，而且供给和接受质子的速 度十分迅速，因此在酶催化中的作用极为重要。
第一节 生物催化的特征
二、相对专一性： 一种酶能够催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应，这种
专一性称为相对专一性，其严格程度较低，但不同的酶对底物结构 的识别不同。具体地表现为下述形式：
1、键专一性： 酶能够作用于具有相同化学键的一类底物，而不辨识键两侧的基团。
如酯酶可以催化所有酯类底物水解生成醇和酸。
3、前手性专一性： 酶可催化前手性底物选择性地形成具有一定立体构型的产物，如乌头
酸酶催化前手性分子柠檬酸转化成手性分子异柠檬酸。
第二节 生物催化作用原理
1、 酶的分子结构 酶是有催化功能的蛋白质，其分子结构与其它蛋白质相同， 具有一级、二级三级和四级结构。
（1）一级结构 酶与其他蛋白质一样，是由20多种基本氨基酸按肽键形式 共价连接而成的，相对分子质量约为1.2×104～1.0×106， 其分子基础为多肽链，肽链的通式为：
和化学催化相比，生物催化反应具有反应选择性高、反应条件温和、 反应速度快等特点，特别是选择性方面，具有以下显著特征：
一、 绝对专一性：一种酶只催化一种底物进行一种反应，这种高度的 专一性称为绝对专一性。例如脲酶只能催化尿素水解生成二氧化碳 和氨，而对尿素的类似物却均无作用。具有绝对专一性的酶不但对 所作用底物的键有严格要求，而且对底物整个分子的化学基团也有 同样严格的要求。
HO
氨 甲 酰 水 解 酶
+ -C H O 20 (NH2)2HO
DL-5-对 羟 基 苯 -己 内 酰 脲
D-N-氨 甲 酰 基 对 羟 基 苯 甘 氨 酸
D-对 羟 基 苯 甘 氨 酸
（6） 苯乙醇酸生产 苯乙醇酸又名扁桃酸、苦杏仁酸，是重要的精细化工原料。由腈水解酶立体选择性水 解苯乙醇腈能高收 2 +
X H N
嗜 热 菌 蛋 白 酶
C O O M e H O O C
C O O H
N H 2 +
C O O M e
X
H N
N H
C O O H
C O O M eO
X = 保 护 基
D L -苯 丙 氨 酸 甲 酯 L -天 东 氨 酸 （ 氨 基 被 保 护 ）
L -苯 丙 氨 酸 甲 酯
四级结构是多亚基蛋白质的三维空间结构，是指各亚基肽链之间相 互作用所形成更为复杂的寡聚物的结构形式。主要描述亚基之间相 互关系，不涉及亚基内部结构。维持四级结构的作用力主要是疏水 键，其他作用力仅起次要作用。
第二节 生物催化作用原理
2、 酶的结构与催化功能 酶的分子结构是催化功能的物质基础，各种酶之所以有催化活 性和专一性，都是出于其分子结构的特殊性。酶蛋白分子上具 有与催化有关的特定区域称为活性部位或活性中心，它能同底 物结合并起催化作用。活性中心一般位于酶分子的表面，是由 结合部位和催化部位所组成。前者直接同底物结合，决定酶的 专一性，即决定同何种底物结合；后者直接参加催化，决定所 催化反应的性质。组成活性中心的氨基酸残基或残基组可能位 于同一条肽链的不同部位，也可能位于不同的肽链上。
在锁-钥机理基础上还衍生出一个三点附着机理（图C），可解释酶的立体专 一性。该机理认为，立体对映的一对手性底物虽然基团相同，但空间排列不 同，这就可能出现底物基团与酶分子表面活性中心的结合能否互补的问题， 只有三点都互补匹配的特定对映异构体，酶才能互补地与其结合，并发生催 化作用。
C：三点附着机理
第二节 生物催化作用原理
第三节 生物催化的工业应用实例
（5）对羟苯甘氨酸合成 半合成β-内酰胺抗生素均需要非天然的氨基酸衍生物作原料，其中重要的有对羟苯甘 氨酸。对羟苯甘氨酸合成的关键步骤为海因酶催化的立体选择性键水解反应。
及过程8
主要内容： 生物催化的特征；生物催化作用原理；生物催化工业 应用实例
理解生物催化的特点；掌握生物催化的作用原理；理 解一些生物催化的工业应用
化工资源有效利用国家重点实验室1
第一节 生物催化的特征
生物催化是指生物催化剂作用下的催化反应，生物催化剂一般包括生 物酶、整体细胞、催化抗体等。然而大多数情况下生物催化剂主要 指酶，它是由细胞产生的具有催化功能的生物大分子。在酶催化反 应中，被酶催化的物质叫底物，酶的催化能力常用“酶的活力”表 示，酶的活力是指在一定条件下、单位时间内酶催化反应底物转化 的量或产物生成的量。
O
O
O
H 2 NC HC N HC HC N HC HCO H
R
R nR
第二节 生物催化作用原理
（2）二级结构
蛋白质的二、三和四级结构统称为蛋白质的构象。二级结构产生的机 理之一是蛋白质分子中的肽键的偏双键性质。由于双键中的π电子云与 N原子上的未共用电子对发生“电子共振”，使肽键具有部分双键的 性质，不能自由旋转；与肽键相连的六个原子构成刚性平面结构，称 为肽单元或肽平面（图1），这是多肽链固定不变的一面。但是，由于 α-碳原子与其它原子之间均形成单键，故两相邻的肽键平面可以作相 对旋转，旋转的角度分别叫做两面角 、Ψ，这是多肽链可变的一面 （图2）。固定不变的肽键和多变的两面角对立统一，达到协调后的状 态就是该条肽链的稳定二级结构，即主链骨架弯曲形成的空间排列。
图1 肽平面
图2 肽平面的两面角
第二节 生物催化作用原理
（3）三级、四级结构 三级结构是指多肽在二级结构的基础上进一步搭配和组装形成的具 有一定规律的三维空间结构。三级结构稳定主要借助各种次级键， 包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力等。各二级结构结构之间的 组装方式主要有 、 β、ββ，大多数情况下组装仅仅出现在一个 酶蛋白的局部，即呈现区域空间结构，在不同蛋白分子呈现的代表 性区域空间结构，有时也称为超二级结构。如果酶蛋白分子仅由一 条肽链组成，三级结构就是它的最高结构层次。
酶蛋白分子活性中心以外的部分对酶催化特性亦不可或缺，具 有维持完整结构、保护微环境的重要作用。分子的亲水性强弱， 整个分子的电性、电荷分布，以及活性中心周围的微环境都由 整个酶蛋白分子决定。
有些酶还具有与非底物物质结合的部位，结合后对反应速率具
第二节 生物催化作用原理
3、 酶催化机理 一般认为，酶发挥催化作用时活性中心的结合部位与底物分子结 合，形成酶-底物复合物，催化部位则与底物分子作用，首先将 其转变为过渡态，然后生成产物释放出去。
2、基团专一性： 酶作用于底物时不仅识别特定的化学键，而且还识别键某一侧的基团
。例如消化道中胃蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、胰蛋白酶 水解肽键时的选择性。
3、区域专一性： 指酶对位于同一底物分子中不同位置官能团的选择性。如磷脂酶A2仅
第一节 生物催化的特征
三、立体专一性： 指酶只能特异性地作用于所有立体异构体的其中一种的特性，这是酶
OH
OO
DL-泛解酸内酯
内酯酶 +H2O
OH HO
OH
+
O
D-泛酸
OH
OO
L-泛解酸内酯
消旋
第三节 生物催化的工业应用实例
（3）阿斯巴甜生产
阿斯巴甜是由天冬氨酸和苯丙氨酸甲酯缩合而成的二肽甲酯，是一种低热量、非糖甜
味剂，其甜度是蔗糖的200倍，广泛用于饮料、乳品、食品及药品方面。其生产工艺
以来源于芽孢杆菌菌株的嗜热菌蛋白酶催化二肽，经脱保护基生成产物阿斯巴甜。
CH2O H CHO H +
CH2O H
R1 CO O R' R2 CO O R' R3 CO O R'
油 脂
醇
甘 油
生 物 柴 油
（2）泛酸合成 泛酸又称维生素B5，通常以钙盐与其它B族维生素复合用于补充营养，在医药、食品、 饲料方面用途广泛。以尖镰孢霉菌产内酯酶催化泛解酸内酯不对称水解，实现消旋物 的光学拆分，可制备出光学纯度高的泛酸。
O
C O O H
S +
N
C O O H
O H O
头 孢 菌 素 G
7-A C A
苯 乙 酸
R 1
N H 2
H 2N
R 2
+
O
O
S
青 霉 素 酰 化 酶
N
R 3 -R 2H
R 1
C O O H
D -氨 基 酸 衍 生 物
7-A C A 衍 生 物
H
N
S
O
N
O
R 3
C O O H
半 合 成 头 孢 菌 素
催化的最重要特征，根据具体情况分为以下几类。
1、对映体专一性： 指酶只催化一对对映异构体中的一种对映体反应，如氨基酰化酶只催
化乙酰氨基酸反应生成氨基酸，而不催化乙酰氨基酸反应。
2、几何专一性： 酶对具有顺反异构的底物有严格的选择性，如延胡索酸水合酶只能催
化延胡索酸水合生成苹果酸，而对马来酸则不起作用。
④ 底物形变： 酶的诱导契合机理指出了底物诱导酶的构象改变，研究表明酶和底物的结合 是相互诱导契合的动态过程，不仅酶的构象发生改变，底物分子的构象也发 生变化，酶使底物中的敏感键发生“张力”甚至“变形”，从而使敏感键更容易 断裂，加速反应进行。
⑤ 共价催化： 某些酶增强反应速率是通过和底物以共价键形成不稳定的中间物，使能阈降 低，反应加快。
② 定向效应： 在酶分子中，由于底物与酶的紧密结合，活性部位的催化基团总是从 一个方向趋近底物，因此易于进行催化。
第二节 生物催化作用原理
③ 广义酸碱催化： 酸碱催化是化学催化中最常见的类型，从广义酸碱理论，质子供体和质子受 体分别等于酸和碱。酶活性中心的氨基、羧基、巯基、酚羟基和咪唑基等都 可作为酸或碱，对底物进行催化加快反应速率。例如组氨酸残基的咪唑基， 不仅在中性溶液中同时以广义酸碱两种形式存在，而且供给和接受质子的速 度十分迅速，因此在酶催化中的作用极为重要。
第一节 生物催化的特征
二、相对专一性： 一种酶能够催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应，这种
专一性称为相对专一性，其严格程度较低，但不同的酶对底物结构 的识别不同。具体地表现为下述形式：
1、键专一性： 酶能够作用于具有相同化学键的一类底物，而不辨识键两侧的基团。
如酯酶可以催化所有酯类底物水解生成醇和酸。
3、前手性专一性： 酶可催化前手性底物选择性地形成具有一定立体构型的产物，如乌头
酸酶催化前手性分子柠檬酸转化成手性分子异柠檬酸。
第二节 生物催化作用原理
1、 酶的分子结构 酶是有催化功能的蛋白质，其分子结构与其它蛋白质相同， 具有一级、二级三级和四级结构。
（1）一级结构 酶与其他蛋白质一样，是由20多种基本氨基酸按肽键形式 共价连接而成的，相对分子质量约为1.2×104～1.0×106， 其分子基础为多肽链，肽链的通式为：
和化学催化相比，生物催化反应具有反应选择性高、反应条件温和、 反应速度快等特点，特别是选择性方面，具有以下显著特征：
一、 绝对专一性：一种酶只催化一种底物进行一种反应，这种高度的 专一性称为绝对专一性。例如脲酶只能催化尿素水解生成二氧化碳 和氨，而对尿素的类似物却均无作用。具有绝对专一性的酶不但对 所作用底物的键有严格要求，而且对底物整个分子的化学基团也有 同样严格的要求。
HO
氨 甲 酰 水 解 酶
+ -C H O 20 (NH2)2HO
DL-5-对 羟 基 苯 -己 内 酰 脲
D-N-氨 甲 酰 基 对 羟 基 苯 甘 氨 酸
D-对 羟 基 苯 甘 氨 酸
（6） 苯乙醇酸生产 苯乙醇酸又名扁桃酸、苦杏仁酸，是重要的精细化工原料。由腈水解酶立体选择性水 解苯乙醇腈能高收 2 +
X H N
嗜 热 菌 蛋 白 酶
C O O M e H O O C
C O O H
N H 2 +
C O O M e
X
H N
N H
C O O H
C O O M eO
X = 保 护 基
D L -苯 丙 氨 酸 甲 酯 L -天 东 氨 酸 （ 氨 基 被 保 护 ）
L -苯 丙 氨 酸 甲 酯
四级结构是多亚基蛋白质的三维空间结构，是指各亚基肽链之间相 互作用所形成更为复杂的寡聚物的结构形式。主要描述亚基之间相 互关系，不涉及亚基内部结构。维持四级结构的作用力主要是疏水 键，其他作用力仅起次要作用。
第二节 生物催化作用原理
2、 酶的结构与催化功能 酶的分子结构是催化功能的物质基础，各种酶之所以有催化活 性和专一性，都是出于其分子结构的特殊性。酶蛋白分子上具 有与催化有关的特定区域称为活性部位或活性中心，它能同底 物结合并起催化作用。活性中心一般位于酶分子的表面，是由 结合部位和催化部位所组成。前者直接同底物结合，决定酶的 专一性，即决定同何种底物结合；后者直接参加催化，决定所 催化反应的性质。组成活性中心的氨基酸残基或残基组可能位 于同一条肽链的不同部位，也可能位于不同的肽链上。
在锁-钥机理基础上还衍生出一个三点附着机理（图C），可解释酶的立体专 一性。该机理认为，立体对映的一对手性底物虽然基团相同，但空间排列不 同，这就可能出现底物基团与酶分子表面活性中心的结合能否互补的问题， 只有三点都互补匹配的特定对映异构体，酶才能互补地与其结合，并发生催 化作用。
C：三点附着机理
第二节 生物催化作用原理
第三节 生物催化的工业应用实例
（5）对羟苯甘氨酸合成 半合成β-内酰胺抗生素均需要非天然的氨基酸衍生物作原料，其中重要的有对羟苯甘 氨酸。对羟苯甘氨酸合成的关键步骤为海因酶催化的立体选择性键水解反应。