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學院邀請鄭裕國院士主講第48期黃島講壇

發布時間:2019-07-25作者:淡天俊,李玉琪瀏覽次數:30


7月21日,受學院邀請,中國工程院院士,生物化工專家,浙江工業大學生物工程學院院長鄭裕國做客第48期黃島講壇,為師生做題為“生物精細化工發展與實踐”的學術報告。院長楊朝合主持報告會AG澳门娱乐福利视频。

鄭裕國院士作題為《生物精細化工發展與實踐》的報告  攝影人:焦國紅

楊朝合院長主持報告會  攝影人:焦國紅

鄭裕國院士從國內外精細化工行業發展趨勢AG澳门娱乐福利视频、精細化工面臨的挑戰與生物制造的優勢及產業化開發、生物精細化工技術展望等多個方面詳細講解了我國精細化工發展情況AG澳门娱乐福利视频,并結合具體的藥物說明了腈化合物、環氧化合物以及雙手性二醇的酶法合成方法,闡述了生物化工方法在精細化工領域的重要意義。

鄭裕國表示:“精細化工是石油和化學工業的深加工產業,是當今化學工業中最具活力的新興領域之一,它包括的部分包含了醫藥、農藥、石油化學品AG澳门娱乐福利视频、各種添加劑、化工新材料等問題,跟目前的化學工業、醫藥工業、健康產業密切相關。精細化工是構成國民經濟的重要部分,精細化學品的制造水平是衡量一個國家化學工業集約化程度的重要標志?!彼麖娬{到AG澳门娱乐福利视频,精細化工率的提升是實現2030年進入精細化工強國的一個關鍵指標。21世紀初期AG澳门娱乐福利视频,歐美等發達國家的精細化工率已達到70%左右,瑞士更是高達95%,而我國精細化工率在48%左右,與發達國家存在較大的差距;同時,我國的精細化學品工業已具有相當的規模,成為化學工業的重要組成,部分產品的產量和技術水平達到世界第一,但精細化程度不高,原料型產品多、精加工產品少,中低檔產品多、高檔高附加值產品少,在國際市場上缺乏核心競爭力等仍是嚴重問題AG澳门娱乐福利视频。技術創新能力不足是導致上述問題的主要原因,這就需要加強技術創新,調整和優化其產品結構。

鄭裕國分析道AG澳门娱乐福利视频,精細化工是化學工業中生產具有特定應用性能、合成工藝步驟較多、反應復雜AG澳门娱乐福利视频、品種多、產品附加值高的精細化學品的領域。其面臨的挑戰之一就是精細化學品往往面臨反應步驟冗長、收率低、連續進行保護/去保護和拆分反應、多次富集,高光學純度要求等難題。而通過生物法進行過程替代,可以把分解、異構化AG澳门娱乐福利视频、重排等副反應降至最低AG澳门娱乐福利视频。他提出傳統合成過程難以滿足精細化學品分子結構日趨復雜的需求,亟需進行過程替代的見解,并以普瑞巴林、卡托普利、立普妥、達菲等重要藥物為例AG澳门娱乐福利视频,提出利用生物組織或生物體作為催化劑的構思AG澳门娱乐福利视频。他談到,科研人員利用生物手段制備出更多結構復雜、分子量大、手性中心多、活性官能團豐富的精細化學品,如生物法制備的稀有糖等結構復雜化的精細化學品,純度可達國家標準食品級要求,而且在壓強、溫度等過程控制方面均具有低能耗優勢。生物精細化工是化學化工與生命科學交叉的新興科學,是當今化學化工的前沿學科AG澳门娱乐福利视频。生物精細化工技術的發展重點在于生物催化工業化,使其成為切實的生產力AG澳门娱乐福利视频。從傳統的精細化工行業跨越到生物精細化工,達到原料、產品變更目的AG澳门娱乐福利视频,需要通過生物與化學的優勢互補來實現,從而對精細化工產業實現根本性的變革。在這個過程中,精細化工原料由化學法替代生物法,而產品變得更綠色、更健康,從而實現綠色資源、綠色產品,真正實現一個綠色的精細化工產業AG澳门娱乐福利视频。他總結道“生物精細化工以生物技術為核心,融合化學工程、有機合成的原理和方法,實現醫藥、農藥等精細化學品的高效綠色生產?AG澳门娱乐福利视频!?/span>因此,通過生物催化等新一代物質加工手段對生產過程進行綠色化改造,對產品結構進行精細化調整,是精細化學品行業實現轉型升級面臨的重大機遇AG澳门娱乐福利视频。

鄭裕國指出,傳統化學合成過程對原料消耗量非常高,三廢排放量大,環境污染嚴重。如何充分利用原材料,從而得到好的環境效益,是精細化工專家和工程科技創新專家必須面臨的問題。而生物制造是依托微生物細胞和酶的生物催化技術,是實現燃料AG澳门娱乐福利视频、材料、醫用化學品的生物轉化途徑。在精細化學領域中,生物催化成為精細化學品合成的重要方法。與傳統化工合成技術相比AG澳门娱乐福利视频,生物催化具有選擇性強、催化效率高AG澳门娱乐福利视频、反應條件溫和、環境友好、催化劑制造成本低、反應范圍廣,可作用于非天然、人工合成的化合物等優點AG澳门娱乐福利视频,已成為有機合成最重要和不可或缺的工具之一。同時,生物催化能更好的解決資源、能源與環境方面的壓力,維持和諧的生態環境AG澳门娱乐福利视频,促進工業可持續發展,并已廣泛應用于傳統化學方法不能或者不易合成的手性化合物的生產過程,已成為化學合成方法的重要補充。

鄭裕國談到,生物催化的核心是以酶為催化劑,溫和的反應條件使得傳統催化易發生的分解、異構、消旋和重排等副反應大為減少AG澳门娱乐福利视频,進而滿足低污染AG澳门娱乐福利视频、低能耗、高原子經濟性的過程需求,且幾乎能催化各種類型的化學反應,所以生物化工將會給化學工業帶來一次技術革命G澳门娱乐福利视频!吧锎呋夹g在物質加工過程中已明顯呈現出3個不同的層次,即在高端領域發揮立體、區域和化學等選擇性優勢,拓展其在醫藥中間體等高附加值精細化學品制造中的應用;在中端領域,生產生物材料,實現CO?減排,減緩溫室效應;在低端領域,利用低劣生物質資源生產生物能源,減少污染,變廢為寶,實現節能減排?AG澳门娱乐福利视频?傮w來說,生物催化是一個生物制造,是一個環境友好、綠色制造技術;它滿足了綠色化學的12個準則AG澳门娱乐福利视频,是綠色化學”鄭裕國說。有機構預測,至2020年生物法制備的精細化學品比重將增加至60%,市場潛力達到5000億美元以上。由此可見,精細化學品生物制造技術已成為世界各國優先發展的科技和產業重點。鄭裕國表示,通過生物催化方法制造手性醫藥化學品受到世界各的普遍關注,并已成為發達國家重要的科技和產業發展戰略。

鄭裕國提出,生物催化反應具有的多樣性、立體和區域選擇性強的特點,可以設計和開辟新工藝、利用廉價易得原材料和緊湊的反應步驟滿足途徑需求,可以對含2個及以上手性中心的手性化合物進行選擇性催化進而滿足質量需求。鄭裕國以抗癲癇的藥物普瑞巴林成功案例為例,列舉了生物制造的諸多優勢,如生物制造反應條件溫和,可以滿足藥物過程中適應性強,環境友好的需求;由于生物多樣性,生物制造可以重構AG澳门娱乐福利视频、定向、改造過程,實現藥物制造的不定需求AG澳门娱乐福利视频;生物組織具有嚴格的區域選擇性,立體和化學選擇性,生物制造可以滿足分子結構更為復雜,滿足藥品的質量需求?!耙虼松镏圃鞂λ幤返馁|量,成本AG澳门娱乐福利视频,環境的效益起到非常重要的作用?!编嵲f。

鄭裕國指出,以生物催化為技術手段的手性醫藥化學品綠色制造已成為世界各跨國公司發展的戰略制高點。生物催化與化學催化的整合技術,為精細(手性)化學品的合成提供了環境友好、成本低廉的強有力工具,代表了綠色化學的發展趨勢, 被稱為第二代加工手段。生物催化和化學催化的交叉需要生物學家和化學家的緊密合作,著重解決生物催化和化學催化反應的相容性,生物催化反應類型的拓展及其分子催化機理的認識,及生物催化劑的快速商品化、工具化技術等問題AG澳门娱乐福利视频。他指出生物制造技術的關鍵是合成生物學(細胞工廠設計和重構)和高效生物催化運用到產業化當中。并列舉了他汀藥物從發現、發展、到成為最大的藥物的發展過程,而中國率先實現了阿托他汀的合成AG澳门娱乐福利视频,使中國掌握了他汀藥物的話語權,更體現了生物制造的重要性。鄭裕國強調AG澳门娱乐福利视频AG澳门娱乐福利视频,生物制造是生物醫藥發展的一種方向AG澳门娱乐福利视频,怎樣構建高效生物催化劑或構建高效細胞工廠,從而滿足生物制造,對工程類專家是非常重要的責任。在生物化工的發展中,生物催化劑快速商品化跟工具化的技術是一個非常有前景的技術,怎么樣來實現生物催化劑快速改造、規?;窃?,是醫藥化學品、功能營養化學品AG澳门娱乐福利视频AG澳门娱乐福利视频、農藥化學品未來重點考慮的問題,這決定了行業下步發展的前景所在。他還以問答的形式,就“生物催化劑與化學催化劑的反應體系、負載形式、反應條件差異較大,如何提高二者的無縫對接,實現一鍋法合成?”“如何通過蛋白質工程改造和挖掘,發現更多新生反應?”等相關問題,解答了生物精細化工新的發展思路。

此外,鄭裕國還對腈化合物生物催化與轉化,雙手性醇化合物、環氧化合物生物制造,新性碳青霉烯類抗生素最大品種——亞胺培南西司他丁鈉核心技術“手性源的合成”等精細化學品生物制造關鍵技術進行了詳細介紹。

他表示,在生物催化方面AG澳门娱乐福利视频,腈水解酶能夠選擇性水解多氰基化合物并產生相對應的羧酸AG澳门娱乐福利视频。腈水解酶法合成羧酸衍生物復合源自經濟和綠色化學發展的方向。腈水合酶可以催化腈化合物生產酰胺,可大規模應用于生產丙烯酰胺AG澳门娱乐福利视频、煙酰胺AG澳门娱乐福利视频。而酰胺酶能夠催化酰胺水解產生相應的羧酸和胺,同時在羥胺的存在下能催化?;D移反應。酰胺酶的底物范圍很廣,能夠水解各種天然及人工合成的脂肪族和芳香族酰胺。

他談到,新性碳青霉烯類抗生素最大品種——亞胺培南西司他丁鈉,作為第三代抗生素的第一品種AG澳门娱乐福利视频,亞胺培南西司他丁鈉是抗重癥感染首選藥物。其制造的核心技術關鍵在手性源的合成,要求光學純度較高,具有特殊的鍵角和剛性平面結構,手性合成難度大。因此AG澳门娱乐福利视频,其衍生物的合成一直是手性技術的難題。鄭裕國講到AG澳门娱乐福利视频,采用(S-2,2-二甲基環丙甲酰胺腈水合酶、酰胺酶兩部酶法新工藝,可使8步工序縮減為2步AG澳门娱乐福利视频,徹底革除有毒有害溶劑,并使產品光學純度達到99%以上AG澳门娱乐福利视频,實現高效、高立體手性合成。他強調,雙酶耦聯生物催化過程仍需要強化,通過單AG澳门娱乐福利视频、雙酶體系反應動力學,打孔樹脂原為吸附,副產物消旋回用,生物催化時空產率可達21g.L-1.h-1,產物總收率達到72%以上。他以腈水解酶催化合成R-扁桃酸AG澳门娱乐福利视频、加巴噴丁、普瑞巴林為例,強調了生物催化的優越性。在環氧化合物方面,手性環氧氯丙烷作為一種重要的C3合成子,廣泛應用于材料AG澳门娱乐福利视频、醫藥、化工和農藥等領域AG澳门娱乐福利视频。在傳統化工合成領域,利用化學拆分發制造環氧化合物具有不經濟、副產物多等缺點AG澳门娱乐福利视频,而在生物催化方面,利用鹵醇脫鹵催化合成ECH可以提高產品經濟性,其中以1,3-二氯丙醇為底物合成ECH原子成為開發手性還氧氯丙烷綠色合成技術的主要研究方向。鹵醇脫鹵酶在催化合成環氧氯丙烷時AG澳门娱乐福利视频,以1,3-二氯丙醇為原料,利用酶不對稱合成法可使理論產率達到100%。鄭裕國向聽眾介紹了雙手性醇化合物的生物制造。雙手性二醇時高端醫藥AG澳门娱乐福利视频、農藥和材料的重要手性砌塊和前體AG澳门娱乐福利视频,其含有兩個手性羥基AG澳门娱乐福利视频,存在4個異構體。在生物催化方面AG澳门娱乐福利视频,采用緊急鈉堿衍生物催化的烯烴不對稱雙羥基化,反應產物立體構型可預測AG澳门娱乐福利视频,成產效率遠高于化工合成,現已成為有機合成最重要的反應之一。

鄭裕國,中國工程院院士,生物化工專家,浙江象山人AG澳门娱乐福利视频,現任浙江工業大學生物工程學院院長,兼任生物轉化與生物凈化教育部工程研究中心主任、浙江省生物有機合成技術研究重點實驗室主任、手性生物制造浙江省工程實驗室主任、國家化學原料藥合成工程技術研究中心副主任等職。長期從事醫藥和農藥化學品生物制造工程技術創新,建立了以生物技術為核心,融合有機合成、化學工程原理和方法的生物有機合成技術新體系。發明了最大假糖類農藥井岡霉素高端品種及其衍生物生物合成新技術AG澳门娱乐福利视频,實現了井岡霉素的綠色化和高值化;開發成功最大糖苷酶抑制劑類降糖藥阿卡波糖生物合成新菌種和新技術AG澳门娱乐福利视频,通過工程技術全程創新,打破了長期依賴進口的局面;發明系列生物催化劑篩選AG澳门娱乐福利视频、改造和工業應用新技術,實現醫藥AG澳门娱乐福利视频、農藥化學品生產過程重構、強化和替代。授權發明專利90多件,發表SCI收錄論文200余篇AG澳门娱乐福利视频AG澳门娱乐福利视频,主編出版教材、專著3部AG澳门娱乐福利视频。以第一完成人獲國家技術發明二等獎2項、國家科技進步二等獎1項、省部級科學技術一等獎6項和二等獎1項。2017年當選中國工程院院士AG澳门娱乐福利视频。

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