与传统的β-内酰胺抗生素相比,半合成β-内酰胺抗生素具有抗菌谱广和稳定性好的优点,是应用最广泛的一类抗感染药物。目前,化学合成法主导着半合成β-内酰胺抗生素的工业化生产,能耗高、效率低、排放大量难降解污染物是其难以逾越的弊端。环境友好的酶催化合成法一直受到研究者的重视,其中动力学控制下的酶催化合成路线是一种相对高效的方法。但由于对该路线的合成过程缺乏系统的研究和认识,致使其一直存在底物摩尔比例高、转化率低、反应产率低等问题。本论文以生产量较大的半合成β-内酰胺抗生素头孢氨苄(CEX)作为研究目标,以7-氨基-3-去乙酰氧基头孢烷酸(7-ADCA)为母核,固定化青霉素G酰化酶(IPGA)为生物催化剂,系统研究了其动力学控制下的酶催化合成过程,开发了悬浮液体系和增溶体系中的酶催化合成工艺。主要研究内容和结论如下:在全溶液体系中,系统研究了动力学控制下头孢氨苄的酶催化合成过程。考察了不同侧链苯甘氨酸甲酯盐酸盐(PGME)和苯甘氨酰胺(PGA)下的酶催化合成过程,在此基础上研究了 pH、温度、酶量、底物浓度和底物摩尔比例对酶催化合成头孢氨苄的综合影响。与PGA作为侧链的反应相比,以PGME作为侧链的转化率和反应产率分别提高45.9%和1234.5%。得到了较优的工艺条件为:pH 6.5、温度 15℃、7-ADCA 60 mmol/L、PGME/7-ADCA 摩尔比例 1.5 和IPGA/7-ADCA 30.46 IU/mmol。在较优反应条件下,最大转化率为98.5%,反应产率为 29.5 mmol/L/h,PGME 水解率为 35.9%。以7-ADCA为母核,PGME为侧链,IPGA为生物催化剂,研究了酶催化合成头孢氨苄的反应动力学。推导了酶催化合成头孢氨苄的反应速率方程,通过酶催化水解PGME和酶催化水解头孢氨苄相结合的方法,求解了酶催化合成头孢氨苄的反应速率常数。反应速率常数分析表明,酶与侧链供体的结合是酶催化合成头孢氨苄的速控步骤。与头孢氨苄的水解相比,PGME的水解是限制酶催化合成头孢氨苄转化率的主要原因。酶催化合成的最佳pH为6.0-6.5,升高pH会加剧PGME和头孢氨苄的水解,不利于头孢氨苄的合成。对温度影响的动力学和活化能分析表明,与头孢氨苄的合成反应相比,升高温度更能加剧PGME水解和头孢氨苄水解,适当的低温有利于头孢氨苄的合成。酶量的过度增加会加剧固定化酶颗粒内部内扩散限制效应发生。为了提高酶催化合成头孢氨苄的反应效率,开发了悬浮液体系中头孢氨苄的酶催化合成工艺。考察了 PGME加入方式、pH、温度、酶量、PGME加入时间、初始7-ADCA浓度和PGME/7-ADCA摩尔比对酶催化合成的影响。与批次加入比较,PGME连续加入可使其水解率降低12%,因而转化率和反应产率分别提高2.8%和2.7%,PGME连续加入更有利于头孢氨苄的酶催化合成。在pH 7.0、温度 15℃、初始 7-ADCA 浓度 659 mmol/L、PGME/7-ADCA 摩尔比例 1.12、IPGA/7-ADCA 22.85 IU/mmol和PGME加入时间60 min下,最大转化率为99.3%,反应产率为200 mmol/L/h,PGME水解率为11.4%。与相同条件下全溶液体系中酶催化合成比较,悬浮液体系中酶催化合成的转化率提高5.4%,反应产率提高395%,水解率降低36.7%。为了实现高底物浓度下头孢氨苄的酶催化合成,研究了 PGME存在下7-ADCA在水相介质中的溶解行为。溶解度的测定表明,PGME的存在会提高7-ADCA在水中的溶解度。在此基础上,采用pH调控的策略制备得到了 7-ADCA的增溶体系,显著增强了 7-ADCA在水中的浓度。在pH 6.5、温度15℃和PGME 900 mmol/L下,7-ADCA在水中的浓度达到673 mmol/L,比相同条件下7-ADCA的溶解度提高25.88倍。采用同样的pH调控策略,与PGME不存在的7-ADCA溶液相比,PGME存在下的7-ADCA增溶体系具有更好的稳定性。紫外光谱、荧光光谱、拉曼光谱以及量化计算的结果表明,PGME和7-ADCA分子之间存在氢键相互作用,其是PGME存在下7-ADCA溶解增强的推动力。在7-ADCA溶解增强研究的基础上,进一步开展了增溶体系中酶催化合成头孢氨苄的研究。研究了底物浓度、底物摩尔比例以及晶种添加对酶催化合成的影响。在pH6.5、温度15℃、7-ADCA 400 mmol/L、PGME/7-ADCA摩尔比例1.12、晶种添加时间8 min和晶种添加量6.8 mmol/L下,最大转化率为99.4%,反应产率为312.3 mmol/L/h,PGME水解率为11.3%。将该合成工艺与悬浮液体系中的合成工艺进行了对比,它们的转化率均达到了比较高的水平,PGME水解率也相当,但是增溶体系的反应产率比悬浮液体系的提高56.2%,并且前者的合成工艺比后者更为简单。