第七章酶制剂生产课件.ppt
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- 第七 酶制剂 生产 课件
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1、第八章第八章 酶制剂生产酶制剂生产前言前言n2020世纪世纪2020年代,年代,法国人法国人BiondinBiondin与与EffrontEffront 在在德国德国建厂生产建厂生产枯草枯草杆菌淀粉酶杆菌淀粉酶来代替麦芽淀粉酶,用于棉布褪浆,为微生物酶的来代替麦芽淀粉酶,用于棉布褪浆,为微生物酶的工业生产奠定了基础。工业生产奠定了基础。4040年代,抗生素工业兴起,年代,抗生素工业兴起,深层培养技深层培养技术术不久就被用于淀粉酶的制造,使酶制剂工业跨进了工业化生不久就被用于淀粉酶的制造,使酶制剂工业跨进了工业化生产的时代。产的时代。50 50 年代末,年代末,糖化酶糖化酶成功用于葡萄糖生产,革
2、除了沿成功用于葡萄糖生产,革除了沿用上百年的酸水解工艺。用上百年的酸水解工艺。6060年代中期,年代中期,加酶洗涤剂加酶洗涤剂大流行,进大流行,进一步促进了酶制剂工业的发展。一步促进了酶制剂工业的发展。7070年代初年代初固定化葡萄糖异构酶固定化葡萄糖异构酶用于生产果脯糖浆,大大推动了食品工业与酶制剂工业的发展。用于生产果脯糖浆,大大推动了食品工业与酶制剂工业的发展。随着酶制剂的普遍应用与固定化酶的广泛研究,促进了生物催随着酶制剂的普遍应用与固定化酶的广泛研究,促进了生物催化技术与化学工程密切结合,诞生了一门新学科化技术与化学工程密切结合,诞生了一门新学科酶工程酶工程n19711971年在美国
3、召开第一次国际酶工程会议,把大规模生产、分年在美国召开第一次国际酶工程会议,把大规模生产、分离提纯、固定化技术、酶反应器设计,以及酶的工业应用都纳离提纯、固定化技术、酶反应器设计,以及酶的工业应用都纳入了酶工程的范围,并成为当时(入了酶工程的范围,并成为当时(2020世纪世纪7070年代至年代至8080年代中期年代中期)初生物技术五大技术体系中最活跃、发展最快、成效最大的一初生物技术五大技术体系中最活跃、发展最快、成效最大的一个体系。个体系。第一节酶制剂的工业化生产第一节酶制剂的工业化生产n一、工业化酶制剂生产的优点一、工业化酶制剂生产的优点n自自1894 1894 年年米曲霉高峰淀粉酶米曲霉
4、高峰淀粉酶 问世,问世,19231923年枯年枯草杆菌草杆菌-淀粉酶工业化应用以来,微生物酶淀粉酶工业化应用以来,微生物酶制剂工业逐渐发展成为一个新兴的产业部门,制剂工业逐渐发展成为一个新兴的产业部门,发展势发展势 头方兴未艾。目前的头方兴未艾。目前的800800多种商品酶中,多种商品酶中,大多数是利用微生物生产的。大多数是利用微生物生产的。n利用微生物发酵法大规模生产酶制剂,具有以利用微生物发酵法大规模生产酶制剂,具有以下几个明显的优点。下几个明显的优点。优点优点n(一)酶的品种多,新酶种易得(一)酶的品种多,新酶种易得n微生物种类繁多,凡是动植物体内存在的酶,几乎都微生物种类繁多,凡是动植
5、物体内存在的酶,几乎都能从微生物中得到;倒是有许多酶目前还只在微生物能从微生物中得到;倒是有许多酶目前还只在微生物中发现,而未能从动植物中找到。中发现,而未能从动植物中找到。n(二)菌种易诱变,代谢易调控(二)菌种易诱变,代谢易调控n微生物代谢方式各种各样,又极易受外界因素的影响,微生物代谢方式各种各样,又极易受外界因素的影响,很容易通过诱变等简便的育种方法改变原来的代谢途很容易通过诱变等简便的育种方法改变原来的代谢途径,得到预想的代谢途径,实现代谢的人为调控。径,得到预想的代谢途径,实现代谢的人为调控。n(三)生产周期短,酶的产量大(三)生产周期短,酶的产量大n 微生物细胞构造简单,没有分化
6、的营养器官,而是以微生物细胞构造简单,没有分化的营养器官,而是以细胞表面直接与环境接触,所以代谢速度比高等生物细胞表面直接与环境接触,所以代谢速度比高等生物快得多,其繁殖速度快,生产效率高,生产周期短,快得多,其繁殖速度快,生产效率高,生产周期短,培养简便,并可通过控制培养条件提高酶的产量。相培养简便,并可通过控制培养条件提高酶的产量。相比动植物组织酶提取,不受动植物原料量和来源的约比动植物组织酶提取,不受动植物原料量和来源的约束,周期短,产酶量大束,周期短,产酶量大n(四)基因易操纵,优质种易得(四)基因易操纵,优质种易得n 基因工程技术中,以微生物为对象的研究水平远远领基因工程技术中,以微
7、生物为对象的研究水平远远领先于动植物,进行微生物的基因改造要比动植物方便先于动植物,进行微生物的基因改造要比动植物方便得多,技术水平也成熟得多。生物技术在酶工程中的得多,技术水平也成熟得多。生物技术在酶工程中的应用(如多拷贝酶基因的菌种)远远领先于其他工程应用(如多拷贝酶基因的菌种)远远领先于其他工程体系,早已产业化,并产生了巨大的经济效益和社会体系,早已产业化,并产生了巨大的经济效益和社会效益。效益。二、酶制剂生产的基本工艺流程二、酶制剂生产的基本工艺流程n(一)基本工艺流程图(一)基本工艺流程图n微生物发酵法生产酶制剂,分微生物发酵法生产酶制剂,分固态发酵法固态发酵法、液态发酵液态发酵法法
8、和和载体发酵法载体发酵法三大类。由于载体发酵法还没有用于三大类。由于载体发酵法还没有用于大规模生产,以介绍固态发酵和液态发酵为主。大规模生产,以介绍固态发酵和液态发酵为主。n虽然因为具体的生产菌不同、目的酶不同、生产设备虽然因为具体的生产菌不同、目的酶不同、生产设备不同、生产条件不同,采用的工艺有所不同,但酶制不同、生产条件不同,采用的工艺有所不同,但酶制剂生产基本工艺流程大致如图剂生产基本工艺流程大致如图8-18-1工艺要点工艺要点1.固态发酵法固态发酵法(1)原料处理碳源原料处理碳源,淀粉质淀粉质;氮源氮源,麸皮麸皮(2)菌种培育与接种:液体、固体等菌种培育与接种:液体、固体等(3)无菌要
9、求相对较低无菌要求相对较低(4)发酵工艺控制好温度和湿度,发酵工艺控制好温度和湿度,不需不需要调节要调节PH(5)提取纯化成熟曲烘干、粉碎、过筛,提取纯化成熟曲烘干、粉碎、过筛,得到粗酶粉。精制则加水抽提,分离得到粗酶粉。精制则加水抽提,分离去除固形物,浓缩,盐析或有机溶剂去除固形物,浓缩,盐析或有机溶剂沉淀,离子交换层析进一步纯化。沉淀,离子交换层析进一步纯化。2.液体发酵法液体发酵法(1)原料处理:葡萄糖等单糖为碳源原料处理:葡萄糖等单糖为碳源(2)菌种培育与接种:液体培养,几级罐菌种培育与接种:液体培养,几级罐(3)无菌要求要求较高无菌要求要求较高(4)发酵工艺控制发酵工艺控制PH、温度
10、、通风量、温度、通风量(5)提取纯化真空浓缩得酶液。精制则提取纯化真空浓缩得酶液。精制则加水抽提,分离去除固形物,浓缩,加水抽提,分离去除固形物,浓缩,盐析或有机溶剂沉淀,离子交换层析盐析或有机溶剂沉淀,离子交换层析进一步纯化进一步纯化第二节第二节 淀粉酶淀粉酶 n淀粉酶淀粉酶是水解淀粉物质的一类酶的总称,广泛存在于是水解淀粉物质的一类酶的总称,广泛存在于动植物和微生物中。它是最早实现工业化生产并且至动植物和微生物中。它是最早实现工业化生产并且至今为止应用最广、产量最大的一类酶制剂。今为止应用最广、产量最大的一类酶制剂。n按照水解淀粉方式不同,可将淀粉酶分为四大类:按照水解淀粉方式不同,可将淀
11、粉酶分为四大类:淀粉酶淀粉酶、淀粉酶淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和解枝酶和解枝酶(异淀粉(异淀粉酶)。酶)。n此外,还有一些与工业有关的淀粉酶如此外,还有一些与工业有关的淀粉酶如环化糊精生成环化糊精生成酶酶(这种酶可使(这种酶可使6 6、7 7个葡萄糖构成环化糊精)、个葡萄糖构成环化糊精)、G4G4、G6G6生成酶生成酶(可从淀粉非还原端切割下(可从淀粉非还原端切割下4-64-6个葡萄糖分子个葡萄糖分子构成寡糖),还有构成寡糖),还有-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶,又称葡萄糖苷转移,又称葡萄糖苷转移酶(可将游离葡萄糖转移到其他葡萄糖基的酶(可将游离葡萄糖转移到其他葡萄糖基的-1,6-1,6 位位
12、上,生成含上,生成含-1,6-1,6糖苷键的寡糖)。糖苷键的寡糖)。一、一、-淀粉酶淀粉酶n工业上大规模生产和应用的工业上大规模生产和应用的-淀粉酶主要来自细菌和淀粉酶主要来自细菌和曲霉,特别是曲霉,特别是枯草杆菌枯草杆菌,我国淀粉糖化工业使用的液,我国淀粉糖化工业使用的液化酶化酶BF-7658 BF-7658、美国的、美国的enaseenase 等属于这一种等属于这一种 。n由由微生物制备酶制剂微生物制备酶制剂,产酶量高,易于分离和精制,产酶量高,易于分离和精制,适于大量生产。当然亦能从植物和动物适于大量生产。当然亦能从植物和动物 中提取中提取-淀淀粉酶,满足特殊的需要,但由于成本高,产量低
13、,目粉酶,满足特殊的需要,但由于成本高,产量低,目前还不能实现工前还不能实现工 业化生产。具有实用价值的业化生产。具有实用价值的-淀粉淀粉酶生产菌列于表酶生产菌列于表8-18-1n由于菌种不断的选育改良,现在工业生产上用的菌种由于菌种不断的选育改良,现在工业生产上用的菌种产生产生-淀粉酶的能力已是原始菌株的数倍乃至数十倍淀粉酶的能力已是原始菌株的数倍乃至数十倍n霉菌霉菌-淀粉酶淀粉酶大多采用固体曲法生产大多采用固体曲法生产:麸皮麸皮为主要原为主要原料,米糠或豆饼的料,米糠或豆饼的碱水浸出碱水浸出液,以补充氮源液,以补充氮源;32-35;32-35培养培养36-48h,40 36-48h,40
14、烘干或风干烘干或风干,粗酶粗酶n细菌淀粉酶细菌淀粉酶则以液体深层发酵为主则以液体深层发酵为主:以麸皮、玉米粉、以麸皮、玉米粉、豆饼粉、米糠、玉米浆等为豆饼粉、米糠、玉米浆等为原料原料,补充无机,补充无机氮源氮源,此外此外还需添加少量镁盐、磷酸盐、钙盐等。还需添加少量镁盐、磷酸盐、钙盐等。3737通风搅拌通风搅拌培养培养24-28h,24-28h,离心或以硅藻土作助滤剂除去菌体及不溶离心或以硅藻土作助滤剂除去菌体及不溶物。在钙离子存在下低温真空浓缩后,加入防腐剂、物。在钙离子存在下低温真空浓缩后,加入防腐剂、稳定剂以及缓冲剂后就成为成品。这种液体的细菌稳定剂以及缓冲剂后就成为成品。这种液体的细菌
15、-淀粉酶呈暗褐色,带不愉快的臭味,淀粉酶呈暗褐色,带不愉快的臭味,在室温下放置数在室温下放置数月而不失活。月而不失活。n为制备高活性的为制备高活性的-淀粉酶,并使贮运方便,淀粉酶,并使贮运方便,可把发酵滤液用硫酸铵盐析或有机溶剂沉淀制可把发酵滤液用硫酸铵盐析或有机溶剂沉淀制成成粉状酶制剂粉状酶制剂,最好贮存在,最好贮存在2525以下,较干燥、以下,较干燥、避光的地方避光的地方n枯草杆菌枯草杆菌BF-7658是我国产量最大、用途最广的一种是我国产量最大、用途最广的一种液化型液化型-淀粉酶,其最适淀粉酶,其最适pH6.5左右,左右,最适温度最适温度65n多次物理、化学诱变后获得一株多次物理、化学诱
16、变后获得一株11-12菌株菌株,酶活力,酶活力比原菌株提高比原菌株提高50%,在马铃薯培养基中生长良好,在马铃薯培养基中生长良好n孢子斜面培养孢子斜面培养:马铃薯培养基:马铃薯培养基50mL50mL,37,72h37,72hn种子培养种子培养:标准夹套罐(:标准夹套罐(500L500L,直径,直径70cm,70cm,高高160cm)160cm),37371 1,罐压,罐压0.5-0.80.5-0.8大气压,通风量大气压,通风量0-10h0-10h,13.5m3/h;10-14h,17.5m3/h.13.5m3/h;10-14h,17.5m3/h.培养培养12-14h12-14hn大罐大罐:30
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