酶工程第三章发酵生产

第二章酶的微生物发酵生产本章主要内容：酶的生产 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ；酶生物合成的基本理论；发酵产酶的工艺条件及控制；酶发酵动力学；固定化细胞和原生质体发酵产酶．难点：酶生物合成的诱导和阻遏；发酵过程细胞生长与酶合成之间的关系。重点：酶生物合成的基本理论；微生物发酵产酶工艺。第一节酶的生产方法1894年，美籍日人高峰让吉首先从米曲霉中制备得到高峰淀粉酶（ａ-淀粉酶、他卡酶），用作消化剂，开创了近代酶的生产和应用的先例。1908年，德国的罗姆（Rohm）用动物胰脏制得胰酶，用于皮革的软化。1908年，法国的波伊定（Boidin）制备得到细菌淀粉酶，用于纺织品的退浆；1911年，华勒斯坦（Wallerstein）从木瓜中获得木瓜蛋白酶，用于啤酒的澄清。1949年，日本开始采用微生物液体深层培养方法进行细菌ａ-淀粉酶的发酵生产，揭开了现代酶制剂工业的序幕。20世纪80年代发展起来的动、植物细胞培养技术，继微生物发酵生产酶之后，已成为酶生产的又一种途径。第一节酶的生产方法一、酶的生产方法1、提取法采用各种技术，直接从动、植物细胞或组织中将酶提取出来。提取法虽简单易行，但受原材料来源的限制。2、化学合成法是20世纪60年代中期出现的新技术。只能合成那些已知化学结构的酶；成本比较高。目前仍然停留在实验室内合成的阶段。牛胃→凝乳酶胰脏→胰酶血液→凝血酶木瓜→木瓜蛋白酶3、微生物发酵法是20世纪50年代以来生产酶的主要方法。利用微生物细胞的生命活动合成所需酶的方法称为发酵法。酶的发酵生产是现在酶生产的主要方法。二、应用微生物来开发酶的优点1、微生物种类多，酶种丰富；2、微生物生长繁殖快，易提取酶，特别是胞外酶；3、微生物培养基来源广泛，价格便宜；4、可采用微电脑等新技术，控制酶发酵生产过程；5、可利用以基因工程为主的近代分子生物学技术选育菌种，增加酶的产率和开发新酶种。三、酶发酵生产的类型1、液体深层发酵：液体培养基，经灭菌、冷却后，接入产酶细胞，在一定条件下发酵。2、固体培养发酵培养基以麸皮、米糠等为主要原料，经灭菌后，接入产酶菌株，在一定条件下发酵。3、固定化细胞发酵（70年代后期发展）将细胞固定在载体上后，进行发酵生产。4、固定化原生质体发酵（80年代中期发展）原生质体是指除去了细胞壁的微生物细胞或植物细胞。第二节酶生物合成的基本理论一、酶生物合成的过程DNARNA蛋白质（新生多肽链）成熟蛋白质（酶）胞内胞外转录翻译加工分泌或定位二、酶生物合成的调节按酶生物合成的速度把细胞中合成的酶分为两类：(适应型酶、调节型酶)酶合成的基因调控类型：诱导和阻遏1、酶合成的诱导作用加进某些物质，使酶的生物合成开始或加速的现象，称为诱导作用。诱导物一般是酶催化作用的底物或其底物类似物。例：乳糖诱导ß-半乳糖苷酶的合成淀粉诱导a-淀粉酶的合成2、酶合成的阻遏（1）终产物阻遏指酶催化反应的产物或代谢途径的末端产物使该酶的生物合成受到阻遏的现象。（2）分解代谢物阻遏（营养源阻遏）是指某些物质经过分解代谢产生的物质阻遏其他酶合成的现象。葡萄糖阻遏ß-半乳糖苷酶的生物合成果糖阻遏a-淀粉酶的生物合成A1B1A2B2E×色氨酸过量时会阻遏催化色氨酸合成的相关酶第三节微生物发酵产酶工艺（重点）发酵法生产酶制剂，就是给酶的生产菌种提供适当的营养和生长环境，使生产菌大量增殖，同时合成所需要的酶，然后由发酵所得物料制成酶产品。现代酶制剂的大规模生产以深层液体发酵法为主。无论哪种发酵法，都要做三方面的工作：（1）从原料准备培养基；（2）从原始菌种准备生产菌种；（3）发酵过程管理。一、发酵产酶的一般工艺流程[原料][原始菌种][麸皮等原料]↓↓饼粕等原料淀粉质原料试管斜面培养(活化)[配制培养基]↓↓↓(灭菌)按不同原料净化、粉碎摇瓶等分级扩大培养作不同处理↓↓水解种子罐培养↓↓[淀粉糖液][发酵罐(液体发酵)][发酵池(固体发酵)]↓↓↓培养配制培养基↓(灭菌)[发酵液][成品曲]↓↓↓下游加工{液态酶制剂}↓{固体粗酶制剂}{各种精制酶制剂}酶发酵生产的一般工艺流程图保藏菌种试管斜面培养（活化）摇瓶扩大培养种子罐培养发酵罐分离纯化酶培养基无菌空气二、酶生产菌种（一）产酶菌种的要求（1）产酶量高；（2）繁殖快，发酵周期短；（3）产酶稳定性好，不易退化，不易被感染；（4）能够利用廉价原料，容易培养和管理；（5）安全性可靠，非致病菌。新开发的酶必须按规定进行下表的各项检查项目试验动物急性中毒鼠,大白鼠口服4周大白鼠12月狗致癌试验:24月两重啮齿动物畸胚组织发生试验(24月)两重啮齿动物生产病原性试验四种动物皮肤刺激性试验(肤,眼)兔子,人抗原性人（二）、常用的产酶微生物1、细菌大肠杆菌谷氨酸脱羧酶、天冬氨酸酶、青霉素酰化酶、天冬酰胺酶、β-半乳糖苷酶、限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、核酸外切酶等。枯草杆菌α-淀粉酶、蛋白酶、β-葡聚糖酶、5‘-核苷酸酶、碱性磷酸酶。2、放线菌链霉菌：葡萄糖异构酶、青霉素酰化酶、纤维素酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶、几丁质酶等。3、霉菌黑曲霉：糖化酶、α-淀粉酶、酸性蛋白酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶、核糖核酸酶、橙皮苷酶等。米曲霉：氨基酰化酶、磷酸二酯酶、果胶酶等。红曲霉：α-淀粉酶、糖化酶、麦芽糖酶、蛋白酶等。青霉：葡萄糖氧化酶、苯氧甲基青霉素酰化酶、纤维素酶等。木霉：纤维素酶。根霉：糖化酶、蔗糖酶、碱性蛋白酶，脂肪酶、果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶等。毛霉：蛋白酶、糖化酶、α-淀粉酶、脂肪酶、果胶酶、凝乳酶等。4、酵母啤酒酵母：丙酮酸脱羧酶、醇脱氢酶等。假丝酵母：脂肪酶、尿酸酶、尿囊酸酶、转化酶、醇脱氢酶等。工业规模应用的微生物酶和它们的某些来源酶产酶微生物用途α-淀粉酶枯草芽胞杆菌地衣芽胞杆菌米曲霉淀粉液化，织物退浆，消化助剂，加酶洗涤剂葡萄糖淀粉酶米曲霉，黑曲霉，米根霉制造葡萄糖，发酵、酿酒等工业的淀粉水解糖中性蛋白酶枯草芽胞杆菌，米曲霉皮革、毛皮加工，食品加工，调味品制造、助消化、消炎、啤酒澄清碱性蛋白酶地衣芽胞杆菌加酶洗涤剂植酸酶黑曲霉，毕赤酵母工程菌株饲料添加剂工业规模应用的微生物酶和它们的某些来源纤维素酶里氏木霉、黑曲霉水洗布生产，饲料添加剂，消化植物细胞壁半纤维素酶木霉、曲霉、根霉饲料添加剂，消化植物细胞壁，低聚木糖生产β-葡聚糖酶枯草芽胞杆菌，黑曲霉，Penicilliumemersonii啤酒酿造，饲料添加剂异淀粉酶产气克雷伯氏菌，芽孢杆菌淀粉加工乳糖酶乳酸酵母，米曲霉，黑曲霉，米根霉乳品工业（处理牛乳和乳清）果胶酶曲霉、欧文氏菌水果加工，果汁、果酒澄清，麻类纤维脱胶工业规模应用的微生物酶和它们的某些来源转化酶啤酒酵母、假丝酵母制造转化糖凝乳酶米赫毛霉,大肠杆菌和真菌生产的重组酶制造乳酪脂肪酶曲霉、根霉、酵母等加酶洗涤剂，油脂加工，生物化工葡萄糖氧化酶青霉、曲霉食品去氧、除葡萄糖，测定葡萄糖葡萄糖异构酶凝结芽胞杆菌，白色链霉菌生产果葡糖浆青霉素酰化酶细菌、霉菌、放线菌制造6-氨基青霉烷酸（三）生产菌种的来源1、买，专利向菌种保藏机构索取有关的菌株，从中筛选所需菌株。中国工业微生物菌种保藏中心（CICC）；中国典型培养物保藏中心（CCTCC，又称武大保藏中心）。中国农业微生物菌种保藏中心（ACCC）；中国普通微生物菌种保藏管理中心（CGMCC）美国典型微生物菌种保藏中心（ATCC）荷兰微生物菌种保藏中心（CBS）德国微生物菌种保藏中心（DSMZ）英国国家典型菌种保藏所（NCTC）（1）样品的采集：主要是各种富含所需微生物的土壤、水、气、枯枝烂叶、烂水果等；产酶菌种筛选步骤：2、筛选由自然界采集样品，如土壤、水、动植物体等，从中进行分离筛选。（2）初筛：分离产目的酶的菌株；给予特殊的培养基或培养条件，进而让目的菌株得以繁殖，尽可能地把只成为目的菌的菌株分离出来。-淀粉酶的筛选蛋白酶的筛选（3）复筛：从所得菌株中筛选优良株；在初筛的基础上，筛选产酶量高、性能更符合生产要求的菌种。诱变育种细胞杂交原生质体融合育种基因工程育种（4）高产菌株的选育。（四）产酶菌种的保存保藏方法:斜面保藏法,沙土保藏法,真空冷冻干燥保藏法.低温保藏法,石蜡油保藏法等.（五）生产种子的制备生产种子：由原始保藏菌种，经过活化，扩大培养，用于发酵罐接种的大量菌体。1、种子制备工艺过程（1）菌种活化目的：保藏的菌种在用于发酵生产之前，必须接种于新鲜的斜面培养基上，在一定的条件下培养，以恢复细胞的生命活动能力。方法：在试管斜面上培养1-3代。（2）扩大培养目的：活化后的菌种经过一级至数级的扩大培养，以获得足够数量的优质细胞。培养基称为种子培养基。方法：分为实验室培养和车间培养两个阶段。扩大培养应注意的事项：（1）尽量减少传代次数，以降低菌种衰退和污染的可能性；（2）培养基成分一般应比发酵培养基的氮源丰富；（3）培养时间一般控制在微生物生长的对数生长期，及时接入下一级培养或发酵罐；（4）严格控制培养条件（pH、温度、通气量等），加强培养过程的实时监测。三、培养基1、碳源：提供碳元素；能源。碳源、氮源、无机盐、生长因素、水等。来源：淀粉及其水解物—淀粉水解糖、糖蜜、或含淀粉的原料如大米、薯类、玉米、麸皮、米糠等。此外石油产品中12碳—16碳的碳氢化合物已成功用作微生物培养基的碳源。注意：在选择碳源时，应尽量选择对所需酶有诱导作用的碳源，而不使用或少使用有分解代谢物阻遏作用的碳源。培养基是人工配制的供微生物生长、繁殖及合成酶的营养物质的混合物。2、氮源：提供氮元素。来源：①有机氮：常利用农副产品的籽实榨油后的副产品，如豆饼、花生饼、菜子饼等；②无机氮：含氮的无机化合物，如（NH4）2SO4、NH4NO3、NaNO3和（NH4）3PO4等。3、无机盐：大量元素和微量元素。基本功能：构成细胞的成分；构成酶产品的组分；作为酶的激活剂。4、生长因子指微生物生长繁殖所必不可缺的微量有机物，主要包括各种氨基酸、嘌呤或嘧啶、维生素等三类物质。酶制剂中所用的生长因子，大多是由天然原料提供，如玉米浆、麦芽汁、豆芽汁、麸皮、米糠、酵母膏等。5、水配制培养基的注意事项：（1）培养基的碳氮比是培养基成分配比的重点；（2）碳源和氮源的选择，要注意避免碳分解代谢阻遏和氮分解代谢阻遏；（3）培养基中无机盐的选择要注意盐类引起的生理酸碱性反应；（4）发酵生产所用的培养基成分配比不可轻易改变。微生物发酵产酶培养基举例1、枯草杆菌BF7658ａ-淀粉酶发酵培养基：玉米粉8%豆饼粉4%磷酸氢二钠0.8%硫酸铵0.4%氯化钙0.2%氯化铵0.15%自然pH2、黑曲霉糖化酶发酵培养基玉米粉10%豆饼4%麸皮1%pH4.4~5.0（二）培养基的种类1、斜面培养基：是供菌种生长繁殖使用的。2、种子培养基：是供菌种生长繁殖使用的。3、发酵培养：是供菌种生长繁殖和发酵产物合成之用。四、发酵条件的控制—影响产酶的几个重要条件1、温度的调节控制（2）有些微生物生长最适温度与发酵产酶的最适温度有所不同。例：酱油曲霉生产蛋白酶，28℃时蛋白酶产量比在40℃条件下高2~4倍，在20℃条件下发酵，则蛋白酶产量更高，但细胞生长速率较慢。为此，在有些酶的发酵生产过程中，要在不同的发酵阶段控制不同的温度，即在微生物生长阶段控制在生长的最适温度范围，而在产酶阶段控制在产酶最适温度范围。（1）不同的微生物有不同的最适生长温度。（3）温度的控制方法一般采用热水升温，冷水降温。因此，在发酵罐中均设有足够传热面积的热交换装置，如排管、蛇管，夹套、喷淋管等。2、pH值的调节控制（1）不同微生物，其生长繁殖的最适pH值有所不同。（2）微生物生长的最适pH值与产酶最适pH值往往不同。（3）有些微生物可以同时产生若干种酶，在生产过程中，通过控制培养基的pH，往往可以改变各种酶之间的产量比例。黑曲霉α-淀粉酶糖化酶pH值中性↑↓pH值偏酸性↓↑（4）影响pH值的因素一般来说，培养基成分中C/N比高，发酵液倾向于酸性，pH低；C/N比低，发酵液倾向于碱性，pH高。不同盐的利用对pH也会产生影响。（5）生产中控制pH值的方法②添加缓冲液维持一定的pH值（如磷酸盐）；①调节培养基的原始pH，保持一定的C/N比；③发酵液中pH过高，加糖或淀粉来调节。反之，加尿素或液氨；pH值还与通气量有关。④通过调节通气量来实现；加酸、碱。3、溶解氧的调节控制溶解氧指溶解在培养基中的氧。微生物一般只能利用溶解氧。调节溶氧速率的方法（1）调节通气量；（2）调节氧的分压；（3）调节气液接触时间；（4）调节气液接触面积；（5）改变培养液性质。5、湿度的调节控制用固体培养基生产酶制剂时，一般前期湿度低些，培养后期湿度大些，有利于产酶。4、泡沫形成：通气搅拌、培养基中某些成分的变化、代谢产生的气体。危害：阻碍CO2的排除，影响氧的溶解；引起染菌。消泡方法：机械消泡、化学消泡。五、提高酶产量的措施（一）添加诱导物诱导酶的发酵生产，添加酶合成的诱导物，可以显著提高酶产量。1、不同的酶有各自不同的诱导物；但有时一种诱导物可诱导生成同一酶系的若干种酶；同一种酶往往有多种诱导物。3、诱导物的浓度：必须控制在适当浓度。2、诱导物的分类（1）酶作用的底物；（2）酶作用底物的类似物；（3）酶的反应产物；（4）底物和底物类似物的前体物。（二）控制阻遏物的浓度1、解除终产物阻遏的方法降低培养基中酶作用产物的浓度；添加终产物的类似物。2、解除分解代谢产物阻遏的方法控制培养基中葡萄糖等容易利用的碳源浓度，可采用其他较难利用的碳源（如淀粉等），或采用补料，分次流加碳源等方法，以控制碳源浓度在较低的水平，以利于酶产量的提高；添加一定量的环腺苷酸（cAMP），可以解除分解代谢物阻遏作用。P39（三）通过基因突变提高酶产量使诱导型变成组成型；使阻遏型变成去阻遏型。（四）其他提高酶产量的方法1、添加细胞渗漏增强物：如吐温（Tween）、催通（Triton）等。在培养基中添加1%的吐温（Tween），可使纤维素酶的产量提高10~20倍。2、其他产酶促进剂植酸钙：霉菌蛋白酶或橘青磷酸二酯酶1~20倍聚乙烯醇衍生物：可防止霉菌菌丝结球，提高糖化酶产量聚乙烯醇、醋酸钠等：纤维素酶这些物质的实际效果明显，但作用机制还需深入探讨。第四节酶发酵动力学研究发酵过程中细胞生长速度,产物生成速度及环境因素对这些速度的影响。酶发酵动力学研究意义:了解酶生物合成模式；发酵工艺条件优化控制；提高酶产量。本节主要内容:一、酶生物合成的模式二、细胞生长动力学三、产酶动力学一、微生物生长曲线（Microbialgrowthcurve）调整期对数生长期平衡期衰亡期时间细胞数量的对数二、酶的生物合成模式酶的生物合成模式可发分为4种类型：（1）同步合成型（2）中期合成型（3）延续合成型（4）滞后合成型1、同步合成型酶的生物合成与细胞生长同步进行，又称生长偶联型。特点：（1）发酵开始，细胞生长，酶也开始合成，说明不受分解代谢物和终产物阻遏。（2）生长至平衡期后，酶浓度不再增长，说明mRNA很不稳定。2、中期合成型酶的合成在细胞生长一段时间以后才开始，而进入细胞平衡期后，酶的合成也终止。特点：（1）该类酶的合成受分解代谢物阻遏。（2）该酶对应的mRNA不稳定。3、延续合成型酶的合成伴随着细胞生长而开始，但在细胞进入平衡期后，酶还可以延续合成较长的一段时间。特点：（1）该类酶不受分解代谢产物阻遏和终产物阻遏。（2）该酶对应的mRNA是相当稳定的。4、滞后合成型只有当细胞生长进入平衡期后，酶才开始合成。又称非生长偶联型。特点：（1）该类酶受分解代谢物阻遏作用的影响，阻遏解除后，酶才大量合成。（2）该酶对应的mRNA稳定性高。时间(h)图3-1酶生物合成模式A.同步合成型;B.中期合成型;C.延续合成型;D.滞后合成型浓度小结：影响酶生物合成模式的主要因素：培养基中阻遏物的存在和mRNA的稳定性。（1）不受培养基中某种物质阻遏时，可随着细胞生长而开始合成；受阻遏的酶，要在细胞生长一段时间或进入平衡期后，解除阻遏，酶才开始合成。（2）mRNA稳定性高的，可在细胞停止生长后继续合成其对应的酶；稳定性差的，随着细胞生长停止而终止酶的合成。选择：在酶的工业生产中，为了提高酶产率和缩短发酵周期，最理想的合成模式是延续合成型。改造非理想模式：在细胞选育上下功夫，并适当调节工艺条件：（1）同步合成型：适当降低发酵温度，尽量提高酶所对应的mRNA的稳定性。（2）中期合成型：要从解除阻遏和提高mRNA的稳定性两方面进行努力。（3）滞后合成型在发酵过程中要尽量减少甚至解除分解代谢物阻遏，使酶的合成提早开始。选择与改造三、细胞生长动力学细胞生长动力学主要研究细胞生长速度及外界因素对其影响的规律。在发酵过程优化及发酵过程控制等方面具有重要的应用价值。Monod认为，在培养过程中，细胞生长速率与细胞浓度成正比：Rx—生长速率，单位时间内细胞浓度的增加值，mg/mL.min，g/L.hX—细胞浓度，mg/mL，g/Lμ—比生长速率，生长速率与细胞浓度之比（单位细胞在单位时间内浓度增加值），h-1若培养基中只有一种限制性基质时，μ为此限制性基质浓度的函数：微生物生长动力学模型（后人称Monod方程）：μ=μmax·SKs+SS—限制性基质浓度，mol/L，g/Lμmax—最大比生长速率，限制性基质浓度过量时的比生长速率Ks—Monod常数，μ=1/2μmax时，Ks=S限制性基质：指对发酵起决定性作用的基质成分，通常是碳源物质。只考虑限制性基质，可简化数学 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。Monod方程是基本的细胞生长动力学方程;从不同情况出发对其进行修饰.连续全混流反应器发酵过程中,稳态时游离细胞连续发酵的生长动力学方程:D=0时,分批发酵;D<μ时,细胞浓度增加;D=μ时,细胞浓度恒定;D>μ时，细胞浓度下降,S升高,μ回升;D>μmax时，X趋于零;μ=D是连续发酵反应器稳定运行的必要条件。四、产酶动力学宏观酶合成速度方程：1、生长偶联型：包括同步合成型和中间合成型。α为比例常数，命名为生长偶联的比产酶系数。对于中间合成型来说，生长初期，α=0，无酶合成，即是受阻遏阶段。2、非生长偶联型：滞后合成型β为比例常数，命名为非生长偶联的比产酶速率。3、部分生长偶联型：延续合成型=αμX+βX=（αμ+β）X