鄒東恢，郭建華

（齊齊哈爾大學食品與生物工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006）

酶制劑的特點、設備選型與新發(fā)展

鄒東恢，郭建華

（齊齊哈爾大學食品與生物工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006）

近幾年，隨著酶制劑加工業(yè)的發(fā)展，酶制劑加工設備也獲得了顯著的提高，酶制劑加工設備向著大型化、自動化發(fā)展，新型酶制劑加工設備得以涌現(xiàn)和發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的變化。論述我國酶制劑特點及加工設備選型，并對其未來發(fā)展趨勢進行了展望。

酶制劑；特點；設備選型；新發(fā)展

全國酶制劑生產企業(yè)有100多家，2014年我國酶制劑總產量達1.17×106t，年產量增長保持在10%左右[1-2]。品種繁多，在國民經濟發(fā)展中起到重要作用，為其應用行業(yè)生產帶來了巨大的經濟效益。如谷氨酸發(fā)酵原料采用雙酶法糖化代替酸法糖化，糖化得率提高10%。檸檬酸發(fā)酵使用高溫淀粉酶液化后，轉化率比原來提高了4.3%。酒精工業(yè)使用高溫淀粉酶和糖化酶代替曲法生產后，酒精產率大幅度提高。啤酒生產中采用外加酶制劑后，出酒率提高了2%以上。

工業(yè)上酶的生產方法可分為提取分離法、生物合成法和化學合成法等3種。提取分離法是最早采用而延用至今的，生物合成法是20世紀50年代以來酶生產的主要方法，化學合成法技術僅停留在實驗階段，未能工業(yè)化生產。

盡管全球的工業(yè)酶制劑市場仍然被丹麥諾維信、美國杜邦和荷蘭帝斯曼等公司壟斷，我國酶制劑市場份額在全球所占比重較小，但隨著我國一些新建酶制劑項目相繼建成投產，我國酶制劑的產能和競爭力有望得到進一步提升。

1 酶制劑的特性

酶的工業(yè)化制劑稱為酶制劑。根據國際生物化學聯(lián)合委員會針對酶的分類，可以把酶分成六大類，即氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂合酶類、異構酶類、合成酶類。

目前在工業(yè)生產中應用的酶有幾十種，工業(yè)中應用的酶多數為水解酶類，如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶、核糖核酸酶及纖維素酶等[3]，酶的主要特性如下。

1.1 酶的化學特性

酶是一種生物催化劑，生物體內各種生化反應幾乎都是在酶的催化作用下進行的。由于酶是由生物體產生的具有活性的蛋白質，所以它可高效，專一地催化特定的化學反應，并具有反應條件溫和、反應產物容易純化等優(yōu)點。酶反應耗能低、污染小、操作簡單、易控制。

1.2 酶的催化特性

酶反應具有專一性，一種酶僅能作用于某一種物質或一類結構相似的物質，并催化某種類型的反應；酶催化的高效性、酶催化反應比非酶反應快，酶催化反應具有廣泛性，酶催化反應范圍很寬，比化學催化劑能催化的反應多得多，同時，酶的催化反應大都在條件溫和的pH值、溫度條件下進行，強酸、強堿、高溫等能致使蛋白質變性的因素都可使酶失去催化活性。

2 酶制劑加工設備與選型

酶的生物合成法生產是目前工業(yè)化生產酶制劑的主要方法，利用微生物的生命活動獲得所需的酶的技術過程，又稱為酶的發(fā)酵生產。因為微生物的研究歷史較長，而且微生物具有種類多，易培養(yǎng)，代謝能力強等特點；用于酶的生產原料來源主要有植物細胞、動物細胞、微生物細胞；微生物發(fā)酵法生產酶制劑主要設備有粉碎設備、發(fā)酵設備、細胞破碎設備、分離設備、干燥設備等，下面以微生物發(fā)酵法生產酶制劑為例介紹主要設備的選用。

2.1 原料粉碎設備選用

酶制劑生產中物料的粉碎，多采用錘式粉碎和輥式粉碎機，錘式粉碎機是應用范圍較廣泛的一種粉碎機械，在化工、食品、糧食、建材等很多領域都有所應用，在發(fā)酵工業(yè)中原料的中碎與細碎作業(yè)大量采用這種粉碎機。

常見的錘片式粉碎機的規(guī)格參數見表1。

表1 常見的錘片式粉碎機的規(guī)格參數Table 1 Common hammer type crusher specification parameters

2.2 發(fā)酵設備選用

酶制劑生產可采用固體發(fā)酵設備或液體發(fā)酵設備，發(fā)酵設備容積可根據生產規(guī)模相應選取。

根據酶催化劑類型的不同，酶反應器可分為游離酶反應器和固定化酶反應器。酶反應器有多種，根據幾何形狀或結構來劃分，大致可分為罐型、管型和膜型3類。每一類又有多種類型，并且有些反應器可互相組合成具有不同性能的酶反應器系統(tǒng)。罐型反應器內一般裝配有攪拌裝置，也稱“攪拌罐”或發(fā)酵罐，管型反應器和膜型反應器一般用于連續(xù)操作，相對直徑較大、縱向較短的管型反應器也稱為塔式反應器[4]。

工業(yè)上應用的大多數酶，都是價廉且不純的催化大分子化合物水解的酶類。雖然在經濟上和技術上酶能被固定化，但目前大多應用游離酶，這是因為這些水解酶類的底物多數是帶有黏性（如淀粉）或不溶于水的顆粒，難以用固定化酶反應器進行處理，所以游離酶反應器目前在工業(yè)生產上還占有極其重要的位置。

2.2.1 攪拌罐式酶反應器選用

圖1 攪拌罐式酶反應器結構圖Fig.1 Mixing tank enzyme reactor structure

攪拌罐式反應器是傳統(tǒng)形式的反應器，是目前較常使用的反應器。攪拌罐式反應器的結構如圖1所示，反應器外形為圓柱形，為承受消毒時的蒸汽壓力，蓋和底封頭為橢圓形，中心軸向位置上裝有攪拌器。

攪拌罐式反應器的基本結構包括：筒體，攪拌裝置，換熱裝置，擋板（通常為4塊），消泡裝置，電動機與變速裝置，空氣分散裝置，在殼體的適當部位設置溶氧電極、pH電極、CO2電極、熱電偶、壓力表等檢測裝置，備有排氣、取樣、放料和接種口以及酸、堿管道接口和人孔、視鏡等部件。

攪拌罐式反應器又有分批式和半分批式之分。分批式是先將酶和底物一次性裝入反應器，在適當溫度下開始反應，反應達一定時間后，將全部反應物取出。而半分批式是將底物緩慢地加入反應器中進行反應，到一定時間后，將全部反應物取出。當反應出現(xiàn)底物抑制時，需采用半分批式操作。此類反應器不能進行酶的回收使用，一般在反應結束后通過加熱或其他方法使酶變性除去。反應器結構簡單，不需特殊設備，適于小規(guī)模生產，發(fā)酵工業(yè)通常應用這種形式的反應器[5]。

2.2.2 噴射式酶反應器選用

噴射式酶反應器是利用高壓蒸汽的噴射作用，實現(xiàn)酶與底物的混合，是進行高溫短時催化反應的一種反應器。噴射式酶反應器如圖2所示。

圖2 噴射式酶反應器Fig.2 Jet enzyme reactor

噴射式反應器結構簡單，體積小，混合均勻，由于溫度高，催化反應速度快，催化效率高，故可在短時間內完成催化反應。

盡管噴射式反應器適用于游離酶的連續(xù)催化反應，但其只適用于某些耐高溫酶的反應。噴射式反應器目前已在耐高溫淀粉酶的淀粉液化反應中廣泛應用。如生產α-淀粉酶，采用枯草桿菌發(fā)酵，種子培養(yǎng)在37 ℃，攪拌轉速 300 r/min，通氣量 1∶1.3～1.4（體積比）的條件下培養(yǎng)12 h～14 h，然后接種入發(fā)酵罐，采用機械通風發(fā)酵罐，發(fā)酵溫度37℃，攪拌器轉速200 r/min，通氣量 0～12 h ，1∶0.67（體積比），周期 40 h～48 h，中間采用補料發(fā)酵方法[6-7]。

2.2.3 超濾膜酶反應器選用

超濾酶膜反應器（UFEMR）是當今人們研究的焦點，在工業(yè)中得到了大規(guī)模的應用。絕大多數商品超濾膜是不對稱的，孔徑沿一個方向連續(xù)變化。超濾膜（UF）的孔徑尺寸為1 nm～100 nm，可截留的相對分子質量范圍為500～10 000，它對游離酶和固定化酶（相對分子質量10 000～100 000）都有較高的截流能力。因此，膜表面是一超薄層，位于一較多孔的次層上，這種結構使膜不易堵塞，有較高的流動透過率，容易清洗。膜材通常是合成聚合物和一些陶瓷材料。與聚合膜相比，陶瓷膜更耐熱，更耐化學腐蝕，機械抗壓性強。對具體的酶反應，選用膜材時要考慮其對酶穩(wěn)定性的影響，以膜的形態(tài)、多孔結構、孔徑分布，截留相對分子質量、抗化學腐蝕、耐熱、耐pH值、耐壓和價格等參數為依據，進行多次試驗。

2.3 細胞破碎設備選用

細胞破碎方法較多，可用機械法、物理法、化學法等。高壓勻漿法是大規(guī)模細胞破碎的常用方法，所用設備是高壓勻漿器，它由高壓泵和勻漿閥組成。

高壓勻漿法是利用高壓使細胞懸浮液通過針形閥，由于突然減壓和高速沖擊撞擊致使細胞破裂，高壓室的壓力高達幾十個兆帕，細胞懸浮液自高壓室針形閥噴出時，每秒速度可達幾百米，常用的料液均質壓力為25 MPa～40 MPa，高速噴出的漿液又射到撞擊環(huán)上，改變流動方向，細胞在這一系列高速運動過程中經歷了剪切，碰撞及由高壓到常壓的變化，從而造成細胞破碎[8]。

表2列出高壓均質機主要技術參數，可參考。

表2 RJGY01型系列高壓均質機主要技術參數Table 2 RJGY01 Type series high pressure homogenizer main technical parameters

2.4 分離設備選用

酶制劑的分離通?？刹捎眠^濾、離心分離及膜分離等形式，其中離心分離操作簡便，常為采用。根據離心機最大轉速的差異可分為常速離心機、高速離心機和超速離心機。在酶制劑生產中，前兩種使用較多，常速離心機最大轉速8 000 r/min以內，相對離心力在1×104×g以下，可用于細胞、細胞碎片等固形物分離，也可用于酶的結晶物等較大顆粒的分離；高速離心機最大轉速（2.5～12）×104r/min，相對離心力可達 5×105×g[9-11]。在酶制劑分離中主要用于沉淀物、細胞碎片和細胞器的分離，為防止分離中溫度升高，酶失活，可采用冷凍裝置，稱為高速冷凍離心機。常見碟片分離機的型號和技術規(guī)格見表3。

2.5 干燥設備選用

分離后酶制劑可制成液體酶和固體酶制劑。制備粉劑酶制劑可在低溫下濃縮干燥，但收率較低為70%左右，若采用直接噴霧干燥，收率可達95%以上，但排出廢氣含有氣味，對環(huán)境有影響。

酶制劑生產的離心噴霧干燥，將含有8%～10%的固形物發(fā)酵液進入干燥塔前先用塔頂上的小罐加溫至50℃再進塔，小罐內液面控制一定，以保持進料均勻，加熱后的發(fā)酵液由罐底的管路流入高速旋轉的離心噴霧盤，轉速為3 000 r/min～7 000 r/min。液體通過6個噴咀甩成霧狀，與從頂部進風口以旋轉方式進入的熱空氣進行充分接觸（熱空氣）溫度淀粉酶干燥為150℃，蛋白酶為140℃，使物料干燥后借自身重力落下，通過放料閘門定期卸料（間歇卸料）。連續(xù)卸料主要是利用氣力輸送進行的，以干燥室排出的成品連續(xù)進入振動供料器，通過旋轉閥或是采用渦流氣封閥進行連續(xù)卸料[12-13]。見表4，離心噴霧干燥器的性能參數，供參考。

氣流干燥設備簡單，操作方便，但用于酶制劑干燥時，酶活力損失較大。為減少酶變性失活，提高干燥質量，主要控制好氣流溫度，溫度不能太高，同時要經常翻動酶制劑，使干燥均勻。

表3 碟片分離機的型號和技術規(guī)格Table 3 The disc separator's type and technical specifications

表4 離心噴霧干燥器的性能參數Table 4 The performance parameters of the centrifugal spray dryer

3 酶制劑加工設備新發(fā)展

由于中國酶制劑產業(yè)起步晚，受到國外同行業(yè)企業(yè)競爭的較大壓力。從世界范圍來看，我國酶制劑企業(yè)技術裝備、規(guī)模與國外同行有較大差距。雖然在提取工藝和裝備上進行了一定改進，但總體來說提取手段及裝備還是較為落后，需要在科研投入、產品結構、企業(yè)規(guī)模等方面進行改造，未來行業(yè)發(fā)展將出現(xiàn)以下幾個方面的變化趨勢。

3.1 改善工藝技術，裝備水平

中國酶制劑產業(yè)的各項生產技術、裝備水平與國外相比存在一定的差距，今后應注重以基因工程、蛋白質工程為主的高科技成果在酶制劑生產領域中產業(yè)化開發(fā)，加強自主創(chuàng)新裝備的開發(fā)與應用。

3.2 增加科研投入，不斷開發(fā)新品種

酶制劑應用前景廣闊，目前國際上生產的60多種酶種，國內真正能夠產業(yè)化生產的只有幾個品種，而且劑型單一[14]。因此，改變國內酶制劑企業(yè)產品品種較少的局面，加強高端酶制劑產品的開發(fā)是酶制劑企業(yè)的發(fā)展方向。

3.3 調整產業(yè)結構，促使企業(yè)向規(guī)模化、品牌化發(fā)展

自主創(chuàng)新的酶制劑應用技術落后，成為中國國產酶制劑市場進一步擴大的主要限制性因素。企業(yè)應加大技改力度，降低生產成本，提高產品質量，促使酶制劑產業(yè)未來發(fā)展通過兼并整合逐漸走上集約化、規(guī)?；洜I發(fā)展之路，以期在世界酶制劑市場上占有一席之地。

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Characteristics and Equipment Type Selection of Enzyme and Its New Development

ZOU Dong-hui，GUO Jian-hua
（College of Food and Bio-engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，Heilongjiang，China）

In the last few years，with the developing of enzyme process industry，enzyme process equipment have significantly increased and enzyme process equipment trends large-scal，automation development，new type enzyme process equipment have emergence and development，some new changes have taken place.In this paper，it discussed enzyme characteristics,equipment type selection and provide a useful guidance for future studies to enzyme process equipment development.

enzyme；characteristics；equipment type selection；new development

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.17.047

2016-12-13

鄒東恢（1967—），男（漢），副教授，碩士，研究方向：酶制劑工程與技術。