酶工程第三章发酵生产.ppt

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1、武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室第二章第二章 酶的微生物发酵生产酶的微生物发酵生产本章主要内容：本章主要内容：l酶的生产方法；酶的生产方法；l酶生物合成的基本理论；酶生物合成的基本理论；l发酵产酶的工艺条件及控制；发酵产酶的工艺条件及控制；l酶发酵动力学；酶发酵动力学；l固定化细胞和原生质体发酵产酶固定化细胞和原生质体发酵产酶难点：难点：酶生物合成的诱导和阻遏；酶生物合成的诱导和阻遏；发酵过程细胞生长与酶合成之发酵过程细胞生长与酶合成之间的关系。间的关系。重点：重点：酶生物合成的基本理论；酶生物合成的基本理论；微生物发酵产酶工艺微生物发酵产酶工艺。武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室第

2、一节第一节 酶的生产方法酶的生产方法l 1894年，美籍日人高峰让吉首先从米曲霉中制备年，美籍日人高峰让吉首先从米曲霉中制备得到高峰淀粉酶（得到高峰淀粉酶（-淀粉酶、他卡酶），用作消化淀粉酶、他卡酶），用作消化剂，开创了近代酶的生产和应用的先例。剂，开创了近代酶的生产和应用的先例。l1908年，德国的罗姆（年，德国的罗姆（Rohm）用动物胰脏制得胰）用动物胰脏制得胰酶，用于皮革的软化。酶，用于皮革的软化。l1908年，法国的波伊定（年，法国的波伊定（Boidin）制备得到细菌）制备得到细菌淀粉酶，用于纺织品的退浆；淀粉酶，用于纺织品的退浆；l1911年，华勒斯坦（年，华勒斯坦（Wallerst

3、ein）从木瓜中获得）从木瓜中获得木瓜蛋白酶，用于啤酒的澄清。木瓜蛋白酶，用于啤酒的澄清。武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室l 1949年，日本开始采用微生物液体深层培养方法年，日本开始采用微生物液体深层培养方法进行细菌进行细菌-淀粉酶的发酵生产，揭开了现代酶制剂淀粉酶的发酵生产，揭开了现代酶制剂工业的序幕。工业的序幕。l 20世纪世纪80年代发展起来的动、植物细胞培养技术，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继微生物发酵生产酶之后，已成为酶生产的又一种途径。径。武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室第一节第一节 酶的生产方法酶的生产方法一、酶

4、的生产方法一、酶的生产方法1 1、提取法、提取法 采用各种技术，直接从动、植物细胞或组织中将采用各种技术，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，但受原材料来源的酶提取出来。提取法虽简单易行，但受原材料来源的限制。限制。2 2、化学合成法、化学合成法 是是20世纪世纪60年代中期出现的新技术。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。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。目前仍然停留在实验室内合成的阶段。牛胃牛胃凝乳酶凝乳酶胰脏胰脏胰酶胰酶血液血液凝血酶凝血酶木瓜木瓜木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶武汉生物工程学院生物工程系酶工

5、程教研室3 3、微生物发酵法、微生物发酵法 是是20世纪世纪50年代以来生产酶的主要方法。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。为发酵法。酶的发酵生产是现在酶生产的主要方法。酶的发酵生产是现在酶生产的主要方法。武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室二、应用微生物来开发酶的优点二、应用微生物来开发酶的优点1、微生物种类多，酶种丰富；、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；、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；、微生物培养基来源广泛，价格便宜；

6、4、可采用微电脑等新技术，控制酶发酵生产过程；、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、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。育菌种，增加酶的产率和开发新酶种。武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室三、酶发酵生产的类型三、酶发酵生产的类型1 1、液体深层发酵：、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 2、固体培养发酵、固

7、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 3、固定化细胞发酵（、固定化细胞发酵（7070年代后期发展）年代后期发展）将细胞固定在载体上后，进行发酵生产。4 4、固定化原生质体发酵（、固定化原生质体发酵（8080年代中期发展）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。武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室第二节第二节 酶生物合成的基本理论酶生物合成的基本理论一、酶生物合成的过程一、酶生物合成的过程DNADNARNARNA蛋白质（新生多肽链）蛋白质（新生多肽链）成熟蛋白质（酶）成熟蛋白质（酶）胞内胞内胞外胞外转录翻译加工分泌或定位

8、武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室二、酶生物合成的调节二、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：按酶生物合成的速度把细胞中合成的酶分为两类：组成酶组成酶恒定（速度、浓度）恒定（速度、浓度）诱导酶诱导酶在外界环境因素诱导下合成速在外界环境因素诱导下合成速度急增，酶浓度成百上千倍增度急增，酶浓度成百上千倍增加加(适应型酶、调节型酶)武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室酶合成的基因调控类型：酶合成的基因调控类型：诱导诱导和和阻遏阻遏1 1、酶合成的诱导作用、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，称为加进某些物质，使酶的生物合成开始或加速的现象，

9、称为诱导作用。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。诱导物一般是酶催化作用的底物或其底物类似物。例：乳糖诱导例：乳糖诱导-半乳糖苷酶的合成半乳糖苷酶的合成 淀粉诱导淀粉诱导a-a-淀粉酶的合成淀粉酶的合成武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室第三节第三节 微生物发酵产酶工艺微生物发酵产酶工艺（重点）（重点）发酵法生产酶制剂，就是给酶的生产菌种发酵法生产酶制剂，就是给酶的生产菌种提供适当的营养提供适当的营养和生长环境和生长环境，使生产菌，使生产菌大量增殖大量增殖，同时

10、，同时合成所需要的酶合成所需要的酶，然后，然后由发酵所得物料制成酶产品。由发酵所得物料制成酶产品。现代酶制剂的大规模生产以现代酶制剂的大规模生产以深层液体发酵法深层液体发酵法为主。为主。无论哪种发酵法，都要做三方面的工作：无论哪种发酵法，都要做三方面的工作：（1 1）从原料准备培养基；）从原料准备培养基；（2 2）从原始菌种准备生产菌种；）从原始菌种准备生产菌种；（3 3）发酵过程管理。）发酵过程管理。一、发酵产酶的一般工艺流程一、发酵产酶的一般工艺流程武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室 原原 料料 原始菌种原始菌种 麸皮等原料麸皮等原料 饼粕等原料饼粕等原料 淀粉质原料淀粉质原料 试管斜

11、面培养试管斜面培养(活化)配制培养基配制培养基 (灭菌灭菌)按不同原料按不同原料 净化、粉碎净化、粉碎 摇瓶等分级扩大培养摇瓶等分级扩大培养作不同处理作不同处理 水解水解 种子罐培养种子罐培养 淀粉糖液淀粉糖液 发酵罐发酵罐(液体发酵液体发酵)发酵池发酵池(固体发酵固体发酵)培养 配制培养基配制培养基 (灭菌灭菌)发酵液发酵液 成品曲成品曲 下游加工 液态酶制剂液态酶制剂 固体粗酶制剂固体粗酶制剂 各种精制酶制剂各种精制酶制剂 酶发酵生产的一般工艺流程图酶发酵生产的一般工艺流程图武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室保藏菌种保藏菌种 试管斜面培养（活化）试管斜面培养（活化）摇瓶扩大培养摇瓶扩大

12、培养种子罐培养种子罐培养发酵罐发酵罐分离纯化分离纯化酶酶培养基培养基无菌空气无菌空气武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室 二、酶生产菌种二、酶生产菌种（一）产酶菌种的要求（一）产酶菌种的要求（1 1）产酶量高；）产酶量高；（2 2）繁殖快，发酵周期短；）繁殖快，发酵周期短；（3 3）产酶稳定性好，不易退化，不易被感染；）产酶稳定性好，不易退化，不易被感染；（4 4）能够利用廉价原料，容易培养和管理；）能够利用廉价原料，容易培养和管理；（5 5）安全性可靠，非致病菌）安全性可靠，非致病菌。武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室新开发的酶必须按规定进行下表的各项检查新开发的酶必须按规定进行下表的

13、各项检查项目项目试验动物试验动物急性中毒急性中毒鼠鼠,大白鼠大白鼠口服口服 4周周大白鼠大白鼠12月月狗狗致癌试验致癌试验:24月月两重啮齿动物两重啮齿动物畸胚组织发生试验畸胚组织发生试验(24月月)两重啮齿动物两重啮齿动物生产病原性试验生产病原性试验四种动物四种动物皮肤刺激性试验皮肤刺激性试验(肤肤,眼眼)兔子兔子,人人抗原性抗原性人人武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室（二）、常用的产酶微生物（二）、常用的产酶微生物1 1、细菌、细菌大肠杆菌大肠杆菌 谷氨酸脱羧酶、天冬氨酸酶、青霉素酰化酶、天冬酰胺酶、-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。枯草杆菌枯草

14、杆菌 -淀粉酶、蛋白酶、-葡聚糖酶、5-核苷酸酶、碱性磷酸酶。武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室2 2、放线菌、放线菌 链霉菌：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。武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室3 3、霉菌、霉菌 黑曲霉黑曲霉：糖化酶、-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：米曲霉：氨基酰化酶、磷酸二酯酶、果胶酶等。红曲霉：红曲霉：-淀粉酶、糖化酶、麦芽糖酶、蛋白酶等。青霉：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：木霉：纤维素酶。根霉：根霉：糖化酶、蔗糖酶、碱性蛋白酶，

15、脂肪酶、果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶等。毛霉：毛霉：蛋白酶、糖化酶、-淀粉酶、脂肪酶、果胶酶、凝乳酶等。武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室4 4、酵母、酵母 啤酒酵母啤酒酵母：丙酮酸脱羧酶、醇脱氢酶等。假丝酵母：假丝酵母：脂肪酶、尿酸酶、尿囊酸酶、转化酶、醇脱氢酶等。武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室 工业规模应用的微生物酶和它们的某些来源工业规模应用的微生物酶和它们的某些来源酶酶产酶微生物产酶微生物用途用途-淀粉酶淀粉酶枯草芽胞杆菌枯草芽胞杆菌地衣芽胞杆菌地衣芽胞杆菌米曲霉米曲霉淀粉液化，织物退浆，消化淀粉液化，织物退浆，消化助剂，加酶洗涤剂助剂，加酶洗涤剂葡萄糖淀粉酶葡萄糖淀粉酶米

16、曲霉，黑曲霉，米曲霉，黑曲霉，米根霉米根霉制造葡萄糖，发酵、酿酒等制造葡萄糖，发酵、酿酒等工业的淀粉水解糖工业的淀粉水解糖中性蛋白酶中性蛋白酶枯草芽胞杆菌，米枯草芽胞杆菌，米曲霉曲霉皮革、毛皮加工，食品加工，皮革、毛皮加工，食品加工，调味品制造、助消化、消炎、调味品制造、助消化、消炎、啤酒澄清啤酒澄清碱性蛋白酶碱性蛋白酶地衣芽胞杆菌地衣芽胞杆菌加酶洗涤剂加酶洗涤剂植酸酶植酸酶黑曲霉，毕赤酵母黑曲霉，毕赤酵母工程菌株工程菌株饲料添加剂饲料添加剂武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室纤维素酶纤维素酶里氏木霉、黑曲霉里氏木霉、黑曲霉水洗布生产，饲料添加剂，水洗布生产，饲料添加剂，消化植物细胞壁消化植物细胞壁半纤维素半纤维素酶酶木霉、曲霉、根霉木霉、曲霉、根霉饲料添加剂，消化植物细胞饲料添加剂，消化植物细胞壁，低聚木糖生产壁，低聚木糖生产-葡聚糖葡聚糖酶酶枯草芽胞杆菌，黑曲枯草芽胞杆菌，黑曲霉，霉，Penicillium emersonii啤酒酿造，饲料添加剂啤酒酿造，饲料添加剂异淀粉酶异淀粉酶产气克雷伯氏菌，芽产气克雷伯氏菌，芽孢杆菌孢杆菌淀粉加工淀粉加工乳糖酶乳糖酶乳酸酵母，米曲霉，乳酸酵