酶制剂的特点、设备选型与新发展

邹东恢，郭建华

（齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006）

酶制剂的特点、设备选型与新发展

邹东恢，郭建华

（齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006）

近几年，随着酶制剂加工业的发展，酶制剂加工设备也获得了显著的提高，酶制剂加工设备向着大型化、自动化发展，新型酶制剂加工设备得以涌现和发展，出现了一些新的变化。论述我国酶制剂特点及加工设备选型，并对其未来发展趋势进行了展望。

酶制剂；特点；设备选型；新发展

全国酶制剂生产企业有100多家，2014年我国酶制剂总产量达1.17×106t，年产量增长保持在10%左右[1-2]。品种繁多，在国民经济发展中起到重要作用，为其应用行业生产带来了巨大的经济效益。如谷氨酸发酵原料采用双酶法糖化代替酸法糖化，糖化得率提高10%。柠檬酸发酵使用高温淀粉酶液化后，转化率比原来提高了4.3%。酒精工业使用高温淀粉酶和糖化酶代替曲法生产后，酒精产率大幅度提高。啤酒生产中采用外加酶制剂后，出酒率提高了2%以上。

工业上酶的生产方法可分为提取分离法、生物合成法和化学合成法等3种。提取分离法是最早采用而延用至今的，生物合成法是20世纪50年代以来酶生产的主要方法，化学合成法技术仅停留在实验阶段，未能工业化生产。

尽管全球的工业酶制剂市场仍然被丹麦诺维信、美国杜邦和荷兰帝斯曼等公司垄断，我国酶制剂市场份额在全球所占比重较小，但随着我国一些新建酶制剂项目相继建成投产，我国酶制剂的产能和竞争力有望得到进一步提升。

1 酶制剂的特性

酶的工业化制剂称为酶制剂。根据国际生物化学联合委员会针对酶的分类，可以把酶分成六大类，即氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶类、异构酶类、合成酶类。

目前在工业生产中应用的酶有几十种，工业中应用的酶多数为水解酶类，如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、核糖核酸酶及纤维素酶等[3]，酶的主要特性如下。

1.1 酶的化学特性

酶是一种生物催化剂，生物体内各种生化反应几乎都是在酶的催化作用下进行的。由于酶是由生物体产生的具有活性的蛋白质，所以它可高效，专一地催化特定的化学反应，并具有反应条件温和、反应产物容易纯化等优点。酶反应耗能低、污染小、操作简单、易控制。

1.2 酶的催化特性

酶反应具有专一性，一种酶仅能作用于某一种物质或一类结构相似的物质，并催化某种类型的反应；酶催化的高效性、酶催化反应比非酶反应快，酶催化反应具有广泛性，酶催化反应范围很宽，比化学催化剂能催化的反应多得多，同时，酶的催化反应大都在条件温和的pH值、温度条件下进行，强酸、强碱、高温等能致使蛋白质变性的因素都可使酶失去催化活性。

2 酶制剂加工设备与选型

酶的生物合成法生产是目前工业化生产酶制剂的主要方法，利用微生物的生命活动获得所需的酶的技术过程，又称为酶的发酵生产。因为微生物的研究历史较长，而且微生物具有种类多，易培养，代谢能力强等特点；用于酶的生产原料来源主要有植物细胞、动物细胞、微生物细胞；微生物发酵法生产酶制剂主要设备有粉碎设备、发酵设备、细胞破碎设备、分离设备、干燥设备等，下面以微生物发酵法生产酶制剂为例介绍主要设备的选用。

2.1 原料粉碎设备选用

酶制剂生产中物料的粉碎，多采用锤式粉碎和辊式粉碎机，锤式粉碎机是应用范围较广泛的一种粉碎机械，在化工、食品、粮食、建材等很多领域都有所应用，在发酵工业中原料的中碎与细碎作业大量采用这种粉碎机。

常见的锤片式粉碎机的规格参数见表1。

表1 常见的锤片式粉碎机的规格参数Table 1 Common hammer type crusher specification parameters

2.2 发酵设备选用

酶制剂生产可采用固体发酵设备或液体发酵设备，发酵设备容积可根据生产规模相应选取。

根据酶催化剂类型的不同，酶反应器可分为游离酶反应器和固定化酶反应器。酶反应器有多种，根据几何形状或结构来划分，大致可分为罐型、管型和膜型3类。每一类又有多种类型，并且有些反应器可互相组合成具有不同性能的酶反应器系统。罐型反应器内一般装配有搅拌装置，也称“搅拌罐”或发酵罐，管型反应器和膜型反应器一般用于连续操作，相对直径较大、纵向较短的管型反应器也称为塔式反应器[4]。

工业上应用的大多数酶，都是价廉且不纯的催化大分子化合物水解的酶类。虽然在经济上和技术上酶能被固定化，但目前大多应用游离酶，这是因为这些水解酶类的底物多数是带有黏性（如淀粉）或不溶于水的颗粒，难以用固定化酶反应器进行处理，所以游离酶反应器目前在工业生产上还占有极其重要的位置。

2.2.1 搅拌罐式酶反应器选用

图1 搅拌罐式酶反应器结构图Fig.1 Mixing tank enzyme reactor structure

搅拌罐式反应器是传统形式的反应器，是目前较常使用的反应器。搅拌罐式反应器的结构如图1所示，反应器外形为圆柱形，为承受消毒时的蒸汽压力，盖和底封头为椭圆形，中心轴向位置上装有搅拌器。

搅拌罐式反应器的基本结构包括：筒体，搅拌装置，换热装置，挡板（通常为4块），消泡装置，电动机与变速装置，空气分散装置，在壳体的适当部位设置溶氧电极、pH电极、CO2电极、热电偶、压力表等检测装置，备有排气、取样、放料和接种口以及酸、碱管道接口和人孔、视镜等部件。

搅拌罐式反应器又有分批式和半分批式之分。分批式是先将酶和底物一次性装入反应器，在适当温度下开始反应，反应达一定时间后，将全部反应物取出。而半分批式是将底物缓慢地加入反应器中进行反应，到一定时间后，将全部反应物取出。当反应出现底物抑制时，需采用半分批式操作。此类反应器不能进行酶的回收使用，一般在反应结束后通过加热或其他方法使酶变性除去。反应器结构简单，不需特殊设备，适于小规模生产，发酵工业通常应用这种形式的反应器[5]。

2.2.2 喷射式酶反应器选用

喷射式酶反应器是利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混合，是进行高温短时催化反应的一种反应器。喷射式酶反应器如图2所示。

图2 喷射式酶反应器Fig.2 Jet enzyme reactor

喷射式反应器结构简单，体积小，混合均匀，由于温度高，催化反应速度快，催化效率高，故可在短时间内完成催化反应。

尽管喷射式反应器适用于游离酶的连续催化反应，但其只适用于某些耐高温酶的反应。喷射式反应器目前已在耐高温淀粉酶的淀粉液化反应中广泛应用。如生产α-淀粉酶，采用枯草杆菌发酵，种子培养在37 ℃，搅拌转速 300 r/min，通气量 1∶1.3～1.4（体积比）的条件下培养12 h～14 h，然后接种入发酵罐，采用机械通风发酵罐，发酵温度37℃，搅拌器转速200 r/min，通气量 0～12 h ，1∶0.67（体积比），周期 40 h～48 h，中间采用补料发酵方法[6-7]。

2.2.3 超滤膜酶反应器选用

超滤酶膜反应器（UFEMR）是当今人们研究的焦点，在工业中得到了大规模的应用。绝大多数商品超滤膜是不对称的，孔径沿一个方向连续变化。超滤膜（UF）的孔径尺寸为1 nm～100 nm，可截留的相对分子质量范围为500～10 000，它对游离酶和固定化酶（相对分子质量10 000～100 000）都有较高的截流能力。因此，膜表面是一超薄层，位于一较多孔的次层上，这种结构使膜不易堵塞，有较高的流动透过率，容易清洗。膜材通常是合成聚合物和一些陶瓷材料。与聚合膜相比，陶瓷膜更耐热，更耐化学腐蚀，机械抗压性强。对具体的酶反应，选用膜材时要考虑其对酶稳定性的影响，以膜的形态、多孔结构、孔径分布，截留相对分子质量、抗化学腐蚀、耐热、耐pH值、耐压和价格等参数为依据，进行多次试验。

2.3 细胞破碎设备选用

细胞破碎方法较多，可用机械法、物理法、化学法等。高压匀浆法是大规模细胞破碎的常用方法，所用设备是高压匀浆器，它由高压泵和匀浆阀组成。

高压匀浆法是利用高压使细胞悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速冲击撞击致使细胞破裂，高压室的压力高达几十个兆帕，细胞悬浮液自高压室针形阀喷出时，每秒速度可达几百米，常用的料液均质压力为25 MPa～40 MPa，高速喷出的浆液又射到撞击环上，改变流动方向，细胞在这一系列高速运动过程中经历了剪切，碰撞及由高压到常压的变化，从而造成细胞破碎[8]。

表2列出高压均质机主要技术参数，可参考。

表2 RJGY01型系列高压均质机主要技术参数Table 2 RJGY01 Type series high pressure homogenizer main technical parameters

2.4 分离设备选用

酶制剂的分离通常可采用过滤、离心分离及膜分离等形式，其中离心分离操作简便，常为采用。根据离心机最大转速的差异可分为常速离心机、高速离心机和超速离心机。在酶制剂生产中，前两种使用较多，常速离心机最大转速8 000 r/min以内，相对离心力在1×104×g以下，可用于细胞、细胞碎片等固形物分离，也可用于酶的结晶物等较大颗粒的分离；高速离心机最大转速（2.5～12）×104r/min，相对离心力可达 5×105×g[9-11]。在酶制剂分离中主要用于沉淀物、细胞碎片和细胞器的分离，为防止分离中温度升高，酶失活，可采用冷冻装置，称为高速冷冻离心机。常见碟片分离机的型号和技术规格见表3。

2.5 干燥设备选用

分离后酶制剂可制成液体酶和固体酶制剂。制备粉剂酶制剂可在低温下浓缩干燥，但收率较低为70%左右，若采用直接喷雾干燥，收率可达95%以上，但排出废气含有气味，对环境有影响。

酶制剂生产的离心喷雾干燥，将含有8%～10%的固形物发酵液进入干燥塔前先用塔顶上的小罐加温至50℃再进塔，小罐内液面控制一定，以保持进料均匀，加热后的发酵液由罐底的管路流入高速旋转的离心喷雾盘，转速为3 000 r/min～7 000 r/min。液体通过6个喷咀甩成雾状，与从顶部进风口以旋转方式进入的热空气进行充分接触（热空气）温度淀粉酶干燥为150℃，蛋白酶为140℃，使物料干燥后借自身重力落下，通过放料闸门定期卸料（间歇卸料）。连续卸料主要是利用气力输送进行的，以干燥室排出的成品连续进入振动供料器，通过旋转阀或是采用涡流气封阀进行连续卸料[12-13]。见表4，离心喷雾干燥器的性能参数，供参考。

气流干燥设备简单，操作方便，但用于酶制剂干燥时，酶活力损失较大。为减少酶变性失活，提高干燥质量，主要控制好气流温度，温度不能太高，同时要经常翻动酶制剂，使干燥均匀。

表3 碟片分离机的型号和技术规格Table 3 The disc separator's type and technical specifications

表4 离心喷雾干燥器的性能参数Table 4 The performance parameters of the centrifugal spray dryer

3 酶制剂加工设备新发展

由于中国酶制剂产业起步晚，受到国外同行业企业竞争的较大压力。从世界范围来看，我国酶制剂企业技术装备、规模与国外同行有较大差距。虽然在提取工艺和装备上进行了一定改进，但总体来说提取手段及装备还是较为落后，需要在科研投入、产品结构、企业规模等方面进行改造，未来行业发展将出现以下几个方面的变化趋势。

3.1 改善工艺技术，装备水平

中国酶制剂产业的各项生产技术、装备水平与国外相比存在一定的差距，今后应注重以基因工程、蛋白质工程为主的高科技成果在酶制剂生产领域中产业化开发，加强自主创新装备的开发与应用。

3.2 增加科研投入，不断开发新品种

酶制剂应用前景广阔，目前国际上生产的60多种酶种，国内真正能够产业化生产的只有几个品种，而且剂型单一[14]。因此，改变国内酶制剂企业产品品种较少的局面，加强高端酶制剂产品的开发是酶制剂企业的发展方向。

3.3 调整产业结构，促使企业向规模化、品牌化发展

自主创新的酶制剂应用技术落后，成为中国国产酶制剂市场进一步扩大的主要限制性因素。企业应加大技改力度，降低生产成本，提高产品质量，促使酶制剂产业未来发展通过兼并整合逐渐走上集约化、规模化经营发展之路，以期在世界酶制剂市场上占有一席之地。

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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

邹东恢（1967—），男（汉），副教授，硕士，研究方向：酶制剂工程与技术。