Производство ферментных препаратов

в современной биотехнологии и относится к отраслям, объём продукции которых

постоянно растёт, а сфера применения неуклонно расширяется.
Быстрое развитие связано с тем, что:
ферменты являются высокоактивными, нетоксичными биокатализаторами белкового происхождения,
широко распространены в природе,
без них невозможны осуществление многих биохимических процессов.

1. Источником ферментов может быть проращенное зерно различных

злаков (солод):
- может либо использоваться непосредственно как технический ферментный препарат,
- служить исходным материалом для получения очищенных ферментных препаратов.
2. В тропических и субтропических странах в качестве сырья для промышленного производства протеиназ используют латекс дынного дерева, латекс фикусовых растений (например, листья, побеги инжира, сок зеленой массы ананаса и др. )

На всех мясоперерабатывающих комбинатах собирают сырье,

содержащее ферменты, консервируют его и используют для получения ферментных препаратов.
Таким сырьем являются:
поджелудочная железа (содержит химотрипсин, коллагеназу, эластазу, трипсин, амилазу, липазу и др),
слизистые оболочки желудков и тонких кишок свиней (пепсин и липаза),
сычуги крупного рогатого скота (пепсин и липаза),
сычужки молочных телят и ягнят (реннин (сычужный фермент) ),
семенники половозрелых животных (содержат фермент гиалуронидазу).

есть и такие, особенно среди мутантных штаммов, которые являются моноферментными

и образуют в больших количествах только один фермент.
Преимущества микроорганизмов:
неприхотливы к составу питательной среды,
легко переключаются с синтеза одного фермента на другой,
имеют сравнительно короткий цикл роста (16-100 ч).
Для промышленного получения ферментных препаратов используют как природные штаммы микроорганизмов, выделенные из естественных объектов, так и мутантные штаммы.
Продуцентами ферментов могут быть: бактерии, грибы, дрожжи, актиномицеты.

Наибольший удельный вес среди выпускаемых препаратов занимают протеиназы и амилазы

(составляют 60 % общего объема выпуска ферментных препаратов).
Крупными отраслями – потребителями являются:
– фармацевтика 15 %;
– производство вин и соков 10 %;
– производство спирта 8 %;
– сыроделие 5 %;
– хлебопечение 5 %;
– пивоварение 6 %;
– аналитические цели и научные исследования – около 1%
– прочие отрасли 6 %.
В РБ, кроме того, ферменты внедряются в кормопроизводство.

Область применения ферментов

более раз увеличить уровень катаболитных и в несколько сот раз

уровень биосинтетических ферментов;
2) энергетически оправдано выращивание микробных клеток в больших масштабах в связи с применением недорогих сред и быстрого роста микроорганизмов;
3) огромное разнообразие реакций, к которым способны микроорганизмы (особенно касается вторичного метаболизма);
4) микроорганизмы служат источником и ряда уникальных ферментов, нигде более не обнаруженных (целлюлоза, танназа, гидрогеназа, кератиназы, нитрогеназа, пенициллиназа и др.). Есть виды, развивающиеся при экстремально высоких температурах (87 ºС), в связи с чем потенциально возможно создание термостабильных штаммов;
5) способность адаптироваться к различным условиям, что позволяет переносить культуру на производство, культивирования на дешевых субстратах.

Выбор штамма и условий культивирования

во-первых, ферменты образуются в живых клетках;
- во-вторых, ферменты могут проявлять

свое действие в среде независимо от живых клеток.

Требования к продуценту:
1) желательно образование внеклеточных ферментов, так как их легче выделить;
2) высокий выход фермента за короткое время;
3) очистка фермента от культуральной жидкости должна быть легкой;
4) штаммы не должны продуцировать антибиотики, токсичные вещества и не должны быть родственниками штаммов, образующих токсины.

получение посевного материала;
2) получение производственной культуры методами поверхностного или глубинного

культивирования;
3) выделение из готовой производственной культуры технических или очищенных ферментных препаратов.
Поверхностный метод состоит в культивировании микроорганизмов на поверхности увлажненных стерилизованных отрубей, размещенных в кюветах (инкубацию ведут в специальном термостатируемом цехе при постоянном контроле в нем температуры, влажности и подачи воздуха).
Глубинный метод более экономичен. Для его реализации применяются ферментеры из нержавеющей стали, снабженные устройствами для перемешивания и подачи в жидкую питательную среду стерильного воздуха.

подвергают действию мутагенов несколько раз, т. е. осуществляют ступенчатую селекцию.

Часто эффективно комбинированное воздействие мутагенов химической и физической природы.
Так, применение этиленимина и ультрафиолетового излучения в сочетании со ступенчатым отбором позволило получить очень активные штаммы Asp. awamori, используемые как продуценты амилолитического, протеолитического и других ферментных комплексов. Селекция производственно ценных штаммов ведется и в условиях производства.
2. Мероприятия по сохранению продуцентов.
Существует ряд методов хранения производственно ценных штаммов, обеспечивающих их высокую биохимическую активность. В музеях живых культур при заводских лабораториях культуры периодически пересеваются и после развития культуры на плотной среде ее заливают стерильным вазелиновым маслом. Во многих случаях лучшим способом хранения является лиофилизация культур.

Среды для поддержания штаммов-продуцентов в лаборатории и в музее (подбирается

исходя из физиологических потребностей микроорганизмов).
Среды для получения посевного материала.
Среды, употребляемые в больших объемах в основном процессе производства.
Состав сред, обеспечивающих накопление того или иного фермента, может значительно отличаться от состава сред, применяемых для выделения и поддержания культуры продуцентов.
Некоторые ферменты микроорганизмов требуют для своего синтеза присутствия в среде индуктора. Так, например, если для синтеза липазы Aps. niger благоприятно присутствие в среде растительного масла, а для синтеза рибонуклеазы - нуклеиновых кислот, то для повышенного синтеза α-амилазы Вас. polymyxa необходимо добавление гидролизата казеина.

культивирование,
анаэробное культивирование;
твердофазное культивирование,
поверхностное культивирование,
глубинное культивирование;
периодическое

культивирование,
непрерывное культивирование.

Аэробное культивирование — аэрация среды — непременное условие в микробиологических процессах, в которых используются аэробные микроорганизмы-продуценты.
При интенсивном потреблении субстрата независимо от источника углерода продуцент ассимилирует 0,83–4,0 мг кислорода/1 л среды/мин.

дистиллированной воды максимальное количество растворенного кислорода составляет 7,5 мг. В

реальной питательной среде максимальная растворимость кислорода колеблется в интервале 2–5 мг/л. Запасы кислорода в среде обеспечивают жизнедеятельность аэробного продуцента в течение 0,5–2 мин.
Критическая концентрация кислорода, при которой наблюдается лимитация дыхания клеток.
Для большинства аэробных микроорганизмов, растущих в сахаросодержащих субстратах, критическая концентрация кислорода 0,05–0,10 мг/л, что соответствует 3–8 % от полного насыщения среды кислородом.
Оптимальной для роста биомассы считается концентрация кислорода 50–60 % от полного насыщения, для биосинтеза целевых метаболитов — 10–20 %.

группы:
- дыхание (акцептор — кислород);
- брожение (акцептор — органическое

вещество);
- анаэробное дыхание (акцептор — неорганическое вещество: нитраты, сульфаты и др.).
У облигатных анаэробов брожение является единственно возможным способом получения энергии.
У факультативных анаэробов оно составляет первую стадию катаболизма глюкозы, за которой может следовать аэробное окисление образовавшихся продуктов.
Обособленной промежуточной группой являются аэротолерантные микроорганизмы, получающие необходимую для жизнедеятельности энергию в анаэробном процессе, т. е. на уровне субстратного фосфорилирования, и одновременно имеющие дыхательную цепь для поглощения кислорода среды и создания благоприятных анаэробных условий. Данный эффект носит название «эффекта дыхательной защиты».

среде, влажность которой составляет 30–80 %.
Различают три типа твердофазных процессов:
•

поверхностные процессы: слой субстрата, например соломы, не превышает 3–7 см («тонкий слой»); роль биореактора выполняют большие, площадью до нескольких квадратных метров, подносы из алюминия или культивационные камеры);
• глубинные твердофазные процессы в неперемешиваемом слое («высокий слой»): биореакторы представляют собой глубокие открытые сосуды. Для аэробных процессов разработаны приспособления, обеспечивающие диффузионный и конъюктивный газообмен;
• твердофазные процессы в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата, которая может быть гомогенной или состоять из частиц твердого субстрата, взвешенных в жидкости.

Перемешивание слоя не допускается, если культивируются мицелиальные микроорганизмы, например микромицеты,

и из-за отсутствия перемешивания рост микроорганизмов происходит по принципу колонизации, поэтому часто возникает локальная нехватка питательных веществ.

Отвод теплоты и поддержание постоянной температуры во всей ферментационной среде сильно затруднен.

эксплуатацию;

• характер субстрата облегчает отделение и очистку продукта;

• низкое содержание

воды в субстрате препятствует заражению культуры продуцента посторонней микрофлорой;

• твердофазные процессы не связаны со сбросом в окружающую среду большого количества сточных вод.

ферментов с использованием микромицетов.
Сыпучий субстрат с культурой инкубируют в

тонком слое (3–7 см) в кюветах, размещенных в камерах, где поддерживают оптимальные температуру и влажность воздуха,
обеспечивают принудительную циркуляцию газовой фазы вдоль поверхности ферментируемого субстрата (воздух в данном случае является и аэрирующим, и теплоотводящим агентом).
Более толстый слой гранулированного крахмалсодержащего субстрата используют для протеинизации (до 20 %) корма при помощи Asp. niger. В данном случае применяют неинтенсивное перемешивание среды.

помещенных в вентилированные воздухом камеры.

Культура микроорганизмов при этом образует

биомассу в виде пленки или твердого слоя на поверхности жидкой среды.

Культура потребляет кислород непосредственно из газовой фазы — воздуха.

Массообмен в таких условиях малоинтенсивный.

содержащей растворенный субстрат.

Ферментер должен обеспечивать:
- рост и развитие

популяций микроорганизмов в объеме жидкой фазы,
- подвод питательных веществ к клеткам микроорганизмов,
- отвод от микробных клеток продуктов их обмена веществ (метаболизма),
- отвод из среды выделяемого клетками тепла.

Глубинное культивирование можно осуществлять: периодическим и непрерывным способами.

загружают сразу весь объем питательной среды и вносят посевной материал.

Выращивание микроорганизмов проводят в оптимальных условиях в течение определенного времени, после чего процесс останавливают, сливают содержимое ферментера и выделяют целевой продукт.
Этап роста культуры включает:
- лаг-фазу, - экспоненциальную фазу, - фазу замедления роста,
- стационарную фазу, - фазу отмирания.

2. Широко применяют периодическое культивирование с подпиткой.
3. Существует также объемно-доливочное культивирование, когда часть объема из биореактора время от времени изымается при добавлении эквивалентного объема среды (полунепрерывное культивирование).

ферментер (биореактор), в котором создают оптимальные условия для роста микроорганизмов,

а из ферментера (биореактора) также непрерывно вытекает культуральная жидкость вместе с микроорганизмами.
В непрерывных процессах биообъект поддерживается в экспоненциальной фазе роста.
При этом существует равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой.

Из непрерывных процессов лучше всего изучен метод глубинной ферментации.

все параметры постоянны во времени),
- гетерогенно-непрерывным (несколько ферментеров соединены вместе).

Питательная среда поступает в первый аппарат, готовая культуральная жидкость вытекает из последнего.
При непрерывном культивировании микроорганизмов необходимо предотвратить вымывание культуры из системы, т. е. обеспечить постоянную концентрацию клеток.

В стерильных условиях непрерывный, проточный метод обеспечивает сохранение культуры в физиологически активном состоянии длительное время.

динамического равновесия, различают:

- турбидостатный принцип (скорость притока среды такова, что

концентрация биомассы в системе постоянна),

- хемостатный принцип (в системе ограничивают рост культуры одним элементом питания (углерода, кислорода, соответствующего витамина и др.) при нелимитируемых количествах остальных),

- Известны также методы управления ростом проточной культуры по рН (рН-стат), по кислороду (оксистат).

средах можно разделить на следующие стадии:
— приготовление, стерилизация и охлаждение питательной

среды;
— приготовление посевного материала и выращивание производственной культуры;
— отделение и сушка биомассы;
— фасовка отходов и отделение фильтрата;
— концентрирование и сушка концентрата;
— осаждение, сушка и стандартизация препарата;
— фасование препарата.

которого входят:
циклон-разгрузитель,
экстракторы,
стекатель,
шнек-пресс,
ленточный вакуум-фильтр,
смеситель,
нагревательная

колонка,
выдерживатель,
теплообменники.

2. В состав линии входит комплекс оборудования, состоящий из инокулятора и ферментатора.

Далее следует комплекс оборудования для фасования и упаковывания ферментных препаратов,

а также сепараторы.

5. Ведущим является комплекс оборудования, включающий вакуум-выпарные аппараты и распылительные (сублимационные) сушилки.

6. Завершающий комплекс оборудования линии состоит из установки непрерывного осаждения, аппарата обсушки препарата, центрифуги, барабанной вакуум-сушилки, установки для измельчения и смешивания.
7. Финишным комплексом оборудования являются фасовочные машины.

в асептических условиях при интенсивном аэрировании среды.
В процессе культивирования

приходится иметь дело со сложной трехфазной системой :
жидкость – твердая взвесь – газ.
В такой системе затруднены массообменные процессы, и поэтому усложняется аппаратурное оформление всей стадии выращивания.
Ферментаторы по способу подвода энергии на аэрирование и перемешивание делят на:
- аппараты с механическим перемешиванием и барботажем (комбинированные);
- с эжекционной системой аэрирования (подвод энергии к жидкой фазе);
- барботажные (подвод энергии к газовой фазе).

питательных средах

жом, который через циклон-разгрузитель 1 и циклон чистки воздуха 2

направляется на весы 3 и далее в экстрактор 4 свекловичного жома.
Полученный экстракт насосом перекачивается в стекатель 5, шнек-пресс для отжима 6 и далее в смеситель 20, куда подводят питание соли и остальные компоненты.
Солодовые ростки из бункера 8 взвешиваются на весах 10 и винтовым гибким подъемником 9 направляются в экстрактор 11 и далее в ленточный вакуум-фильтр 12, откуда промывные воды отводятся в ресивер 13, а осадок спускается в бункер 14.
Над вакуум-фильтром 12 размещены барометрический конденсатор 16 и ловушка 17, а ниже установлен барометрический ящик 18.

через приемник 19 закачивается в смеситель 20.
Приготовленные смеси поступают

в сборник питательной среды 21, а далее в стерилизатор 23, выдерживатель 24 нагрева питательной среды до 130 °С и на охлаждение среды в темплообменники 25 и 26, откуда охлажденная питательная среда поступает в ферментатор 33, заполняя его на 70-75%
Для начала ферментации в среду вводят посевной материал.
Приготовление посевного материала осуществляется в аппарате 22, откуда он направляется в ферментатор 33 с форсуночным разбрызгивателем 32.
Здесь же установлены фильтры 27, 28 и 29 для очистки воздуха, а также стерилизатор пеногасителя 30 с мерником 31. Забираемый из атмосферы воздух очищается от грубой взвеси, сжимается и охлаждается.

всю сумму веществ насосом подают через теплообменник 34 для охлаждения

и далее в сборник 35.
После окончания ферментации отделение биомассы от культуральной жидкости происходит в камерном фильтр-прессе 36, откуда биомасса через бункер 37 направляется на сушку и фасовку, а отделенная в сборнике 38 культуральная жидкость — на сепараторы 39, 50 и 55.
После сепаратора концентрат поступает в теплообменник 51 для охлаждения.
Перед выпариванием культуральная жидкость подогревается до температуры 95... 100 °С и далее поступает в вакуум-выпарной аппарат 42, а конденсат из конденсатора 41 отводится в сборник 43.
После выпаривания культуральная жидкость с содержанием сухих веществ около 40 % представляет собой жидкий концентрат, который перекачивается в сборник 44.

сушилке 45 и через циклон 46 и рукавный фильтр 47

направлен в бункер 48 высушенного препарата.
Шнековым транспортером 49 ферментный препарат транспортируется в установку непрерывного осаждения 52 этанолом, куда из мерника 53 через теплообменник для охлаждения спирта 54 подается спирт.
Осажденный препарат поступает в аппарат для отсушки ферментного осадка 56, откуда после центрифугирования на центрифуге 57 препарат направляется на барабанную вакуум-сушилку 58.
Высушенный препарат собирают в бункере 59, измельчают на измельчителе 60 и направляют в бункер 61, добавляют наполнитель из бункера 61, взвешивают на весах 63 и направляют в смеситель 64.
Фасование ферментных препаратов производят в фасовочных машинах 65 и 66 порциями по 17 кг или по 0,5 кг.

В медицине можно использовать только очищенные препараты ферментов, частично или

полностью освобожденные от балластных веществ.
Исходным материалом для получения очищенных ферментных препаратов может служить:
фильтрат культуральной жидкости,
биомасса продуцента,
водный экстракт из поверхностной культуры продуцента.
Ферментные препараты могут быть получены в виде порошков или жидких концентратов.
В процессе выделения происходит повышение доли активного белка в общей массе препарата, т. е. увеличивается его удельная активность (в таблице 1 показаны стадии очистки от балластных веществ глюкоамилазы из культуры Endomycopsis sp. 20-9)

Выделение и очистка ферментов

от нерастворимых веществ и других ферментов.

Из поверхностных культур труднее получить

высокоочищенные препараты из-за большого количества балластных веществ.
Из глубинных культур получить очищенные препараты легче, но при этом приходится вести выделение из разбавленных растворов, если выделение ферментов проводится из жидкой части культуры. Выделение осложняется, если фермент внутриклеточный, и тогда необходимо разрушать клетки микроорганизмов.

материалом для получения препаратов ферментов различной степени очистки.

- На первом

этапе выделения отходом процесса является нерастворимая часть культуры – биошрот, содержащий нерастворимые включения среды и биомассу продуцента.
- Далее в зависимости от свойств выделяемого фермента и сопутствующего ему балласта схема очистки и получения ферментного препарата может включать различные приемы и методы, такие, как концентрирование, диализ, осаждение органическими растворителями, солями, гель-фильтрование, афинная хроматография, иммобилизация, сушка термолабильных материалов и т. д.

методов очистки, примененных для получения препарата нужной степени чистоты.
В

качестве примера рассмотрим технологическую схему получения препаратов из поверхностной и глубинной культур в виде жидких концентратов, сухих технических препаратов, получаемых сушкой распылением, и препаратов, осажденных органическими растворителями.

Технологическая схема получения очищенных ферментных препар

глубинным и поверхностным способами

установки; 3 – сборник экстракта поверхностной культуры; 4 – конденсатор;

5 – сборник конденсата; 6 – вакуум-выпарной аппарат; 7 – сборник концентрата; 8 – распылительная сушилка; 9 – теплообменники; 10 – циклон; 11 – бункер для высушенного препарата; 12 – шнек; 13 – фильтр рукавный; 14 – осадитель; 15 – дозаторы; 16 – сепаратор; 17 – насос для спирта; 18 – мерник для спирта; 19 – смеситель промывки осадка спиртом: 20 – центрифуга; 21 – вакуум-сушилка роторная; 22 – бункер для высушенного осадка; 23. 25 – бункера для наполнителей; 24 – бункер для сухого препарата; 26 – установки дисмембраторов; 27, 28 – весы; 29 – смесители непрерывного действия; 30 – бункера для стандартизированного препарата; 31 – установки для фасования и упаковывания препаратов; 32 – установка для экстракции ферментов; 33 – сушилка для биошрота; 34 – резервуар для воды; 35 – стерилизационная установка для сточных вод; 36 – охлаждающий теплообменник; 37 – фасование и упаковывание жидкого препарата Г2х или П2х.

мере надобности передается в сборник небольшой вместимости перед поступлением в

подогреватель вакуум-выпарной установки пленочного типа.
Концентрат культуральной жидкости с содержанием сухого вещества 6 – 10 % поступает в сборник концентрата.
Для получения сухого технического препарата концентрат направляют в башню распылительной сушилки 8. Сухой препарат через циклон 10, бункер 11 и шнек 12 попадает на стадию стандартизации, фасования и упаковывания.
Для получения более очищенного препарата концентрат из сборника подается на осаждение органическим растворителем. Предварительно концентрат охлаждают в теплообменнике до температуры 2 – 3 °С и подают через дозатор в осадитель.
Одновременно в осадитель дозируется охлажденный растворитель. Образовавшийся осадок отделяют на сепараторе 16.

спиртом и повторное сепарирование.
Промытый осадок высушивают в вакууме, измельчают,

взвешивают, смешивают с наполнителем и направляют на фасование и упаковывание.
- При получении ферментных препаратов из культур, выращенных поверхностным способом, процесс очистки начинается с экстракции ферментов водой.
Нерастворимый осадок высушивают и в виде сухого биошрота утилизируют на корм скоту.
Экстракт с содержанием сухого вещества 7 – 14 % при получении из него сухих препаратов не нуждается в дополнительном концентрировании и поэтому может быть сразу направлен на распылительную сушку с целью получения технического препарата, или же экстракт направляется в охладитель, а затем на осаждение органическими растворителями или солевыми растворами.

вещества 50%, для чего экстракт направляют в сборник, затем в

подогреватель и на вакуум-выпарную установку.
Готовый жидкий концентрат фасуют в специальные емкости и направляют на склад готовой продукции.
Из глубинной культуры можно также получать жидкие концентраты, например, методом ультрафильтрации.

является вода.
Для извлечения ферментов из дрожжей или бактерий необходимо

подвергнуть механическому или автолитическому разрушению их клеточные стенки.
Оболочки мицелиальных нитей имеют меньшее диффузионное сопротивление, чем оболочки бактериальных и дрожжевых клеток, поэтому дезинтеграции культуры грибов не требуется.
Извлечение ферментов проводят как из влажных, так и из сухих поверхностных культур грибов.
Сухая культура может храниться длительное время без потери активности ферментов, и из нее получают более концентрированные экстракты. Но при подсушивании культуры имеют место потери активности.

Экстрагирование ферментов

- температура,
- рН,
- длительность процесса,
- конструктивные особенности

экстракционных аппаратов,
- природа извлекаемого фермента,
- количество отобранного экстракта с единицы массы загруженной в аппарат культуры и т. д. .
Для получения концентрированных экстрактов при небольших потерях ферментов с биошротом необходимо применять специальные экстракционные установки. Ранее широко использовались диффузионные батареи (в них можно получить экстракт с содержанием сухого вещества от 7 до 14 % в зависимости от вида культуры, среды и величины отбора экстракта). Более перспективным является экстрактор непрерывного действия

нестабильными при хранении.
Вакуум-выпаривание применяется как один из этапов получения

сухих очищенных ферментных препаратов.
Ферменты очень чувствительны к температуре выпаривания, поэтому основным условием концентрирования ферментных растворов является кратковременное ведение процесса при низких температурах кипения, чтобы выпариваемая жидкость не перегрелась, а ферменты не инактивировались.
Следует учитывать, что чем чище раствор, чем меньше он содержит сопутствующих веществ, тем ферменты более чувствительны к воздействию высоких температур .

Концентрирование ферментных растворов
методом вакуум-выпаривания

фазового состояния Схема ультрафильтрационной ячейки: