6.3. Производство ферментов

Получение ферментов с помощью микроорганизмов более выгодно, чем из растительных и животных источников. Микробные клетки продуцируют более 2 тысяч ферментов, катализирующих биохимические реакции, связанные с ростом, дыханием и образованием продуктов. Многие из этих ферментов могут быть выделены и проявляют свою активность независимо от клетки. Для получения ферментных препаратов используют как микроскопические грибы, так и бактерии и дрожжи. Иногда получение технического ферментного препарата кончается проведением процесса ферментации, однако активность ферментов в культуральной жидкости быстро снижается. Поэтому широко практикуют получение сухих технических ферментных препаратов.

Производство ферментов является крупнотоннажным, а производство медицинских (очищенных) ферментов – к тонкому синтезу.

В мире производится около 20 ферментов в объеме 65 тыс. тонн (а существует, как предполагают 25000 ферментов). Например, промышленным способом производят такие ферменты как амилаза, глюкоамилаза, протеаза, инвертаза, пектиназа, каталаза, стрептокиназа, целлюлаза и др.

Амилазы и протеазы используют в текстильной, хлебопекарной и кожевенной промышленности. Пектолитические ферменты могут быть использованы для мацерации тканей при переработке растительного сырья, например, при получении льноволокна. Щелочные протеазы, особенно иммобилизованные, очень эффективно используются в составе моющих средств. Кроме протеолитических ферментов в состав моющих средств вводят липазу, целлюлазу, оксидазу и амилазу для удаления загрязнений крахмального происхождения. Использование иммобилизованной глюкозоизомеразы для непрерывного получения глюкозы является наиболее крупным процессом такого рода в мире.

Микробные ферменты активно используют в клинической диагностике при определении уровня холестерина в крови и мочевой кислоты. Ферменты предлагают использовать для очистки канализационных и водопроводных труб и т.д. Ферменты для медицинских или аналитических целей должны быть высокоочищенными.

Технологические процессы производства ферментных препаратов

1) Глубинный метод культивирования продуцентов ферментов в жидкой питательной среде. Проводят в строго асептических условиях:

• получение посевного материала: исходная культура продуцента → маточная культура, выращенная в колбах на качалке → посевная культура, выращенная в инокуляторе → посевная культура, выращенная в посевном аппарате. Объем посевного аппарата – до 10% от объема промышленного ферментатора;

• приготовление питательных сред;

• стерилизация питательных сред с помощью мембран или высоких температур;

• очистка воздуха до и после аэрирования;

• производственное культивирование с учетом увеличения биомассы, накопления ферментов, изменения состава питательной среды, её кислотности, аэрации и т.д.

Этот метод более совершенен, чем поверхностный, т.к. легко поддается механизации и автоматизации, легче и проще осуществляется переход к большим масштабам производства. Концентрация ферментов в среде обычно значительно ниже, чем в водных экстрактах поверхностной культуры.

2) Поверхностный метод культивирования продуцентов ферментов на рыхлой и увлажненной питательной среде. При этом культура растет на поверхности твердой увлажненной питательной среды в неасептических условиях.

Недостатки метода: большая поверхность контакта рыхлой среды с воздухом, что снижает интенсивность процесса; большие затраты ручного труда для мойки, стерилизации, перемещения кювет с небольшой высотой слоя, их заполнение и освобождение.

Преимущества метода: конечная концентрация фермента на единицу массы среды более высокая, чем при глубинном методе выращивания; культуры легко выращивать и приводить в товарную форму; снижена потребность в электроэнергии и т.д.

Культура микроорганизмов, выращенная поверхностным методом, и культуральная жидкость после глубинного культивирования содержат большое количество балластных веществ: биомассу продуцента, непотребленные компоненты среды, продукты метаболизма. Доля собственно ферментов для поверхностных культур составляет около 1%, для глубинных – не более 0,1%.

Выделение и очистка ферментов – трудоемкий и дорогой процесс. Некоторые микроорганизмы выделяют ферменты из клеток в окружающую среду (гидролазы, амилазы, протеазы, целлюлазы и др.). Это облегчает их выделение и очистку.

Выделение ферментов из биомассы – сложный процесс. Для превращения растворенного фермента в форму нерастворимых частиц используют высаливание, осаждение путем изменения температуры и рН, осаждение растворителями, при помощи высокомолекулярных полимеров, ионами металлов. Например, для осаждения -амилазы в биореактор добавляют этанол. Затем осадок уплотняют в фильтр-прессе и сушат в вакумной сушилке. При этом из 5000 л среды получают 73,5 кг препарата с высокой активностью. Затем его стандартизируют гипсом до получения нужной активности.

Так, в кожевенной и спиртовой промышленности, для введения в корма животных применяют ферментные препараты в неочищенном виде. В пищевой промышленности, в текстильных и микробиологических производствах, в медицине используют только высокоочищенные ферменты. В результате очистки происходит повышение удельной активности препарата.

Технология получения очищенных ферментов включает следующие этапы: экстракция из поверхностной культуры; отделение твердой фазы; концентрирование ферментных растворов; ультрафильтрация; осаждение органическими растворителями; высаливание; сорбционная очистка; сушка; стандартизация ферментных препаратов.