酶工程的發(fā)展

酶工程的發(fā)展酶工程，從定義上來說，是酶制劑在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用，主要由酶的生產(chǎn)、酶的分離純化、酶的固定化和生物反應(yīng)器四個(gè)部分組成。簡而言之，酶工程就是將酶或者微生物細(xì)胞，動植物細(xì)胞，細(xì)胞器等在一定的生物反應(yīng)裝置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)并應(yīng)用于社會生活的一門科學(xué)技術(shù)。它包括酶制劑的制備，酶的固定化，酶的修飾與改造及酶的反應(yīng)器等方面內(nèi)容。酶工程的前景酶因其反應(yīng)的專一性，高效性和溫和性的特點(diǎn)，已和生物工程，信息科學(xué)和材料科學(xué)構(gòu)成了當(dāng)今的三大前沿科學(xué)。而作為生物工程的重要組成部分，將在未來的發(fā)展中，在世界科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著主導(dǎo)和支柱作用。而工業(yè)用酶日益廣泛地應(yīng)用于化學(xué)，醫(yī)藥，紡織，農(nóng)業(yè)，日化，食品，能源，化妝品以及環(huán)保等行業(yè)。據(jù)報(bào)道，到2003年，歐洲工業(yè)用酶的市場增加至9億美元，年增長率達(dá)百分之十；而2000年的中國，酶制劑總產(chǎn)量達(dá)272噸，同比增長8.8%，可謂發(fā)展迅速，前景十分廣闊。酶工程的發(fā)展酶工程的發(fā)展，是一部科學(xué)的成長史。在二次世界大戰(zhàn)后酶工程發(fā)展成為新的工業(yè)領(lǐng)域一酶工程工業(yè)。酶工程的發(fā)展歷史從那時(shí)算起至今已經(jīng)三十多個(gè)年頭了。六十年代以后，由于固定化酶、固定化細(xì)胞及固定化活細(xì)胞的崛起使酶制劑的應(yīng)用技術(shù)面貌一新。七十年代以后，伴隨著第二代酉—固定化酶及其相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)生，酶工程才算真正登上了歷史舞臺。固定化酶正日益成為工業(yè)生產(chǎn)的主力軍，在化工醫(yī)藥、輕工食品、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。幾十年來酶制劑的品種和應(yīng)用不斷擴(kuò)大。不僅如此，還產(chǎn)生了威力更大的第三代酶，它是包括輔助因子再生系統(tǒng)在內(nèi)的固定化多酶系統(tǒng)，它正在成為酶工程應(yīng)用的主角。近年來，國際上酶工程技術(shù)發(fā)展迅速，碩果累累，主要有基因工程、蛋白質(zhì)工程、人工合成酶、模擬酶、核酸酶、抗體酶、酶的定向固定化技術(shù)、酶化學(xué)技術(shù)、非水酶學(xué)、糖生物學(xué)、糖基轉(zhuǎn)移酶、極端環(huán)境微生物和不可培養(yǎng)微生物的新品種等。以下，將從酶制劑的制備，酶的固定化，酶的修飾與改造及酶反應(yīng)器的內(nèi)容展開酶工程發(fā)展現(xiàn)狀的描述：M制劑：首先，在生物界中發(fā)現(xiàn)的酶已近3000種，而應(yīng)用于酶工程等領(lǐng)域的約2500種。小批量生產(chǎn)的商品酶有幾百種，大規(guī)模生產(chǎn)的有幾十種。現(xiàn)已用于工業(yè)生產(chǎn)的主要是:水解酶，凝乳酶，果膠酶，糖苷酶，氧化酶，轉(zhuǎn)移級異構(gòu)酶等。工業(yè)用酶中60%為蛋白酶（其中洗滌劑用的堿性蛋白酶占25%；中性蛋白酶占12%；凝乳酶占10%；堿性蛋白酶占30%;為碳水化合物的水解酶（其中糖化酶占13%;a淀粉酶占5%；葡萄糖異構(gòu)酶占6%;果膠酶占3%）;3%為脂肪酶；10%為醫(yī)藥與分析研究用酶。六十年代酶制劑的應(yīng)用，主要是利用堿性蛋白酶生產(chǎn)洗滌劑。到七十年代已開始利用葡萄糖異構(gòu)酶生產(chǎn)高果糖漿和利用淀粉酶生產(chǎn)酒精。八十年代酶制劑則廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，如淀粉加工高果糖漿。乳制品、啤酒、葡萄酒、酒精、糖果，果汁及調(diào)味品的生產(chǎn)，果汁苦味的去除夕植物產(chǎn)品的抽提等。化學(xué)工業(yè)，如造紙、皮革、洗滌劑、氨基酸和漆的生產(chǎn)，以及紡織業(yè)中生絲、麻的脫膠，棉布退漿、廢水處理等）；醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域□如治療低血壓、抗血栓形成、抗癌以及抗生藥物的生產(chǎn)，利用酶測定血糖，尿素、膽固醇、尿留體激素等）和遺傳工程□如利用限制性內(nèi)切酶、連接酶及〃剪接酶”開展基因工程研究。酶給人類創(chuàng)造了極大的社會與經(jīng)濟(jì)效益。國外酶制劑發(fā)展在國夕卜酶制劑發(fā)展中，酶劑發(fā)展較快的國家有丹麥、荷蘭、美國、日本、西德和法國等國家。據(jù)統(tǒng)計(jì)世界各發(fā)達(dá)國家酶制劑廠的總數(shù)約有100家。僅西歐和美國就有25家，占三分之一。在25家中，有9家大公司的產(chǎn)值就占了世界市場的90%。世界著明的酶制劑公司如丹麥的諾沃公司荷蘭的吉斯特公司；西德設(shè)在美國的邁耳斯公司都是銷售額很大的酶制劑公司。諾沃公司酶制劑銷售額占世界市場的44%,吉斯特公司占12%,邁耳斯公司占8%。國內(nèi)酶制劑發(fā)展對于國內(nèi)而言，我國酶制劑工業(yè)起步較晚，但近幾年來發(fā)展迅速。我國于60年開始建立酶制劑工業(yè)。到目前為止，全國已有大小200余家酶制劑廠和車間。年產(chǎn)千噸以上的有3家年產(chǎn)百噸以上的約有20家；其余均為年產(chǎn)數(shù)十噸的小廠。生產(chǎn)的酶制劑總計(jì)有13種，主要是糖化酶、淀粉酶和蛋白酶,還有少量的脂肪酶和葡萄糖異構(gòu)酶。1985年全國酶制劑總產(chǎn)量約為2.5萬噸，總產(chǎn)值約1.35萬元。其中糖化酶約4800萬噸），占總產(chǎn)量的54.6%;蛋白酶約6700噸（其中堿性蛋白酶約為4800噸，占總產(chǎn)量的27.7%;a淀粉酶4400噸，占總產(chǎn)量的17.7%。酶的固定化酶固定化的現(xiàn)狀近來，國外在探索酶蛋白的固定化技術(shù)方面，已經(jīng)找到幾條途徑，使酶蛋白能夠以有序方式附著在載體的表面實(shí)現(xiàn)酶的定向固定化而使酶活性的損失降低到最小程度。目前采用的方法有借助化學(xué)方法的位點(diǎn)專一性固定化、磷蛋白的位點(diǎn)專一性固定化、抗體免疫球蛋白的位點(diǎn)專一性固定化、糖蛋白的位點(diǎn)專一性固定化、利用基因工程的位點(diǎn)專一性固定化。這種有序的、定向固定化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于生物芯片、生物傳感器、臨床診斷、藥物設(shè)計(jì)、親和層析以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究上。而細(xì)胞固定化技術(shù)、固定化多酶技術(shù)及反應(yīng)器、固定化微生物多酶反應(yīng)系統(tǒng)、固定化酶-微生物復(fù)合物等技術(shù)相繼發(fā)展起來，酶的固定化是這一發(fā)展的基礎(chǔ)。自從固定化酶技術(shù)問世以來，已在很大程度上改變了酶工程的面貌，固定化微生物細(xì)胞又因其制備簡單，成本低廉以及有一套現(xiàn)成可用的多酶系統(tǒng)，在許多情況下顯示了比固定化酶有更大的優(yōu)越性。近年隨著分子生物學(xué)及生物工程的發(fā)展該技術(shù)又向動物細(xì)胞、植物細(xì)胞、雜交瘤細(xì)胞以及其他工程細(xì)胞擴(kuò)展，同時(shí)也對該技術(shù)的發(fā)展提出許多新的要求。以往報(bào)道酶的固定化方法有幾百種。切實(shí)可行的主要吸附法、包埋法、交聯(lián)法、微膠囊法等。其中包埋法是最成功、應(yīng)用最廣泛的方法，其優(yōu)點(diǎn)如下：方法簡便把細(xì)胞懸浮物與多聚體或其單體混合成膠后即可；固定化條件溫和，因此經(jīng)?？梢垣@得高活力的固定化細(xì)胞；細(xì)胞不漏出；對機(jī)械破壞有保護(hù)作用；固定化容量大。酶固定化的進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：新載體新載體的研制異?；钴S如纖維素、淀粉、黃原膠、幾丁質(zhì)、海藻酸鹽、殼聚糖、蝦青素、瓊脂糖、戊二醛、血纖維原、磁性高分子聚合物、離子交換樹脂、水合氧化鈦和膜等。(2)新方法隨著天然酶的開發(fā)和工程菌的改造，傳統(tǒng)固定化方法不斷被應(yīng)用到新酶的固定化研究上，同時(shí)酶固定化技術(shù)也不斷取得進(jìn)展一些新技術(shù)如磁性技術(shù)、分子沉淀技術(shù)及輻射技術(shù)等不斷運(yùn)用于固定化酶載體的制備。例如內(nèi)蒙古師范大學(xué)邱光亮等采用共價(jià)結(jié)合與磁性技術(shù)相結(jié)合的方法固定化了中性蛋白酶，華南理工大學(xué)黃惠華等利用氧化低價(jià)鐵鹽制成磁響應(yīng)微球固定化了菠蘿蛋白酶等，葛玉斌等利用分子沉淀技術(shù)固定化了雙層葡萄糖異構(gòu)酶，江蘇省農(nóng)科院王延春等利用低溫輻射技術(shù)制得一種性能優(yōu)良的高分子聚合物載體，固定化了酵母細(xì)胞。(3)新機(jī)理酶的固定化技術(shù)經(jīng)過幾十年的研究已經(jīng)發(fā)展成為酶定向固定化技術(shù)，研究表明已經(jīng)有幾條途徑使酶蛋白能夠以有序的方式附著在載體表面，從而避免了酶蛋白的多點(diǎn)附著引起的無序定向和結(jié)構(gòu)變形實(shí)現(xiàn)了酶的定向固定化，使酶活性損失降低到最小程度。目前采用的方法主要有借助化學(xué)、磷蛋白、抗體、糖蛋白和基因工程的位點(diǎn)專一性固定化等。這種有序的定向固定化技術(shù)已廣泛用于生物芯片、生物傳感器、生物反應(yīng)器、臨床診斷、藥物設(shè)計(jì)、親和層析以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究。綜上所述，由于固定化技術(shù)向動物細(xì)胞、植物細(xì)胞、雜交瘤細(xì)胞及工程細(xì)胞的延伸，不但大大擴(kuò)展了固定化技術(shù)的應(yīng)用范圍，同時(shí)也促進(jìn)了固定化技術(shù)本身的變革與提高。酶的遺傳修飾與化學(xué)修飾：遺傳修飾酶的遺傳修飾是指人為地將酶基因中個(gè)別核苷酸加以修飾或置換，改變酶分子中某個(gè)或幾個(gè)氨基酸，使酶變得更有利于人類利用。酶的遺傳修飾有自然和選擇之分:前者是指用理化誘變因子作用于活細(xì)胞使其基因突變，然后從突變體中篩選有用的個(gè)體；后者是利用基因非定點(diǎn)和定點(diǎn)突變技術(shù)，進(jìn)行有目的和有預(yù)見的遺傳修飾技術(shù)，它是在體外進(jìn)行基因操作，按照預(yù)定的目標(biāo),通過核苷酸的置換、插入或刪除獲得突變酶基因?qū)⑵湟迫氡磉_(dá)載體獲得遺傳修飾酶。其中非定點(diǎn)突變是指那些不能預(yù)見確定突變位點(diǎn)的技術(shù)，常用方法有錯(cuò)誤滲入與修復(fù)、化學(xué)誘變和寡核苷酸置換等；定點(diǎn)突變是對已知序列的基因中任意指定位置進(jìn)行突變的技術(shù)常用方法有寡核苷酸引物介導(dǎo)的定點(diǎn)突變、PCR介導(dǎo)的定點(diǎn)突變及盒式突變等。酶遺傳修飾的新進(jìn)展主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：多位點(diǎn)定點(diǎn)突變技術(shù)定點(diǎn)突變是蛋白質(zhì)工程中采用的重要技術(shù)之一，但以往一般每次只能引入單點(diǎn)突變，突變效率較低，所以對多點(diǎn)突變技術(shù)的研究成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。例如，復(fù)旦大學(xué)謝毅等人在寡核苷酸引物介導(dǎo)的定點(diǎn)突變基礎(chǔ)上建立了基因的多位點(diǎn)定點(diǎn)突變法。酶定向進(jìn)化技術(shù)定點(diǎn)突變和非定點(diǎn)突變技術(shù)只能對酶蛋白中某些氨基酸殘基進(jìn)行改造，酶蛋白的高級結(jié)構(gòu)基本維持不變，對酶功能的改造非常有限。不過如果通過多代遺傳將突變積累起來，就可以較好地拓展酶的功能，這就是酶定向進(jìn)化技術(shù)。由于微生物代間期非常短所以酶的定向進(jìn)化技術(shù)目前備受關(guān)注，例如Arnold利用此技術(shù)，在試管中模擬達(dá)爾文進(jìn)化論的關(guān)鍵過程，先進(jìn)行無序突變和重組，繼而進(jìn)行篩選，再通過多代遺傳，就可以篩選到功能大大改進(jìn)的酶。酶或蛋白質(zhì)的定向進(jìn)化技術(shù)是在蛋白質(zhì)定點(diǎn)突變技術(shù)和蛋白質(zhì)分子的三維立體結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)相互結(jié)合和發(fā)展下誕生的，這一技術(shù)適用于對那些結(jié)構(gòu)已被解析的蛋白質(zhì)家族的蛋白質(zhì)或酶。其利用的主要原理有基因嵌合酶、易錯(cuò)PCR及DNA體外隨機(jī)拼接技術(shù)。利用酶的定向進(jìn)化技術(shù)對酶基因進(jìn)行遺傳修飾可能獲得具有特殊性能的突變酶，例如用基因嵌合酶技術(shù)獲得的兒茶酚2,3-雙氧酶不但具有與原酶相同的催化活性和特異性，而且在高溫下更穩(wěn)定；用易錯(cuò)PCR技術(shù)篩選到的一個(gè)枯草芽孢桿菌蛋白酶突變體，催化活性提高了150倍;Stemmer等利用DNA體外隨機(jī)拼接技術(shù)改造8吶酰胺酶，獲得了一個(gè)宿主細(xì)胞對頭孢霉素抗性提高1600倍的突變株。多位點(diǎn)定點(diǎn)突變技術(shù)和酶定向進(jìn)化技術(shù)是當(dāng)今酶工程最集中的研究領(lǐng)域，可以相信將會得到許多性能優(yōu)異的突變酶菌株。化學(xué)修飾酶的化學(xué)修飾是指利用化學(xué)手段將某些化學(xué)物質(zhì)或基團(tuán)結(jié)合到酶分子上，或?qū)⒚阜肿拥哪巢糠謩h除或置換改變酶的理化性質(zhì)，最終達(dá)到改變酶的催化性質(zhì)的目的。目前修飾劑的選用和修飾方法上有較大進(jìn)展：修飾酶的功能基團(tuán)，如氨基、羥基、咪唑基等可離解基團(tuán)；有?；ā⑼榛?、丹磺酰氯法等，如抗白血病藥物天冬酰胺酶經(jīng)修飾后可使其在血漿中的穩(wěn)定性提高數(shù)倍。進(jìn)行酶分子內(nèi)或分子間交聯(lián)，應(yīng)用某些雙功能試劑分子兩端的功能基團(tuán)如醛基等可使酶分子內(nèi)或分子間肽鏈的兩個(gè)游離氨基分別發(fā)生交聯(lián)，主要有右旋糖苷漠化氰法、羰二亞胺法、戊二醛法等。例如交聯(lián)后的人a-半糖苷酶A,其熱穩(wěn)定性和抗蛋白酶的性能都有明顯增加。酶與高分子化合物結(jié)合主要有聚乙烯醇法、聚順丁烯二酸酐法等。酶與高分子化合物結(jié)合后，可以增加酶的穩(wěn)定性和活力。例如抗白血病藥物天冬酰的游離氨作用、?；磻?yīng)進(jìn)行修飾后該酶在血漿中的穩(wěn)定性有很大提高；胰凝乳蛋白酶與水溶性大分子化合物右旋糖苷結(jié)合后，其催化活力提高4倍。常用修飾劑主要有乙酸酐、氮芥類、磷氧酰氯、環(huán)氧丙烷、重氮鹽類、羥胺等。酶生物反應(yīng)器生物反應(yīng)工程學(xué)科是隨著生物技術(shù)的發(fā)展逐步形成的，生物反應(yīng)工程是一門以生物學(xué)，工程學(xué)，計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)等多學(xué)科為基礎(chǔ)研究生物反應(yīng)過程中帶有共性工程技術(shù)問題的交叉學(xué)科，生物反應(yīng)工程以生物反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，將傳遞過程原理、設(shè)備工程學(xué)、過程動態(tài)學(xué)及最優(yōu)化原理等化學(xué)工程學(xué)方法與生物過程方面的知識相結(jié)合，進(jìn)行生物反應(yīng)過程的分析與開發(fā)，以及生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、操作和控制等。而生物反應(yīng)器指的是生物反應(yīng)器是利用生物體所具有的生物功能，在體外或體內(nèi)通過生化反應(yīng)或生物自身的代謝獲得目標(biāo)產(chǎn)物的裝置系統(tǒng)、細(xì)胞、組織器官等等。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)學(xué)、化學(xué)工程學(xué)、化學(xué)工程原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)等進(jìn)行生物反應(yīng)過程研究，使培養(yǎng)操作過程控制更為合理，新的生物反應(yīng)器不斷出現(xiàn)。生物反應(yīng)器的發(fā)展1、以代謝流分析為核心的生物反應(yīng)器

長期來發(fā)酵過程優(yōu)化與放大所依據(jù)的基本思想和方法是采用經(jīng)典動力學(xué)為基礎(chǔ)的最佳工藝控制點(diǎn)為依據(jù)的靜態(tài)操作方法，實(shí)質(zhì)上這只是化學(xué)工程宏觀動力學(xué)概念在發(fā)酵工程上的延伸。隨著過程傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國家生化工程技術(shù)研究中心設(shè)計(jì)了一種用于生物過程多尺度研究的新概念發(fā)酵裝置，該裝置以生物反應(yīng)器中物料流檢測的觀點(diǎn)，具有十四個(gè)以上在線參數(shù)檢測或控制，并集中力量開發(fā)了一個(gè)適應(yīng)多種反應(yīng)器特點(diǎn)，融合多種過程理論和控制理論，便于發(fā)酵過程工藝分析和優(yōu)化操作的軟件包。在鳥苷發(fā)酵過程中，從反應(yīng)器測量參數(shù)上發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞代謝流遷移，由此實(shí)現(xiàn)了過程優(yōu)化。該產(chǎn)品先后成功地在青霉素、紅霉素、飼料金霉素、鏈霉素、黃霉素、泰樂霉素、棒酸、鳥苷、肌苷、基因工程白蛋白、基因工程瘧疾疫苗、基因工程植酸酶、胰島素原（PIPX基因工程必特螺旋霉素等多種產(chǎn)品上發(fā)酵優(yōu)化應(yīng)用取得了大幅提高發(fā)酵單位能力，其優(yōu)化結(jié)果一般可由幾十升發(fā)酵罐直接放大到上百立方的工業(yè)生產(chǎn)發(fā)酵罐。動物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)器研制由于細(xì)菌等原核細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)錄及修飾方面的缺陷，許多重要價(jià)值的蛋白質(zhì)，特別是基因工程藥物、疫苗、抗體等糖基化的需要，使哺乳類動物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)成了一個(gè)更合適的工具，因此，哺乳類動物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)弓|起了大家重視。以哺乳動物大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的生物制藥產(chǎn)業(yè)在美國等西方國家得到了迅速發(fā)展，數(shù)十種產(chǎn)品已進(jìn)入市場，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。國夕卜用于生產(chǎn)的動物細(xì)胞生物反應(yīng)器已趨于大型化（最大到噸級規(guī)模X多參數(shù)與高度自動化的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、以及適應(yīng)動物細(xì)胞對大型環(huán)境因子高敏感性的反應(yīng)器精巧設(shè)計(jì)制造，并形成商品化供應(yīng)用戶。中國自〃七五”至〃八五'’攻關(guān)期間立題開展有關(guān)動物細(xì)胞生物反應(yīng)器研究，取得了較大進(jìn)展，但哺乳類細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)要求高，技術(shù)壁壘大，有關(guān)公司在未能掌握核心技術(shù)的情況下，單憑模擬很難開展工作。抗體等其他細(xì)胞表達(dá)產(chǎn)品，裝藥量大，中國科研單位已經(jīng)掌握的早期生物藥開發(fā)技術(shù)很難應(yīng)用到新型藥物生產(chǎn)工藝上，需要重新摸索；由于細(xì)胞株等上游配套技術(shù)的落后、反應(yīng)器

研制技術(shù)的差距、以及有關(guān)缺乏生化工程的研究等原因，因而缺乏必要的條件去掌握高表達(dá)細(xì)胞株構(gòu)建和大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，難以突破技術(shù)瓶頸，中國有關(guān)動物細(xì)胞生物反應(yīng)器產(chǎn)業(yè)仍近乎空白。帶pH測量與補(bǔ)料控制的搖床一搖床應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)三十年代搖床問世以來，搖床就作為生物反應(yīng)過程中必備的一種專用設(shè)備，用于微生物、動植物細(xì)胞菌種篩選、種子擴(kuò)大培養(yǎng)等。由于搖床設(shè)備的特點(diǎn)，不能實(shí)時(shí)測量培養(yǎng)過程中的有關(guān)參數(shù)以及過程補(bǔ)料控制，因此長期以來一直以搖床的放瓶結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)用來作為諸如菌種生理特性變化、培養(yǎng)基成分的作用以及溫度、pH等環(huán)境條件變化等研究的依據(jù)時(shí)，實(shí)際上是一種缺乏過程研究的靜態(tài)分析方法。這種方法的局限性是很顯然的，例如以這種方法作為菌種選育后技術(shù)時(shí)，傳統(tǒng)搖瓶篩選方法往往缺乏補(bǔ)料或供氧不足，并不一定處于代謝流分配最合理的狀態(tài)，由此將出現(xiàn)嚴(yán)重的高產(chǎn)菌株漏篩現(xiàn)象。因此，國內(nèi)外有關(guān)公司己注意開發(fā)帶pH測量的搖床，并形成產(chǎn)品。生物反應(yīng)器中試系統(tǒng)設(shè)計(jì)對于生產(chǎn)量大的傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)品，為了對已經(jīng)通過前期研究（實(shí)驗(yàn)室研究和市場分析）的產(chǎn)品進(jìn)行過程優(yōu)化研究，在中試規(guī)模上達(dá)到高生產(chǎn)水平或質(zhì)量，并進(jìn)而為車間生產(chǎn)提供工藝放大依據(jù)和設(shè)備設(shè)計(jì)依據(jù)，必要時(shí)還可進(jìn)行小批量生產(chǎn)，提供應(yīng)用試驗(yàn)樣品、或供市場銷售的部分產(chǎn)品。為此，近年來許多有關(guān)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)迫切需要建立一個(gè)多功能的中試發(fā)酵車間。大型生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究

幾十年來隨著發(fā)酵工業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)酵工程趨向設(shè)備大型化、高效和自動化。以傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)品來說，一些氨基酸、抗生素或發(fā)酵輕化工產(chǎn)品都在幾十到幾百M(fèi)3以上發(fā)展，一些原來是小規(guī)模發(fā)酵罐的老廠搬遷新廠區(qū)，發(fā)酵罐的規(guī)模也普遍要求放大。基因工程產(chǎn)品一般附加值高，不需要大型生物反應(yīng)器，但近年來隨著基因工程酶生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，如基因工程植酸酶的研究成功，又由于飼料添加劑的需求量大，用于基因工程高密度高表達(dá)的大型生物反應(yīng)器研制已勢在必行。酶工程的發(fā)展日新月異，現(xiàn)舉幾個(gè)例子更加形象地說明酶工程地應(yīng)用：酶工程在污染處理中的作用：可利用過氧化物酶和聚酚氧化酶處理含酚廢水和造紙廢水，如辣根過氧化物酶，木質(zhì)素過氧化物酶，植物來源的過氧化物酶；酪氨酸酶，漆酶等；可利用氰化物酶和氰化物水合酶處理含氰廢水；利用蛋白酶，淀粉酶處理食品加工廢水；并且，可以通過設(shè)計(jì)復(fù)合代謝途徑，拓寬氧化酶的專一性等基因工程的運(yùn)用，提高微生物的降解速率拓寬底物的專一性維持低濃度下的代謝活性改善有機(jī)污染物降解過程中的生物催化穩(wěn)定性等。酶在廢物處理及資源化過程中正在發(fā)揮重要作用，利用基因工程和蛋白質(zhì)工程擴(kuò)展酶的代謝途經(jīng)，是治理難降解有毒污染物的重要方法。酶工程在農(nóng)產(chǎn)品加工上的應(yīng)用：隨著研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)經(jīng)消化道中的酶水解后，主要以小肽的形式吸收，比完全游離的氨基酸更易吸收利用，于是采用酶工程技術(shù)用蛋白質(zhì)生產(chǎn)生物活性肽成了一種新思路?；钚噪木哂卸喾N人體代謝和生理調(diào)節(jié)功能，易消化吸收，有促進(jìn)免疫、激素調(diào)節(jié)、抗菌、抗病毒、降血壓、降血脂等作用，且食用安全性高。生物活性肽主要是通過酶法降解蛋白質(zhì)而制得。用大豆生產(chǎn)大豆多肽；大豆多肽具有降低膽固醇、降血壓和促進(jìn)脂肪代謝、活化雙歧桿菌等生理功能以及無豆腥味、易溶于水、流動性好等良好的加工性能，可作為優(yōu)良的保健食品素材。目前酶水解法是生產(chǎn)大豆蛋白肽的主要方法。用玉米生產(chǎn)玉米多肽。玉米多肽主要來自玉米蛋白的水解產(chǎn)物，是由分子量很小但活性很高的短肽分子組成。玉米多肽易消化、吸收，具有消除疲勞、抗高血壓和醒酒的功能，可用于功能食品的開發(fā)。制備玉米多肽通常采用的方法有酸堿降解法、微生物降解法和酶解法。用水產(chǎn)蛋白生產(chǎn)降血壓肽。利用酶工程技術(shù)從魚、蝦蛋白中酶解制取了降血壓肽，可抑制血管緊張素轉(zhuǎn)移酶活性，從而起到降低血壓作用。如用金槍魚蛋白制取的^8肽，用沙丁魚蛋白制取的C11肽，用南極磷蝦蛋白制取的C3肽。另外，人們利用谷蛋白酶解制取了類嗎啡肽，該肽具有鎮(zhèn)痛和促進(jìn)胰島素分泌等功能；利用卵蛋白酶解制取了具有提高免疫調(diào)節(jié)功能的卵白肽等。酶工程在飼料工業(yè)中的應(yīng)用運(yùn)用酶技術(shù)可以獲得大批量的飼用酶；利用酶的催化作用，可以將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化為有用的飼料添加劑。飼用酶的作用主要有三個(gè)方面:一是補(bǔ)充動物自身消化酶分泌的不足，防止生產(chǎn)性能下降；二是添加動物體內(nèi)缺乏的植物細(xì)胞壁物質(zhì)分解酶和植酸酶等，擴(kuò)大動物對飼料養(yǎng)分的利用范圍，提高對非常規(guī)飼料的利用率；三是提高營養(yǎng)物質(zhì)特別是氮和磷的消化利用，可以有效地減少飼料成分大量排放造成的養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境污染。應(yīng)用于飼料中的酶有淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶、脂肪酶及植酸酶等。由于酶的有效生物性，它在飼料工業(yè)中的應(yīng)用越來越多，國內(nèi)外已有專業(yè)生產(chǎn)飼料酶的企業(yè)，飼料酶在飼料添加劑中所占的份額越來越大。隨著科技的發(fā)展，基因工程酶、固定化酶等將以量大、成本低、活性高等優(yōu)勢，越來越被飼料廠和養(yǎng)殖戶所應(yīng)用，在飼料工業(yè)中將發(fā)揮更大的作用。酶工程在食品領(lǐng)域的應(yīng)用酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有高效催化功能、高度專一性和高度受控性的一類特殊蛋白質(zhì)。其催化作用的條件非常溫和，可在常溫、常壓下進(jìn)行；又有可調(diào)控性，因而食品工業(yè)是應(yīng)用酶工程技術(shù)最早和最廣泛的行業(yè)。近年來由于固定化細(xì)胞技術(shù)、固定化酶反應(yīng)器的推廣應(yīng)用，促進(jìn)了食品新產(chǎn)品的開發(fā)產(chǎn)品品種增加，質(zhì)量提高，成本下降，為食品工業(yè)帶來了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。固定化葡萄糖異構(gòu)酶在高果糖漿生產(chǎn)中的應(yīng)用;利用固定化酶用于水解牛奶中的乳糖，從而促進(jìn)人體對乳糖的分解吸收，防止腹瀉以及腹痛的發(fā)生；果蔬加工中的應(yīng)用。隨著人們對天然健康食品的不斷需求近年來，采用果膠酶和其他的酶（如纖維素酶等）處理可以大大提高出汁率簡化工藝步驟，并且可制得透明澄清的蔬菜汁。焙烤食品中的應(yīng)用。酶在烘烤食品方面可以增大面包體積改善面包表皮色澤，改良面粉質(zhì)量，延緩陳變，提高柔軟度，延長保存期限。脂肪氧化酶添加于面粉中，可以使面粉中的不飽和脂肪酸氧化，同胡蘿卜素發(fā)生共扼氧化作用而將面粉漂白。食品保鮮方面的應(yīng)用。生物酶用于食品保鮮主要就是制造一種有利食品保質(zhì)的環(huán)境，它主要根據(jù)不同食品所含的酶和種類，而選用不同的生物酶，使食品所含的不利食品保質(zhì)的酶受到抑制或降低其反應(yīng)速度，從而達(dá)到保鮮的目的。例如葡萄糖氧化酶加在瓶裝飲料中，吸去瓶頸空隙中氧而延長保鮮期;溶菌酶對革蘭氏陽性菌有較強(qiáng)的溶菌作用，用于肉制品、干酪、水產(chǎn)品等的保鮮；細(xì)胞壁溶解酶可消除某些微生物的繁殖已被用作代替有害人體健康的化學(xué)防腐劑，對食品進(jìn)行保鮮儲藏。酶工程在中藥有效成分提取及轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用隨著中藥現(xiàn)代化的發(fā)展，一些高新技術(shù)已應(yīng)用于有效成分的提取與分離，并取得了顯著成效。尤其是酶工程技術(shù)，具有反應(yīng)特異性高、條件溫和且易于控制等優(yōu)點(diǎn)。中藥中很多高活性成分屬于痕量物質(zhì)，而其生理活性與結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。通過酶催化反應(yīng)，也可能使一些較低或無生理活性的成分結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，成為高活性分子，從而大幅提高提取物的生理活性及應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)工業(yè)化生產(chǎn)。酶工程在中藥提取中的應(yīng)用；用于中藥有效成分的提取。選用恰當(dāng)?shù)拿?，無需高溫即可將影響液體制劑的雜質(zhì)如淀粉、蛋白質(zhì)、果膠等分解去除，較溫和地分解植物組織，加速有效成分的釋放提取，也可促使某些水溶性不好的成分轉(zhuǎn)化為糖苷等易溶于水的成分，有利于提取，生物催化活性專用于提取液的精制；例如針對中藥水提液中所含的雜質(zhì)類型，采用相應(yīng)酶將其降解為小分子物質(zhì)或分解除去，可解決上述問題，并改善中藥口服液、藥酒等液體制劑的澄清度，提高成品質(zhì)量。酶工程在中藥活性成分轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用高含量的中藥成分轉(zhuǎn)化成微量的有效活性成分，例如采用皂苷酶處理人參中常見組分Rb、Rc、Rd等二醇類皂苷生產(chǎn)Rh2等稀有皂苷。酶處理生產(chǎn)Rh