大規模酵素 生產工藝
永鴻國際生技研究發展處譚榮闓
酵素（Enzyme)，又稱催化劑或酶，主要功能在於催化化學反應，增加反應速率．自1878年德國生理學家 Wilhelm Friedrich Kühne首次提出“酶”這一概念，酵素在生物醫學、化學等科學領域，或是食品工業、畜牧業等日常領域，都扮演重要的角色，也一直是科學家研究的重點．然而除實驗室內的小規模科學研究外，如何大規模生產高活性且價格具競爭力的酵素，也是化學工程師一直努力的目標。
酵素屬於高單價產品，所以要打造在市場具競爭力的產品，成功的大規模生產才能有效降低開發成本。酵素的天然來源，絕大部分是由微生物生產而來，也就是醱酵工程“製程放大”技術。醱酵製程放大技術往往因為菌種或最終產品規格需求不同而有不同，製程設備上的差異，也往往南轅北轍．且製程放大屬於各家公司的機密，公開資料非常少．然而，還是有可以遵循的“經驗法則”。以下即為製程中各階段的簡要說明分析與其注意事項。
一、菌種選擇：找到適當且生產具經濟效益的菌種為第一步。有些菌種在實驗室培養很順利，然而當批量放大數百倍甚至數千倍後，其在實驗室可忽略的，所需要的生長環境參數、昂貴的培養基成份，都會隨之放大數百數千倍，造成生產成本上的大幅增加。所以在培養基最佳化設計時，就必須考慮盡量避免使用昂貴且難取得培養基原料。另，由於法規面的限制，生產菌株需挑選已經過FDA所認證的GRAS (Generally Recognized As Safe) 安全菌種，如此可避免在產品送審時需提供眾多的安全性試驗報告。
二、醱酵批量放大：這部分貢獻總產品生產成本的30%左右。因此，要讓產品成本下降，提升生產批量是第一步。以飼料添加劑酵素目前市場面來說，要讓產品價格具競爭力，至少槽體工作體積必須要達到噸級以上。如前所述，小規模醱酵時，在實驗室可忽略或易達到的生產環境，在批量放大時大多必須重新加入考量，如好氧菌的氧氣傳送速率、高黏度培養基的攪拌均勻度、饋料所需的槽體設備搭配、不同產品間的清潔滅菌確效等，皆是這階段的成敗關鍵。當批量放大時，醱酵培養通常是階梯式逐步接種放大，所以若忽略了槽體間管線滅菌的成效，就容易導致汙染敗槽的風險。因此，在建廠初期，設計良善的工廠，會盡量避免管線過長或彎折過多。大槽醱酵另一常常需克服的是氧氣傳送速率的控制，特別是好氧菌或是有菌絲的真菌類，就必須考慮通氣、攪拌、剪切力三者間的平衡。
三、純化回收：此階段的生產成本可達總成本的50%。前述提到，因為最終產品規格的不同，造成此階段的製程必須因應產品而改變。這表示，不同的產品，其生產成本會因為所需之純化回收設備不同，而有大幅增加可能。因此純化回收是屬於設備先決的階段。此階段又可再細分為三個步驟，
(1)固液分離：純化回收的第一步往往是固液分離，也就是將菌體去除，得到含有胞外物質的醱酵液。一般固液分離不外乎過濾或離心製程，各有優缺點。以一般工業界常看到的板框過濾來說，易操作，設備成本低，但是是屬於非連續式的製程，必須以助濾劑鋪板、入料、下料濾餅，再重新以助濾劑鋪板，入料。如此反覆操作，對於菌體濃度高的產品，或是黏度高的醱酵液來說，操作及人工生產成本會大幅度的增加。另一種方式是選用高速離心機。離心機可以連續操作，節省人工成本，對於菌體濃度高的製程很有幫助。然而，離心機的選擇需考量離心力是否可以達到欲設定的固液分離的標準。且高速離心力機價格昂貴，甚至在某些情況下，還需考慮是否有防爆功能，因此設備成本會比板框製程來得高。
(2)濃縮：一般酵素產品最終的劑型是粉體，所以在最後的乾燥製程前，醱酵液會經過適當的濃縮，以大幅提高固形物濃度，使後續的乾燥製程能順利進行。一般是使用真空濃縮機，這階段必須考量設備的真空度是否足夠。真空度不夠，濃縮時間勢必拉長，增加生產成本；此外，因為酵素在高溫下會有失活(deactivation)的風險，所以操作溫度也不能太高，故真空度和溫度的拿捏，是工程師必須考量的地方。加上醱酵製程絕大部分是水系統，要在短時間內濃縮掉大量的水，會是這階段的關鍵。
(3)乾燥：若是粉劑型，濃縮後的醱酵液必須乾燥。經過濃縮後的醱酵液，到此階段也還有數噸之多，所以降低乾燥時間會是第一考量。一般乾燥設備有兩大類，噴霧乾燥和冷凍乾燥。噴霧乾燥的最大優勢是，處理批量大，每小時可以處理500~800L的醱酵液，而且可以連續式操作。不過由於噴霧乾燥是屬於高溫乾燥，所以需考慮產品的耐熱度，避免產品在此階段達到降低水分的目低，但也犧牲了活性。也因此有些製程會考慮用冷凍乾燥，可以在不破壞產品活性的情況下，達成乾燥目的。不過，大型冷凍乾燥機設備成本非常高，又高耗能，且屬於批次操作，會大幅增加人工和設備成本，因此，若最終產品屬於高單價商品，冷凍乾燥才會是個可行的選擇。
(4)混合：有些產品最後還會再和賦形劑或載體做混合，這部分技術較簡單，大型混合機投資費用也較前述各階段成本低，惟需注意的是設備的清潔確效。混合機設備死角較多，在不同產品間的排製生產，需考慮交叉污染的風險。
大批量酵素生產不僅是一門技術，也可以是一門藝術，因為菌種和酵素種類的不同，所以造成製程上和設備選擇的多樣性，加上專利文獻資訊上不公開，所以很多有潛力的產品，在實驗室開發完成後就胎死腹中，實為可惜。顯而易見的，掌握了製程放大技術，也掌握了產品上市與否成敗的關鍵。然而成功的大槽生產，往往是經驗的累積，無法以一通則來套用所有產品。故實際生產還是需視產品性質及規格而定，而作策略性製程設計。
