超声波在生物发酵工程中的应用2005-11-26

由于发酵技术对环境的污染小、生产效率高,在轻工、化工和食品工业等领域广泛应用。随着发酵技术在轻化工和食品等行业应用的不断深入和拓展,对发酵技术本身的要求也越来越高。

一是传统的发酵工艺已越来越难以满足现代生物发酵工程的需要,迫使人们不断利用相关学科最新的科研成果来改进发酵工艺。迄今,一些物理量如光、电、热、磁等对发酵过程生物学特性(如酶的活性等)的影响,人们已进行了一定的研究且取得了不少成果.近年来由于功率超声设备的普及和发展,超声波对发酵过程的影响正引起人们强烈的兴趣和高度的重视.研究表明:合适强度的超声波作用于发酵液,可增加细胞膜的通透性和选择性,促进酶的分泌,增强细胞的代谢过程,从而缩短发酵时间,改善生物反应条件,提高生物产品的质量和产量.由于国内生物反应设备研究和开发的滞后已严重影响生物技术的进一步发展,故利用生化工程的方法,结合声、光、磁等手段研究新型生物反应器和专用设备,籍以提高生物反应的效率,对我国生化工程领域的发展尤显重要.

二是目前对发酵过程参数的在线检测还缺乏有效的手段,这在一定程度上限制了人们对发酵过程动态特性的了解,也阻止了发酵技术的进一步发展。目前发酵过程中的一些物理化学参数,如罐压、流量、温度、pH值、溶氧等均可在线测量;而一些生化过程参数,如基质浓度、发酵产物的浓度、发酵液的粘度等仍较难实现在线测量。究其原因,主要是缺乏合适的在线测量传感器。近年来利用酶电极和光电技术已取得了一些成果,但在实际应用中仍存在较多问题。利用超声技术对发酵液的浓度和粘度进行动态测量,不仅可以对发酵过程参数进行实时监控,而且可进一步研究发酵过程的动力学机制及发酵液的流变特性,进而科学地指导生物反应器内部结构的设计优化,因此具有重要的理论意义和实际意义。

1.超声波作用于生物发酵工程的机理

应用于生物发酵工程的超声波可分为功率超声波和检测超声波,功率超声波主要用于改进发酵工艺或改善发酵过程,其作用机制分为热作用、空化作用和机械传质作用,作用的强弱与超声波的频率及强度等有关。热作用是超声波在介质内传播过程中,其能量不断地被传播介质吸收而使介质的温度升高的一种现象。在生物发酵工程中超声热作用可用于杀菌或使酶失活。空化作用是超声波在介质中传播时,液体中分子的平均距离随着分子的振动而变化,当其超过保持液体作用的临界分子间距,即形成空化.超声波空化分稳态空化(声强<10Ｗ/cm2)和瞬态空化(声强>10Ｗ/cm2)两种.瞬态空化绝热收缩至膨胀瞬间,泡内可产生高温高压(5000K,50MPa),可破坏细胞结构或破碎细胞,使酶失活;稳态空化可使酶或细胞颗粒受到微声流产生的切应力作用。在生物发酵工程中,这一过程主要发生在界面层、膜或细胞壁附近及细胞液内。机械传质作用是超声波在介质中传播时,可使介质质点进入振动状态,加速发酵液的质量传递,这一过程可发生在细胞壁附近或细胞内,超声波可增强细胞膜及细胞壁的质量传递,进而提高发酵过程的反应速度,促进生物传质作用。

此外,微弱声波在液体介质中传播时,其传播特性(声速、传播衰减、辐射阻抗等)受介质性质的影响。因此,只要测得某一温度下液体的声速,即可求出液体浓度。在生物发酵工程中利用超声波检测技术可实现某些发酵过程参数的在线非接触测量。

2.超声波在生物发酵工程中的应用

2.1功率超声波的应用

2.1.1超声波应用于发酵工程上游技术

基因工程是在基因水平上的遗传工程,即用人工方法把所需的某一供体生物的遗传物质(DNA)提取出来,在离体条件下剪切后,把它和载体的DNA分子连接起来,然后导入某一受体细胞内,外来的遗传物质在受体内进行复制和表达,从而获得新品种。超声波的空化作用,可能导致空泡周围细胞的细胞壁和质膜的击穿或可逆的质膜透性改变,使细胞内外发生物质交换,将外源基因导入细胞中,这种方法称之为超声波诱导基因转移法。Joer**o等[1]利用这种方法将外源基因导入植物组织及原生质体内,获得了极高的稳定转化率。许宁等[2]1990年首次在国际上提出应用超声波诱导植物细胞基因转移的方法,