超聲波在生物發酵工程中的應用

【摘要】近些年來，人們對于生物發酵技術的需求越來越大，超聲波近年來隨著社會的發展，技術在不斷進步，研究發現，將超聲波技術利用到微生物的發酵工程中去可以改善其缺陷，提高生物發酵的生產質量和效率。本文主要講述的是超聲波在生物發酵過程中是如何發揮作用的，同時也詳細講述了這種技術具體的應用。

【關鍵詞】超聲波技術；生物發酵；應用

我們知道，生物發酵技術擁有眾多好處----對環境危害小、生產效率高，尤其是早些年，社會在快速發展的同時忽略了人類對自然環境產生的極大危害，雖然目前有了很多改進，但是仍然效果甚微，因為一些技術在使用過程中本身就會對環境造成影響，但是其他技術的替代卻不能生產出好產品，全世界的人們都在被困擾著。理論研究表明，利用一定強度的超聲波處理過發酵液，就可以改善發酵的菌體本身生物膜的選擇性和通透性，那么，這便會促進物質跨膜傳輸物質，之后菌體細胞的新陳代謝能夠被強化，反應條件變得優質，發酵工程的生產周期縮短，也就可以進一步提高產品的生產效率和生產質量。不僅如此，超聲波技術的引入還可以對發酵過程中所用發酵溶液的溶液基質濃度和流變學特征等參數進行實時監測，這不僅對發酵過程中的變化機制以及發酵溶液的流變學特征可以進行系統分析與研究，也對微生物發酵的反應器結構設計有更現實的意義。

一、將超聲波在生物發酵過程中的機制

超聲波根據頻率的不同可以分為功率超聲波、診斷超聲波以及高頻超聲波，這其中能被發酵工程利用的是功率超聲波和診斷超聲波。診斷超聲波可以在發酵工程中對于前文所提及參數的實時監測中起作用，而功率超聲波面向的是生物發酵過程中的發酵技術和工藝以及提升發酵過程，而超聲波的頻率與強度就可以直接影響到發酵作用的強弱。

發揮作用的超聲波中，功率超聲波擁有熱作用、機械傳質作用和空化作用三中作用機制。那么熱作用是如何在其過程中發揮功能呢？熱作用，我們知道是肯定需要介質傳播的，同時能量不斷被吸收從而能使其溫度升高。在平時生活中我們也知道高溫和熱效應可以殺菌消毒，這里也是相同的機理，在功率超聲波中的熱作用也是起到這種作用，高溫就會使作用酶失去活性。

二、超聲波在其過程中的具體應用

1、超聲波在基因育種工程中

基因育種是生物學經常會使用到的技術，它是利用基因工程的技術支持，把具有特定功能的或者是按照人們需求而設計的DNA分子導入以受體細胞中，使DNA進行表達，進而獲取具有特定性狀的菌體的技術。隨著技術和需求的不斷提高，傳統的轉化方式已經不能夠保證基因工程快速有效的發展，阻礙樂其技術發展，而根據研究發現，超聲波技術能夠使細胞膜與細胞液之間產生可逆的通透性變化，甚至是可以把細胞膜與細胞質擊穿，然而這種現象卻可以使物質交換沒有那么多障礙。簡而言之，超聲波技術可以加快物質的傳播，能夠提高物質傳播速度，那么將DNA分子導入宿主細胞就會變得容易，這個也就是我們常說的利用超聲波誘導基因轉化法。

目前為止已經有很多多內外研究人士利用此項轉化法取得實驗的成功，Joersbo團隊利用此法將基因導入了植物細胞中，發現了轉化率的明顯提升。而國內的許寧團隊先后在植物細胞和哺乳動物細胞中實現了基因的有效轉移，在此過程中，他們還研究制作了超聲波誘導基因轉化儀。除此之外，在國內還有很多研究人員在此種方法的基礎上伸展出了更有效的遺傳育種方法。

2、超聲波在發酵過程的中游

研究表明，利用低超聲波產生空化作用可以使生物膜變薄，使細胞質中的粒子運動加快，同時傳質作用得到加強，繼而使生物生產反映速度加快，提高生產效率。同樣， 在合適強度的超聲波條件下，細胞體內會產生一系列的運動，如胞內細胞質的旋轉、渦流以及微流等運動，這種情況的運動可以使細胞膜和細胞壁擊穿，促進細胞的物質代謝。

當然，這種利用超聲波在中游發酵過程中的實例也很多。相對來說，國外在這方面開展的比較早，Mastsuura團隊研究的是關于葡萄酒發酵過程中超聲波的影響，經過反復試驗發現，利用超聲波輻射過的清酒和葡萄酒中氨基酸含量相對較少，這就會大大增加酒的香醇口感，提高所產酒的質量；Jackson團隊研究的是超聲波對于淀粉的水溶性影響，發現了淀粉的溶解度其實可以通過超聲波而得到提高；同時還有Thomas團隊在超聲波對牛奶發酵中的研究，表明超聲波的引入可以使牛奶乳糖的水解更徹底，提高了細胞活性。國內雖然在這種應用方面的研究較小，但也有不小的成就和進步，就比如，中科院黃瓜冶金部門研究所研究了將超聲波引入青霉素的發酵過程中，結果表明，利用超聲波技術可以將青霉素的產量提高10%以上，這確實是一項令人驕傲的研究；還有高大維團隊在啤酒發酵過程中加入超聲波輻射，研究其影響，結果也是起到促進作用的。

3、超聲波在發酵工程中的下游分離提取

經過了上游基因工程和中游發酵過程，接下來就是發酵過后產物的分離和提取了，而目前最常用的的就是過濾以及離心，但傳統的方法在線操作是很難得，而且過濾也需要通過很多膜，這就會引發過濾膜的堵塞，因此為分離和提取工作增加了很多難度，同時，生產成本也大大提高，造成資源的浪費。事實上，利用超聲波的方法進行過濾就會好很多，首先，超聲過濾不需要各種各樣的膜，沒有機械地零件；其次，超聲過濾可以使菌體細胞懸浮于液體之中，這就不會造成阻塞了，同時也降低了成本，需要動手更換膜等的步驟就沒有必要；再者，超聲波過濾還可以使菌體細胞在過濾時聚集起來，過濾速度會加快，降低了難度。

4、超聲波在在線診斷中

實驗表明，強度較小的超聲波由于能量較小，那么，它在溶液介質中傳播是，就不能夠對發酵溶液中的酶和細胞產生生物化學變化，相反，發酵液的部分參數，如發酵液的產物以及濃度、發酵液粘度等的不同卻會影響到超聲波的有效傳輸。然而，發酵液的這些物理參數的不同之是不容易檢測到的，所以說，我們可以根據超聲波的變化間接地檢測到生物發酵液的參數變化情況。這一項應用方面的研究目前也有很多工作者正在進行中，例如：Endo團隊利用這種方法對發酵液的濃度和粘度進行實時診斷；Cowan團隊還通過聲板傳播器對大腸桿菌的濃度進行了監測。

三、總結

綜合上文的詳細介紹，超聲波技術在微生物發酵工程中的應用是非常廣泛的，種類眾多，并且將超聲波技術引入生物發酵工程中也讓生物發酵變得更加快速有效。當然，不同強度和頻率的超聲波對其產生的作用影響也是不一樣的，那么適度的超聲波也就可以做到極大程度上的加快發酵生產效率，提高產品質量，縮短生產時間，更加節省人力物力等。這就要求我們不斷地實踐不斷地努力，要保證上述優勢的發揮，就必須要對提升的條件進行合理的選擇和處理，如果不能做到有效，那么就可能產生物極必反的效果，這也是我們不希望看到的

雖然超聲波的應用會提升生物發酵的效率，而許許多多的人員也進行了相關方向的研究，但是總體上超聲波相關設備如反應設備和生物傳感設備等的開發還是大片空缺的。如果我國能夠在利用超聲波技術的同時，加以結合其它先進科技，必然會實現生物發酵工程的更深遠的發展和進步。

參考文獻：

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