溫和壓力提高生物轉(zhuǎn)化效率技術(shù)研究

【科研成果簡(jiǎn)介】

溫和壓力提高生物轉(zhuǎn)化效率技術(shù)研究

生物轉(zhuǎn)化是指利用全細(xì)胞或提取酶作為催化劑將底物轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物的過程．與傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法相比，生物轉(zhuǎn)化的方法可以在低污染、低能耗、高特異性的條件下進(jìn)行，它可以替換多步化學(xué)反應(yīng)成一步酶催化反應(yīng)或是引入化合物結(jié)構(gòu)的多樣性，所以目前廣泛應(yīng)用于有機(jī)溶劑、聚合物材料、醫(yī)藥工業(yè)中間體、有機(jī)化學(xué)光學(xué)對(duì)映體、抗生素、維生素等重要工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)中．如何提高生物轉(zhuǎn)化效率是目前工業(yè)生物催化研究的重要課題之一．

目前多相生物轉(zhuǎn)化中普遍存在基質(zhì)不溶于水相或多相酶促反應(yīng)效率不高的問題．微生物發(fā)酵過程中壓力通常恒定不變，發(fā)酵罐壓一般控制在0.01～0.05 MPa．當(dāng)基質(zhì)難溶于反應(yīng)液中或者生物反應(yīng)過程為多相反應(yīng)體系時(shí)，生物催化劑在水相，基質(zhì)僅溶于有機(jī)相，生物反應(yīng)在水與有機(jī)相兩相界面上進(jìn)行，可否通過提高壓力增加生物轉(zhuǎn)化效率是研究人員較關(guān)心的問題．如果適度地提高發(fā)酵壓力，設(shè)備投入和提高壓力所增加的總費(fèi)用小于提高生產(chǎn)所獲效益，加壓生物反應(yīng)將是可行和有意義的．

當(dāng)前，對(duì)壓力與微生物活性之間相互關(guān)系的研究及其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并不多，特別是壓力如何影響菌體活力．已有壓力與微生物之間關(guān)系的研究可分為三類：①高壓殺菌，即利用高壓殺滅微生物，主要用于食品的冷殺菌，以最大限度地減少由于熱殺菌造成的營(yíng)養(yǎng)損失；②超臨界相態(tài)下酶的催化反應(yīng)，其目的是通過提高兩相界面或傳質(zhì)速率以提高酶促反應(yīng)速率；③極端條件下超高壓微生物的研究，主要是針對(duì)海洋微生物中深海微生物的研究．溫和壓力(0.5～1.0 MPa)下微生物活性變化和超臨界相態(tài)下微生物活性的變化一直未引起人們的重視，其原因是：一般微生物發(fā)酵過程中罐的絕對(duì)壓力為0.1～0.15 MPa，現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備不能滿足溫和壓力及更高壓力的要求；人們通常認(rèn)為高壓一定是殺菌．特別是后一種觀點(diǎn)為工業(yè)微生物或食品生物技術(shù)領(lǐng)域普遍接受．

天津科技大學(xué)賈士儒教授在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和天津市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的支持下，進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性工作，研發(fā)出一種具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微生物加壓發(fā)酵技術(shù)．該技術(shù)具有利用壓力加快反應(yīng)速率、對(duì)生物無熱源影響和提高物質(zhì)溶解性等優(yōu)點(diǎn)，可顯著提高微生物反應(yīng)或酶促反應(yīng)效率．由于其采用分段溫和壓力提高生物反應(yīng)效率，不僅減少了壓力生物反應(yīng)所需設(shè)備的投入費(fèi)用，同時(shí)也確保了工藝路線簡(jiǎn)化、可靠．針對(duì)不同微生物菌株，采用相應(yīng)的加壓發(fā)酵工藝可明顯提高發(fā)酵產(chǎn)物得率：①當(dāng)發(fā)酵產(chǎn)物為微生物菌株的“應(yīng)激”產(chǎn)物時(shí)，加壓發(fā)酵有利于刺激相應(yīng)產(chǎn)物的過量生成．例如，采用該技術(shù)可使酵母菌海藻糖產(chǎn)量提高10%．②當(dāng)發(fā)酵產(chǎn)物為微生物細(xì)胞的胞內(nèi)產(chǎn)物時(shí)，加壓發(fā)酵不僅有利于產(chǎn)物的合成，而且有利于產(chǎn)物的提取與精制．③當(dāng)發(fā)酵產(chǎn)物為初級(jí)代謝產(chǎn)物時(shí)，加壓發(fā)酵有利于加快產(chǎn)物的合成．例如，谷氨酸加壓發(fā)酵可以提高產(chǎn)酸5%．④在生物轉(zhuǎn)化過程中，加壓操作可以提高轉(zhuǎn)化酶的活力，提高生物轉(zhuǎn)化率．例如，采用加壓轉(zhuǎn)化，氫化可的松轉(zhuǎn)化率可提高10%，鳥苷加壓發(fā)酵的收率較對(duì)照提高約10%．

加壓發(fā)酵技術(shù)不僅適用于新建廠，現(xiàn)有發(fā)酵工廠經(jīng)過簡(jiǎn)單的技術(shù)改造也可以采用．以新建廠為例，發(fā)酵罐系統(tǒng)的投資僅提高30%左右．對(duì)于現(xiàn)有發(fā)酵工廠，以氫化可的松的生產(chǎn)為例，采用新工藝只需增加一臺(tái)加壓生物轉(zhuǎn)化罐及附屬設(shè)備，其設(shè)備投資約為原發(fā)酵設(shè)備的一倍；以5噸罐為例，每罐可增效益1,000元以上．因此，該項(xiàng)技術(shù)具有推廣應(yīng)用的價(jià)值，采用加壓發(fā)酵技術(shù)將會(huì)極大地促進(jìn)我國(guó)生物工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步．

賈士儒教授研發(fā)的加壓發(fā)酵技術(shù)已申請(qǐng)多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，研究成果為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并獲得天津市技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)．該成果為工業(yè)微生物在溫和壓力下的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為選育耐壓微生物菌株提供了一定的理論依據(jù)；同時(shí)，由于建立一種新的生物反應(yīng)方法——加壓生物轉(zhuǎn)化法，必將有利于擴(kuò)大微生物資源的應(yīng)用領(lǐng)域和提高生物加工工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益．

溫和壓力提高生物轉(zhuǎn)化效率技術(shù)研究現(xiàn)在仍然是前沿領(lǐng)域，未來還有很多的理論和技術(shù)問題需要研究者不斷地探索突破，為我國(guó)生物轉(zhuǎn)化和微生物發(fā)酵的相關(guān)理論和技術(shù)創(chuàng)新提供重要支撐．

供稿：生物工程學(xué)院 韓培培 譚之磊