溫和壓力提高生物轉(zhuǎn)化效率技術(shù)研究

【科研成果簡介】

溫和壓力提高生物轉(zhuǎn)化效率技術(shù)研究

生物轉(zhuǎn)化是指利用全細胞或提取酶作為催化劑將底物轉(zhuǎn)化成目標產(chǎn)物的過程．與傳統(tǒng)的化學合成方法相比，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行，它可以替換多步化學反應(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)用于有機溶劑、聚合物材料、醫(yī)藥工業(yè)中間體、有機化學光學對映體、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，生物催化劑在水相，基質(zhì)僅溶于有機相，生物反應(yīng)在水與有機相兩相界面上進行，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．

當前，對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；人們通常認為高壓一定是殺菌．特別是后一種觀點為工業(yè)微生物或食品生物技術(shù)領(lǐng)域普遍接受．

天津科技大學賈士儒教授在國家自然科學基金委員會和天津市科學技術(shù)委員會的支持下，進行了大量的基礎(chǔ)性工作，研發(fā)出一種具有獨立自主知識產(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、對生物無熱源影響和提高物質(zhì)溶解性等優(yōu)點，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)備的投入費用，同時也確保了工藝路線簡化、可靠．針對不同微生物菌株，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當發(fā)酵產(chǎn)物為微生物菌株的“應(yīng)激”產(chǎn)物時，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當發(fā)酵產(chǎn)物為微生物細胞的胞內(nèi)產(chǎn)物時，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當發(fā)酵產(chǎn)物為初級代謝產(chǎn)物時，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，該項技術(shù)具有推廣應(yīng)用的價值，采用加壓發(fā)酵技術(shù)將會極大地促進我國生物工業(yè)的技術(shù)進步．

賈士儒教授研發(fā)的加壓發(fā)酵技術(shù)已申請多項國家發(fā)明專利，研究成果為國內(nèi)外首創(chuàng)，達到國際先進水平，并獲得天津市技術(shù)發(fā)明二等獎．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，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：生物工程學院 韓培培 譚之磊