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活细胞催化剂

[拼音]:huoxibao cuihuaji

[外文]:livingcell catalyst

一类用于生物反应过程的生物催化剂。目前,工业上用作活细胞催化剂的几乎都是活体微生物细胞。这些微生物可统称工业微生物,包括多种细菌、放线菌、酵母菌、霉菌等,由它们所催化的生物反应过程称发酵过程。与由酶催化剂进行的简单酶反应过程不同,活体微生物细胞含有多样维持其生命活动和特殊功能的酶系统,能适用于多种由若干串联反应所组成的复杂反应过程,且无需另行考虑辅酶再生问题。它的另一特点是只需在发酵开始时,往发酵罐中接入少量菌种培养液或孢子悬浮液,就能在发酵前期,也即菌体生长阶段形成大量所需的生物催化剂,而不必将菌体所产生的酶提取后再用作生物催化剂。正因其简便易得,经济实用而被广泛采用,但其缺点是反应途径较难控制,发酵终了时,副产物及菌体自溶物较多,给产品分离带来困难。

来源

微生物由于其种类繁多,作用各异,在自然界分布极广,在土壤、水域、腐败物以及其他生物体内广泛存在。微生物个体虽小,但它是一个能在特殊条件下生活及具有某些特性的独立的生命体,有完整的酶系统,代谢能力和繁殖能力都很强,对环境有很大的适应性,对营养要求一般不高,因此通过人工大量培养,远较从动植物细胞易于获得。微生物还有易于改变遗传性能,包括改变其对环境适应性,代谢途径等性能的特点,且可利用重组DNA技术及细胞融合技术对生产菌种作更深入的改造,因此是一种理想的活细胞催化剂。

要从自然环境中将需要的微生物分离出来,并使之能成为生产菌种,是十分艰苦复杂的工作。首先要从土壤、腐败物等各种微生物群集的采样中进行纯种分离,获得各种单一的微生物菌落(即单一微生物在固体培养基表面上形成的集落)。然后,用事先设计好的筛选方法,把所需要的具有特殊性能的微生物筛选出来。初步获得的菌种还需要经过一系列的性能测定和分类鉴别工作。为了提高其生产能力和进行性能改造,还需要进行遗传学方面的工作,使之成为有生产价值的菌种。

主要工业微生物

主要工业微生物及其形态和特性为:

细菌

种类繁多,形态各异,分布广,约占微生物总数之半。基本形态呈球状、杆状或螺旋状(图1)。球菌直径约0.5~1.0μm;杆菌直径约0.4~2.0μm;长度约0.8~6μm。具有细胞壁和膜、拟核和核糖体等结构,但无细胞核膜,属原核细胞。有的细菌还有鞭毛及荚膜,以二分裂繁殖为主。芽孢杆菌及梭杆菌等在不良环境下会产生芽孢,芽孢在适宜环境下又能形成菌体。

放线菌

介于细菌和真菌之间的单细胞原核生物,故分类上属于细菌。菌体形态大多为丝状(图2),菌丝无隔膜,粗约1μm。放线菌中的链霉菌的繁殖是通过菌丝顶端形成分生孢子实现的。

酵母菌

真菌中的一类,菌体多呈球、卵或腊肠状,一般直径为1~5μm,长为5~30μm,也有少数酵母菌是长有假菌丝的(图3)。酵母具有典型的细胞结构,具有细胞核、细胞质、染色体、细胞器等,属真核细胞。通常以出芽繁殖为主,也可以进行裂殖,有时还可进行有性繁殖,产生子囊孢子。

霉菌

真菌中各种丝状菌的总称(图4),均属真核细胞。菌体由分枝或不分枝的菌丝交织而成,有的为无隔膜的多核单细胞体,而更多的为有隔膜的单核或多核的多细胞体。菌丝一般直径为3~10μm,繁殖方法很多,除了菌丝片段可生长为新菌体外,无性繁殖时一般形成孢囊孢子或分生孢子,有性繁殖则发生在特殊条件下,通过有性孢子的形成而实现。

产品和所用微生物

同一产品可用不同微生物进行生产;有时一种微生物在不同条件下能产生不同的产物。为此,根据不同情况合理选择菌种(见表)是十分重要的。

发展趋势

活细胞也可以进行固定化后用作生物催化剂,称为固定化细胞。它仍能保持活细胞的性质,但又如固定化酶那样,可以在一定时间内反复使用和实现连续化操作。活细胞固定化的方法与酶固定化类似,但以包埋法为主,也有用物理吸附法的。有的微生物本身能结团或凝集,则可不必另行固定化。目前,用固定化细胞生产6-氨基青霉烷酸和酒精的过程已经工业化,用于生产啤酒等产品的过程也趋于成熟。这是一种有发展前途的生物催化剂,各国对此的研究相当活跃。要解决的技术问题主要是它的活力维持、固定化颗粒的机械强度、传递性能和防止污染等问题。

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文章名称:《活细胞催化剂》
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