温和压力提高生物转化效率技术研究

【科研成果简介】

温和压力提高生物转化效率技术研究

生物转化是指利用全细胞或提取酶作为催化剂将底物转化成目标产物的过程．与传统的化学合成方法相比，生物转化的方法可以在低污染、低能耗、高特异性的条件下进行，它可以替换多步化学反应成一步酶催化反应或是引入化合物结构的多样性，所以目前广泛应用于有机溶剂、聚合物材料、医药工业中间体、有机化学光学对映体、抗生素、维生素等重要工业产品的生产中．如何提高生物转化效率是目前工业生物催化研究的重要课题之一．

目前多相生物转化中普遍存在基质不溶于水相或多相酶促反应效率不高的问题．微生物发酵过程中压力通常恒定不变，发酵罐压一般控制在0.01～0.05 MPa．当基质难溶于反应液中或者生物反应过程为多相反应体系时，生物催化剂在水相，基质仅溶于有机相，生物反应在水与有机相两相界面上进行，可否通过提高压力增加生物转化效率是研究人员较关心的问题．如果适度地提高发酵压力，设备投入和提高压力所增加的总费用小于提高生产所获效益，加压生物反应将是可行和有意义的．

当前，对压力与微生物活性之间相互关系的研究及其基础数据并不多，特别是压力如何影响菌体活力．已有压力与微生物之间关系的研究可分为三类：①高压杀菌，即利用高压杀灭微生物，主要用于食品的冷杀菌，以最大限度地减少由于热杀菌造成的营养损失；②超临界相态下酶的催化反应，其目的是通过提高两相界面或传质速率以提高酶促反应速率；③极端条件下超高压微生物的研究，主要是针对海洋微生物中深海微生物的研究．温和压力(0.5～1.0 MPa)下微生物活性变化和超临界相态下微生物活性的变化一直未引起人们的重视，其原因是：一般微生物发酵过程中罐的绝对压力为0.1～0.15 MPa，现有生产设备不能满足温和压力及更高压力的要求；人们通常认为高压一定是杀菌．特别是后一种观点为工业微生物或食品生物技术领域普遍接受．

天津科技大学贾士儒教授在国家自然科学基金委员会和天津市科学技术委员会的支持下，进行了大量的基础性工作，研发出一种具有独立自主知识产权的微生物加压发酵技术．该技术具有利用压力加快反应速率、对生物无热源影响和提高物质溶解性等优点，可显著提高微生物反应或酶促反应效率．由于其采用分段温和压力提高生物反应效率，不仅减少了压力生物反应所需设备的投入费用，同时也确保了工艺路线简化、可靠．针对不同微生物菌株，采用相应的加压发酵工艺可明显提高发酵产物得率：①当发酵产物为微生物菌株的“应激”产物时，加压发酵有利于刺激相应产物的过量生成．例如，采用该技术可使酵母菌海藻糖产量提高10%．②当发酵产物为微生物细胞的胞内产物时，加压发酵不仅有利于产物的合成，而且有利于产物的提取与精制．③当发酵产物为初级代谢产物时，加压发酵有利于加快产物的合成．例如，谷氨酸加压发酵可以提高产酸5%．④在生物转化过程中，加压操作可以提高转化酶的活力，提高生物转化率．例如，采用加压转化，氢化可的松转化率可提高10%，鸟苷加压发酵的收率较对照提高约10%．

加压发酵技术不仅适用于新建厂，现有发酵工厂经过简单的技术改造也可以采用．以新建厂为例，发酵罐系统的投资仅提高30%左右．对于现有发酵工厂，以氢化可的松的生产为例，采用新工艺只需增加一台加压生物转化罐及附属设备，其设备投资约为原发酵设备的一倍；以5吨罐为例，每罐可增效益1,000元以上．因此，该项技术具有推广应用的价值，采用加压发酵技术将会极大地促进我国生物工业的技术进步．

贾士儒教授研发的加压发酵技术已申请多项国家发明专利，研究成果为国内外首创，达到国际先进水平，并获得天津市技术发明二等奖．该成果为工业微生物在温和压力下的应用提供了基础数据，为选育耐压微生物菌株提供了一定的理论依据；同时，由于建立一种新的生物反应方法——加压生物转化法，必将有利于扩大微生物资源的应用领域和提高生物加工工业的经济效益．

温和压力提高生物转化效率技术研究现在仍然是前沿领域，未来还有很多的理论和技术问题需要研究者不断地探索突破，为我国生物转化和微生物发酵的相关理论和技术创新提供重要支撑．

供稿：生物工程学院 韩培培 谭之磊