功率—超声波

功率超声-超声波生物发酵

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作者:张家港睿能科技有限公司来源:张家港睿能科技有限公司

超声波在生物发酵工程中的应用

  由于发酵技术对环境的污染小、生产效率高,在轻工、化工和食品工业等领域广泛应用。随着发酵技术在轻化工和食品等行业应用的不断深入和拓展,对发酵技术本身的要求也越来越高。

超声波作用于生物发酵工程的机理

  应用于生物发酵工程的超声波可分为功率超声波和检测超声波,功率超声波主要用于改进发酵工艺或改善发酵过程,其作用机制分为热作用、空化作用和机械传质作用,作用的强弱与超声波的频率及强度等有关。热作用是超声波在介质内传播过程中,其能量不断地被传播介质吸收而使介质的温度升高的一种现象。在生物发酵工程中超声热作用可用于杀菌或使酶失活。空化作用是超声波在介质中传播时,液体中分子的平均距离随着分子的振动而变化,当其超过保持液体作用的临界分子间距,即形成空化.超声波空化分稳态空化(声强<10W/cm2)和瞬态空化(声强>10W/cm2)两种.瞬态空化绝热收缩至膨胀瞬间,泡内可产生高温高压(5000K,50MPa),可破坏细胞结构或破碎细胞,使酶失活;稳态空化可使酶或细胞颗粒受到微声流产生的切应力作用。在生物发酵工程中,这一过程主要发生在界面层、膜或细胞壁附近及细胞液内。机械传质作用是超声波在介质中传播时,可使介质质点进入振动状态,加速发酵液的质量传递,这一过程可发生在细胞壁附近或细胞内,超声波可增强细胞膜及细胞壁的质量传递,进而提高发酵过程的反应速度,促进生物传质作用。

  此外,微弱声波在液体介质中传播时,其传播特性(声速、传播衰减、辐射阻抗等)受介质性质的影响。因此,只要测得某一温度下液体的声速,即可求出液体浓度。在生物发酵工程中利用超声波检测技术可实现某些发酵过程参数的在线非接触测量。

功率超声波应用于发酵技术

   基因工程是在基因水平上的遗传工程,即用人工方法把所需的某一供体生物的遗传物质(DNA)提取出来,在离体条件下剪切后,把它和载体的DNA分子连接起来,然后导入某一受体细胞内,外来的遗传物质在受体内进行复制和表达,从而获得新品种。超声波的空化作用,可能导致空泡周围细胞的细胞壁和质膜的击穿或可逆的质膜透性改变,使细胞内外发生物质交换,将外源基因导入细胞中,这种方法称之为超声波诱导基因转移法,利用这种方法将外源基因导入植物组织及原生质体内,获得了极高的稳定转化率。

   1990年首次在国际上提出应用超声波诱导植物细胞基因转移的方法,并使用自制的超声波诱导基因转移仪,取得了一系列的研究结果,以后他们又将此方法推广应用到哺乳动物细胞基因转移中,并对该方法诱导基因转移的机制进行了研究。

  用24kHz、20W的超声波处理酵母原生质体,将外源DNA导入酿酒酵母原生质体中,获得了每微克DNA有103转化子的转化率,并发现酵母原生质体的转化率受超声波处理时间的影响较大。

  利用新型超声波生物反应器培养青蒿不定芽生产青蒿素,得到的青蒿素的产量分别为固体培养和摇瓶培养的2.9和3.2倍。

  利用超声波法破碎酵母细胞原生质体,研究了超声波在酵母细胞原生质体拆合技术中的应用,建立了一种新的遗传育种方法。  

超声波应用于发酵工程中游技术  

  低强度超声波依靠机械振动和稳态空化效应使传质边界层减薄,并且使溶质粒子运动加速,这对于反应物进入酶或细胞活性部位及产物进入液体介质的传质扩散作用有利,可提高生物反应速度;适宜的低强度超声波作用于动植物细胞时会产生胞内微流、胞内质的旋转及涡流运动,并且提高了细胞膜和细胞壁的穿透性,这些效应可以提高细胞的新陈代谢功能是超声波生物发酵装置原理结构图。关于这方面的研究工作国外开展得较早也相对较多。

  啤酒和清酒发酵过程的影响,发现经超声辐射后葡萄酒和清酒中氨基酸的含量比对照组明显减少,从而产生大量的高级醇,增加了酒香,并缩短了发酵时间。

  超声波水浴作用下,α淀粉酶和糖化酶对淀粉和糖原水解活性的变化的影响,发现在高强度超声波作用下,酶催化反应速率和转化酶对蔗糖的水解活性显著升高。

  超声波处理对淀粉水溶性的影响,发现超声波处理可增加淀粉在水中的溶解度;Toba等[10]研究了超声活化β乳糖苷酶催化乳酪中乳糖的分解情况,发现经超声波处理后,乳糖降解大大提高。

  在工业发酵中用马铃薯淀粉代替谷物淀粉时超声波的影响,发现超声波处理可引起淀粉颗粒的物理降解,导致淀粉糊表观粘度下降。

  牛奶发酵中超声辐射的作用,发现超声辐射可促进乳糖的水解和细胞活性。

超声波应用于发酵工程下游技术:  

 在发酵产物的提取和分离中,离心和过滤是最常用的方法,传统的离心方法难以实现在线,而常规的过滤要使用各种各样的膜,这些膜过滤器使用时经常会被堵塞,因此需经常清洗或更换。超声过滤有如下特点:

 1)可使溶液中的细胞(或微细颗粒)凝聚,提高过滤速度。

 2)使细胞(或微细颗粒)部分地悬浮于液体中,从而为溶解成分留出更多的通道,可防止堵塞。

 3)超声过滤无机械活动部件,不需要滤纸或滤膜。

 在酿酒工业中,如果用超声波酒瓶装酒,3天后,普通的白酒就会变得如陈年佳酿,色香味俱佳。

这种酒瓶的工作原理是:酒人瓶后,打开开关,瓶底的陶制振动板立即开始振动,并发射出低频声波,若连续照射3天,瓶中酒呈熟的状态,水和酒分子搭配如多年陈酿,即6个水分子包围着1个酒精分子的稳定状态,从而使酒味醇美,且不易醉人。

功率超声波运用