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活细胞催化剂livingcell catalyst

时间：2020-03-01 来源：网络 浏览：
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。

图1　细菌

　　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。

图2　放线菌

　　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。

图3　酵母菌　a 各种典型的酵母形态 b 带有隔膜的假菌丝

　　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。

图4　霉菌

　　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。

图

　　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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