微生物诱变功率超声装置的研制

    随着人类生活水平的不断提高和生物技术的不断发展,要求生物产品的产量和品种在不断增加,生物技术生产的产品在社会总产品中所占比重也越来越大,并已成为高新技术支柱产业。传统生物学生产方法和生物技术工艺已越来越难满足现代生物技术的需要,迫使人们不断将相关学科最新的科研成果应用于生物技术领域,通过筛选、诱变等处理,提高传统工业微生物代谢产物的生成量,诱变选育新的菌株,增加新的品种。如在抗生素、维生素、氨基酸、酶制剂等生产过程中,通过化学诱变或射线诱变,显著提高了生物反应产物的得率,并培养出若干生长速度快、生长活力强的新菌株,但无论是化学诱变剂还是射线诱变,都会给环境或人体造成不同程度的伤害。随着人们对人类自身安全意识和环保意识的不断增强,对无公害化生产的要求也越来越高。超声波是物质介质中的一种弹性机械波,作为一种物理能量形式,超声波是无残留和无污染的,利用超声诱变,有望得到分泌型菌株,不仅可提高产量,还可省去后提取过程中许多烦琐步骤。因此,研发适于微生物诱变的超声波装置进而研究超声波对工业微生物的诱变效应具有重要的工程应用意义[1-2]。

    1 微生物超声诱变基本理论

    微生物超声诱变主要是超声波的生物学效应,超声波具有极强的生物学效应。生物体对超声波作用的反应是多方面的。不同强度和频率的超声波可对微生物产生刺激、抑制、治疗和损伤作用,其作用机制主要归结于超声对微生物所产生的热作用、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[2-4]。

    热作用是超声波在介质内传播过程中,其振动能量不断被传播介质吸收转变成热能而使介质温度升高的一种现象。媒质对超声波的吸收引起温度上升,频率越高,热作用就越明显。在不同的媒质分界面,特别是液体和固体的分界面上,超声波大量地转换成热能,会造成分界面处的局部升温,甚至产生电离效应。强度(I)的超声波在声压吸收系数(A)的介质中传播时,单位体积内超声作用t秒后产生的热量为

  Q= 2IAt(1)

    在微生物诱变中超声热作用可用于杀菌或使酶失活,热失活可能是酶变性的重要机制。

    超声波在介质中传播时液体中分子的平均距离会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时,液体的某一区域会形成局部的暂时负压区,于是在液体中产生空穴或气泡。存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动,当声压达到一定阈值时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合时产生冲击波,这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程为声空化。超声空化分稳态空化(声压强小于10 W/cm2)和瞬态空化(声压强大于10 W/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(5 000 K,5@107Pa),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受到微声流产生的切应力作用,强化生化过程。一般超声空化过程主要发生在界面层、膜或细胞壁附近及细胞液内。