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【摘要】近些年来，人们对于生物发酵技术的需求越来越大，超声波近年来随着社会的发展，技术在不断进步，研究发现，将超声波技术利用到微生物的发酵工程中去可以改善其缺陷，提高生物发酵的生产质量和效率。本文主要讲述的是超声波在生物发酵过程中是如何发挥作用的，同时也详细讲述了这种技术具体的应用。
【关键词】超声波技术；生物发酵；应用
我们知道，生物发酵技术拥有众多好处----对环境危害小、生产效率高，尤其是早些年，社会在快速发展的同时忽略了人类对自然环境产生的极大危害，虽然目前有了很多改进，但是仍然效果甚微，因为一些技术在使用过程中本身就会对环境造成影响，但是其他技术的替代却不能生产出好产品，全世界的人们都在被困扰着。理论研究表明，利用一定强度的超声波处理过发酵液，就可以改善发酵的菌体本身生物膜的选择性和通透性，那么，这便会促进物质跨膜传输物质，之后菌体细胞的新陈代谢能够被强化，反应条件变得优质，发酵工程的生产周期缩短，也就可以进一步提高产品的生产效率和生产质量。不仅如此，超声波技术的引入还可以对发酵过程中所用发酵溶液的溶液基质浓度和流变学特征等参数进行实时监测，这不仅对发酵过程中的变化机制以及发酵溶液的流变学特征可以进行系统分析与研究，也对微生物发酵的反应器结构设计有更现实的意义。
一、将超声波在生物发酵过程中的机制
超声波根据频率的不同可以分为功率超声波、诊断超声波以及高频超声波，这其中能被发酵工程利用的是功率超声波和诊断超声波。诊断超声波可以在发酵工程中对于前文所提及参数的实时监测中起作用，而功率超声波面向的是生物发酵过程中的发酵技术和工艺以及提升发酵过程，而超声波的频率与强度就可以直接影响到发酵作用的强弱。
发挥作用的超声波中，功率超声波拥有热作用、机械传质作用和空化作用三中作用机制。那么热作用是如何在其过程中发挥功能呢？热作用，我们知道是肯定需要介质传播的，同时能量不断被吸收从而能使其温度升高。在平时生活中我们也知道高温和热效应可以杀菌消毒，这里也是相同的机理，在功率超声波中的热作用也是起到这种作用，高温就会使作用酶失去活性。
二、超声波在其过程中的具体应用
1、超声波在基因育种工程中
基因育种是生物学经常会使用到的技术，它是利用基因工程的技术支持，把具有特定功能的或者是按照人们需求而设计的DNA分子导入以受体细胞中，使DNA进行表达，进而获取具有特定性状的菌体的技术。随着技术和需求的不断提高，传统的转化方式已经不能够保证基因工程快速有效的发展，阻碍乐其技术发展，而根据研究发现，超声波技术能够使细胞膜与细胞液之间产生可逆的通透性变化，甚至是可以把细胞膜与细胞质击穿，然而这种现象却可以使物质交换没有那么多障碍。简而言之，超声波技术可以加快物质的传播，能够提高物质传播速度，那么将DNA分子导入宿主细胞就会变得容易，这个也就是我们常说的利用超声波诱导基因转化法。
目前为止已经有很多多内外研究人士利用此项转化法取得实验的成功，Joersbo团队利用此法将基因导入了植物细胞中，发现了转化率的明显提升。而国内的许宁团队先后在植物细胞和哺乳动物细胞中实现了基因的有效转移，在此过程中，他们还研究制作了超声波诱导基因转化仪。除此之外，在国内还有很多研究人员在此种方法的基础上伸展出了更有效的遗传育种方法。
2、超声波在发酵过程的中游
研究表明，利用低超声波产生空化作用可以使生物膜变薄，使细胞质中的粒子运动加快，同时传质作用得到加强，继而使生物生产反映速度加快，提高生产效率。同样， 在合适强度的超声波条件下，细胞体内会产生一系列的运动，如胞内细胞质的旋转、涡流以及微流等运动，这种情况的运动可以使細胞膜和细胞壁击穿，促进细胞的物质代谢。
当然，这种利用超声波在中游发酵过程中的实例也很多。相对来说，国外在这方面开展的比较早，Mastsuura团队研究的是关于葡萄酒发酵过程中超声波的影响，经过反复试验发现，利用超声波辐射过的清酒和葡萄酒中氨基酸含量相对较少，这就会大大增加酒的香醇口感，提高所产酒的质量；Jackson团队研究的是超声波对于淀粉的水溶性影响，发现了淀粉的溶解度其实可以通过超声波而得到提高；同时还有Thomas团队在超声波对牛奶发酵中的研究，表明超声波的引入可以使牛奶乳糖的水解更彻底，提高了细胞活性。国内虽然在这种应用方面的研究较小，但也有不小的成就和进步，就比如，中科院黄瓜冶金部门研究所研究了将超声波引入青霉素的发酵过程中，结果表明，利用超声波技术可以将青霉素的产量提高10%以上，这确实是一项令人骄傲的研究；还有高大维团队在啤酒发酵过程中加入超声波辐射，研究其影响，结果也是起到促进作用的。
3、超声波在发酵工程中的下游分离提取
经过了上游基因工程和中游发酵过程，接下来就是发酵过后产物的分离和提取了，而目前最常用的的就是过滤以及离心，但传统的方法在线操作是很难得，而且过滤也需要通过很多膜，这就会引发过滤膜的堵塞，因此为分离和提取工作增加了很多难度，同时，生产成本也大大提高，造成资源的浪费。事实上，利用超声波的方法进行过滤就会好很多，首先，超声过滤不需要各种各样的膜，没有机械地零件；其次，超声过滤可以使菌体细胞悬浮于液体之中，这就不会造成阻塞了，同时也降低了成本，需要动手更换膜等的步骤就没有必要；再者，超声波过滤还可以使菌体细胞在过滤时聚集起来，过滤速度会加快，降低了难度。
4、超声波在在线诊断中
实验表明，强度较小的超声波由于能量较小，那么，它在溶液介质中传播是，就不能够对发酵溶液中的酶和细胞产生生物化学变化，相反，发酵液的部分参数，如发酵液的产物以及浓度、发酵液粘度等的不同却会影响到超声波的有效传输。然而，发酵液的这些物理参数的不同之是不容易检测到的，所以说，我们可以根据超声波的变化间接地检测到生物发酵液的参数变化情况。这一项应用方面的研究目前也有很多工作者正在进行中，例如：Endo团队利用这种方法对发酵液的浓度和粘度进行实时诊断；Cowan团队还通过声板传播器对大肠杆菌的浓度进行了监测。
三、总结
综合上文的详细介绍，超声波技术在微生物发酵工程中的应用是非常广泛的，种类众多，并且将超声波技术引入生物发酵工程中也让生物发酵变得更加快速有效。当然，不同强度和频率的超声波对其产生的作用影响也是不一样的，那么适度的超声波也就可以做到极大程度上的加快发酵生产效率，提高产品质量，缩短生产时间，更加节省人力物力等。这就要求我们不断地实践不断地努力，要保证上述优势的发挥，就必须要对提升的条件进行合理的选择和处理，如果不能做到有效，那么就可能产生物极必反的效果，这也是我们不希望看到的
虽然超声波的应用会提升生物发酵的效率，而许许多多的人员也进行了相关方向的研究，但是总体上超声波相关设备如反应设备和生物传感设备等的开发还是大片空缺的。如果我国能够在利用超声波技术的同时，加以结合其它先进科技，必然会实现生物发酵工程的更深远的发展和进步。
参考文献：
[1]许宁 超声波诱导基因转移[D]北京：清华大学，1993
[2]丁志山，沃兴德 超声波法转化酵母原生质体[J]1生物技术，1996，6（4）：41-43
[3]刘春朝，王玉春，康学真等 利用新型雾化生物反应器培养青蒿不定芽生产青蒿素[J]植物学报，1999，41（5）：524-527
【关键词】超声波技术；生物发酵；应用
我们知道，生物发酵技术拥有众多好处----对环境危害小、生产效率高，尤其是早些年，社会在快速发展的同时忽略了人类对自然环境产生的极大危害，虽然目前有了很多改进，但是仍然效果甚微，因为一些技术在使用过程中本身就会对环境造成影响，但是其他技术的替代却不能生产出好产品，全世界的人们都在被困扰着。理论研究表明，利用一定强度的超声波处理过发酵液，就可以改善发酵的菌体本身生物膜的选择性和通透性，那么，这便会促进物质跨膜传输物质，之后菌体细胞的新陈代谢能够被强化，反应条件变得优质，发酵工程的生产周期缩短，也就可以进一步提高产品的生产效率和生产质量。不仅如此，超声波技术的引入还可以对发酵过程中所用发酵溶液的溶液基质浓度和流变学特征等参数进行实时监测，这不仅对发酵过程中的变化机制以及发酵溶液的流变学特征可以进行系统分析与研究，也对微生物发酵的反应器结构设计有更现实的意义。
一、将超声波在生物发酵过程中的机制
超声波根据频率的不同可以分为功率超声波、诊断超声波以及高频超声波，这其中能被发酵工程利用的是功率超声波和诊断超声波。诊断超声波可以在发酵工程中对于前文所提及参数的实时监测中起作用，而功率超声波面向的是生物发酵过程中的发酵技术和工艺以及提升发酵过程，而超声波的频率与强度就可以直接影响到发酵作用的强弱。
发挥作用的超声波中，功率超声波拥有热作用、机械传质作用和空化作用三中作用机制。那么热作用是如何在其过程中发挥功能呢？热作用，我们知道是肯定需要介质传播的，同时能量不断被吸收从而能使其温度升高。在平时生活中我们也知道高温和热效应可以杀菌消毒，这里也是相同的机理，在功率超声波中的热作用也是起到这种作用，高温就会使作用酶失去活性。
二、超声波在其过程中的具体应用
1、超声波在基因育种工程中
基因育种是生物学经常会使用到的技术，它是利用基因工程的技术支持，把具有特定功能的或者是按照人们需求而设计的DNA分子导入以受体细胞中，使DNA进行表达，进而获取具有特定性状的菌体的技术。随着技术和需求的不断提高，传统的转化方式已经不能够保证基因工程快速有效的发展，阻碍乐其技术发展，而根据研究发现，超声波技术能够使细胞膜与细胞液之间产生可逆的通透性变化，甚至是可以把细胞膜与细胞质击穿，然而这种现象却可以使物质交换没有那么多障碍。简而言之，超声波技术可以加快物质的传播，能够提高物质传播速度，那么将DNA分子导入宿主细胞就会变得容易，这个也就是我们常说的利用超声波诱导基因转化法。
目前为止已经有很多多内外研究人士利用此项转化法取得实验的成功，Joersbo团队利用此法将基因导入了植物细胞中，发现了转化率的明显提升。而国内的许宁团队先后在植物细胞和哺乳动物细胞中实现了基因的有效转移，在此过程中，他们还研究制作了超声波诱导基因转化仪。除此之外，在国内还有很多研究人员在此种方法的基础上伸展出了更有效的遗传育种方法。
2、超声波在发酵过程的中游
研究表明，利用低超声波产生空化作用可以使生物膜变薄，使细胞质中的粒子运动加快，同时传质作用得到加强，继而使生物生产反映速度加快，提高生产效率。同样， 在合适强度的超声波条件下，细胞体内会产生一系列的运动，如胞内细胞质的旋转、涡流以及微流等运动，这种情况的运动可以使細胞膜和细胞壁击穿，促进细胞的物质代谢。
当然，这种利用超声波在中游发酵过程中的实例也很多。相对来说，国外在这方面开展的比较早，Mastsuura团队研究的是关于葡萄酒发酵过程中超声波的影响，经过反复试验发现，利用超声波辐射过的清酒和葡萄酒中氨基酸含量相对较少，这就会大大增加酒的香醇口感，提高所产酒的质量；Jackson团队研究的是超声波对于淀粉的水溶性影响，发现了淀粉的溶解度其实可以通过超声波而得到提高；同时还有Thomas团队在超声波对牛奶发酵中的研究，表明超声波的引入可以使牛奶乳糖的水解更彻底，提高了细胞活性。国内虽然在这种应用方面的研究较小，但也有不小的成就和进步，就比如，中科院黄瓜冶金部门研究所研究了将超声波引入青霉素的发酵过程中，结果表明，利用超声波技术可以将青霉素的产量提高10%以上，这确实是一项令人骄傲的研究；还有高大维团队在啤酒发酵过程中加入超声波辐射，研究其影响，结果也是起到促进作用的。
3、超声波在发酵工程中的下游分离提取
经过了上游基因工程和中游发酵过程，接下来就是发酵过后产物的分离和提取了，而目前最常用的的就是过滤以及离心，但传统的方法在线操作是很难得，而且过滤也需要通过很多膜，这就会引发过滤膜的堵塞，因此为分离和提取工作增加了很多难度，同时，生产成本也大大提高，造成资源的浪费。事实上，利用超声波的方法进行过滤就会好很多，首先，超声过滤不需要各种各样的膜，没有机械地零件；其次，超声过滤可以使菌体细胞悬浮于液体之中，这就不会造成阻塞了，同时也降低了成本，需要动手更换膜等的步骤就没有必要；再者，超声波过滤还可以使菌体细胞在过滤时聚集起来，过滤速度会加快，降低了难度。
4、超声波在在线诊断中
实验表明，强度较小的超声波由于能量较小，那么，它在溶液介质中传播是，就不能够对发酵溶液中的酶和细胞产生生物化学变化，相反，发酵液的部分参数，如发酵液的产物以及浓度、发酵液粘度等的不同却会影响到超声波的有效传输。然而，发酵液的这些物理参数的不同之是不容易检测到的，所以说，我们可以根据超声波的变化间接地检测到生物发酵液的参数变化情况。这一项应用方面的研究目前也有很多工作者正在进行中，例如：Endo团队利用这种方法对发酵液的浓度和粘度进行实时诊断；Cowan团队还通过声板传播器对大肠杆菌的浓度进行了监测。
三、总结
综合上文的详细介绍，超声波技术在微生物发酵工程中的应用是非常广泛的，种类众多，并且将超声波技术引入生物发酵工程中也让生物发酵变得更加快速有效。当然，不同强度和频率的超声波对其产生的作用影响也是不一样的，那么适度的超声波也就可以做到极大程度上的加快发酵生产效率，提高产品质量，缩短生产时间，更加节省人力物力等。这就要求我们不断地实践不断地努力，要保证上述优势的发挥，就必须要对提升的条件进行合理的选择和处理，如果不能做到有效，那么就可能产生物极必反的效果，这也是我们不希望看到的
虽然超声波的应用会提升生物发酵的效率，而许许多多的人员也进行了相关方向的研究，但是总体上超声波相关设备如反应设备和生物传感设备等的开发还是大片空缺的。如果我国能够在利用超声波技术的同时，加以结合其它先进科技，必然会实现生物发酵工程的更深远的发展和进步。
参考文献：
[1]许宁 超声波诱导基因转移[D]北京：清华大学，1993
[2]丁志山，沃兴德 超声波法转化酵母原生质体[J]1生物技术，1996，6（4）：41-43
[3]刘春朝，王玉春，康学真等 利用新型雾化生物反应器培养青蒿不定芽生产青蒿素[J]植物学报，1999，41（5）：524-527