活細胞催化劑

活細胞催化劑是一類用於生物反應過程的生物催化劑。

活細胞催化劑

正文

一類用於生物反應過程的生物催化劑。目前，工業上用作活細胞催化劑的幾乎都是活體微生物細胞。這些微生物可統稱工業微生物，包括多種細菌、放線菌、酵母菌、黴菌等，由它們所催化的生物反應過程稱發酵過程。與由酶催化劑進行的簡單酶反應過程不同，活體微生物細胞含有多樣維持其生命活動和特殊功能的酶系統，能適用於多種由若干串聯反應所組成的複雜反應過程，且無需另行考慮輔酶再生問題。它的另一特點是只需在發酵開始時，往發酵罐中接入少量菌種培養液或孢子懸浮液，就能在發酵前期，也即菌體生長階段形成大量所需的生物催化劑，而不必將菌體所產生的酶提取後再用作生物催化劑。正因其簡便易得，經濟實用而被廣泛採用，但其缺點是反應途徑較難控制，發酵終了時，副產物及菌體自溶物較多，給產品分離帶來困難。
來源　微生物由於其種類繁多，作用各異，在自然界分布極廣，在土壤、水域、腐敗物以及其他生物體內廣泛存在。微生物個體雖小，但它是一個能在特殊條件下生活及具有某些特性的獨立的生命體，有完整的酶系統，代謝能力和繁殖能力都很強，對環境有很大的適應性，對營養要求一般不高，因此通過人工大量培養，遠較從動植物細胞易於獲得。微生物還有易於改變遺傳性能，包括改變其對環境適應性，代謝途徑等性能的特點，且可利用重組DNA技術及細胞融合技術對生產菌種作更深入的改造，因此是一種理想的活細胞催化劑。
要從自然環境中將需要的微生物分離出來，並使之能成為生產菌種，是十分艱苦複雜的工作。首先要從土壤、腐敗物等各種微生物群集的採樣中進行純種分離，獲得各種單一的微生物菌落（即單一微生物在固體培養基表面上形成的集落）。然後，用事先設計好的篩選方法，把所需要的具有特殊性能的微生物篩選出來。初步獲得的菌種還需要經過一系列的性能測定和分類鑑別工作。為了提高其生產能力和進行性能改造，還需要進行遺傳學方面的工作，使之成為有生產價值的菌種。
主要工業微生物　主要工業微生物及其形態和特性為：
細菌　種類繁多，形態各異,分布廣,約占微生物總數之半。基本形態呈球狀、桿狀或螺鏇狀(圖1)。球菌直徑約0.5～1.0μm；桿菌直徑約0.4～2.0μm；長度約0.8～6μm。具有細胞壁和膜、擬核和核糖體等結構,但無細胞核膜,屬原核細胞。有的細菌還有鞭毛及莢膜,以二分裂繁殖為主。芽孢桿菌及梭桿菌等在不良環境下會產生芽孢，芽孢在適宜環境下又能形成菌體。

活細胞催化劑

放線菌 介於細菌和真菌之間的單細胞原核生物,故分類上屬於細菌。菌體形態大多為絲狀（圖2)，菌絲無隔膜,粗約1μm。放線菌中的鏈黴菌的繁殖是通過菌絲頂端形成分生孢子實現的。

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酵母菌　真菌中的一類，菌體多呈球、卵或臘腸狀，一般直徑為1～5μm，長為5～30μm,也有少數酵母菌是長有假菌絲的（圖3）。酵母具有典型的細胞結構，具有細胞核、細胞質、染色體、細胞器等，屬真核細胞。通常以出芽繁殖為主，也可以進行裂殖，有時還可進行有性繁殖，產生子囊孢子。

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黴菌　真菌中各種絲狀菌的總稱（圖4）,均屬真核細胞。菌體由分枝或不分枝的菌絲交織而成，有的為無隔膜的多核單細胞體，而更多的為有隔膜的單核或多核的多細胞體。菌絲一般直徑為3～10μm,繁殖方法很多，除了菌絲片段可生長為新菌體外，無性繁殖時一般形成孢囊孢子或分生孢子，有性繁殖則發生在特殊條件下，通過有性孢子的形成而實現。

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產品和所用微生物　同一產品可用不同微生物進行生產；有時一種微生物在不同條件下能產生不同的產物。為此，根據不同情況合理選擇菌種（見表）是十分重要的。

活細胞催化劑

發展趨勢　活細胞也可以進行固定化後用作生物催化劑，稱為固定化細胞。它仍能保持活細胞的性質，但又如固定化酶那樣，可以在一定時間內反覆使用和實現連續化操作。活細胞固定化的方法與酶固定化類似，但以包埋法為主，也有用物理吸附法的。有的微生物本身能結團或凝集，則可不必另行固定化。目前，用固定化細胞生產6-氨基青黴烷酸和酒精的過程已經工業化，用於生產啤酒等產品的過程也趨於成熟。這是一種有發展前途的生物催化劑，各國對此的研究相當活躍。要解決的技術問題主要是它的活力維持、固定化顆粒的機械強度、傳遞性能和防止污染等問題。

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