固定化填充床催化工藝探究

1、固定化填充床催化工藝探究固定化填充床催化工藝探究課題簡(jiǎn)介及現(xiàn)階段基礎(chǔ)項(xiàng)目項(xiàng)目水相水相有機(jī)相有機(jī)相底物濃度ee值Y底物濃度ee值Y菌1（顏）370mM99%32.6%576mM99%37.5%菌2（吳）500mM99%40%OCl環(huán) 氧 化 物 水 解 酶OCl+OHClOH目錄目錄. 生物固定化技術(shù). 填充床生物反應(yīng)器. 固定化填充床連續(xù)催化 . 對(duì)課題指導(dǎo)意義及展望. 生物固定化技術(shù)生物固定化技術(shù)(immobilized biotechnology)，指通過(guò)化學(xué)或物理的手段將游離細(xì)胞或酶定位于限定的空間區(qū)域內(nèi)，使其保持活性并可重復(fù)利用。. 生物固定化技術(shù) 依據(jù)帶電的酶或微生物細(xì)胞與載體之間的

2、靜電作用，使酶和微生物固定的方法，分為物理吸附和離子吸附兩種。吸附法吸附法 基于細(xì)胞或酶表面上的功能團(tuán)與固相支持物表面的反應(yīng)基團(tuán)之間形成共價(jià)連接。共價(jià)交聯(lián)法共價(jià)交聯(lián)法 利用雙功能或多功能試劑直接與細(xì)胞或酶表面的反應(yīng)基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，使其彼此交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固定化細(xì)胞或酶。交聯(lián)固定法交聯(lián)固定法 將微生物細(xì)胞或酶利用物理方法包埋在各種載體之中。包埋固定法包埋固定法. 生物固定化技術(shù)優(yōu)越性增加連續(xù)循環(huán)反應(yīng)過(guò)程運(yùn)用，避免反應(yīng)過(guò)程流失，易回收；增加其穩(wěn)定性（如熱、PH等），對(duì)抑制敏感性下降；適合于工業(yè)生產(chǎn)連續(xù)化、自動(dòng)化，過(guò)程易控制、調(diào)節(jié)、簡(jiǎn)化；產(chǎn)物易分離，簡(jiǎn)化提純、提高利用率，降成本。. 填充床生物反應(yīng)器

3、填充床反應(yīng)器填充床反應(yīng)器(Pecked bed reactor)是在固定化技術(shù)中使是在固定化技術(shù)中使用最普遍、最廣泛的反應(yīng)器。用最普遍、最廣泛的反應(yīng)器。. 填充床生物反應(yīng)器特點(diǎn)促進(jìn)反應(yīng)物接觸及分離；連續(xù)解除底物抑制；無(wú)需分離即可實(shí)現(xiàn)酶重復(fù)利用；大體積低底物濃度克服底物溶解度低問(wèn)題；易自動(dòng)化控制以保證穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和提高酶活穩(wěn)定性；適用于長(zhǎng)期規(guī)?；a(chǎn)，且且酶顆粒免受強(qiáng)剪應(yīng)力破壞；較分批操作具有高效性；床內(nèi)酶/底物比率遠(yuǎn)大于分批操作，使得擁有更高的反應(yīng)性能.免除分批操作批次之間停工期、生產(chǎn)力損耗以及結(jié)果差異性較大等；. 固定化填充床連續(xù)催化 1. 多酶固定化填充床級(jí)聯(lián)催化(Jin et al.,

4、2013; Dvorak et al., 2014)Jin等通過(guò)原位吸附法將鹵醇脫鹵酶和環(huán)氧化物水解酶固定在珍珠巖上填入兩個(gè)鼓泡式反應(yīng)器之中，在空氣流速為0.2L.min-1下，得到ee達(dá)99%(R)-ECH，Y最大可達(dá)26.4%。. 固定化途徑降解三氯丙烷DhaA31、EchA固定化方法為右旋糖酐聚醛交聯(lián)&PVA聚乙二醇包埋法。HheC固定化方法為PVA聚乙二醇包埋法。DhaA31HheCEchA10周內(nèi)底物濃度（FV）為從2.25mM至7.02mM梯度增加；可以看出TCP（三氯丙烷）至GLY（甘油）轉(zhuǎn)化效率在前兩個(gè)月內(nèi)均大于70%；10周后65.5mmol三氯丙醇轉(zhuǎn)化得到丙三醇52.6mm

5、ol，效率為78%。A. 固定化途徑降解三氯丙烷2.填充床連續(xù)催化最優(yōu)參數(shù)確定將丙酮丁醇梭桿菌吸附于骨炭之上，填柱，發(fā)酵過(guò)程中利用中空纖維膜組件原位滲透蒸發(fā)回收所需試劑，產(chǎn)物分離后余液循環(huán)上柱；通過(guò)對(duì)比不同稀釋率下溶劑生產(chǎn)能力、收率、乳糖利用率及中空纖維膜通量及選擇性指數(shù)得出在D(h-1)=0.59時(shí)，生產(chǎn)力達(dá)到3.5%，收率為39%，底物（乳糖）利用率為97.9%。(Friedl et al., 1991)單因素法底物流速（/D）0.52mL.min-1將產(chǎn)堿桿菌包埋于海藻酸鈣上柱，當(dāng)苯酚流速(Q)為0.52mL.min-1時(shí)，苯酚降解速率常數(shù)達(dá)到最大值2.14。過(guò)低的流速因液膜層存在傳質(zhì)阻

6、力和過(guò)高的流速導(dǎo)致底物保留時(shí)間不足均導(dǎo)致降解速率下降。(Laudani et al., 2007)底物流速（/D）單因素法將產(chǎn)脂肪酶米根霉原位吸附于聚氨酯泡沫中上柱，甲醇流速為25L/h時(shí)，無(wú)論第一批次還是到第五批次，其轉(zhuǎn)化率均保持較高。(Hama et al., 2007)底物流速（/D）單因素法在固定化脂肪酶拆分酮洛芬制備(S)-酮洛芬過(guò)程中，當(dāng)外消旋酮洛芬流速為25ml.h-1(D=3.9h-1)，初始反應(yīng)速率達(dá)到最大。(Xi and Xu, 2005)底物流速（/D）單因素法底物流速（/D）響應(yīng)面設(shè)計(jì)法在固定化脂肪酶連續(xù)生產(chǎn)生物柴油過(guò)程中，通過(guò)響應(yīng)面設(shè)計(jì)得出溫度和底物流速對(duì)生物柴油產(chǎn)率

7、影響顯著，并得出最優(yōu)T、底物流速及摩爾比率。2.填充床連續(xù)催化最優(yōu)參數(shù)確定底物濃度Laudani等利用海藻酸鈣將R.eutropha包埋制成固定化粒子，分批操作確定最適初始苯酚濃度，為上柱連續(xù)操作做準(zhǔn)備。Xi等將產(chǎn)脂肪酶皺褶假絲酵母吸附在硅膠上填柱，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?0mg.ml-1時(shí)，初始反應(yīng)速率最大。68%2.填充床連續(xù)催化最優(yōu)參數(shù)確定底物濃度Quasi-Newton method（擬牛頓法）求出因變量（E）最大化下的最優(yōu)T、底物濃度、摩爾比率。固定化方法：以聚氨酯泡沫塑料生物粒子為載體，在氣升式生物反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)脂肪酶菌體在粒子上原位生長(zhǎng)、吸附，從而達(dá)到固定化目的。右圖為固定化粒子形狀、大小對(duì)甲

8、醇分解速率影響。2.填充床連續(xù)催化最優(yōu)參數(shù)確定顆粒大小2.填充床連續(xù)催化最優(yōu)參數(shù)確定H/DXi等發(fā)現(xiàn)，在保持床體積不變條件下，改變柱子徑高比對(duì)初始反應(yīng)速率幾乎沒(méi)有影響。原因底物在柱子內(nèi)的保留時(shí)間()不變。4. 固定化脂肪酶生產(chǎn)生物柴油重復(fù)分批操作結(jié)果顯示，由于在反應(yīng)瓶?jī)?nèi)操作存在較強(qiáng)的剪應(yīng)力，導(dǎo)致固定化細(xì)胞剝離嚴(yán)重。而床內(nèi)反應(yīng)10批次，甲酯量均在80%以上。5. 固定化脂肪酶拆分酮洛芬制備(S)-酮洛芬6.利用固定化根毛霉脂肪酶高對(duì)映體選擇性酯化布洛芬穩(wěn)定性 分批重復(fù)利用批次8. 脂肪酶介導(dǎo)的長(zhǎng)鏈脂肪酸酯化8. 脂肪酶介導(dǎo)的長(zhǎng)鏈脂肪酸酯化操作時(shí)長(zhǎng) 分批和連續(xù)對(duì)比9. 苯基乙醇拆分RPBT和RST

9、R對(duì)比 分析傳質(zhì)分析 外部質(zhì)量傳遞（底物流速） 內(nèi)部質(zhì)量傳遞（梯勒模數(shù)Thiele modulus ,? :表示固定化酶內(nèi)擴(kuò)散影響的無(wú)因此模型參數(shù)，物理意義為表面濃度下反應(yīng)速率與內(nèi)擴(kuò)散速率比值， ? 值越小,表明內(nèi)擴(kuò)散速率大于反應(yīng)速率，內(nèi)擴(kuò)散組里的限制作用越不明顯。其值與顆粒大小。形狀等有關(guān)。）=0；Deff =1.328*10-12m2/s；So；Vobs =5.448 105 mol/(l s)；R=0.1 103 m；得到 ? =0.9115，又因?yàn)槊噶Ｗ哟笮∠鄬?duì)較小（0.1mm），因此在酶分子內(nèi)部不會(huì)形成明顯的底物濃度梯度。. 對(duì)課題指導(dǎo)意義及展望REFERENCESChen, H.C

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