固定化填充床催化工艺探究

1、固定化填充床催化工艺探究固定化填充床催化工艺探究课题简介及现阶段基础项目项目水相水相有机相有机相底物浓度ee值Y底物浓度ee值Y菌1（颜）370mM99%32.6%576mM99%37.5%菌2（吴）500mM99%40%OCl环 氧 化 物 水 解 酶OCl+OHClOH目录目录. 生物固定化技术. 填充床生物反应器. 固定化填充床连续催化 . 对课题指导意义及展望. 生物固定化技术生物固定化技术(immobilized biotechnology)，指通过化学或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可重复利用。. 生物固定化技术 依据带电的酶或微生物细胞与载体之间的

2、静电作用，使酶和微生物固定的方法，分为物理吸附和离子吸附两种。吸附法吸附法 基于细胞或酶表面上的功能团与固相支持物表面的反应基团之间形成共价连接。共价交联法共价交联法 利用双功能或多功能试剂直接与细胞或酶表面的反应基团发生反应，使其彼此交联形成网状结构的固定化细胞或酶。交联固定法交联固定法 将微生物细胞或酶利用物理方法包埋在各种载体之中。包埋固定法包埋固定法. 生物固定化技术优越性增加连续循环反应过程运用，避免反应过程流失，易回收；增加其稳定性（如热、PH等），对抑制敏感性下降；适合于工业生产连续化、自动化，过程易控制、调节、简化；产物易分离，简化提纯、提高利用率，降成本。. 填充床生物反应器

3、填充床反应器填充床反应器(Pecked bed reactor)是在固定化技术中使是在固定化技术中使用最普遍、最广泛的反应器。用最普遍、最广泛的反应器。. 填充床生物反应器特点促进反应物接触及分离；连续解除底物抑制；无需分离即可实现酶重复利用；大体积低底物浓度克服底物溶解度低问题；易自动化控制以保证稳定产品质量和提高酶活稳定性；适用于长期规模化生产，且且酶颗粒免受强剪应力破坏；较分批操作具有高效性；床内酶/底物比率远大于分批操作，使得拥有更高的反应性能.免除分批操作批次之间停工期、生产力损耗以及结果差异性较大等；. 固定化填充床连续催化 1. 多酶固定化填充床级联催化(Jin et al.,

4、2013; Dvorak et al., 2014)Jin等通过原位吸附法将卤醇脱卤酶和环氧化物水解酶固定在珍珠岩上填入两个鼓泡式反应器之中，在空气流速为0.2L.min-1下，得到ee达99%(R)-ECH，Y最大可达26.4%。. 固定化途径降解三氯丙烷DhaA31、EchA固定化方法为右旋糖酐聚醛交联&PVA聚乙二醇包埋法。HheC固定化方法为PVA聚乙二醇包埋法。DhaA31HheCEchA10周内底物浓度（FV）为从2.25mM至7.02mM梯度增加；可以看出TCP（三氯丙烷）至GLY（甘油）转化效率在前两个月内均大于70%；10周后65.5mmol三氯丙醇转化得到丙三醇52.6mm

5、ol，效率为78%。A. 固定化途径降解三氯丙烷2.填充床连续催化最优参数确定将丙酮丁醇梭杆菌吸附于骨炭之上，填柱，发酵过程中利用中空纤维膜组件原位渗透蒸发回收所需试剂，产物分离后余液循环上柱；通过对比不同稀释率下溶剂生产能力、收率、乳糖利用率及中空纤维膜通量及选择性指数得出在D(h-1)=0.59时，生产力达到3.5%，收率为39%，底物（乳糖）利用率为97.9%。(Friedl et al., 1991)单因素法底物流速（/D）0.52mL.min-1将产碱杆菌包埋于海藻酸钙上柱，当苯酚流速(Q)为0.52mL.min-1时，苯酚降解速率常数达到最大值2.14。过低的流速因液膜层存在传质阻

6、力和过高的流速导致底物保留时间不足均导致降解速率下降。(Laudani et al., 2007)底物流速（/D）单因素法将产脂肪酶米根霉原位吸附于聚氨酯泡沫中上柱，甲醇流速为25L/h时，无论第一批次还是到第五批次，其转化率均保持较高。(Hama et al., 2007)底物流速（/D）单因素法在固定化脂肪酶拆分酮洛芬制备(S)-酮洛芬过程中，当外消旋酮洛芬流速为25ml.h-1(D=3.9h-1)，初始反应速率达到最大。(Xi and Xu, 2005)底物流速（/D）单因素法底物流速（/D）响应面设计法在固定化脂肪酶连续生产生物柴油过程中，通过响应面设计得出温度和底物流速对生物柴油产率

7、影响显著，并得出最优T、底物流速及摩尔比率。2.填充床连续催化最优参数确定底物浓度Laudani等利用海藻酸钙将R.eutropha包埋制成固定化粒子，分批操作确定最适初始苯酚浓度，为上柱连续操作做准备。Xi等将产脂肪酶皱褶假丝酵母吸附在硅胶上填柱，当底物浓度为20mg.ml-1时，初始反应速率最大。68%2.填充床连续催化最优参数确定底物浓度Quasi-Newton method（拟牛顿法）求出因变量（E）最大化下的最优T、底物浓度、摩尔比率。固定化方法：以聚氨酯泡沫塑料生物粒子为载体，在气升式生物反应器内产脂肪酶菌体在粒子上原位生长、吸附，从而达到固定化目的。右图为固定化粒子形状、大小对甲

8、醇分解速率影响。2.填充床连续催化最优参数确定颗粒大小2.填充床连续催化最优参数确定H/DXi等发现，在保持床体积不变条件下，改变柱子径高比对初始反应速率几乎没有影响。原因底物在柱子内的保留时间()不变。4. 固定化脂肪酶生产生物柴油重复分批操作结果显示，由于在反应瓶内操作存在较强的剪应力，导致固定化细胞剥离严重。而床内反应10批次，甲酯量均在80%以上。5. 固定化脂肪酶拆分酮洛芬制备(S)-酮洛芬6.利用固定化根毛霉脂肪酶高对映体选择性酯化布洛芬稳定性 分批重复利用批次8. 脂肪酶介导的长链脂肪酸酯化8. 脂肪酶介导的长链脂肪酸酯化操作时长 分批和连续对比9. 苯基乙醇拆分RPBT和RST

9、R对比 分析传质分析 外部质量传递（底物流速） 内部质量传递（梯勒模数Thiele modulus ,? :表示固定化酶内扩散影响的无因此模型参数，物理意义为表面浓度下反应速率与内扩散速率比值， ? 值越小,表明内扩散速率大于反应速率，内扩散组里的限制作用越不明显。其值与颗粒大小。形状等有关。）=0；Deff =1.328*10-12m2/s；So；Vobs =5.448 105 mol/(l s)；R=0.1 103 m；得到 ? =0.9115，又因为酶粒子大小相对较小（0.1mm），因此在酶分子内部不会形成明显的底物浓度梯度。. 对课题指导意义及展望REFERENCESChen, H.C

10、., Ju, H.Y., Wu, T.T., Liu, Y.C., Lee, C.C., Chang, C., Chung, Y.L., Shieh, C.J., 2011. Continuous production of lipase-catalyzed biodiesel in a packed-bed reactor: optimization and enzyme reuse study. Journal of biomedicine & biotechnology 2011.Chua, L.S., Sarmidi, M.R., 2004. Immobilised lipase-ca

11、talysed resolution of (R,S)-1-phenylethanol in recirculated packed bed reactor. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 28, 111-119.Dvorak, P., Bidmanova, S., Damborsky, J., Prokop, Z., 2014. Immobilized synthetic pathway for biodegradation of toxic recalcitrant pollutant 1,2,3-trichloropropane.

12、 Environ Sci Technol 48, 6859-6866.Friedl, A., Qureshi, N., Maddox, I.S., 1991. Continuous Acetone-Butanol-Ethanol (Abe) Fermentation Using Immobilized Cells of Clostridium-Acetobutylicum in a Packed-Bed Reactor and Integration with Product Removal by Pervaporation. Biotechnol Bioeng 38, 518-527.Ham

13、a, S., Yamaji, H., Fukumizu, T., Numata, T., Tamalampudi, S., Kondo, A., Noda, H., Fukuda, H., 2007. Biodiesel-fuel production in a packed-bed reactor using lipase-producing Rhizopus oryzae cells immobilized within biomass support particles. Biochem Eng J 34, 273-278.Laudani, C.G., Habulin, M., Knez

14、, ., Porta, G.D., Reverchon, E., 2007. Immobilized lipase-mediated long-chain fatty acid esterification in dense carbon dioxide: bench-scale packed-bed reactor study. The Journal of Supercritical Fluids 41, 74-81.Prieto, M.B., Hidalgo, A., Serra, J.L., Llama, M.J., 2002. Degradation of phenol by Rho

15、dococcus erythropolis UPV-1 immobilized on Biolite(R) in a packed-bed reactor. J Biotechnol 97, 1-11.Prodromidis, M.I., Stalikas, C.D., TzouwaraKarayanni, S.M., Karayannis, M.I., 1996. Determination of glycerol in alcoholic beverages using packed bed reactors with immobilized glycerol dehydrogenase

16、and an amperometric FIA system. Talanta 43, 27-33.Sanchez, A., Valero, F., Lafuente, J., Sola, C., 2000. Highly enantioselective esterification of racemic ibuprofen in a packed bed reactor using immobilised Rhizomucor miehei lipase. Enzyme Microb Tech 27, 157-166.Tepe, O., Dursun, A.Y., 2008. Combin

17、ed effects of external mass transfer and biodegradation rates on removal of phenol by immobilized Ralstonia eutropha in a packed bed reactor. Journal of hazardous materials 151, 9-16.Xi, W.-W., Xu, J.-H., 2005. Preparation of enantiopure (S)-ketoprofen by immobilized Candida rugosa lipase in packed bed reactor. Process Bi