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膜生物反应器游离细胞催化体系生产丙烯酰胺的研究

孙旭东  
【摘要】:丙烯酰胺是一种应用广泛的基础化工原料,随着其市场的不断拓展,对丙烯酰胺的需求不断增长。在丙烯酰胺微生物转化的工业生产中,主要应用传统的固定化细胞批式反应工艺,存在着许多缺点,限制了工业化生产的进一步发展。 本论文主要致力于研究和发展一种新的采用游离细胞膜生物反应的工艺及相应的多种过程,最终的目的是实现工业化应用。 首先,针对现有的生产菌种,在进一步研究发酵过程规律的基础上,提出了调节pH值,补加葡萄糖和诱导剂的菌体优化培养方案。使发酵液腈水合酶的活力提高到6000U/mL以上,大大高于现有工业生产中的酶活。同时自主开发了的新诱导剂和诱导方案,使腈水合酶酶活进一步提高到7800U/mL以上,酶比活达到390 U/mg(DC)左右。 对游离酶动力学行为进行了研究,在提出的双稳态假设的基础上,推导出了描述游离酶催化反应动力学和酶失活动力学的数学模型。同时提出了用微囊化固定化酶的概念来模拟游离细胞腈水合酶的设想,通过关联得到了游离细胞催化反应动力学和酶失活动力学模型。通过游离细胞的基础动力学实验,拟合得到合理的模型参数,从而得到了实用性强的游离细胞酶催化反应动力学和酶失活动力学模型,为后续的反应工艺过程的设计和计算机模拟与优化打下了基础。 为进一步提高生物催化剂在反应过程中的稳定性,对现有的菌种开发了可以提高游离细胞酶反应稳定性的方法。通过某些有机酸和糖类物质的添加,能够起到提高酶稳定性的作用。通过摇瓶培养过程中加入酶催化反应的方法,进行菌体的驯化和筛选,使菌体的酶活稳定性和产物耐受性明显提高,最终的驯化菌体对产物的耐受浓度达到600g/L以上,和原始菌种相比,提高了85%以上。 进而对游离细胞反应工艺的可行性和优越性进行了评价和验证,并开发了实现游离细胞反应过程的以反应与分离耦合的膜生物反应器为基础的工艺平台。经过分析和评价,选择聚砜或聚偏氟乙烯为膜材料的中空纤维超滤膜作为膜分离组件,并采用反应器和中空纤维膜组件串联的膜生物反应器形式,其优点是构成简单、可应用性强、利于现有生产装置的改造。 WP=4 在此膜生物反应器上开发了单级非稳态工艺、单级拟稳态工艺、多级连续化工艺三种工艺过程,并进行了可行性和优越性验证。研究表明,在中空纤维膜生物反应器上实现的这三种工艺过程各有特点,在生产效率和菌体利用率等方面都优于现有的固定化细胞生产方式。 根据实际游离细胞催化反应动力学和酶失活动力学模型,并结合工艺过程的特点,对不同工艺过程的设计进行了计算机模拟和优化,并采用了动态规划等优化方法对控制策略进行了优化。 将游离细胞膜生物催化反应工艺进行了工业化实际应用。反应器规模达到6000L,膜面积达到160M2,生产规模为6000吨/年。经过工厂一年多的生产,工艺和设备稳定,和原来采用的固定化工艺过程相比,新工艺年增加效益达到200万元以上。 本论文的研究课题来源于生产实际,研究的最终目的是回归于生产实际。本论文研究成果成功地向实际生产力的转化,不仅推动了丙烯酰胺微生物转化工艺的发展,同时也为其它生物催化工业过程的设计和改造提供了新的可行的研究思路和研究方向。


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