利用膜生物反应器微生物转化丙烯酰胺的研究

论文摘要

丙烯酰胺是一种用途广泛的精细化学产品,相对传统的固定化细胞批式反应工艺而言,游离细胞膜生物反应器工艺具有工艺简单,成本低,菌体利用率高,无污染等优点。本文前期探讨了高效腈水合酶产生菌Rhodococcus sp.HUST-2培养条件的优化,然后设计和应用了一种新的游离细胞膜生物反应器的工艺,来取代传统的生产工艺,期待实现工业化应用。首先,通过研究菌体发酵过程中产酶的规律,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4000U/mL以上,比酶活达到224.7U/mg（DCW）左右,大大高于现有工业生产中的酶活。然后,通过对膜材料的截留性能、膜通量、膜抗污染性能和膜抗溶胀性能等方面性能评价,选择聚砜中空纤维超滤膜作为膜组件的膜材料。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,它具有操作方便,结构简单合理,易于清洗等优点。还从水力学的角度对膜组件工作状态建立了数学模型和优化设计,这对工业化过程中膜组件的设计有重要的指导意义。最后在膜生物反应器工艺平台上开发设计了单级非稳态工艺和单级拟稳态工艺两种工艺过程,并进行了可行性研究。实验结果表明:这两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。在单级非稳态工艺过程中,根据对产品浓度要求不同的情况。开发和验证了三个不同反应批次单级非稳态工艺过程。生产效率均在0.02mol/L/min以上,6批次反应菌体利用率最高为0.7 gAM/mg。从生产效率和菌体利用率来看,应用单级非稳态过程的膜生物反应器比现有的固定化细胞催化生产方式更有优势。该工艺过程路线简洁,操作简单应该是日后丙烯酰胺小型工业化生产理想的选择。在单级拟稳态工艺过程中,从反应温度和菌体加入方式两个方面对单级拟稳态工艺过程进行了优化设计。结果发现单级拟稳态工艺过程在20℃下操作,菌体悬液以滴加的方式进入反应体系,会使生产效率和菌体利用率有较大程度的提高。最后还进行了单级拟稳态工艺的生产应用,整个生产过程持续了20小时,反应速率稳定,产品浓度为313.1g/L。该工艺过程很适合丙烯酰胺大型工业化生产的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 丙烯酰胺概述
• 1.1.1 丙烯酰胺的物化性质
• 1.1.2 丙烯酰胺的用途及其市场前景
• 1.2 生物法生产丙烯酰胺的历程
• 1.2.1 硫酸水合法
• 1.2.2 铜催化水合法
• 1.2.3 腈水合酶生物转化法
• 1.3 腈水合酶研究简介
• 1.3.1 腈水合酶的种类和分布
• 1.3.2 腈水合酶的结构特点
• 1.3.3 腈水合酶的反应机理
• 1.4 传统微生物法工艺过程
• 1.4.1 细胞的固定化
• 1.4.2 固定化细胞批式反应工艺流程
• 1.4.3 传统微生物法中需要解决的问题
• 1.5 膜生物反应器技术的研究进展
• 1.5.1 生物反应-分离耦合技术
• 1.5.2 膜生物反应器
• 1.5.3 游离细胞膜生物器工艺的优点
• 1.6 课题背景
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 本课题的研究目的与意义
• 1.6.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 菌体发酵条件的优化
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 菌种和培养基
• 2.2.2 仪器和试剂
• 2.2.3 细菌和酶活测定方法
• 2.3 菌体的发酵过程
• 2.3.1 菌落的形态特征
• 2.3.2 发酵过程中pH 的变化规律
• 2.3.3 发酵过程酶活变化的一般规律
• 2.4 菌体培养过程的优化
• 2.4.1 培养过程中pH 值的优化调控
• 2.4.2 培养过程中葡萄糖浓度的调控
• 2.4.3 培养过程中诱导剂的调控
• 2.4.4 菌体培养的优化调控方案
• 2.5 菌种的保存与活化
• 2.5.1 菌种的保存
• 2.5.2 菌种的活化
• 2.6 本章小结
• 第3章 膜组件的优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 膜组件的选择
• 3.2.2 膜组件性能评价方法
• 3.3 结果和分析
• 3.3.1 膜组件性能评价
• 3.3.2 膜组件性能总结
• 3.4 膜组件工作的水力学模型
• 3.4.1 建立水力学模型的意义
• 3.4.2 建立水力学模型
• 3.5 膜组件与反应器的耦合方式
• 3.5.1 串联式膜生物反应器
• 3.5.2 内置式膜生物反应器
• 3.6 本章小结
• 第4章 膜生物反应器工艺的设计和应用
• 4.1 引言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 实验仪器
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 单级非稳态工艺过程
• 4.3.1 单级非稳态工艺过程的设计
• 4.3.2 单级非稳态工艺过程的应用
• 4.3.3 单级非稳态工艺过程的总结
• 4.4 单级拟稳态工艺过程
• 4.4.1 单级拟稳态工艺过程的设计
• 4.4.2 单级拟稳态工艺参数的影响
• 4.4.3 单级拟稳态工艺过程的应用
• 4.4.4 单级拟稳态工艺过程的总结
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢