Page 22 - 《精细化工》2022年第4期

·658· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

催化剂完成生物转化的过程。相比酶催化法，细胞 胞定向固定化 [20] 、多种催化方式联合催化 [21] 、生物
催化更易实现精细化学品生产中多种酶之间的级联 催化剂多相催化 [22] 及反应装置的开发 [23] 方面需要进
[5]
反应，且省去分离纯化酶的复杂流程 ，因此受到 一步加快研发进程，以解决限制其工业应用的固定
研究者的青睐。 化方法研发成本高、固定化细胞稳定性差、配套设
目前，提高细胞催化能力主要有两种方式：（1） 施落后等问题。
通过在自然界筛选或基因工程改造的方式来选育具 本文在对表面附着、凝胶包埋、聚电解质层层
有高效催化性能的细胞 [6-7] ，但在实际生产中直接使 自组装膜、共价键合固定化方法的机理、优势、研
用细胞进行催化存在细胞回收率低、生存期短、可 究进展及存在的问题进行分析总结的基础上，讨论
[8]
重用性差、操作稳定性差的缺点 ；（2）通过细胞 了细胞固定化方法在精细化学品生产领域面临的挑
固定化方法保证细胞活性来提高细胞催化性能，具 战及发展方向，以期促进细胞催化技术的不断完善
[9]
有可循环使用、简化下游处理等优点 。 及细胞固定化催化生产精细化学品的产业化进程。
细胞固定化方法广泛应用于环境、化妆品、医
药、食品等领域（见图 1）。例如：NIE 等 [10] 将铜绿
假单胞菌（P. aeruginosa NY3）固定在聚氨酯泡沫
（PUF）上用于处理油田产出水中的油和悬浮固体，
中试实验去除率分别在 80%和 76%以上；HUA 等 [11]
将氧化葡糖杆菌（Gluconobacter oxydans NL71）通
过聚乙烯醇（PVA）微球固定，用于生产在化妆品
领域应用广泛的羟基乙酸（GA），小试产率达到
1.32 g/(L·h)；QIU 等 [12] 将大肠杆菌（E. coli BL21）
固定在活性炭上，用于生产降胆固醇药物 6-氰基-
(3R,5R)- 二 羟基己酸叔 丁酯，实验 室小试获得
0.33 g/(L·h)的产率；TRAKARNPAIBOON 等 [13] 采用

PUF 固定水稻根霉菌（Rhizopus oryzae DMKU 12） 图 1 细胞固定化催化生产精细化学品
小试生产食品行业中应用广泛的乳酸，产率可达 Fig. 1 Production of fine chemicals by cell immobilization
1.16 g/(L·h)。 catalysis

同样，由于工艺绿色、选择性强、成本低等优
势，细胞固定化催化技术在精细化学品生产领域的 1 表面附着
应用也得到极大发展 [14] 。国外对细胞固定化催化生
产精细化学品的研究较早 [15] 。欧洲、美国和日本相 表面附着是一种基于微生物细胞集群效应的细
继实现维生素、烟酰胺、氨基酸衍生物、醇等精细 胞固定方法，一般遵循以下步骤：（1）利用细胞和
化学品的细胞固定化催化工业生产 [16] 。例如：瑞士 载体之间相互作用力（如静电作用力、表面张力、
龙沙（广州）公司利用固定化紫红红球菌年产 6000 t 黏附力等）使游离细胞接触并附着在载体表面；（2）
烟酰胺；荷兰帝斯曼公司利用固定化大肠杆菌、鲁 附着在载体表面的细胞生长增殖，形成密集菌群，
维酵母菌等年产 2000 t β-内酰胺抗生素；美国杜邦 完成表面附着 [24] （图 2）。
公司利用固定化重组大肠杆菌实现了 4-氰基戊酸、
5-氰基戊酰胺的产业化；日本日东化学工业公司利
用固定化红球菌年产 3 万 t 丙烯酰胺及其衍生物。
相比国外，国内已经实现了氨基酸、乙醇、丁醇、
烟酰胺、L-酒石酸、丙烯酰胺、D-泛酸等精细化学
品的生物制造产业化，如中粮集团年产 500 t 生物乙
醇，但多为酶催化过程 [17-18] 。细胞固定化催化产业
起步较晚，工业化规模、生产技术、市场占比等方
面与国外存在较大差距 [16] ；已经开展了细胞固定化
图 2 表面附着固定化细胞示意图
生产氨基酸、L-酒石酸等产品的中试研究，霉菌交 Fig. 2 Schematic diagram of surface attachment of cells on
联固定化生产 D-泛酸钙年产能力 5000 t [19] ，但在细 supports