Page 23 - 《精细化工》2022年第4期
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第 4 期 刘袖洞，等: 细胞固定化催化生产精细化学品的研究进展 ·659·
表面附着固定化细胞的活性及催化效果与载体 表面附着固定化在研究中依旧存在产物抑制问题，如
的孔隙率、比表面积、吸附能力息息相关 [25] 。活性 在 LIU 等 [30] 的研究中，丁醇在活性炭孔隙中滞留是
炭 [26] 、陶瓷 [27] 、聚氨酯泡沫 [28] 等多孔材料均可固定 导致活性炭固定细胞丁醇产率低于砖载体的另一原
化细胞用于 催化生产精 细化学品。 1,3- 丙二 醇 因。因此，开发与细胞固定化催化精细化学品生产
（1,3-PDO）是一种重要的精细化工单体 [29] ，目前 相适应的产物分离技术尤为必要。
主要通过化学法生产。杜邦公司开发出以甘油或葡
萄糖为底物的微生物催化生产方法用于工业生产 2 凝胶包埋
1,3-PDO；国内天冠集团已经完成 500 t/a 规模的微
凝胶微球、微胶囊是目前工业应用最广泛的细
生物催化工业试验，完全有能力生产高纯度 1,3- 胞固定化载体之一 [31] ，其原理是通过包埋将微生物
PDO，但均利用的游离细胞催化工艺。ZHANG 等 [26]
细胞嵌入非水溶性聚合物凝胶网络的孔隙中或聚合
在 5 L 发酵罐中加入 3 L 发酵液、0.3 L 体积分数 10%
物微胶囊内，同时允许细胞需要的营养物质和反应
酪酸梭菌（Clostridium butyricum）悬液，以及 300 g
底物进入、细胞代谢废物和反应产物排出 [32] 。以海
活性炭对 Clostridium butyricum 进行固定化，与游离
藻酸钠（SA）、壳聚糖（CS）为例，图 3 展示了两
细胞相比，固定化细胞在 4 个重复批次后 1,3-PDO
种载体（微球、微胶囊）的制备过程，两者以是否
产率仍可达 2.12 g/(L·h)，实现了连续稳定生产，达
外覆聚电解质络合膜区分。
到小试水平。另外，因细胞表面广泛的负电性质，
某些载体内部存在的多种阳离子亦可通过增加吸附
能力、作为细胞代谢过程元素的方式提高细胞固定
化效果及细胞内关键酶的催化能力。LIU 等 [30] 以
V(载体)∶V(菌液)=1∶9 的比例将活性炭和砖固定
化后的丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）
分别接种到装有 40 mL 培养液的 50 mL 锥形瓶中，
对比两种固定化细胞的丁醇产率发现，砖载体的丁 图 3 凝胶包埋固定化细胞示意图
醇产率〔0.15 g/(L·h)〕比活性炭载体〔0.087 g/(L·h)〕 Fig. 3 Schematic diagram of gelation entrapment for cell
immobilization
高 0.063 g/(L·h)，分析认为是砖载体中 Fe 2 O 3 溶解释
3+
放 Fe 参与合成铁氧还原蛋白，使胞内酶的活性提 凝胶微球包埋要求载体既有一定的机械强度和
高，从而导致砖载体固定化细胞的丁醇产率比较高； 稳定性，又具备良好的生物相容性及抗微生物分解
该研究还实现了氢气和丁醇的联合生产，促进了单 的能力，目前以 SA 凝胶微球固定化方法最为成熟，
一细胞催化生产多产品的研究。精细化学品生产中， 已获得较高的精细化学品产率，促进精细化学品的
水力停留时间（缩写为 HRT，即固定化细胞与底液 工业规模生产。MILOŠ 等 [33] 将 PVA 和 SA 等质量混
接触的时间）同样是影响生产效率的重要因素，较 合 后 与鼠李糖乳杆菌（ Lactobacillus rhamnosus
短的 HRT 有利于保持细胞活性，从而在重复批次催 ATCC7469）混合成细菌悬液，使用静电挤出装置将
化生产中获得较高产率。GUNGORMUSLER 等 [27] 细菌悬液以 70 mL/h 流速挤压到 CaCl 2 溶液内形成
将多孔惰性载体陶瓷及体积分数 1%的克雷白氏杆菌 内嵌 Lactobacillus rhamnosus ATCC7469 的凝胶微
（Klebsiella pneumoniae）培养液加入到容积 280 mL 球，将微球转移到葵花籽油中在–20 ℃下冷冻 12 h，
的填充床柱生物反应器中，以表面附着固定化细胞 4 ℃缓慢解冻，清洗后用于在食品、制药、化妆品
催化生产 1,3-PDO，相比悬浮细胞培养体系，在较 和化工行业广泛应用的乳酸生产，微球良好的机械
短的 HRT 下，陶瓷固定化细胞将 1,3-PDO 的产率提 和操作性能保证了细胞活性，乳酸产率达到 0.8
高两倍，达 4.9 g/(L·h)，而且陶瓷的引入使 Klebsiella g/(L·h)。相对于游离细胞催化工业生产（目前 90%
pneumoniae 在极端条件下（高有机负荷率、细胞体 的乳酸通过游离细胞催化进行工业生产 [34] ，如美国
积的生产阻力）的催化稳定性和生产连续性进一步 Nature Works LLC、国内江南大学、安徽丰原集团
增强。VERAS 等 [28] 用 PUF 对细胞固定化，证实 PUF 有限公司、河南金丹乳酸科技股份有限公司等），该
提高了细胞密度，将 1,3-PDO 的产率提高到 0.22~0.23 研究良好的细胞活性及催化剂稳定性为固定化细胞
g/(L·h)。 催化工业生产乳酸提供了可行思路。
表面附着固定化应用于精细化学品生产，不仅 相比游离细胞催化，凝胶微球固定化细胞催化在
在细胞培养、HRT 等方面缩短了生产周期，而且固 精细化学品上游生产及下游处理中均具有优势 [35-36] 。
定化细胞多批次重复使用使生产成本显著降低。但 在上游生产中，通过调节装载的凝胶比例控制凝胶
