Page 27 - 《精细化工》2022年第4期

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 ·663·

(R)-(−)-甘露烯酸是一种在抗生素药物合成领域常 差距较大，一方面是产业化环境不佳，即多数生物
用的多功能手性构件，NI 等 [64] 将大肠杆菌（E. coli） 技术企业规模小、技术积累弱，难以有效稳定支撑
与氧化铁纳米粒（IONPs）简单混合后加入到儿茶 长期技术研发投入；另一方面是仍有许多关键性技
酚壳聚糖溶液（CCS）中，通过改变 pH 使细胞聚集， 术未解决，如固定化细胞发酵过程中存在高密度细
利用 CCS 与细胞表面硫醇基的共价键合及 CCS 凝 胞培养-固定化载体固有的物质扩散阻力之间的矛
固作用完成对 E. coli 的固定化，相比游离细胞，共 盾，导致细胞密度低、产物浓度低，需要从细胞群
价键合固定化 E. coli 在水-有机双相体系中催化效 体感应的认知及利用角度加强细胞间相互作用的研
果更稳定，6 个批次后产率达到 40.9 g/(L·h)，而且 究，结合载体制备工艺中载体结构-扩散能力的调
氧化铁纳米粒子的引入简化了下游处理步骤，利用 控，以及放大工艺优化等加以解决；又如：固定化
磁铁便可使固定化细胞催化剂与底液分离，具有一 细胞发酵过程多涉及气液固三相，是一个复杂的生
定的工业应用潜力 [64] 。 物化学反应过程，目前对反应器中流体流动、物质
不同种类的细胞具有不同的表面结构，很难利 传递、热量传递的认识不足阻碍了高效生物反应器
用一种共价键合机制完成对不同种类细胞的固定 的设计与制造、下游加工工艺设计与过程优化，可
化。FAN 等 [63] 开发了一种基于活细胞的载体和细胞 以加强反应器中多相流体模拟、微米级固定化载体
双修饰的共价键合固定化方法，在细胞活性保持方 传质动力学等应用基础研究与不同级别实验验证以
面取得良好效果，其首先将叠氮化物代谢整合到细 求取得突破。最后，通过产学研的高效结合，促进
胞表面，接着用二氯甲烷（DCM）化学修饰磁性纳 有自主知识产权的细胞固定化催化技术及其产品的
米离子，然后在温和条件下，通过炔基和叠氮基之 中试、工业化装置及工艺的快速转化，壮大可持续、
间的点击反应完成对 E. coli 的共价键合固定化，固 绿色生物技术生产精细化学品的产业，提高中国生
2+
定化细胞在 45 ℃、pH 6.0、Cu 存在的条件下，具 物技术产品的国际竞争力。
有良好的活性回收率（94%）及操作稳定性（10 个
参考文献：
批次后活性依旧保持 50%以上）。载体与细胞的双功
能化修饰拓宽了共价键合在固定化细胞催化精细化 [1] QIAN X J, YAN W, ZHANG W M, et al. Current status and
perspectives of 2-phenylethanol production through biological
学品生产中的应用范围，在工业应用上具有很大的 processes[J]. Critical Reviews in Biotechnology, 2019, 39(2): 235-248.
应用潜力。 [2] FENG L G, WANG M, WANG J. Isolation of 2-phenylethanol
biosynthesis related genes and their relationship with 2-phenylethanol
accumulation in Rosa rugosa[J]. Acta Physiologiae Plantarum, 2015,
5 结束语与展望 37(12): 256-265.
[3] CLOMBURG J M, CRUMBLEY A M, GONZALEZ R. Industrial
在细胞固定化催化生产精细化学品领域，大部 biomanufacturing: The future of chemical production[J]. Science,
2017, 355(6230): aag0804.
分细胞固定化方法非常有效，此法可提高细胞在应 [4] ZHAO Q C, ANSORGE S M B, HAAGA R, et al. Living whole-cell
用环境中的耐受性，保持细胞活性，延长细胞催化 catalysis in compartmentalized emulsion[J]. Bioresource Technology,
2020, 595: 1-7.
时间，提高生产效率，显著降低生产成本；可多批 [5] HAQUE R U, PARADISI A. Haloferax volcanii as immobilised
次重复使用，提高细胞操作稳定性和细胞催化效率 whole cell biocatalyst: New applications for halophilic systems[J].
Applied Microbiology and Biotechnology, 2019, 15(103): 3807-3817.
等。然而，细胞固定化催化工艺在实际应用中也存 [6] WANG Q (汪庆), HOU Z L (侯泽林), WANG L Q (王利群), et al.
在一定限制。例如：细胞固定化技术对材料、设备、 Whole cell catalytic synthesis of ethyl (R)-2-hydroxy-4-ethylbutyrate[J].
Fine Chemicals (精细化工), 2018, 35(2): 207-212.
成本等要求高，现有技术处在实验室阶段；细胞固 [7] PAN X R (潘鑫茹), LIU J Z (刘均忠), ZHANG H J (张宏娟), et al.
定化方法本身存在技术限制，例如：表面附着法因 Synthesis of L-theanine by whole cell catalyst co-expressing PPK
and GMAS[J]. Fine Chemicals (精细化工), 2019, 36(9): 1828-1832.
细胞附着在载体表面而对细胞活性保护作用有限； [8] HANG X L, LIUY F, LIU L, et al. Microbial production of sialic
凝胶包埋法存在底物/产物扩散阻力增加的问题，易 acid and sialylated human milk oligosaccharides: Advances and
perspectives[J]. Biotechnol Advances, 2019, 37(5): 787-800.
降低细胞催化能力，引起细胞毒性（产物抑制）；共 [9] KISUKURI C M, ANDRADE L H. Production of chiral compounds
价键合法中细胞活性的保持是难题。 using immobilized cells as a source of biocatalysts[J]. Organic and
Biomolecular Chemistry, 2015, 13(40): 10086-10107.
国内生物技术生产精细化学品的研发整体上落
[10] NIE H Y, NIE M Q, DIWU Z J, et al. Biological treatment of high
后于欧美日地区。但在基础研究方面，如定向进化、 salinity and low pH produced water in oilfield with immobilized cells
of P. aeruginosa NY3 in a pilot-scale[J]. Journal of Hazardous
细胞工程、合成生物学等领域处于领先/首创水平，
Materials, 2020, 381(5): 121232-121237.
如中国科学院天津工业生物技术研究所首次利用生 [11] HUA X, DUA G L, XU Y. Cost-practical of glycolic acid
bioproduction by immobilized whole-cell catalysis accompanied with
物催化技术在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头
compressed oxygen supplied to enhance mass transfer[J]. Bioresource
合成 [71] 。但是，在技术研发转化方面与欧美日地区 Technology, 2019, 283(6): 326-331.