PDMS膜生物反應(yīng)器生物轉(zhuǎn)化制備香草醛研究.pdf

1、香草醛是一種在食品、醫(yī)藥、香精香料和化學(xué)合成中應(yīng)用非常廣泛的化合物，尤其是在香料行業(yè)有“香料皇后”的美譽(yù)。利用生物技術(shù)生產(chǎn)的香草醛被稱為“生物香草醛”，常用的生物技術(shù)手段包括微生物生物轉(zhuǎn)化和酶生物轉(zhuǎn)化。 但是，在一般的生物轉(zhuǎn)化過程中，不管是微生物還是酶，香草醛只是作為中間產(chǎn)物出現(xiàn)，并有產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，造成生物香草醛的生產(chǎn)工藝流程較長(zhǎng)或者產(chǎn)率較低，而分離提純過程中大量外源化合物的帶入也與法定天然產(chǎn)品生產(chǎn)的要求不相符合。 本文

2、利用實(shí)驗(yàn)室自制的硅橡膠(PDMS)復(fù)合膜，發(fā)揮膜的阻擋、隔離和選擇透過性，構(gòu)建了一套PDMS膜生物反應(yīng)器來(lái)進(jìn)行生物香草醛的生物轉(zhuǎn)化，把產(chǎn)物的滲透萃取分離與生物轉(zhuǎn)化過程相耦合，解決了香草醛生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)過程中的產(chǎn)物抑制、乳化和分離純化等問題。 所構(gòu)建的膜生物反應(yīng)器有效容積為1L，膜組件為外置式，有效膜面積為0.024m<'2>，性能評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠以滲透萃取的方式較好地分離提純香草醛。當(dāng)料液濃度為1.2％(w/w)，溫度為3

3、0℃，料液和接收液流量分別為120L/h和80L/h時(shí)，總的傳質(zhì)系數(shù)為1.4027×10<'-3>m/h。 所用的酶是大豆脂氧合酶，酶轉(zhuǎn)化底物是丁香油。首先，從市售的優(yōu)質(zhì)大豆中提取出脂氧合酶，在搖瓶實(shí)驗(yàn)中評(píng)價(jià)其活性，初步得出其在香草醛生物轉(zhuǎn)化中的催化性能和初步優(yōu)化條件。結(jié)果表明，在pH無(wú)調(diào)整和4℃的溫度條件下，水浸提取大豆脂氧合酶的方法最合適，活性損失較少，比活力能夠達(dá)到6.00×10<'5>U/mL左右。在所有的酶活性影響因素

4、中，溫度的影響最大，這充分表明大豆脂氧合酶是溫敏性的，要求操作條件盡可能的溫和，在不影響膜通量的情況下溫度盡量低；同時(shí)，大豆脂氧合酶也是一種耐堿不耐酸的酶，要在堿性環(huán)境中維持其活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，在膜生物反應(yīng)器轉(zhuǎn)化的初始條件為：轉(zhuǎn)化本文選擇活性炭作為添加劑來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)條件。雖然吐溫20也可使(異)丁香酚乳化，極大地增加其在水中的分散程度，但其包裹作用在一定程度上又會(huì)減少(異)丁香酚與酶的接觸機(jī)會(huì)。而活性炭則不同，其作用

5、機(jī)理是將(異)丁香酚吸附在其表面并帶入水中，不但能增加在水中的分散度也能增加(異)丁香酚與酶的接觸。雙氧水能夠起到大豆脂氧合酶的活性誘發(fā)劑的作用，而對(duì)其活性改善作用較小，若是環(huán)境中過氧化物過多則會(huì)改變酶結(jié)構(gòu)從而影響酶的活性。 與搖瓶實(shí)驗(yàn)相比，PDMS膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)在很大程度上消除了產(chǎn)物的抑制和香草醛的氧化損失，丁香油轉(zhuǎn)化率從0.45％提高到1.04％，香草醛在下游萃取液中的最高質(zhì)量濃度達(dá)到了130.10mg/L，遠(yuǎn)高于搖瓶實(shí)驗(yàn)

6、的11.13mg/L；活性炭?jī)?yōu)化后的轉(zhuǎn)化率為1.09％，下游萃取液最高質(zhì)量濃度為136.48mg/L，香草醛的純度(HPLC分析)達(dá)到96.77％。 實(shí)驗(yàn)證明，基于PDMS復(fù)合膜的萃取式膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)不僅能夠有效地將生物轉(zhuǎn)化過程與香草醛的分離過程相耦合，還能提高底物的轉(zhuǎn)化效率，降低酶的抑制，下游接收液的成分也非常單一，給香草醛的進(jìn)一步分離與提純創(chuàng)造了良好的條件。 但是，從實(shí)際應(yīng)用的角度看，仍然有一些問題存在。例如，酶的

7、失活較快，香草醛提取速率較低，等等。這些問題在未來(lái)的進(jìn)一步工作中可以采用以下方法加以解決：改進(jìn)反應(yīng)系統(tǒng)，使酶有更加溫和的發(fā)酵反應(yīng)環(huán)境；繼續(xù)優(yōu)化反應(yīng)條件，使酶的催化效率達(dá)到充分發(fā)揮；改進(jìn)膜器、增大膜面積以增加提取速率。 本文提出了PDMS膜生物反應(yīng)器以酶為生物催化劑、通過生物轉(zhuǎn)化連續(xù)生產(chǎn)具有天然特性的有機(jī)化合物的工藝技術(shù)系統(tǒng)，其操作特征是上游反應(yīng)系統(tǒng)的底物連續(xù)流加和下游萃取液的更新，連續(xù)化操作有助于底物利用的最大化和廢液產(chǎn)生的最小