CN106636054A - 一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体及其制备方法。其特征在于所述的微生物催化载体为多孔颗粒，其粒径1～4 mm，孔径1～130 μm，孔隙率90～98%；其基质为具有超大孔隙的海藻酸盐晶胶，基质内包埋有可合成有机酸的微生物细胞催化剂；本发明还提供了一种利用多微管反应器成形、相变结晶致孔和交联制备所述微生物催化载体的方法。本发明微生物催化载体具有孔隙率高、孔径大、渗透性能优异、底物和产物进出载体的传质阻力小、传质性能高、生物安全性好等优点；本发明提供的制备方法简单，规模化制备方便，在有机酸的生物转化合成领域具有广阔的应用前景。

Description

一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体及其制备方法
技术领域
本发明属于生物化工领域，具体涉及一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体及其制备方法。
背景技术
有机酸在化工、材料、药物、食品等许多领域有重要应用，其工业化制备主要采用化学合成方法。近几年，随着全球对有机酸需求量的不断增长，尤其是新药、食品工业和新材料等领域对乳酸和苯乳酸等高值有机酸的需求迅速增加，使得有机酸制备收到了国内外的普遍重视。然而，传统化学合成法由于存在比较严重的环境污染和溶剂残留等问题，研究和发展有机酸的新型制备方法，具有重要意义。
利用微生物发酵或转化合成高值有机酸，以其反应条件温和、环境友好和产物安全性高等优点，成为当前的重要发展方向。但是，这些方法常常受限于底物和产物抑制，或者缺乏高效的微生物催化剂和适宜的催化载体，使得产率和转化率不高，产物浓度低，微生物菌体难以回收利用，过程成本高，成为当前限制其工业化应用的障碍。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明目的在于提供一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体及其制备方法。
所述的一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体，其特征在于所述的微生物催化载体为多孔颗粒，其基质骨架为海藻酸盐，基质骨架内包埋有能合成有机酸的微生物催化剂。
所述的一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体，其特征在于所述的微生物催化载体粒径为1～4 mm，微生物催化载体内部拥有孔径为微米量级的超大孔隙，其孔隙率为90～98%，孔径1～130 μm。
所述的一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体，其特征在于能合成有机酸的微生物催化剂为干酪乳杆菌菌体、布氏乳杆菌菌体或两者混合菌的全细胞菌体。
所述的一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体，其特征在于全细胞菌体在微生物催化载体中的质量百分含量为1～10%。
所述的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
1）将能合成有机酸的微生物催化剂均匀悬浮在海藻酸盐的水溶液中，制成含细胞反应悬浮液；
2）将步骤1）得到的含细胞反应悬浮液以0.7～22 cm/s的流速通过多微管反应器，形成尺寸均一的含细胞反应悬浮液滴；
3）将步骤2）得到的含细胞反应悬浮液滴在交联剂中进行溶剂冷冻结晶致孔和交联反应，待反应完成后融化冰晶，得到具有超大孔隙晶胶基质且包埋有可合成有机酸的微生物催化剂载体颗粒。
所述的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的制备方法，其特征在于步骤1）中的含细胞反应悬浮液由以下质量百分比的组份组成：海藻酸盐1~3%，微生物细胞菌体1～10%，水87～98%。
所述的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的制备方法，其特征在于海藻酸盐为海藻酸钠，微生物细胞菌体为干酪乳杆菌菌体、布氏乳杆菌菌体或两者混合菌体。
所述的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的制备方法，其特征在于步骤2）中的含细胞反应悬浮液流经多微管反应器的流速为0.7～22 cm/s。
所述的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的制备方法，其特征在于步骤2）中的含细胞反应悬浮液滴的大小为1.2～5 mm。
通过采用上述技术，本发明具有如下有益效果：
1）本发明提供的用于转化合成有机酸的微生物催化载体，是一种具有超大孔隙且包埋有可转化合成有机酸的多孔弹性晶胶材料，骨架材料为天然海藻酸盐，生物相容性优良，具有很好的生物安全性；
2）本发明提供的用于转化合成有机酸的微生物催化载体为粒状载体，其孔径大，孔隙率高，其粒径为1～4 mm，孔隙率为90～98%，孔径1～130 μm，适于微生物转化合成过程中底物和产物的传质扩散；其粒径较大，用于生物转化合成过程方便，回收简单（例如简单过滤），可以重复利用，有助于减少过程成本，工业化放大也容易实现；
3）本发明提供的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的制备方法简单、操作方便，颗粒粒径比较均匀且可控，适于规模化工业制备应用。
附图说明
图1为本发明的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的实际形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1
将60 mL含有2%海藻酸钠、10%干酪乳杆菌菌体和88%水（均为质量百分比，下同）混合均匀得到含细胞反应悬浮液，用多微管反应器于1 cm/s的流速下制备成为直径范围3.2～5mm的含细胞反应悬浮液滴，得到的含细胞反应悬浮液滴在500 mL CaCl2水溶液交联剂中进行冷冻结晶致孔和交联反应，得到用于转化合成有机酸的微生物催化载体，部分载体如附图1所示，所得微生物催化载体的粒径3～4 mm，孔隙率95%，孔径约5～80 μm。
实施例2
将150 mL含有1%海藻酸钠、1%干酪乳杆菌菌体和98%水混合均匀，得到含细胞反应悬浮液，含细胞反应悬浮液用多微管反应器于22 cm/s的流速下制备成为直径范围1.2～2.3 mm的悬浮液滴，在950 mL CaCl2水溶液交联剂中进行冷冻结晶致孔和交联反应，得到用于转化合成有机酸的微生物催化载体。所得微生物催化载体的粒径1～2 mm，孔隙率98%，孔径约10～130 μm，在水中具有良好的弹性。
实施例3
将300 mL含有2%海藻酸钠、5%干酪乳杆菌菌体和5%布氏乳杆菌菌体和88%水混合均匀制成含细胞反应悬浮液，含细胞反应悬浮液用多微管反应器于3 cm/s的流速下制备成为直径范围1.8～3.3 mm含细胞反应悬浮液滴，含细胞反应悬浮液滴在1080 mL CaCl2水溶液交联剂中进行冷冻结晶致孔和交联反应，得到用于转化合成有机酸的微生物催化载体，所得微生物催化载体的粒径1.5～3 mm，孔隙率90%，孔径约1～80 μm，在水中具有良好的弹性。
实施例4
将300 mL含有2.1%海藻酸钠、10%布氏乳杆菌菌体和88.9%水混合制成含细胞反应悬浮液，含细胞反应悬浮液用多微管反应器于2.4 cm/s的流速下制备成为直径范围2.2～4 mm的含细胞反应悬浮液滴，含细胞反应悬浮液滴在780 mL CaCl2水溶液中进行冷冻结晶致孔和交联反应，得到用于转化合成有机酸的微生物催化载体。所得微生物催化载体的粒径2～3.5 mm，孔隙率92%，孔径约5～100 μm，在水中具有良好的弹性。
实施例5
将100 mL含有3%海藻酸钠、1%干酪乳杆菌菌体和9%布氏乳杆菌菌体和87%水混合制成含细胞反应悬浮液，含细胞反应悬浮液用多微管反应器于0.70 cm/s的流速下制备成为直径范围2.2～5 mm的含细胞反应悬浮液滴，含细胞反应悬浮液滴在500 mL CaCl2水溶液交联剂中进行冷冻结晶致孔和交联反应，得到用于转化合成有机酸的微生物催化载体。所得微生物催化载体的粒径2～4 mm，孔隙率92%，孔径约5～120 μm，在水中具有良好的弹性。
实施例6
取10g本发明所得含有布氏乳杆菌的微生物催化载体，于1 L液体培养基（组成：葡萄糖10 g，蛋白胨5 g，柠檬酸氢二胺1 g，无水乙酸钠2.5 g，硫酸锰0.125 g，硫酸镁0.29 g，磷酸氢二钾1 g，酵母膏2.5 g，牛肉膏5 g，吐温80 0.5 g，去离子水500m L，pH值自然）中进行静置发酵72小时，温度控制在25~35℃，得到含有乳酸和苯乳酸的发酵液；用高效液相色谱进行检测分析，所得发酵液中的乳酸浓度为1.76 g/L，苯乳酸终浓度为37 mg/L。
实施例7
取20g本发明所得含有干酪乳杆菌的微生物催化载体，于1 L液体培养基（组成：葡萄糖20 g，蛋白胨10 g，柠檬酸氢二胺2 g，无水乙酸钠5 g，硫酸锰0.25 g，硫酸镁0.58 g，磷酸氢二钾2 g，酵母膏5 g，牛肉膏10 g，吐温80 1 g，去离子水1 L，pH值自然）中进行静置发酵72小时，温度控制在25~35℃，得到含有乳酸和苯乳酸的发酵液；用高效液相色谱进行检测分析，所得发酵液中的乳酸浓度为5.6 g/L，苯乳酸终浓度为29 mg/L。
实施例8
取20g本发明所得微生物催化载体，作为生物转化的催化剂，以20 mL含0.28 g葡萄糖和0.14 g苯丙酮酸的溶液（100 mM pH 8磷酸盐缓冲液）为底物，转化4小时，温度35℃，搅拌速度70 rpm，得到转化液；用高效液相色谱进行检测分析，所得转化液中苯乳酸浓度6.8 g/L，摩尔转化率为96%。并且该微生物催化载体可以多次利用，催化性能依旧良好，重复使用7次后，该载体摩尔转化率仍高达65%。

Claims (9)

1.一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体，其特征在于所述的微生物催化载体为多孔颗粒，其基质骨架为海藻酸盐，基质骨架内包埋有能合成有机酸的微生物催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体，其特征在于所述的微生物催化载体粒径为1～4 mm，微生物催化载体内部拥有孔径为微米量级的超大孔隙，其孔隙率为90～98%，孔径1～130 μm。
3.根据权利要求1所述的一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体，其特征在于能合成有机酸的微生物催化剂为干酪乳杆菌菌体、布氏乳杆菌菌体或两者混合菌的全细胞菌体。
4.根据权利要求3所述的一种用于转化合成有机酸的微生物催化载体，其特征在于全细胞菌体在微生物催化载体中的质量百分含量为1～10%。
5.一种根据权利要求1所述的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
1）将能合成有机酸的微生物催化剂均匀悬浮在海藻酸盐的水溶液中，制成含细胞反应悬浮液；
2）将步骤1）得到的含细胞反应悬浮液以0.7～22 cm/s的流速通过多微管反应器，形成尺寸均一的含细胞反应悬浮液滴；
3）将步骤2）得到的含细胞反应悬浮液滴在交联剂中进行溶剂冷冻结晶致孔和交联反应，待反应完成后融化冰晶，得到具有超大孔隙晶胶基质且包埋有可合成有机酸的微生物催化剂载体颗粒。
6.根据权利要求5所述的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的制备方法，其特征在于步骤1）中的含细胞反应悬浮液由以下质量百分比的组份组成：海藻酸盐1~3%，微生物细胞菌体1～10%，水87～98%。
7.根据权利要求6所述的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的制备方法，其特征在于海藻酸盐为海藻酸钠，微生物细胞菌体为干酪乳杆菌菌体、布氏乳杆菌菌体或两者混合菌体。
8.根据权利要求5所述的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的制备方法，其特征在于步骤2）中的含细胞反应悬浮液流经多微管反应器的流速为0.7～22 cm/s。
9.根据权利要求5所述的用于转化合成有机酸的微生物催化载体的制备方法，其特征在于步骤2）中的含细胞反应悬浮液滴的大小为1.2～5 mm。
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