【摘 要】
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近年来,全细胞生物催化转化技术的发展带来了生物催化技术历史上的又一次新浪潮,并且已经逐渐转变为合成大宗和精细化学品的支柱。该技术主要利用整个生物有机体作为催化剂,通过存在于微生物中的酶催化底物转化为产物。丙酮酸是一种被广泛应用于食品、营养品、制药等行业的重要中间体。本研究针对丙酮酸传统的化学合成法和发酵法中存在的生产成本高、对环境危害大以及转化率低等弊端,探索利用全细胞生物催化转化法以廉价的L-乳
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近年来,全细胞生物催化转化技术的发展带来了生物催化技术历史上的又一次新浪潮,并且已经逐渐转变为合成大宗和精细化学品的支柱。该技术主要利用整个生物有机体作为催化剂,通过存在于微生物中的酶催化底物转化为产物。丙酮酸是一种被广泛应用于食品、营养品、制药等行业的重要中间体。本研究针对丙酮酸传统的化学合成法和发酵法中存在的生产成本高、对环境危害大以及转化率低等弊端,探索利用全细胞生物催化转化法以廉价的L-乳酸为底物生产丙酮酸。该方法在生产过程中消除了蛋白质纯化和在吸附剂上进一步固定的困难,简化了下游加工过程中费力的产品分离等问题,为丙酮酸的生产提供了一种可靠且高效的替代方法。基于以上背景,本研究的主要内容如下:将WH128菌株制成生物催化剂,利用菌株中L-乳酸脱氢酶的活性催化L-乳酸向丙酮酸转化,并探索单因素条件对反应过程及转化率的影响。结果表明当湿菌体浓度为22.5 g/L,缓冲液的p H值为7.0且在30℃条件下进行反应时,乳酸的转化率最高,达到97.5%,丙酮酸的含量达到24.38 g/L。同时,研究过程中还发现在反应体系中添加16 m M的EDTA可以显著增强丙酮酸的稳定性。为了降低在应用过程中的生产成本,首先利用单因素实验筛选出适合WH128菌株生长的培养基种类。然后利用普勒克特-伯曼设计（Plackett–Burman,PB）实验、爬坡实验和中心复合设计（CCD）实验对初筛的培养基种类以及浓度进行研究,目的是为了在不影响菌株生长以及转化率的情况下降低生产成本。筛选出麦芽糖、牛肉膏和氯化钠是影响菌株生长以及转化率的关键因素,模拟出菌株生长以及转化率之间的二级模型,确定了各培养基的最佳浓度。通过进一步验证,发现WH128菌株的转化率为94.1%,但是培养基的成本降为原来的1/5左右,为全细胞生物催化剂转化L-乳酸生成丙酮酸实现工业化应用奠定了良好的基础。采用实验与模型结合的方法探究菌株生长以及全细胞生物催化的转化过程,利用SGompertz方程建立菌株生长动力学模型,根据模型参数计算出WH128在14.52 h达到最大生长速率。结合幂指数速率方程研究了乳酸浓度、湿菌体浓度以及EDTA浓度对反应的影响,结果表明乳酸初始浓度反应级数为0.8494,湿菌体初始浓度反应级数为-1.0660,EDTA初始浓度反应级数为0.8169。用阿伦乌斯模型研究了乳酸在不同温度下的转化情况,R~2为0.9793,说明此模型能够很好地解释在不同温度变化下乳酸转化为丙酮酸的实际过程。本研究采用数模结合的方法,探究了利用WH128制作全细胞生物催化剂,在催化L-乳酸生成丙酮酸的过程中有较高的转化率以及产量,且该实验具有成本低廉、绿色环保、无副产物等优点,为丙酮酸的工业化生产打下了坚实的基础。
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