光引發(fā)表面可控-活性接枝聚合固定化酵母細胞-酶制備生物乙醇研究.pdf

1、生物乙醇具有可再生、綠色環(huán)保、來源多樣性的特點，是可再生能源的重點發(fā)展方向。以纖維素為原料生產(chǎn)生物乙醇是制取該生物能源的主要途徑，目前面臨成本較高、難以工業(yè)化應用的困境。通過對纖維素轉(zhuǎn)化生物乙醇過程中所用微生物、酶的固定化，可以改善其對環(huán)境的耐受性、易于分離、實現(xiàn)重復利用，降低成本，是開發(fā)生物乙醇制備技術的重要研究方向。本文基于光引發(fā)表面可控/活性接枝聚合技術，結合多種化學修飾方法，在聚合物基材表面引入了含官能團的聚合物刷及聚乙二醇(P

2、EG)交聯(lián)層，并實現(xiàn)了對纖維素酶及酵母細胞的固定化，探究了其在纖維素轉(zhuǎn)化生物乙醇中的應用特點。本論文的研究工作及成果如下:
　　1、開發(fā)了在聚合物基材表面接枝含官能團聚合物刷固定化纖維素酶新方法，用于纖維素濾紙催化水解。首先通過紫外光激發(fā)的奪氫-偶合反應將異丙基硫雜蒽酮(ITX)半頻哪醇“休眠種”引入到聚乙烯膜(LDPE)表面，其次在紫外光輻照下激活“休眠種”引發(fā)聚乙二醇單丙烯酸酯(PEGMA)活性接枝聚合，得到PEG聚合物刷。隨

3、后利用該反應可控/活性接枝聚合的特征，通過二次接枝，在紫外光下接枝單體甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)，得到同時包含PEG“間隔”段和環(huán)氧官能團的嵌段聚合物刷。通過聚賴氨酸或乙二胺中的氨基與環(huán)氧基反應將官能團轉(zhuǎn)化為氨基，最終利用戊二醛與纖維素酶和氨基聚合物刷的偶聯(lián)反應，得到以聚合物刷共價固定纖維素酶的功能聚合物膜。通過多種表征手段證實了嵌段聚合物刷的成功接枝及后續(xù)官能團轉(zhuǎn)化反應。PEG“間隔”段長度為385nm，可以增加酶與聚合物基材的距

4、離，提高固定化酶的表面活動能力。通過聚賴氨酸和乙二胺氨化處理的聚合物刷的酶載率分別為2.58％和1.98％。固定化纖維素酶的酶膜進行重復催化9個批次，水解5.0g·L-1濾紙，得到葡萄糖濃度從0.06g·L-1持續(xù)增加到0.57g·L-1。
　　2、發(fā)展了以聚丙烯無紡布(PPF)為基材，基于可見光表面可控/活性交聯(lián)接枝聚合原位固定化酵母細胞的新方法。這一方法包含兩步，首先，通過紫外光反應在PPF上引入ITX半頻哪醇“休眠基”。之后

5、在可見光激發(fā)下，“休眠基”可逆斷開形成表面自由基引發(fā)含有酵母細胞的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)溶液聚合，形成交聯(lián)PEG三維“分子網(wǎng)布”并對酵母細胞原位包埋。通過表征證實大部分酵母細胞被包埋在交聯(lián)網(wǎng)絡內(nèi)部，少量嵌在交聯(lián)層表面，包埋酵母細胞活性優(yōu)異。對聚合單體濃度、發(fā)酵溫度、搖床轉(zhuǎn)速、底物濃度等條件進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在PEGDA濃度50％(v/v)，葡萄糖濃度20g·L-1，30℃，200rpm時，乙醇產(chǎn)率最高為88.2％。經(jīng)紫外光接枝包埋

6、的酵母細胞的乙醇產(chǎn)率只有相同條件下使用可見光聚合包埋的1.12％，證實了可見光引發(fā)的優(yōu)越性。在最優(yōu)化條件下，固定化體系在25個批次(每個批次24h)的間歇重復發(fā)酵過程中，相對乙醇產(chǎn)率維持在80.7±0.4％到95.5±6.3％，發(fā)酵穩(wěn)定性良好，說明酵母細胞在PEG分子網(wǎng)布內(nèi)保持了較好的活性。同時，由于固定化體系成膜狀，通過增加膜的數(shù)量，即可增大酵母細胞量，實現(xiàn)高底物濃度的轉(zhuǎn)化，有利于工業(yè)應用。
　　3、開發(fā)了β-葡萄糖苷酶(BG)

7、和酵母細胞分層共固定化技術，可實現(xiàn)同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇。首先以PPF為基材，采用可見光表面可控/活性交聯(lián)接枝聚合方法，以PEGDA為雙官能團單體，將BG原位固定于基材表面。隨后基于表面可控/活性自由基聚合技術的再引發(fā)特性，通過二次可見光接枝合成PEG“分子網(wǎng)布”并對酵母細胞進行原位固定，得到分層結構的酶/酵母細胞共固定體系。通過多種表征手段證實BG與酵母細胞已被成功分層包埋，其中固定BG酶部分厚度為40μm，固定酵母細胞層厚度為30