基于枝状磁性纳米固定化酶的高梯度磁场酶催化反应器研究

According to contradiction of high reaction of nano immobilized enzyme and enzyme recycling, this project proposes a new integrated innovation system-high gradient magnetic field reactor based on dendritic magnetic nano-immobilized enzyme in order to enhance the efficient continuous reaction of the immobilized enzyme.This method makes use of high gradient magnetic separation principle and the dendritic magnetic nanometer immobilized enzyme fixed on the metal wire surface to construct a uniform distribution of immobilized enzyme in biocatalytic reactor with a certain porosity. This new biocatalysis sytem overcomes the problems of limited liquid flow rate and aggregation of magnetic nanoparticles in magnetically stabilized fluidized bed. The enzyme onto the dendritic magnetic nanoparticles dispersed uniformly in the new biocatalysis reactor with high heat and mass transfer efficiency.With the biocatalytic degradation of phenolic compounds by the immobilized laccase onto the dendritic magnetic nanoparticls, the theoretical analysis and experimental study on the high gradient magnetic reactor will be conducted in order to solve the scientific and technical key problems for biocatalysis with green enzymes.The results from the current project will not only develop efficient and environment-friendly biocatalysis processs but also enhance the cross discipline among material science, biotechnology, chemical engineering and so on.

针对纳米固定化酶高效反应与酶回收循环利用的矛盾，以固定化酶的高效连续反应为目的，本课题提出了一个创新反应系统-基于枝状磁性纳米固定化酶的高梯度磁场催化反应器。该方法利用高梯度磁性分离原理，将枝状磁性纳米固定化酶固定在反应柱内金属丝表面，构建一个固定化酶在反应柱内均匀分布、具有一定孔隙率的磁性催化反应器，避免了磁场稳定流化床中受流速限制和纳米催化剂凝聚带来的扩散限制和沟流问题；固定在枝状高分子纳米材料的酶分散在反应器内，而非固体颗粒堆积，具有传质、传热效率高的优点。以漆酶催化降解酚类化合物为模式体系，以创新的枝状磁性纳米固定化酶为催化剂、系统开展高梯度磁场催化反应器的理论分析和实验研究，为绿色酶催化的关键科学问题和技术难题解决提供参考。研究成果不仅可以创立高效经济环境友好的生物转化过程，而且将有力地推动材料科学、生物技术和化学工程等相关学科的交叉融合发展。

本项目按照项目计划书的技术路线和内容开展了科学研究，圆满达到了预期目标。利用法尼醇信号分子调控手段和微需氧培养策略分别使得变色栓菌发酵产漆酶和基因工程菌表达产CotA漆酶的发酵水平达到国际领先水平，为各种磁性纳米漆酶催化剂的制备提供了性能稳定和低成本的酶原料。针对纳米固定化酶高效反应与酶回收循环利用的矛盾，制备出各种功能性超顺磁性纳米颗粒进行酶的固定化生产磁性纳米酶催化剂，特别是将磁性颗粒表面接枝长链高分子聚合物，使磁性颗粒获得了一个合适长度的柔性手臂，通过这个柔性手臂固定化酶，可以使固定化酶自由分散在磁场反应器内，具有游离酶的高催化特性和固定化酶的高稳定性，有利于减少反应过程中的扩散限制；同时，接枝有功能性高分子链的磁性颗粒表面对酶分子有很高的键合容量，可以大幅度提高固定化酶的结合量，显著提高催化反应的效率。研制了交变磁场催化装置以强化磁性纳米酶催化剂的催化效率，随着交变磁场频率和强度的增大磁性纳米催化剂的反应速率明显提高，在交变磁场下重复使用6次后磁性纳米漆酶催化剂仍保持了初始催化反应速率的85%。研制了高梯度磁场装置实现连续操作以提高磁性纳米催化剂过程效率，在最适的操作条件下连续运转48 h后，磁性纳米漆酶催化剂对苯酚降解率保持在70.30%以上。该项目的成果不仅可以创立高效经济环境友好的生物转化过程，而且将有力地推动材料科学、生物技术和化学工程等相关学科的交叉融合发展，对实现我国科学技术进步和经济的可持续发展具有重要的战略意义。