活性炭載體轉(zhuǎn)化琥珀酸
活性炭載體轉(zhuǎn)化琥珀酸，目前通過細(xì)菌固定轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素材料生產(chǎn)琥珀酸產(chǎn)能比較低不足以滿足供應(yīng)需求。為了改善需求我們使用經(jīng)濟(jì)有效的活性炭載體與硅藻土，甘油，煤質(zhì)活性炭，椰殼活性炭和蛭石等材料來進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)椰殼材質(zhì)的活性炭電動(dòng)勢最低，作為琥珀酸的重復(fù)生物合成是一種重要的可再生經(jīng)濟(jì)材料。
琥珀酸是C4-二羧酸家族的高價(jià)值分子，可以通過還原性不完全三羧酸(TCA)循環(huán)或乙醛酸分流進(jìn)行生物技術(shù)合成。椰殼活性炭是一種很有價(jià)值的吸附劑材料，因?yàn)樗哂邢鄬^高的機(jī)械強(qiáng)度，良好的耐磨性，固有的顆粒結(jié)構(gòu)，發(fā)達(dá)的孔隙，以及與其他材質(zhì)的活性炭相比更便宜的替代品。活性炭因其優(yōu)良的天然結(jié)構(gòu)和低灰分含量而被選為固定的材料。以前有人已成功的使用椰殼活性炭搭載熱厭氧桿菌，用來穩(wěn)定生產(chǎn)生物氫，用在苯酚和氰化物的同時(shí)生物吸附或生物累積等。本篇內(nèi)容講述活性炭載體通過簡單的細(xì)胞粘附技術(shù)為水解解產(chǎn)物生產(chǎn)琥珀酸提供合適環(huán)境，并介紹各種現(xiàn)有類型的固定載體與活性炭進(jìn)行比較，以證明其活性炭的優(yōu)勢。
活性炭載體和其他材料的表面積和孔隙率
比表面積，總孔體積和材料純度的標(biāo)準(zhǔn)是決定固定載體的正確選擇的重要因素。特定材料中的低灰分含量與高純度相關(guān)。表中概述了本研究中使用的載體材料的特性。材料的表面積和孔特征決定了粘附程度(細(xì)胞表面相互作用)和內(nèi)聚力(細(xì)胞-細(xì)胞相互作用)。如表2所示與其他材料相比，椰殼活性炭和煤質(zhì)活性炭材料具有更高的比表面積和總孔體積。值得注意的是，較大的孔體積意味著更高的容納能力。
用于固定的材料的特征
| 載體材料 | BET比表面積（m2 g-1） | 總孔容（cm3 g-1） | 平均孔隙類型 | 水分含量（%） | 灰分含量(%) |
| 硅藻土 | 42.17 | 0.18 | 大孔 | <3 | <1 |
| 甘油 | 79.04 | 0.06 | 微孔/中孔 | <3 | <1 |
| 椰殼活性炭 | 846.57 | 0.45 | 微孔/中孔 | <6 | <3 |
| 改性活性炭 | 1058.08 | 0.56 | 微孔/中孔 | <10 | <3 |
| 煤質(zhì)活性炭 | 479.49 | 0.30 | 微孔 | <10 | <5 |
| 蛭石 | 5.3 | 0.02 | 中孔 | <3 | <3 |
椰殼活性炭的平均孔徑遠(yuǎn)大于煤質(zhì)活性炭的平均孔徑，差異接近5倍。在這方面，三種類型的內(nèi)部孔與吸附劑材料相關(guān)聯(lián)，其為：(i)微孔(直徑<2nm)，(ii)中孔(直徑=2-50nm)，和(iii)大孔(直徑>50nm)。這樣的孔隙類型影響基于目標(biāo)分子的大小固定化的程度被吸附。然而，大孔結(jié)構(gòu)可能不會(huì)影響材料的吸附性。例如，硅藻土(一種二氧化硅)具有大孔主導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但在比表面積方面的性能太差了。實(shí)驗(yàn)表明，具有高比表面積的材料的吸附性比較強(qiáng)。
通過活性炭載體的發(fā)酵性能
采用活性炭載體固定，這將導(dǎo)致更多的木質(zhì)纖維素糖吸附在活性炭載體上。糖的含量高能增強(qiáng)琥珀酸生產(chǎn)。為了確定諸如每種載體材料的比表面積，孔隙率和電動(dòng)勢的因素的作用，嘗試進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來闡明它們對細(xì)菌發(fā)酵性能的可能影響。盡管煤質(zhì)活性炭具有較高的比表面積，但會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的碳粉，使發(fā)酵液變質(zhì)并在一段時(shí)間后產(chǎn)生琥珀酸的品質(zhì)出現(xiàn)下滑，這限制了進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)研究。因此，在當(dāng)前分析中僅使用椰殼活性炭，蛭石和硅藻土作為固定載體。
對椰殼活性炭的細(xì)菌觀察。琥珀酸觀察130Z菌落32個(gè)H分批培養(yǎng)之后椰殼活性炭的孔隙中生長檢查。圖(a和b)是椰殼活性炭的SEM圖像，而圖(c和d)描繪了負(fù)載了木質(zhì)纖維素的活性炭載體。這一發(fā)現(xiàn)表明琥珀酸可能出現(xiàn)圓形的，灰色，和半透明生物體的形式，具有約0.63微米×0.63微米×1.21微米的平均尺寸。證實(shí)活性炭內(nèi)的多孔隙結(jié)構(gòu)允許細(xì)胞生長。
圖中(a)單個(gè)多孔活性炭在100倍放大的視圖，(b)高度多孔，不規(guī)則結(jié)構(gòu)化活性炭C在10000倍放大倍數(shù)下的特寫視圖，(c)和(d)細(xì)菌批量培養(yǎng)后，放大10000倍，負(fù)載固定在活性炭上。
活性炭的孔隙率，表面積和低電動(dòng)勢有助于其在琥珀酸發(fā)酵中的優(yōu)異性能。根據(jù)一系列實(shí)表明，活性炭負(fù)載琥珀酸可以提高從木質(zhì)纖維素的水解的產(chǎn)率，生產(chǎn)能力和琥珀酸的滴度。活性炭的強(qiáng)大機(jī)械性能，以及長時(shí)間操作的穩(wěn)定性。從工業(yè)角度來看，成本控制且有效穩(wěn)定的活性炭載體是細(xì)胞固定化的使用對于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的高利用率是有利的。
本文作者：董帝豪
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