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摘 要

细胞固定化技术是近年来流行的一种新兴发酵技术，选择合适的固定化载体材料是该技术的关键所在。PVDF膜拥有良好的耐热性、化学稳定性及成膜特性，但其低亲水性限制了应用范围。因此，选择合适的方法对中空纤维膜进行改性以提高其亲水性和生物相容性，从而将大肠杆菌更好地固定在上面发酵产产物。

本文把鼠李糖脂通过物理吸附的方法对中空纤维膜进行改性，并对其亲水性进行验证，成功制备了表面功能化的中空纤维膜。将大肠杆菌Suc260分别固定在改性和未改性的中空纤维膜上，进行厌氧发酵。在血清瓶厌氧发酵中，装有改性膜血清瓶中琥珀酸的产量和收率分别为23.76g/L和0.79g/g，Suc260的最大OD₅₅₀为7.72，装有未改性膜血清瓶中琥珀酸的产量和收率分别为18.60g/L和0.62g/g，Suc260的最大OD₅₅₀为8.41，是固定化大肠杆菌的1.09倍。在5L发酵罐发酵实验中，未固定化的大肠杆菌的OD₅₅₀是固定化Suc260的1.52倍。未固定化大肠杆菌的琥珀酸浓度和收率为45.08g/L、0.721g/g，固定化大肠杆菌的琥珀酸浓度和收率为46.94 g/L、0.903g/g，分别比未固定细胞提高了1.04倍和1.25倍。这些结果表明大肠杆菌很好地固定在了表面功能化的中空纤维膜上，并且大肠杆菌固定化后有利于其发酵产产物。

关键词：细胞固定化技术 表面功能化 中空纤维膜 大肠杆菌

Study on the Surface Functionalized Hollow Fiber Membrane in Confined Space and its Biotransformation Performance

Abstract

Cell immobilization is a new and popular fermentation technology in recent years.PVDF film has good heat resistance, chemical stability and film-forming properties, but its low hydrophilicity limits its application range.Therefore, suitable methods were selected to modify the hollow fiber membrane to improve its hydrophilicity, so as to fix E. coli on the fermentation products.

In this paper, the hollow fiber membrane was modified by physical adsorption of rhamnolipid, and its hydrophilicity was verified.E. coli Suc260 was fixed on modified and unmodified hollow fiber membranes for anaerobic fermentation.Succinic acid yield and yield in serum flask with modified membrane were 23.76g/L and 0.79g/g, Suc260's maximum OD₅₅₀ was 7.72, Suc260's maximum OD₅₅₀ was 18.60g/L and 0.62g/g, Suc260's maximum OD₅₅₀ was 8.41, 1.09 times of immobilized E. coli.In the 5L fermenter fermentation experiment, the OD₅₅₀ of free E. coli was 1.52 times that of immobilized Suc260.The succinic acid concentration and yield of the immobilized E.coli were 45.08g/L and 0.721g/g, and the succinic acid concentration and yield of the immobilized E.coli were 46.94 g/L and 0.903g/g, which were 1.04 times and 1.25 times higher than those of the free cells, respectively.These results showed that E.coli was well immobilized on the surface of the functional hollow fiber membrane, and the immobilized E. coli was beneficial to the fermentation products.

Keywords：Cell immobilization technique；Surface functionalization；Hollow fiber membrane；E. coli

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 文献综述 1

1.1 细胞固定化的概述 1

1.1.1 载体材料的分类 1

1.1.2 常用方法 2

1.2 细胞固定化技术结合膜反应器的应用前景 4

1.3 中空纤维膜的概述 5

1.3.1 中空纤维膜的简介 5

1.3.2 中空纤维膜的改性 6

1.4 本文的研究内容和意义 7

1.4.1 研究内容 7

1.4.2 研究意义 7

第二章 材料与方法 8

2.1 实验材料 8

2.1.1 实验菌种 8

2.1.2 实验仪器与试剂 8

2.1.3 培养基 9

2.1.4 异丙基硫代-β-D-半乳糖苷 10

2.2 实验方法 10

2.2.1 中空纤维膜表面功能化 10

2.2.2 菌种培养及发酵 11

2.2.3 发酵装置的搭建 13

2.3 检测分析方法 14

第三章 结果与讨论 16

3.1 表面功能化膜的构建及鉴定 16

3.2 血清瓶厌氧发酵验证 18

3.3 未/固定化大肠杆菌的5L发酵罐厌氧发酵 19

第四章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致谢 25

第一章 文献综述

1.1 细胞固定化的概述

细胞固定化技术是在固定化酶技术的基础上发展起来的^[1]。Karel等将它定义为把游离细胞通过化学或物理手段固定在限域空间内，减少环境对生物的影响，并使其尽可能的保持相关活性，进而能被重复和连续使用的一种新兴生物技术^[2]。在1868年，巴斯德提出的醋酿造法是最早的细胞固定化思想，1959年，Furusaka是第一次通过吸附法把大肠杆菌固定在树脂上^[3]。20世纪70年代末，人们相继开展了动物、植物细胞固定化的研究工作。近年来，细胞固定化技术因为其小型高效、反应操作简便、能长时间保持细胞活力，可以反复利用、稳定性好、耐受性强等特点受到国内外研究者的关注。其应用涉及酶工程、医疗诊断、合成化学、生物化工、食品与发酵工业等多个领域^[4-7]，尤其在能源生产和环境净化方面应用颇多^[8]，充分展现了细胞固定化技术的广阔应用前景。

1.1.1 载体材料的分类

载体材料的性能被研究者们认为是固定化技术的关键所在，好的固定化载体要充分考虑各种影响因素，比如简单易得、成本低廉，机械强度高，基质通透性好，反应条件温和，易于制备，对微生物无毒害，抵抗环境胁迫，并能为微生物提供充分的生存空间。目前，常用的载体材料主要有机高分子载体材料、无机载体材料和复合载体材料三类^[9]。

（1）有机高分子载体材料

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