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摘 要

生物膜反应器是一种将酶的催化反应与膜的选择透过性相结合，强化酶的催化反应过程传质作用的反应器。生物膜反应器可以将膜分离的特性和酶分子的催化能力相互融合，以创造出有利于生产过程的动力学和热力学，具有节能和减排的特点。但目前制备切实可用的生物膜反应器还存在许多关键的技术难点，如生物催化剂尽可能的少泄露，产物尽量从反应器中流出，并要求系统保持良好的膜通量；反应器的设计思路需要根据酶催化反应的具体参数确定，如反应温度和pH；控制和解决膜污染。一个合理的生物膜反应器必须能够高效率、低成本运行，可以对反应器运行方式进行优化，如优化操作压力和回流速率等，可以在一定程度上解决膜通量的问题，以提高生物膜反应器的使用效率。

本文以Bacillus subtilis WB800-pHA01-palI为基础，设计一个高效半连续合成异麦芽酮糖的生物膜反应器。着重研究的关键问题如下：膜材料的选择、膜反应器的设计、生物膜反应器中催化条件优化、反应器催化动力学以及膜反应器蔗糖异构化反应操作条件的优化。

关键词：生物膜反应器 酶催化反应 异麦芽酮糖

Study on Preparation of Isomaltulose by Biological Membrane Reactor

Abstract

The biological membrane reactor is a kind of reactor that combines the catalytic reaction of the enzyme with the selective permeability of the membrane and enhances the mass transfer effect of the catalytic reaction process. Biological membrane reactors can combine the properties of membrane separation and the catalytic ability of enzyme molecules to create the kinetics and thermodynamics that are conducive to the production process, with the characteristics of energy saving and emission reduction. However, there are many key technical difficulties in the preparation of viable biological reactors, such as the fact that the biocatalyst leaks as little as possible and the product outflows from the reactor as much as possible and require the system maintain a good membrane flux; reactor design ideas need to be determined according to the specific parameters of the enzyme catalytic reaction, for instance reaction temperature and pH; control and solve the problem of membrane fouling. A reasonable biological reactor must be able to operate efficiently and at low cost, can optimize the operating modes of the reactor, such as the optimization of operation pressure and reflux rate, and can solve the problem of membrane flux to a certain extent, in order to improve the availability factor of biological membrane reactor.

According to the Bacillus subtilis WB800-pHA01-palI, this study designed a highly efficient and semi-continuous biological membrane reactor for synthesizing isomaltulose. The key issues focused on the following are the selection of membrane materials, the design of membrane reactors, the optimization of catalytic conditions in biological membrane reactor, the catalytic kinetics of the reactor, and the optimization of operation conditions for sucrose isomerization reaction in membrane reactors.

Key Words: Biological membrane reactor; Enzyme catalyzed reaction; Isomaltulose

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 I

第一章 前言 1

1.1 前言 1

1.2 功能糖简介 1

1.3 异麦芽酮糖简介 1

1.3.1 异麦芽酮糖的理化性质 1

1.3.2 异麦芽酮糖的制备方法 2

1.4 蔗糖异构酶的研究进展 4

1.4.1 蔗糖异构酶的来源与性质 4

1.4.2 蔗糖异构酶的异源表达 5

1.5 生物膜反应器 8

1.5.1 生物膜反应器的类型 8

1.5.2 生物膜反应器的应用 9

第二章 基于Bacillus subtilis WB800-pHA01-palI的生物膜反应器的构建 10

2.1 实验材料 10

2.1.1 实验仪器和试剂 10

2.1.2 菌种与培养基 11

2.2 实验方法 11

2.2.1 7.5 L发酵罐重组菌发酵产酶 11

2.2.2 膜材料与膜孔径的选择 12

2.2.3 生物膜反应器的设计 12

2.2.4 生物膜反应器中催化条件优化 12

2.2.5 生物膜反应器半连续合成异麦芽酮糖 13

2.2.6 分析方法 14

第三章 结果与讨论 15

3.1 膜材料的选择 15

3.1.1 膜孔径对生物体截留的效率 15

3.1.2 膜通量衰减曲线 15

3.2 BSTR生物膜反应器操作方程 16

3.2.1 生物膜反应器的设计 16

3.2.2 BSTR酶反应器操作方程推导 17

3.3 生物膜反应器中催化条件的优化 18

3.3.1 反应pH和温度对重组菌酶活力的影响 18

3.3.2 底物浓度对重组菌转化蔗糖的影响 19

3.3.3 细胞用量对重组菌转化蔗糖的影响 19

3.4 生物膜反应器操作条件优化 20

3.4.1 压力对膜通量的影响 20

3.4.2 循环流速对膜通量的影响 21

3.5 生物膜反应器催化蔗糖生成异麦芽酮糖 21

第四章 总结与展望 23

4.1 总结 23

4.2 展望 23

参考文献 25

致谢 30

第一章 前言

1.1 前言

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