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戊二胺是一种天然的多胺类化合物,可取代石油化工中的已二胺,生产生物基的聚酰胺类化合物,有助于减少能源危机,减轻环境污染。因此,本文首先以L-赖氨酸盐酸盐为原料,研究了利用透性化的大肠杆菌工程菌催化制备戊二胺的方法,可解决化学法的成本高、操作困难和微生物发酵法代谢路径复杂、产率低的瓶颈问题。然后,本文以催化所得的戊二胺盐酸盐为原料,利用脱盐、萃取、精馏等单元操作进行纯化获得高纯戊二胺,简化操作,降低成本,增加了其工业化的潜力。本文的主要结论如下:
(1)构建了廉价易得的L-赖氨酸盐酸盐代替IPTG诱导表达的工程菌株BL21-Pcad-CadA。通过赖氨酸脱羧酶发酵表达和戊二胺催化制备,在摇瓶阶段可以得到赖氨酸脱羧酶酶活8.56U/mg,戊二胺223g/L,产率为98.6%。使用工业级原料代替实验室试剂合成戊二胺,结果表明用工业级原料所得实验结果与实验室试剂一致,由此可大幅降低生产成本。催化体系放大至2L后,经优化,最佳工艺条件为:400g/LL-赖氨酸盐酸盐,3.5g/L透性化细胞,1.4LPBS缓冲液(100mM,pH=5.6),0.1mM磷酸吡哆醛,反应温度37℃;催化反应20h后,戊二胺浓度达到了205g/L,产率为92.1%,可满足工业生产水平。此外,用于2L体系中的工业级原料成本(2.78美元)仅为实验室试剂(30.88美元)的1/11。
(2)比较了“脱盐-旋蒸”、“pH调节-脱盐-旋蒸”、“脱盐-萃取-旋蒸”、“脱盐-萃取-精馏”四种方法纯化戊二胺的效果,确定最优方法为“脱盐-萃取-精馏”。基于此,开展了纯化条件优化,确定条件为:脱盐温度80℃,转速250rpm,pH=13.5,反应时间5h;萃取温度55℃,转速250rpm,萃取比5∶5,时间1h。精馏回流比1,塔顶压力为1bar,塔底温度为100-180℃。纯化体系放大至2L后,最后能得到纯度为99%的戊二胺,产率为87.47%,萃取剂正丁醇的回收率为91.25%。综上,本文所述的集成工艺在酶活、产量和成本上具有较大优势,可为生物基戊二胺的工业化生产提供可靠的技术支撑。
(1)构建了廉价易得的L-赖氨酸盐酸盐代替IPTG诱导表达的工程菌株BL21-Pcad-CadA。通过赖氨酸脱羧酶发酵表达和戊二胺催化制备,在摇瓶阶段可以得到赖氨酸脱羧酶酶活8.56U/mg,戊二胺223g/L,产率为98.6%。使用工业级原料代替实验室试剂合成戊二胺,结果表明用工业级原料所得实验结果与实验室试剂一致,由此可大幅降低生产成本。催化体系放大至2L后,经优化,最佳工艺条件为:400g/LL-赖氨酸盐酸盐,3.5g/L透性化细胞,1.4LPBS缓冲液(100mM,pH=5.6),0.1mM磷酸吡哆醛,反应温度37℃;催化反应20h后,戊二胺浓度达到了205g/L,产率为92.1%,可满足工业生产水平。此外,用于2L体系中的工业级原料成本(2.78美元)仅为实验室试剂(30.88美元)的1/11。
(2)比较了“脱盐-旋蒸”、“pH调节-脱盐-旋蒸”、“脱盐-萃取-旋蒸”、“脱盐-萃取-精馏”四种方法纯化戊二胺的效果,确定最优方法为“脱盐-萃取-精馏”。基于此,开展了纯化条件优化,确定条件为:脱盐温度80℃,转速250rpm,pH=13.5,反应时间5h;萃取温度55℃,转速250rpm,萃取比5∶5,时间1h。精馏回流比1,塔顶压力为1bar,塔底温度为100-180℃。纯化体系放大至2L后,最后能得到纯度为99%的戊二胺,产率为87.47%,萃取剂正丁醇的回收率为91.25%。综上,本文所述的集成工艺在酶活、产量和成本上具有较大优势,可为生物基戊二胺的工业化生产提供可靠的技术支撑。