杨万泰：可见光引发表面活性接枝聚合分隔固定化细胞/酶新体系

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生物乙醇具有可再生、绿色环保、来源多样性的特点，是可再生能源的重点发展方向。以纤维素为原料生产生物乙醇是制取该生物能源的主要途径，但目前面临成本较高、难以工业化应用的困境。通过对纤维素转化生物乙醇过程中所用酵母细胞、酶的固定化，可以改善其对环境的耐受性，同时具有易于分离、可重复利用、降低成本等优点，是开发生物乙醇制备技术的重要研究方向。为了减小中间产物葡萄糖在酶和酵母细胞间的传质路径，以提高发酵效率，通常将纤维素酶中的β-葡萄糖苷酶（BG，催化产物为葡萄糖）和酵母细胞共固定化。然而，由于酵母细胞产生的胞外酶容易导致BG的失活，影响了共固定体系的总体反应活性。因此，开发合适的酵母细胞/BG分隔共固定化策略，对于开发高效、低成本生物乙醇生产技术具有重要的研究意义和应用价值。

  最近，北京化工大学材料学院杨万泰院士、赵长稳副教授和合作者利用可见光引发表面活性接枝聚合技术实现了酵母细胞和BG在聚丙烯无纺布表面的分隔固定化。该工作先通过可见光引发表面交联接枝聚合将聚乙二醇（PEG）交联网络接枝在聚丙烯无纺布表面，同时原位包埋固定化BG，进而利用交联层表面的残留休眠基实施二次交联接枝聚合将酵母细胞原位包埋固定化（如图所示）。

  该分隔固定化技术具有如下优点：（1）使用聚丙烯无纺布为基材，成本低廉，膜制品形态便于反应后回收利用；（2）相比于高温、强氧化剂、重金属催化剂及紫外光辐照等引发自由基聚合的条件，可见光接枝可在室温、辐照能量低的条件下引发聚合反应以固定化生物分子（酶和细胞），有利于生物分子保持活性；（3）接枝的PEG交联网络交联致密均匀（可有效防止包埋酶泄露）、生物相容性好，与无纺布基材复合后操作稳定性高；（4）分层包埋固定化设计既可以完成同步糖化发酵，又可以使酶和酵母细胞的活性不受影响。

  实验结果表明，经交联接枝聚合后可实现90%以上BG和酵母细胞的原位固定化，并且几乎所有的固定化酵母细胞都能保持其活性。使用酵母细胞不能转化的纤维二糖作为碳源时，经糖化同步发酵后乙醇产率最高可达98.6%。与BG和酵母细胞混合固定化体系相比，分隔固定化体系的乙醇产率可提高25%左右，证实了分隔固定化的优势。分隔共固定化体系在重复发酵7个批次后，乙醇产率仍能维持在60%以上，表现出良好的操作稳定性。该技术条件温和，路线简单，可适用于其他酶/细胞或多酶体系的分隔共固定化。

  该成果以“Sequential co-immobilization of β-glucosidase and yeast cells on single polymersupport for bioethanol production”为题，在线发表于Science China Chemistry (DOI: 10.1007/s11426-018-9319-1)。

  论文链接：http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-018-9319-1?slug=full%20text