活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭載體轉化琥珀酸，目前通過細菌固定轉化木質纖維素材料生產琥珀酸產能比較低不足以滿足供應需求。為了改善需求我們使用經濟有效的活性炭載體與硅藻土，甘油，煤質活性炭，椰殼活性炭和蛭石等材料來進行比較。發現椰殼材質的活性炭電動勢最低，作為琥珀酸的重復生物合成是一種重要的可再生經濟材料。

　　琥珀酸是C4-二羧酸家族的高價值分子，可以通過還原性不完全三羧酸(TCA)循環或乙醛酸分流進行生物技術合成。椰殼活性炭是一種很有價值的吸附劑材料，因為它具有相對較高的機械強度，良好的耐磨性，固有的顆粒結構，發達的孔隙，以及與其他材質的活性炭相比更便宜的替代品。活性炭因其優良的天然結構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，用來穩定生產生物氫，用在苯酚和氰化物的同時生物吸附或生物累積等。本篇內容講述活性炭載體通過簡單的細胞粘附技術為水解解產物生產琥珀酸提供合適環境，并介紹各種現有類型的固定載體與活性炭進行比較，以證明其活性炭的優勢。

　　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準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。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(細胞表面相互作用)和內聚力(細胞-細胞相互作用)。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

　　椰殼活性炭的平均孔徑遠大于煤質活性炭的平均孔徑，差異接近5倍。在這方面，三種類型的內部孔與吸附劑材料相關聯，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分子的大小固定化的程度被吸附。然而，大孔結構可能不會影響材料的吸附性。例如，硅藻土(一種二氧化硅)具有大孔主導結構，但在比表面積方面的性能太差了。實驗表明，具有高比表面積的材料的吸附性比較強。

　　通過活性炭載體的發酵性能

　　采用活性炭載體固定，這將導致更多的木質纖維素糖吸附在活性炭載體上。糖的含量高能增強琥珀酸生產。為了確定諸如每種載體材料的比表面積，孔隙率和電動勢的因素的作用，嘗試進一步的實驗來闡明它們對細菌發酵性能的可能影響。盡管煤質活性炭具有較高的比表面積，但會產生細小的碳粉，使發酵液變質并在一段時間后產生琥珀酸的品質出現下滑，這限制了進一步的動力學研究。因此，在當前分析中僅使用椰殼活性炭，蛭石和硅藻土作為固定載體。

　　對椰殼活性炭的細菌觀察。琥珀酸觀察130Z菌落32個H分批培養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)描繪了負載了木質纖維素的活性炭載體。這一發現表明琥珀酸可能出現圓形的，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。證實活性炭內的多孔隙結構允許細胞生長。

　　圖中(a)單個多孔活性炭在100倍放大的視圖，(b)高度多孔，不規則結構化活性炭C在10000倍放大倍數下的特寫視圖，(c)和(d)細菌批量培養后，放大10000倍，負載固定在活性炭上。

　　活性炭的孔隙率，表面積和低電動勢有助于其在琥珀酸發酵中的優異性能。根據一系列實表明，活性炭負載琥珀酸可以提高從木質纖維素的水解的產率，生產能力和琥珀酸的滴度。活性炭的強大機械性能，以及長時間操作的穩定性。從工業角度來看，成本控制且有效穩定的活性炭載體是細胞固定化的使用對于木質纖維素生物質的高利用率是有利的。

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