碳纤维固定化细胞新方法及固定化机制研究

Carbon fiber is a new-type biofilm carrier with the superior performance, which has good effects to the effluent treatment. However, the immobilized method and mechanism of carbon fiber as carrier for cell immobilization has not yet been adequately reported. Therefore, in our research, the plan is that the screening and surface treatment of carbon fiber material are first carried out, then the structure features and surface characters of carbon fiber are analyzed to discuss the inner link and mechanism of the structure, surface properties, cell immobilization, microorganism multiplication, cell viability, life span, fermentation results and controlling conditions, and reveal the cell immobilized mechanism by carbon fiber. After the investigatation of the key factors of multi-batches xylitol fermentation by the immobilized Candida tropicalis with carbon fiber, the influence of conditions and cell growth and multiplication is studied. Moreover, the cell immobilized fermentation progress was characterized and its control mechanism was analyzed. The cell multiplication rate, property and kinetics are examined to demonstrate the excellent character of carbon fiber as a well-biocompatibility cell immobilized carrier. At last the new-type general methods of cells immobilization by carbon fiber could be established to bring a new research idea for the development of cells immobilization. The achievement of our research would provide surpport for the basic theory of fermentation engineering in particular of multi-batches fermentation by immobilized cells.

碳纤维材料是一种新型的性能优越的生物膜载体，在废水处理领域有着较好的效果，但作为细胞固定化载体,碳纤维固定化细胞的方法与机制，尚不清楚。因此本研究首先通过对碳纤维材料进行筛选和表面处理，对其结构特征和表面特性进行表征与分析，探讨碳纤维结构与表面性能、固定化效果、微生物增殖、细胞活性与寿命、发酵结果与控制工艺之间的内在关联，揭示碳纤维载体固定化细胞的机制。然后，通过考察碳纤维固定化热带假丝酵母发酵生产木糖醇的关键因素，分析细胞生长与增殖的环境影响与作用，进一步表征和解析生物碳纤维细胞固定化发酵过程与控制机制，并结合对碳纤维固定化细胞的增殖速度、特性及动力学的研究，充分挖掘碳纤维材料作为一种具有良好生物相容性细胞固定化载体的优异性能，最终建立一种新型的碳纤维固定化细胞的通用方法，为细胞固定化提供新的研究思路，为丰富发酵工程的基本理论尤其是固定化细胞多批式发酵领域提供有力支撑。

本研究首先通过考察不同类别及形态的碳纤维载体的结构和表面特性，以及对固定化细胞和发酵结果的影响，得出：作为一种新型的细胞固定化载体，6 k聚丙烯腈基碳纤维丝具有良好的生物相容性和较好的物化特性，能够有效的吸附生物体，获得较高的细胞固定化效率，并有利于细胞的生长和代谢。作为一种有潜力的细胞固定化技术，碳纤维固定化热带假丝酵母多批式发酵生产木糖醇，有效的提升了木糖醇生物法生产水平，具有重要的研究价值。之后，我们对碳纤维载体进行了表面修饰处理，以提升细胞的固定化效率及发酵能力，硝酸氧化改性法能够有效改善载体的表面性能，提高生物相容性及粘附细胞的能力。我们利用先进的表征手段与分析方法，对原始碳纤维和经表面修饰处理后载体的结构特征与表面性能进行探究，初步建立了载体结构特性与细胞固定化、微生物增殖、细胞活性、发酵过程之间的内在关联，阐述了碳纤维固定化细胞的机制。我们还对碳纤维载体固定化热带假丝酵母发酵生产木糖醇与固定化黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钙的关键因素进行了考察，分析了细胞的生长、代谢与发酵过程控制之间的相互作用关系，并充分挖掘碳纤维材料作为一种具有良好生物相容性细胞固定化载体的优异性能。结合对固定化细胞的增殖速度、固定化效率、发酵特性及动力学进行研究，初步建立了新型碳纤维固定化细胞的方法，为固定化细胞发酵领域提供一种新的研究思路。在本项目的支持下，申请人取得的部分研究成果在国内外重要学报及杂志上发表论文共计8篇，发表SCI论文4篇，EI论文1篇等；共申请国家发明专利6项；多次参加国内外学术交流会议/活动，并在会场上做口头报告；培养研究生及本科生十余名。