活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭载体转化琥珀酸，目前通过细菌固定转化木质纤维素材料生产琥珀酸产能比较低不足以满足供应需求。为了改善需求我们使用经济有效的活性炭载体与硅藻土，甘油，煤质活性炭，椰壳活性炭和蛭石等材料来进行比较。发现椰壳材质的活性炭电动势最低，作为琥珀酸的重复生物合成是一种重要的可再生经济材料。

　　琥珀酸是C4-二羧酸家族的高价值分子，可以通过还原性不完全三羧酸(TCA)循环或乙醛酸分流进行生物技术合成。椰壳活性炭是一种很有价值的吸附剂材料，因为它具有相对较高的机械强度，良好的耐磨性，固有的颗粒结构，发达的孔隙，以及与其他材质的活性炭相比更便宜的替代品。活性炭因其优良的天然结构和低灰分含量而被选为固定的材料。以前有人已成功的使用椰壳活性炭搭载热厌氧杆菌，用来稳定生产生物氢，用在苯酚和氰化物的同时生物吸附或生物累积等。本篇内容讲述活性炭载体通过简单的细胞粘附技术为水解解产物生产琥珀酸提供合适环境，并介绍各种现有类型的固定载体与活性炭进行比较，以证明其活性炭的优势。

　　活性炭载体和其他材料的表面积和孔隙率

　　比表面积，总孔体积和材料纯度的标准是决定固定载体的正确选择的重要因素。特定材料中的低灰分含量与高纯度相关。表中概述了本研究中使用的载体材料的特性。材料的表面积和孔特征决定了粘附程度(细胞表面相互作用)和内聚力(细胞-细胞相互作用)。如表2所示与其他材料相比，椰壳活性炭和煤质活性炭材料具有更高的比表面积和总孔体积。值得注意的是，较大的孔体积意味着更高的容纳能力。

　　用于固定的材料的特征

　　椰壳活性炭的平均孔径远大于煤质活性炭的平均孔径，差异接近5倍。在这方面，三种类型的内部孔与吸附剂材料相关联，其为：(i)微孔(直径<2nm)，(ii)中孔(直径=2-50nm)，和(iii)大孔(直径>50nm)。这样的孔隙类型影响基于目标分子的大小固定化的程度被吸附。然而，大孔结构可能不会影响材料的吸附性。例如，硅藻土(一种二氧化硅)具有大孔主导结构，但在比表面积方面的性能太差了。实验表明，具有高比表面积的材料的吸附性比较强。

　　通过活性炭载体的发酵性能

　　采用活性炭载体固定，这将导致更多的木质纤维素糖吸附在活性炭载体上。糖的含量高能增强琥珀酸生产。为了确定诸如每种载体材料的比表面积，孔隙率和电动势的因素的作用，尝试进一步的实验来阐明它们对细菌发酵性能的可能影响。尽管煤质活性炭具有较高的比表面积，但会产生细小的碳粉，使发酵液变质并在一段时间后产生琥珀酸的品质出现下滑，这限制了进一步的动力学研究。因此，在当前分析中仅使用椰壳活性炭，蛭石和硅藻土作为固定载体。

　　对椰壳活性炭的细菌观察。琥珀酸观察130Z菌落32个H分批培养之后椰壳活性炭的孔隙中生长检查。图(a和b)是椰壳活性炭的SEM图像，而图(c和d)描绘了负载了木质纤维素的活性炭载体。这一发现表明琥珀酸可能出现圆形的，灰色，和半透明生物体的形式，具有约0.63微米×0.63微米×1.21微米的平均尺寸。证实活性炭内的多孔隙结构允许细胞生长。

　　图中(a)单个多孔活性炭在100倍放大的视图，(b)高度多孔，不规则结构化活性炭C在10000倍放大倍数下的特写视图，(c)和(d)细菌批量培养后，放大10000倍，负载固定在活性炭上。

　　活性炭的孔隙率，表面积和低电动势有助于其在琥珀酸发酵中的优异性能。根据一系列实表明，活性炭负载琥珀酸可以提高从木质纤维素的水解的产率，生产能力和琥珀酸的滴度。活性炭的强大机械性能，以及长时间操作的稳定性。从工业角度来看，成本控制且有效稳定的活性炭载体是细胞固定化的使用对于木质纤维素生物质的高利用率是有利的。

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