Permeable und robuste Polymer-Silica-Hybridpanzerung auf Zellkatalysator für nachhaltige Bioproduktion

Die Ganzzellkatalyse ist eine von mehreren zentralen Techniken in der grünen Bioproduktion, die in die Katalyse lebender Zellen, die Katalyse ruhender Zellen und die Katalyse inaktivierter Zellen unterteilt werden kann. Dabei hat die inaktivierte Zellkatalyse den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Reinigung der Produkte. Allerdings schränken Instabilität und Enzymleckage in inaktivierten Zellen die praktischen Anwendungen der Katalyse inaktivierter Zellen ein.

Der Aufbau einer Panzerung auf der Oberfläche inaktivierter Zellen bietet eine praktikable und wirksame Strategie zur Verbesserung der Enzymstabilität und zur Verhinderung des Enzymaustritts. Silica Armor (SA) hat eine kontrollierbare, kostengünstige Struktur und ist lebensmittelecht und bietet ein großes Potenzial für die Zellimmobilisierung für die Produktion hochwertiger Chemikalien. Dennoch zeigt dickeres SA eine höhere Festigkeit und geringere Permeabilität, während dünneres SA das Gegenteil zeigt. Daher besteht eine große Nachfrage nach durchlässiger und robuster SA auf Zellkatalysatoren.

Hier wird von einem Forscherteam der Tianjin-Universität durch Polyethylenimin (PEI) induzierte Hydrolyse und Kondensation von Tetraethoxysilan (TEOS) und 3-Aminopropyltriethoxysilan (APTES) eine Polymer-Silica-Hybridpanzerung (PSHA) auf der Oberfläche von Zellen aufgebaut. Aufgrund seiner verzweigten Struktur kann PEI dazu beitragen, Nanoporen in ungeordnetem SA zu erzeugen und dadurch die Permeabilität zu verbessern. Inzwischen sind vielfältige Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen (N···H oder O···H) und elektrostatische Wechselwirkungen (NH) möglich₃⁺ mit O^–) zwischen PEI und SA kann die mechanische Beständigkeit der Abschirmung verbessern.

Das Forscherteam der Universität Tianjin veröffentlichte seine Arbeit in der Zeitschrift Besonderheit.

Das Team testete die Permeabilität und mechanische Beständigkeit von PSHA, Zellen, cell@SA und cell@PSHA. Die spezifische Oberfläche von cell@PSHA betrug das 5,93-fache der von Zellen und das 1,92-fache der von cell@SA. Das Gesamtporenvolumen von cell@PSHA war 3,82-mal so groß wie das von Zellen und 1,45-mal so groß wie das von cell@SA, und die Diffusionsrate von MD, die sich durch PSHA ausbreitete, war höher als die von SA. PSHA hatte eine höhere Permeabilität als SA.

Darüber hinaus konnte der Young-Modul von cell@PSHA 2,69 ± 1,28 GPa erreichen, während der Young-Modul von cell@SA 0,42 ± 0,08 GPa bzw. 0,0 86 ± 0,26 GPa betrug. Andererseits hatte PSHA eine höhere mechanische Festigkeit.

Das Team testete die Wirkung von PEI im PSHA. Mit der Erhöhung der PEI-Konzentration wurde die Diffusionsrate von MD durch PSHA weiter verbessert. Mit der Erhöhung der PEI-Konzentration verlängerte sich die Halbwertszeit von cell@PSHA deutlich. Die Halbwertszeit von cell@PSHA, zubereitet pro 0,75 g L^-1 PEI betrug 94,95 h, während die Halbwertszeit von cell@PSHA, hergestellt mit 0,05 g L, betrug^-1 Auf Prince Edward Island waren es nur 34,49 Stunden. Die Permeabilität und mechanische Festigkeit von PSHA wurden weiter verbessert, was die Bedeutung von PEI in PSHA bewies.

Das Team testete die Anwendung von cell@PSHA bei der Tagatoseproduktion. Die Aktivität von cell@PSHA war höher als die von cell@SA und konnte auf die außergewöhnliche Permeabilität und günstige Biokompatibilität von PSHA zurückgeführt werden. Die thermische Stabilität von cell@PSHA wurde deutlich verbessert und die Halbwertszeit von cell@PSHA wurde im Vergleich zu Zellen und cell@SA um 216,18 % bzw. 175,38 % verlängert.

Darüber hinaus wurde das industrielle Anwendungspotenzial von cell@PSHA bewertet. Cell@PSHA konnte 15 aufeinanderfolgende Reaktionen über 969 Stunden katalysieren, während cell@SA 7 aufeinanderfolgende Reaktionen katalysieren konnte, was auf einen besseren Wiederverwendungseffekt von cell@PSHA als von cell@SA hinweist. In 15 Reaktionsansätzen betrug die Tagatose-Ausbeute von cell@PSHA alle mehr als 60 g·L^-1und der durchschnittliche Ertrag könnte 77,76 g L erreichen^-1.

Die Teammitglieder sind Yiran Cheng, Zhenhua Wu, Boyu Zhang, Jiaxu Zhang, Jiafu Shi und Zhongyi Jiang von der Tianjin-Universität, China.