丙烯酰胺是一种用途广泛的精细化学产品,相对传统的固定化细胞批式反应工艺而言,游离细胞膜生物反应器工艺具有工艺简单,成本低,菌体利用率高,无污染等优点。本文前期探讨了高效腈水合酶产生菌Rhodococcus sp.HUST-2培养条件的优化,然后设计和应用了一种新的游离细胞膜生物反应器的工艺,来取代传统的生产工艺,期待实现工业化应用。首先,通过研究菌体发酵过程中产酶的规律,提出了调节pH值,补加葡萄糖和诱导剂的菌体优化培养方案。使发酵液腈水合酶的活力提高到4000U/mL以上,比酶活达到224.7U/mg(DCW)左右,大大高于现有工业生产中的酶活。然后,通过对膜材料的截留性能、膜通量、膜抗污染性能和膜抗溶胀性能等方面性能评价,选择聚砜中空纤维超滤膜作为膜组件的膜材料。并采用反应器和中空纤维膜组件串联的膜生物反应器形式,它具有操作方便,结构简单合理,易于清洗等优点。还从水力学的角度对膜组件工作状态建立了数学模型和优化设计,这对工业化过程中膜组件的设计有重要的指导意义。最后在膜生物反应器工艺平台上开发设计了单级非稳态工艺和单级拟稳态工艺两种工艺过程,并进行了可行性研究。实验结果表明:这两种工艺过程各有特点,在生产效率和菌体利用率等方面都优于现有的固定化细胞生产方式。在单级非稳态工艺过程中,根据对产品浓度要求不同的情况。开发和验证了三个不同反应批次单级非稳态工艺过程。生产效率均在0.02mol/L/min以上,6批次反应菌体利用率最高为0.7 gAM/mg。从生产效率和菌体利用率来看,应用单级非稳态过程的膜生物反应器比现有的固定化细胞催化生产方式更有优势。该工艺过程路线简洁,操作简单应该是日后丙烯酰胺小型工业化生产理想的选择。在单级拟稳态工艺过程中,从反应温度和菌体加入方式两个方面对单级拟稳态工艺过程进行了优化设计。结果发现单级拟稳态工艺过程在20℃下操作,菌体悬液以滴加的方式进入反应体系,会使生产效率和菌体利用率有较大程度的提高。最后还进行了单级拟稳态工艺的生产应用,整个生产过程持续了20小时,反应速率稳定,产品浓度为313.1g/L。该工艺过程很适合丙烯酰胺大型工业化生产的要求。