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尼克酸是一种人和动物所必需的物质，在食品、医药等工业中有着重要的作用。开展生物法催化3-氰基吡啶制备尼克酸的研究具有重要意义。本论文以腈水解酶为催化剂，全面围绕催化3-氰基吡啶制备尼克酸的反应，对产腈水解酶微生物的筛选方法、微生物产酶条件优化、利用全细胞和固定化细胞分批式催化制备尼克酸以及利用固定化细胞(酶)填充床反应器制备尼克酸等内容展开了的研究。
第一，通过设计贫瘠的筛选培养基，确定了一种从环境中定向筛选产腈水解酶微生物的方法，培养基成分中的碳氮源分别为甘油和腈类化合物。其中以乙腈为氮源时，筛选出具有芳基乙腈水解酶活力的菌株8株；以3-氰基吡啶为氮源时，筛选出具有芳香腈水解酶活力的菌株2株。选取对3-氰基吡啶催化活力最高(24.5μmol·min-1·g-1)的菌株进行鉴定，该菌属于红细菌属Rhodobacter sp.，命名为Rhodobacter sp. LHS-305。迄今为止首次报道该种属菌株中具有腈水解酶。
第二，为提高单位菌体产酶量，利用单因素法对影响菌株Rhodobacter sp. LHS-305产酶与生长的13个因素进行了优化。优化后与优化前相比，单位菌体活力从24.5提高到75.0μmol·g-1·min-1，生成的菌体量也从2.4提高到3.5g·L-1。其中对产酶量影响最大的因素是诱导物的种类，而对菌体量影响最大的因素为酵母膏和蛋白胨的添加量以及转速和装液量。将最适的培养条件用于3.7L发酵罐规模的微生物培养，所获得的单位菌体活力仍为75μmol·g-1·min-1，而获得的生物量从3.5g·L-1提升到7.0g·L-1。
第三，研究菌株Rhodobacter sp. LHS-305催化3-氰基吡啶制备尼克酸的反应条件优化、全细胞催化的批式反应以及腈水解酶的酶学性质。
通过对影响催化过程的因素分析，确定最适合Rhodobacter sp. LHS-305催化3-氰基吡啶反应的条件为pH9.0，PB缓冲液，30℃。该酶对氰基与不饱和碳相连的腈类化合物有比较好的催化作用。在全细胞催化的批式反应中，该酶在底物浓度为200mmol·L-1的条件下取得最好的催化效果，转化率为93％；选择50mmol·L-1的底物进行反应批次测试，首批转化率达99%，从第二批次开始转化率逐渐降低。将实验室成员筛选出的Alcaligenesfaecalis ATCC8750突变株的腈水解酶应用于该反应，并将该酶与Rhodobacter sp.LHS-305腈水解酶进行酶促反应动力学性质比较，结果表明前者不存在底物和产物抑制，而后者存在微弱的底物抑制和强烈的产物抑制。Rhodobacter sp. LHS-305腈水解酶与其它已报道的腈水解酶相比，对3-氰基吡啶表现出较高的底物耐受性。
第四，对固定化Rhodobacter sp. LHS-305细胞催化3-氰基吡啶的反应进行研究，包括反应条件优化、固定化细胞催化的批式反应以及底物和产物的传质问题。
通过海藻酸钙包埋的方法制备的固定化细胞的热稳定性有大幅度的提升，而最适pH与固定化前相比没有发生改变，但耐碱性有了一定的提升。固定化细胞对50mmol·L-1底物的催化反应批次在99%转化率以上的要求下，可以催化4个批次的反应。3-氰基吡啶和尼克酸在固定化细胞内扩散的研究表明，前者的内扩散速度相对较快。
第五，固定化细胞(酶)填充床反应器的研究。
设计出一种利用数学模型确定反应器操作参数的方法，该方法主要包括测定反应器相关参数、代数拟合ODE模型方程数值解、利用最优化方法求取最优值三步。该方法的关键之处在于拟合影响尼克酸产量的三个重要操作参数(柱长L、流速u和底物浓度CSO)之间的代数关系，用以求取操作参数的最佳值以及最大尼克酸产量。以具有特定的酶学参数的固定化Rhodobacter sp. LHS-305细胞和固定化Alcaligenes faecalis ATCC8750突变株腈水解酶为催化剂，在一定孔隙率和95%转化率的前提下，所拟合出的代数模型分别为L=7.898·u·CSO+114.6·u+0.028和L=2.648·u·CSO+39.64·u。利用该模型，求解出了两种不同催化剂下的最佳操作参数和最大尼克酸产量。