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酶膜反应器

1.酶膜反应器简介

膜反应器是基于利用选择性的半透膜来分离酶及产物(或者底物)，利用膜两侧的推动力(化学势、压差、电势差等)，将可渗透的溶质从反应体系中分离出来的原理。酶膜反应器是膜和生物化学反应相结合的系统或操作单元，依靠酶的专一性、催化性及膜特有的功能，集生物反应与反应产物的原位分离、浓缩和酶的回收利用于一体，能够改变反应过程、控制反应进程，从而实现减少副产物的生成、提高产品收率等目的。在近年来的研究工作中，半透膜不仅起到分离的作用，而且还用于作为界面催化剂的支撑体。对于成功的连续操作酶膜反应器而言，最基本且最重要的要求是将反应体系中的酶完全截留。

在酶膜反应器中，酶以两种形态存在：(1)溶于或不溶于膜表面；(2)存在于膜相的微孔或膜基质中。利用包某某、静电作用等技术，或者物理的、化学的方法，将酶固定于某种媒介上(如惰性蛋白质、凝胶、脂质体等)，酶处于膜的一侧，这样，酶以自由的形态存在。利用化学键合作用、物理吸附或者静电力，能够将酶直接锚定在膜上。在多相酶膜反应器中，常常将酶锚定在与水相相接触的膜一侧；相反，酶也可以固定在膜相中。例如，可以将脂肪酶锚定在与疏水相相接触的膜的一侧。酶催化反应产物渗透通过膜的微孔，可以是在浓度梯度的推动下，扩散渗透通过膜；或在压差的作用下，对流通过膜。通过这种方式，反应产物连续地从反应体系中得以分离。产物的这种分离方式是这种膜反应器的最基本要求，同时也是传统膜反应器概念的一部分。但是，对于溶解度低或产生沉积作用的产物，产物的完全截留是这种反应器未曾预期到的新优势。在操作过程中，目标产物在反应器中得以富集的同时，底物分子可以渗透通过膜或者留在反应体系中。超滤膜的孔径分布范围为1-100nm，或平均截留分子量为500-10000，对于大多数天然的或经过修饰的酶而言，由于平均分子量在10000-100000之间，因此，特别适用于酶膜反应器。

对于酶膜反应器，在选择超滤膜时，不仅要考虑酶、底物、产物的分子大小，而且它们在溶液中的化学特性以及膜本身的特性也不容忽视。在筛选膜的过程中，溶质的截留率是一个十分重要的指标。对反应产物而言，截留率应为0%：而对酶的截留率应为100%，以保证酶完全留在反应体系中。总之，选择超滤膜时必须考虑的因素有：(1)膜材料的形态、孔某某、孔径分布、截留分子量大小：(2)化学稳定性、适宜的pH值范围；(3)热稳定性、耐压的能力；(4)是否影响到酶的活力；(5)膜的价格等。

2.酶膜反应器的分类

酶膜反应器可以根据酶的存在状态、液相数目、膜组件型式、膜材料类型、反应与分离耦合方式、传质推动力等的区别，分为不同的类型:

(1)根据酶的存在状态，可将酶膜反应器分为游离态和固定化酶膜反应器。前者酶均匀地分布于反应物相中，酶促反应在接近本征动力学的状态下进行，但酶易发生剪切失活或泡沫变性，装置性能受浓差极化和膜污染的显著影响。固定化酶膜反应器中，酶通过吸附、交联、包某某、化学键合等方式被“束缚”在膜上，酶装填密度高，反应器稳定性和生产能力高，产品纯度和质量好，废物量少。但酶往往分布不均匀，传质阻力也较大。

(2)根据液相数目的不同，可将酶膜反应器分为单某某(超滤式)和双液相酶膜反应器。单某某酶膜反应器多用于底物分子量比产物大得多，产物和底物能够溶于同一种溶剂的场合。双液相酶膜反应器多用于酶促反应涉及两种或两种以上的底物，而底物之间或底物与产物之间的溶解行 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 如界面失活、吸附、局部热效应、空气、卷吸等，也可能导致酶的失活。将酶固定于膜表面，随着产物或者底物在邻近膜表面以凝胶层的形式积聚，可能会导致酶的抑制现象加剧。不管由于上述那种因素导致酶的稳定性下降，添加新鲜的酶是维持反应连续稳定地进行的必要条件。在操作过程中，传质效率的下降限制了膜反应器的应用。浓差极化和膜的污染是可能导致膜的渗透通量下降的两个最为主要的因素。因此，在操作过程中，控制浓差极化现象的发生及膜的污染是维持稳定的渗透通量及产物量的重要条件。

4.酶膜反应器的应用

4.1生物大分子的分解

用于酶膜反应器的生物大分子包括蛋白质、多糖等，主要工作集中在淀粉、纤维素、蛋白质等的水解。利用膜的筛分作用，可以将相对分子质量较大的生物大分子与相对分子质量较小的水解产物实现原位分离，以部分甚至全部消除产物抑制。

应用实例：通过果胶水解来降低果汁粘度；通过乳糖转化降低牛奶和乳清中乳糖的含量；通过多酚化合物和花色素的转化来进行白酒的处理。

4.2制备生物活性肽

将生物活性肤释放(酶水解)和分离(膜分离)藕合起来，既能有效降低酶用量，降低制备成本，还能对释放进行有效控制，实现连续释放。这一工作的研究既能加快生物活性肽的产业化步伐。

应用实例：制备氮基酸；制备氮基酸；制备酪啡肽；制取抗高血压肽。

4.3辅助或辅助因子的再生

氧化还原酶可以催化共价合成、能量转移、基团转移、氧化还原等多种类型的反应，但催化作用大多需要昂贵的辅酶或辅助因子，如ATP或辅酶A的参加。因此，凡是有辅酶和辅助因子参与的反应，必须设有辅酶再生反应系统，以通过辅酶和辅助因子的反复利用降低生产成本。

伴有辅酶和辅助因子再生系统的酶膜反应器已经成功地用于NADPH、氨基酸、羧酸、醇、6-磷酸葡萄糖、乳酸、醛、内酯等物质的生产。

4.4油水多相水解反应

利用酶膜反应器以脂酶通过水解油脂合成甘油一酸酯、甘油二酸酯、甘油磷脂等。脂酯在相界面可得到活化，尤其是在多相酶膜反应器中脂酯活性可显著提高，这类反应器使两个互不相溶的相分别流过膜的两侧，一种底物通过膜与固定在膜另一侧的酶分子结合，反应在界面上发生，不产生乳化问题。

5.酶膜反应器的前景

目前，酶膜反应器的应用研究进展迅速，但是酶膜反应器的潜能尚未得到充分发挥；反应器结构设计、膜、酶体系三者任何一个因素的改进，都将提高酶膜反应器的工作效率，扩大其应用范围。从酶膜反应器的发展趋势来看，以下几个方面亟待进一步研究:

(1)开发新型的酶膜反应器，从而在工业生产中避免复杂的化学反应生产流程，取代繁杂的生产管道和反应器。另外，设计良好的膜组件，降低浓差极化和膜污染的不利影响，在纵深方面提高酶膜反应器的效率；

(2)在酶膜反应器中，膜的加工水平较低，膜孔径分布与形态结构的均一性差，容易造成酶分子和小分子激活剂的泄漏再加上有机溶剂的引入常使膜发生溶胀从而使膜发生弯曲变形，丧失有效传质面积，所以需要开发耐溶胀的膜材料，研制生物相容性好、抗污染的高分子膜材料，采用先进的成膜工艺使膜的形态结构更优化；

(3)酶在固定的过程中存在空间位阻效应，这使得固定化酶可能因为空间构型改变或活性位点被遮蔽而失活。所以需要以定向固定化代替随机固定化，以保证酶的空间构型保持不变；另外，还可以对酶分子的侧链基团进行必要的化学修饰改性，以增加酶与膜材料之间的生物相容性，提高酶对有机溶剂的耐受性，同时使酶的分子量有所增大，从而改善膜的截留效应。

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