酶膜反应器在生化领域的应用及其电场强化的研究

应器中重复使用。 这种反应器具有很大的灵活 性, 可在反应器中适当调节混合速度而得到最 佳反应速率, 并通过在分离器中控制料液流速 来抑制浓差极化现象。 在油水两相水解反应中, 一般使用中空纤 维膜, 两个互不相溶的相分别流经膜的两侧, 其 中一相透过膜与固定在膜另一侧的酶结合, 反 应发生在界面上。 如果选用疏水膜, 酶要固定 在水侧, 脂相透过膜与酶起反应; 如果选用亲 水膜, 则酶要固定在油侧, 脂相直接与酶反应, 水解后的产物透过膜。 通过调节脂相的循环压 力可以保持两相分开, 因而不产生乳化问题, 且 脂酶在相接触界面处可得到活化。 312 生物合成 在用蛋白酶合成低聚肽的过程使用酶膜反 应器, 较之使用传统的合成方法, 可避免外消 旋 作 用, 并 能 保 护 具 有 功 能 性 的 氨 基 酸 侧 键[ 25 ]; 在柠檬酸合成衣康酸的过程中, 使用酶
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酶膜反应器在生化领域的应用及其电场强化的研究
陈 山3 郭祀远 肖凯军 李 琳 蔡妙颜
( 广西大学) ( 华南理工大学轻化工研究所)
摘 要 概述了酶膜反应器的理论研究和应用现状, 比较酶膜反应器与传统反应器 的特点和优势。 重点介绍了酶膜反应在生化领域的应用情况及其效能, 指出了酶膜 反应器在应用中所面临的制约因素。 同时, 对电场强化酶膜反应器的机理及其研究 及应用情况进行了叙述, 并讨论了提高酶膜反应器效能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ途径。 关键词 酶膜反应器 分离纯化 电场强化 应用研究 自 1925 年世界上第一个滤膜公司 (Sa rto 2 反渗透、 超 riu s 公司) 在德国成立以后, 电渗析、 滤、 气体分离等多个膜分离过程相继应用于各 个工业领域。 目前, 膜分离已广泛应用于生化 领域中的净化、 浓缩、 消毒、 代替蒸馏、 副产 品回收等环节。1966 年, W eeta l 首先提出酶膜 反应器的概念以来, 这种将反应与分离相耦合 的技术已逐渐演变为当今世界生物技术及化工 领域的热点之一, 膜技术已不再局限于单纯分 离的范畴而正向反应过程深入[ 1 ]。 酶膜反应器 (EM R ) 是典型的生物催化膜 反应器, 其开发方向及主要应用对象是生物工 程中的酶反应过程。 酶是一种高效的有机催化 剂, 但从反应母液中进行酶的分离是极其困难 的, 酶膜反应器既避免酶的损耗, 又使反应和 分离实现了一体化[ 2, 3 ]。目前, 已在实验室规模 上得到了多种酶膜反应器的动力学模型, 并出 现了以微滤、 超滤、 反渗透和膜萃取等为基础 的酶膜反应器[ 4～ 6 ]。 1 酶膜反应器的特点 111 酶膜反应器类型 酶膜反应器是将酶的催化作用、 产物的分 离和催化剂的保护三种功能一体化的设备, 它 能以间歇或连续的方式从多种有机物中获取功 能性的产物[ 7, 8 ]。根据反应器内酶的状态, 酶膜 反应器可分游离化和固定化酶膜反应器两类。 前者酶溶于反应物内; 后者则把酶结合在膜的 表面, 形成酶膜, 其优点是酶的密度大, 缺点
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酶膜反应器在生化领域的应用及其电场强化的研究 412 电场强化的应用研究 G idd ing s [ 33 ] 和 G ru shka 等[ 34 ] 在电场流分 级过程中混合粒子悬浮物或大分子溶质分级现 象的广泛研究, 以及 H en ry 等[ 35 ] 提出的错流 电过滤, 综合考虑了由错流产生的流体剪切力 的 电 泳 对 过 滤 的 影 响 并 建 立 了 相 应 模 型,
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酶膜反应器在生化领域的应用及其电场强化的研究 高效膜反应器的设计条件和操作条件。 A bda lla 等在乙苯脱氢制取苯乙烯的工业固定床催化反 应器的异相反应中运用气固模型, 通过简单的 迭代技术从工业反应器所获得的数据中推导了 该反应的本征动力学, 并用该模型研究了采用 选择性分离膜去除反应混合物中产物 ( 氢) 的 优越性。D am le 等建立了催化膜反应器中水煤 气反应的简化过程模型, 并据此进行了一系列 计算机模拟以研究及时分离反应混合物中氢对 提高 CO 转化率的影响。 Ko ska 等建立了一个 数学模型用来描述含细胞填充床式中空纤维超 滤膜生物反应器中高分子量蛋白质的传递及分 布情况。 P razeres 等[ 12 ] 对在酶膜反应器中进行 的脂肪酶 B 催化橄榄油的水解反应进行了动 力学研究。 Gan 等[ 13 ] 和 Ceynow a 等[ 14 ] 则分别 对固定化脂肪酶的在酶膜反应器中双乳相体系 中的作用机理进行了研究并建立了相应的动力 学模型和热力学模型。 上述的理论研究极大地 促进了酶膜反应器的工业化应用。 3 酶膜反应器在生化领域中的应用 目前, 在应用中的酶膜反应器主要有微滤 酶膜反应器、 超滤酶膜反应器、 纳滤酶膜反应 器、 反渗透酶膜反应器和渗析酶膜反应器等, 其 工业化应用集中在有机酸、 抗生素的生产及食 品、 饮料的加工等环节中, 主要作用是水解胶质 以降低果汁的粘度、 把牛乳或乳清中的乳糖降 解成可消化的糖类、 转化葡萄酒中的多酚或花 色素、 除去食物中的过氧化物[ 9, 15～ 24 ] , 见表 1。 为了更清楚地了解酶膜反应器的作用性质 及其特点, 下面对参与生物降解、 生物合成和 反胶团的酶催化等三种类型反应的酶膜反应器 分别加以叙述。 311 生物降解 生物降解是酶膜反应器应用最为广泛的领 域, 主要包括淀粉、 纤维素、 蛋白质等大分子 物质的水解, 一般使用循环式酶膜反应器: 膜 主要起分离作用, 反应和分离两过程是分开的。 酶在膜分离装置中与反应物分离后再循环至反
膜反应器可相应地提高柠檬酸的转化率, 并可 对葡萄糖、 短键麦芽低聚糖进行选择的分离; 而 在合成环糊精的反应中, 可降低反应中葡萄糖 和低聚糖对环化反应的竞争抑制作用, 并避免 环糊精的降解。 基于酶膜反应器, 以上反应均 可实现连续化生产。 一般情况下, 在生物合成 过程中, 应使用可搅拌的酶膜反应器以稳定和 提高合成速率, 并选用不同截留分子量 (MW 2
《化工装备技术》第 25 卷 第 1 期 2004 年 表 1 酶膜反应器在生化领域应用情况
酶膜反应器类型 轴向环流 不均匀中空纤维膜 中空纤维膜 超滤 超滤 超滤 超滤 超滤 超滤 超滤 超滤 固定床 超滤 不均匀中空纤维膜 微滤 超滤 疏水板框膜 疏水板框膜 中空纤维膜 超滤 超滤 超滤 超滤 用途 降解牛奶或乳清 生产婴儿食品 生产单糖 生产糖浆 酿造 生产酒精 生产澄清果汁和葡萄酒 生产羧基酸 生产苦味澄清果汁 牛奶产品的凝结 肉类嫩化 防止蛋品失色和失味 生产食品和化妆品 生产酒精和蛋白质 白葡萄酒的风味改良 生产食品添加剂 油料处理 油料处理和化妆品生产 生产镇痛药 生产药物 生产药用缩氨酸 生产食品或药物添加剂 酿醋
A ris
[ 37 ] [ 38 ] 、 M oyn ihan 和 R am achand ran 等人 分别测定了反应系统中不同离子组成所受电场 的作用, 并指出反应物中扩散介质中的电场梯 度会因不同离子的不均匀移动或外加电场强度 [ 36 ]
分离性能研究 ( 三) ——锥段结构. 化工装备技术, 1998, 19 (5) : 1 ～4 5 褚良银, 陈文梅, 李晓种, 刘培坤. 水力旋流器结构与 分离性能研究 ( 四) ——底流管结构. 化工装备技术, 1998, 19 (6) : 12 ～ 14 6 李建隆, 张海跃, 魏德孚等. 旋流环流式液固分离器. 中 国: ZL 92106721. 7, 1992. ( 收稿日期: 2003208218)
CO ) 的滤膜对合成产物进行纯化。
313 反胶团的酶反应 反胶团是由表面活性剂溶于有机溶剂中触 发形成的热力学稳定、 光学透明的纳米级自聚 体。 酶溶于反胶团主要经直接注射法、 液- 液 萃取相转移法、 固相接触法等三种途径, 反胶 团酶反应技术是实现有机相酶转化的技术方法 之一[ 19 ]。利用酶膜反应器截留含酶反胶团及分 离产物已被公认为反胶团酶反应技术工业化最 有前途的方法, 应用范围包括: 辅酶再生、 脂
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反应 酶类 乳糖和 Β - 半乳糖的水解 Β - 牛乳糖酶 降解牛奶中高分子量蛋白质 胰岛素和糜蛋白酶 棉子糖降解 Α - 牛乳糖酶和转化酵素 降解淀粉制麦牙糖 Α - 或Β - 淀粉酶, 支链淀粉酶 糖的发酵 酵母 厌氧发酵 酵母 胶质水解 果胶酶 乳酸菌发酵 柠檬油精和柚皮苷的分离 Β - 环胡精 k- 酪蛋白水解 肽链内切酶 胶原质和肌肉蛋白水解 蛋白酶, 木瓜酶 葡萄糖转化 葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶 甘油三酸酯水解制脂肪酸和甘油 脂肪酶 纤维素制纤维二糖和葡萄糖 纤维素酶和葡糖甘酶 苹果酸水解制乳酸 乳酸菌酶 反丁烯二酸水解制 L - 苹果酸 延胡索酸酶 橄榄油甘油三酸酯水解 脂肪酶 大豆油水解 脂肪酶 氰基酯水解制异丁苯丙酸 脂肪酶 DNA 水解制低核甘酸 DN ase 乳清蛋白水解 胰岛素, 胰凝乳蛋白酶 柠檬酸合成衣糠酸 固定化土曲霉菌素 淀粉糖化 糖化酶
3 高等学校博士学科点专项基金资助项目 (N o 12000056117) ; 国家自然科学基金资助项目 (N o 120006005) 3 3 陈 山, 男, 1968 年 8 月生, 博士, 副教授。 南宁市, 530004。
参 考 文 献
1 时钧, 汪家鼎, 余国琮等. 化学工程手册. 北京: 化学 工业出版社, 1996. 2 褚良银, 陈文梅, 李晓种, 刘培坤. 水力旋流器结构与 分离性能研究 ( 一) ——进料管结构. 化工装备技术, 1998, 19 (3) : 1 ～5 3 褚良银, 陈文梅, 李晓种, 刘培坤. 水力旋流器结构与 分离性能研究 ( 二) ——溢流管结构. 化工装备技术, 1998, 19 (4) : 1 ～3 4 褚良银, 陈文梅, 李晓种, 刘培坤. 水力旋流器结构与
是底物和产物通过膜的速率相对较慢, 往往成 为反应过程的制约因素。 112 酶膜反应器的特点 与一般反应器相比, 酶膜反应器显示出以 下的优越性[ 9～ 11 ]: ( 1) 反应转化率不受化学平衡转化率的限 制, 这是酶膜反应器最为显著的特点之一。 许 多重要的化学反应都是平衡反应, 使用传统的 反应器无法突破平衡转化率的限制。 而在膜反 应器中, 膜的选择透过特性使某些组分 ( 如产 物) 的连续脱除成为可能, 从而可促使化学平衡 发生移动, 大大提高了反应的转化率; ( 2) 酶膜反应器可将目的产物分离出去, 而酶可以重复利用, 可实现连续操作, 并有可 能提高复杂反应的选择性; ( 3) 在酶的催化作用下, 在较温和的温度 和压力下进行反应且不需其它添加剂, 可获得 较高的反应速度, 并减少副产物的比例; ( 4) 相对于固定床与流化反应器中的质量 传递受分子扩散的制约而影响反应的进程, 酶 膜反应器可通过对流扩散消除这种影响, 加快 传质速率, 提高反应速度; ( 5) 可以简化工艺流程和操作步骤, 有可 能使产物分离、 反应物净化及化学反应等几个 单元操作在一个膜反应器中进行, 从而可以同 时起到降低生产成本和增加产量的作用。 此外, 在实验研究中, 酶膜反应器是研究 反应动力学、 产物抑制、 底物抑制、 酶失活的 一种有效手段, 它的应用可促进诸如微生物产 酶、 酶的纯化、 固定化酶生物工程及高效率生 产工艺设计等相关技术的发展。 2 酶膜反应器的理论研究进展 关于膜反应器的基础理论研究以反应过程 的动力学研究及相关过程的数学模拟为主[ 9 ]。 Sh indo 等对膜反应器进行了理论分析, 建立了 包含反应速率及分离速率项的一级可逆反应的 动力学方程, 并讨论了总转化率的理想最大值 与膜的选择性及平衡常数之间的关系, 研究了