酶膜反应器

酶膜反应器

摘要：酶膜反应器是一种新型的生物催化反应设备，它是反应与分离相耦合的装置，集产品分离、纯化和酶回收利用于一体，具有其它方法不可比拟的优势。在强调资源节约，环境友好和清洁化生产技术的今天，显示一些特别的优点，近年来已成为热门的研究领域。本文主要介绍了酶膜反应器的基本原理、特征及其分类，并根据分类对近年来酶膜反应器应用研究进行了概述，讨论了酶膜反应器目前存在的一些瓶颈问题及其解决办法。

关键词：酶膜反应器；优缺点；分类；催化；应用

Enzyme Membrane Reactor

Abstract:Enzyme membrane reactor that contains an enzyme and a membrane with the appropriate pore size and physicochemical properties is a new type of bioreactor, in which continuous reaction occurs simultaneously with separation of the product from the reaction mixture. Membrane bioreactor has some advantages in the field of resource saving, environmental protection and clean production in biocatalysis, and has already become one of the hottest research fields these years. The basic concept , feature and classification of enzyme membrane reactor were generally described, and some applications in some fields and examples were reviewed. The current problems and the future tendency were discussed.The current bottleneck problems and the corresponding solution approaches were discussed.

Key words: Enzyme membrane reactor; Feature; Classification; catalyse reactions; Application 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[1]。

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[2]。

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[3]。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。利用包埋、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[4]。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[5-6]。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、孔度、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、包埋、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[7]。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液相(超滤式)和双液相酶膜反应器。单液相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[8]。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为差别较大的场合。

（3）根据膜组件型式的不同，可将酶膜反应器分为板框式、螺旋卷式、管式和中空纤