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酶膜反应器的介绍和应用

 酶膜生物反应器是一种新型的、有发展前途的生物反应器,它在进行生物催化的同时,也在进行产物的分离、浓缩及催化剂的回收。

1 酶膜反应器的概念

在生物催化过程中,目的产物的分离及催化剂的回收再利用涉及到操作过程中的费用问题,而酶膜反应器将生物催化、产物的分离、浓缩及酶的回收等操作步骤结合成一个操作单元。酶膜反应器一方面使酶或细胞重复使用以使反应体系维持较高的酶浓度和细胞浓度,另一方面又可以把产物不断地从反应体系中分离出来以减少产物对反应体系的抑制作用。酶膜反应器生产能力基于选择性的半透膜,利用膜两侧的推动力,将可渗透的溶液从反应体系中分离出来。半透膜起分离和界面催化剂支撑体的双重作用。酶膜反应器进行连续操作的首要条件是实现酶的完全截留。在酶膜反应器中酶常以2 种形式存在,溶于或不溶于膜表面及存在于膜相的微孔或膜基质中游离态的酶,可以由静电斥力、分子筛或以化学和物理作用使酶固定于某种媒介上( 惰性蛋白、凝胶、脂质体) ,酶限制在膜的一侧。

酶膜反应器要求催化反应产物能在浓度梯度或压力差下扩散透过膜,使产物从反应体系中得到分离。如果产物是低溶解度的或易产生沉积作用,采用酶膜反应器可达到更高的得率。超滤膜孔径分布范围是1 100 nm,平均截留分子量(NMWCO)500 10 000 道尔顿,通常酶的分子量范围是1 000 10 000 道尔顿,可见采用适当超滤膜反应器就能截留酶分子。对于酶膜反应器应根据酶的分子大小、底物、产物的特性以及膜本身的性质来选择超滤膜。对反应物膜的截留率应为零,使产物完全透过;而对酶的截留率应为100%,将酶完全限制在反应体系内。部分超滤膜具有不对称结构。例如在某一方向上其孔径连续变化。位于一多孔层次上的膜表面是一超薄层,这种独特的结构使膜不易堵塞,使酶膜反应器具有较高的流动透过率且易于清洗。

2 酶膜反应器的特点

酶膜反应器的优点与一些传统的酶反应器( 分批式、填充式、流化床式反应器) 比较,酶膜反应器具有独特的优点。

(1 ) 可以连续操作,能够极大限度地利用酶,因而能提高产量节约成本,是任何连续反应器具备的特点;

(2 ) 酶膜反应器可以连续地将产物从反应体系中分离出来。例如,当化学平衡影响反应产量时,分离出产物可以使化学平衡向生成产物方向转移;

(3 ) 通过膜的微孔,产物被分离,酶膜反应器中反应速度加快,底物的转化率提高;

(4 ) 反应产物不同时,膜对产物的不同连续性,使产物在膜两侧富集;对于产物抑制的反应而言,这种现象反而不利;

(5 )用于大分子化合物的水解。利用适宜的分子截留率的膜,会允许分子水解产物选择性的透过,而大分子的产物被膜截留富集;

(6 ) 采用膜式反应器操作两相反应,无需对反应体系进行乳化,避免高速搅拌乳化带来的酶失活及动力问题;

(7 ) 在实验室规模内,超滤酶膜反应器是用于研究酶的机理( 反应动力学、产物抑制的影响、酶失活过程等) 的重要手段;

(8 ) 在固定床与流化床反应器中,质量传递多受分子扩散的控制,极大地阻碍了反应过程,而在酶膜反应器中,可通过对流扩散消除这种控制。

3酶膜反应器的应用

3. 1 大分子化合物的水解

该应用主要指蛋白质和碳水化合物( 淀粉和纤维素) 的水解反应。这类反应很有前景,近年来一些研究报道已有应用如蛋白质、肽类、纤维素、胶质、麦芽糊精和淀粉。

3. 2 辅酶再生反应

如今合成不同纯度的化合物,包括光学活性物质的合成越来越多地应用到酶膜反应器。NAD+ NADP + CoenzymeA ATP 等辅酶因子。但是这些辅酶通常费用较高,所以在实际生产中应用酶膜反应器来实现辅酶的再生可以较好地解决这一问题。

3. 3 脂肪酶催化水解及合成

酶膜反应器的很多应用都用到脂肪酶。因为脂肪酶特殊结构和作用机制,也就是其在两相界面被激活使得在酶膜反应器中活性显著提高,从而有利于酶和底物的界面接触。很多实例是以油脂作为底物分解生成脂肪酸、单/ 双甘油酸和甘油或者合成脂类,包括脂交换反应。

3. 4 低聚肽合成

低聚肽用于生化和医药领域可以制成营养品、激素和抑制剂等。酶蛋白在制备手性药物时,区别作用于外消旋的对映体,使之优越于传统的化学方法。并能保护功能性氨基酸侧链。随着制药业的发展,酶膜反应器必将在手性药物的大规模生产上大放异彩。

3. 5 反胶团催化

反胶团是两亲分子溶于有机溶剂对自组织形成的纳米级球形聚集体。采用酶膜反应器通过反胶团将酶微胶囊化进行酶反应,主要限制因素是反应体系中的表面活性剂带来的污染。这使产物的分离、纯化及酶的回收变得复杂。因此,发展反胶团技术要实现进行连续反应的同时分离部分产物。研究表明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。


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