[科普中国]-超滤膜酶反应器

超滤膜酶反应器的有关概念

生物催化是指在均相或非均相体系中由酶参与的将底物转变为产物的过程。膜式反应器通过膜的选择性透过作用在有外推动力的情况下实现目标成分从反应混合物中的分离。膜也能被用作固定化酶的载体。即在进行催化反映的同时，实现产品的分离浓缩，催化剂的回收再利用。近年来，在两相或多相生物催化反应体系中利用膜实现不同相间的隔离，提供相界面的反应接触区和界面催化酶。酶反应器成功进行连续操作的首要要求是将酶限制在一定区域内来同底物反应。酶通常以两种形式存在，可溶的或以不溶状态处在膜的表面或微孔中。酶若以游离态存在，可以通过分子筛，静电斥力，以化学或物理作用将酶固定于中间支持体(惰性蛋白，凝胶，脂质体)的扩大作用，从而将酶限制在膜一侧的空间范围。

采用化学结合法，物理吸附或静电吸引能将酶直接固定在膜上。在多相反应体系中，酶通常固定在膜亲水的一侧或膜内;但是对某些酶如脂酶，酶则固定在膜朝向疏水的一侧。催化反应产物应能在浓度梯度或压力差下通过扩散或传导通过膜微孔，这样就使反应体系中的产物不断得到分离。这对酶膜反应器来讲是很重要的。若产物是类低溶解度的易沉淀物质，采用酶膜反应器则产物在反应过程中一直存在于反应体系，可达到很高的产物得率。底物分子可以是能自由渗透或非渗透的。

超滤(UF)膜，其孔径分布范围为1～100nm，分子量切割(NMWCO)为500～100000道尔顿(daltons)，而酶的分子量范围是10000～100000daltons，采用合适的UF膜就能实现对酶分子的截留。超滤膜通常按其NMWCO值，即在规定透滤情况下测得的达到90%℃截留率的分子量来分类。

当设计一个酶膜反应器在选择膜时，应考虑酶的分子大小，底物和产物的溶液特性和膜本身。理想的膜对产物的截留系数应为零，即使产物能完全透过;而对酶的截留系数应为100%，确保酶完全保留在反应体系内。并不是说当物质分子小于膜微孔时，分子就一定不被截留。因为除大小因素外，对那些分子略小于膜孔的物质，可能存在着静电排斥。而且膜的化学特性能与溶质因非特异性相互作用(静电、疏水、亲水作用)而影响溶质渗透性。即在溶质的表面又形成一附加层(凝胶层)，减低透过性(浓差极化现象)。当化学反应与酶分离同时进行浓差极化尤为明显。

绝大多数商品超滤膜是不对称的，孔径沿一个方向连续变化。膜表面是一超薄层，位于一较多孔的次层上，这种结构使膜不易堵塞，有较高的流动透过率，容易清洗。膜材通常是合成聚合物和一些陶瓷材料。与聚合膜相比，陶瓷膜更耐热，耐化学腐蚀，机械抗压性强。对具体的酶反应，选用膜材时要考虑其对酶稳定性的影响，以膜的形态、多孔结构、孔径分布、截留分子量、抗化学腐蚀、耐热、耐pH、耐压和价格等参数为依据，进行多次试验。对多相酶膜反应器，Vaidya等人提出，必须以在两相间形成稳定的界面为基础来选择膜材。超滤膜附着在有一定几何形状的管、板组件上，有进料口、酶反应区和产物流出口。它们与泵、阀和容器等以各种方式组合，形成了种类繁多的酶膜反应。

超滤膜酶反应器的分类按照酶反应器的结构和水力学来分类，可分为连续流搅拌罐式(CSTR)和活塞流式(PFT)。对PFT式，底物分子必须扩散至膜上与酶接触，而对CSTR式，底物分子一进入膜体系就直接与酶接触。但有些膜反应器，考虑到其超滤单元的特殊物料流动模式(如平板膜)，就不能划为前面提到的任一种型式。随着多膜反应器的应用的增多，我们以酶和底物的接触机制来对各种酶反应器进行分类1。

超过滤式膜反应器这类反应器的酶可以是固定化酶或以游离态存在，底物一进入膜的一侧，就能与可溶性的酶接触进行反应。

扩散型膜反应器这类反应器底物分子需经过被动扩散通过膜微孔后到达酶反应区。酶可以固定化或游离态存在。这就要求反应底物是小分子量的。催化反应得到的产物又扩散回到未反应的底物中不断循环。这类反应器常使用中空纤维膜，酶一般位于纤维的外层。溶质是以浓度差而不是压力作为推动力通过膜的。因此与超过滤膜式反应器相比，其以扩散作为底物的主要传质动力，存在着一些缺点。举例来说，由于底物的跨膜渗透是一限速步聚，使得酶的动力学行为低于游离酶反应。又如，反应体系中其它物质的慢的传质输送也影响包埋酶周围的微环境。所以对此类反应器进行过理论上的研究，但实际的应用报道较少见。为克服上述传质缺陷，有人提出在此类扩散型反应器中诱导产生超滤传导通量。试验和理论研究显示对反应器输入流的周期性的脉冲操作可显著提高产物的转化率。这是因为诱导产生的超滤传导加快了物质的输送。

超滤膜酶反应器的特点优点使用膜式反应器能使酶反应连续进行，酶得到反复的高效利用，产率提高，操作成本下降。与填充式、流化床式反应器相比，膜的选择性透过作用可使产物透过膜，而底物却被截留在膜的另一侧，反应平衡朝生成产物的方向移动。而且，对那些产物阻遏的酶反应，产物透过膜孔不断分离解除了阻遏，使反应向正方向进行。当反应的产物不止一种时，利用膜对不同产物的通透性的差异可分别在膜的两侧浓缩不同的产物组分。不过，若被膜截留在反应区的产物存在反应阻遏现象，对反应进行是不利的。在高分子的水解反应中，采用合适分子量切割的膜，可允许低分子量的水解产物选择性透过，而分子量大的产物被膜截留富集。采用膜式反应器操作两相反应，无需对反应体系进行乳化。这样就避免高速搅拌乳化带来的酶失活及动力问题。超滤膜式反应器还是研究酶机制，如反应动力学、产物阻遏情况及酶的失活等的有效工具。用膜来固定酶，比起用多孔物质或玻璃珠来固定成本要高，但能实现反应与分离的同时进行。此外，对填充式或流化床式反应器，固定化颗粒内的扩散下降，传质受到限制。但对膜式固定化酶反应器，除扩散外，系统主要靠传导机制来传质，使得底物稳定地与酶接触反应，产物又不断离开反应区。传质的改善使产率提高。

缺点膜式反应器的催化和传质效力随时间增长会下降。除热失活外，酶的动力学稳定性还受其它因素的影响。如酶的大小与膜孔分布相近甚至大于膜孔时都会发生酶的“渗漏”现象;酶的激活剂如金属离子或酶辅因子透过膜的损失，也使酶活下降。当酶以游离态存在时，出现不希望的被膜吸附，吸附使酶分子构象变化活力减少;或者膜材选择不当也会毒化酶影响酶活。超滤系统中的酶分子和膜反应器受到容器壁剪切力和摩擦的影响。物料循环速度提高剪切力加大与酶的失活呈正相关。当然，循环式反应器随循环物料速率提高带来的界面失活、吸附、局部过热及空穴等会使酶活下降。对搅拌式膜反应器，搅拌子旋转引起的剪切也会使酶活下降。此外，酶固定在膜上时，若反应是底物或产物阻遏的，底物或产物在膜表面逐渐积累形成一凝胶层都会加剧阻遏效果。上述任一情形发生时，都应适当地在操作过程中补酶2。