膜分离式酶解反应器的研究进展

时间：2006-11-14 来源： 作者：陈志强　曹盛　胡金榜

　　随着生物技术在21世纪的发展，生化工程也有着良好的发展前景。因此，生物反应器与新产品的开发一直受到国内外学者的重视。生物反应器主要有间歇、半连续(流加)、连续三种操作类型。连续反应器又可进一步分为连续釜式反应器和活塞流反应器。在酶促反应中，常用的催化剂分为两种：一种是酶，包括游离酶和固定化酶；另一种为细胞。
　　传统的生物酶解反应器基本上是连续釜式反应器和填充床式反应器。随着膜分离技术的不断发展和完善，膜分离技术在生物反应过程中做为产物与底物、产物与酶、或酶与底物的分离手段，应用逐渐增多。

1　膜分离式酶解反应器在酶促反应中的开发应用

　　膜分离技术是指以选择性半透膜(天然的或合成的、有机的或无机的)作为膜滤介质，以外界能量或化学位差为推动力(化学力、压力、电场等)，对双组分或多组分混合物或溶液进行分离、分级、提纯的方法。膜分离技术依据传质驱动力、分离机理及所用膜的类型不同，可实现微滤(Microfiltration,MF)、超滤(Ultrafiltration,UF)、反渗透(Reverse Osmosis,RO)、透析、电渗析、气体分离等。在生物反应器中，应用最多的是超滤，它的膜滤元件常为平板型膜［2］、管式膜［3］、中空纤维膜［4，5］和卷式膜等［6］。国内外学者对膜的性能及应用进行了大量的研究［7～13］。
　　有研究者采用结构如图1所示的装置系统进行酶解反应研究。它是在传统的连续釜式反应器的外部再设置一套超滤膜组件，将两者串联起来使用，称为CSTR/UF类型。应用这种装置系统已成功地进行了血浆蛋白的酶解［4］和菊糖酶解生成果糖的模拟实验［14］。

图1　连续釜式反应器-超滤膜组件反应分离联合装置简图

　　采用这种联合装置进行酶解反应时，由于超滤膜对大分子的酶和底物起截留作用，所以，从反应器流入膜组件的混合溶液中，小相对分子质量的酶解产物能透过超滤膜，排出反应系统，而大分子的底物和酶被截留，随循环液得以回收利用或处理排放。超滤膜组件多为平板膜，有时为增大过滤面积而采用中空纤维膜或多根管状膜。
　　在酶工程领域内，应用膜分离技术的酶反应器与其他型式的酶反应器相比有如下优点［15］：
　　(1)它能够从反应混合物中连续而有选择性地移出反应产物。
　　(2)能将某些反应混合溶液中具有抑制性的产物通过膜不断地滤出，减小了反应中的产物抑制现象，可获得比其他反应器更高的反应速度和转化率。
　　(3)在多相系统中，若膜能将产物截留，则在流出的物料中就可以得到富化的产物。

　　(4)对大分子水解时，膜的适当截留可以对水解产物的相对分子质量进行控制，使渗透液中小相对分子质量的物质增多，反应器内大相对分子质量的物质浓度增大，加大水解程度。
　　同时也存在如下缺点：
　　(1)在操作过程中，酶在操作动力学稳定性方面除了因温度、pH而失活外，还受到其他因素的影响。
　　(2)当酶处于游离态时，由于膜材料的多样性，若选用了不合适的膜就会引起膜对酶的不恰当吸附，造成酶构型的变化，降低酶的活性。
　　(3)超滤膜在使用时可能造成堵塞，引起膜滤速率的降低，常通过对膜的清洗和物料的预处理将其控制在最小程度。
　　(4)在膜滤过程中，分离有机大分子时，因其扩散性差，易形成浓差极化。

2　膜分离式酶解反应器最新进展

　　将动态过滤技术与膜分离技术有机地结合起来，就形成了动态膜分离技术，它可有效地破坏膜面浓差极化层所形成的浓度梯度，减小浓差极化和凝胶层的影响。应用动态膜滤技术，已开发出了一些新型的生物酶解反应器，例如搅拌式平板膜反应器［16～20］和旋鼓式反应器［21］。
　　近年来国内外学者对膜分离式酶解反应器进行了许多有意义研究［22～27］，但主要集中在其应用方面。Pestchanker等［28］提出了双室膜反应器的设计思路，这种反应器可以通过改变两个室里的压力来控制介质经过膜的传递速率，同时可采用膜的切向流防止膜的堵塞。通过实验，该种反应器性能优良。Nakajima等人［29］对在微滤膜酶解反应器中用UDP-葡糖基转移酶制取β-宁侧素Z-O-β-D糖苷的工艺过程及UDP-葡糖基转移酶的活性进行了研究。杨斌等人［30］对膜式糖化反应器及酶回收的工艺过程进行了研究。他们提出了PS-Ti复合管式膜糖化器水解蔗渣喷爆物及循环使用纤维素酶的新工艺。同时研究了水解酶失活的机理为非降解底物的吸附作用，即水解酶大部分失活是由于吸附于非降解的蔗渣上所致。
　　90年代初，天津大学提出了膜分离耦合式酶解反应器［31］，根据动态膜分离技术原理，将反应器与膜组件组合在一起，在反应的同时就能将产物及时移出，并使多个反应与膜分离室串联在一起组成了多级反应器，用于洋姜制取果糖的实验研究，不仅实现了一体化的操作，同时也有效地控制了膜表面的浓差极化，提高了反应器的生产强度。胡金榜等通过在膜分离式酶解反应器中单基酶受叶轮搅拌剪切失活的实验研究，将实验数据归纳为余存酶活与叶轮型式、叶端线速度、剪切暴露时间的曲线，发现不同的叶轮型式和叶轮转速对酶的剪切失活影响不同［32］。他还对膜分离式酶解反应器流体流动特性进行了研究，导出了停留时间分布函数方程式。根据停留时间分布函数和分布密度函数的定义，量纲为1的停留时间分布函数方程式为：

　
　　并采用降阶法的阶跃方式进行了实验验证，结果表明实验值与按分布函数方程式的计算值吻合良好，通过与连续釜式反应器停留时间分布的特征值的比较，完全能显示出这种反应器的优越性［33］。
　　单级膜分离式耦合反应器(MCER)的结构示意图如图2所示。

图2　单级膜分离耦合式酶解反应器结构简图

　　在操作过程中，酶与反应底物经预混合后经泵送入反应器内进行反应。由于反应器特殊的几何构型以及叶轮旋转造成的离心作用，混合液先由反应器的中心流向周边，在压力差的作用下，周边的流体又向中心流动；同时由于叶轮旋转形成的剪切力也促使流体随叶轮沿膜面环向流动，在这两种作用的综合影响下，流体就以平行于膜面的方向流动，从而使膜处于动态过滤状况。高速旋转的叶轮也极大地改善了反应器内流体的流动状况，避免了滞留、沟流和死区的发生。
　　张慧进行了多级膜分离耦合式酶解反应器中菊糖降解生成果糖的应用研究［31］，并得到了多级膜分离耦合式酶解反应器的操作特性方程：

式中，e为酶溶液浓度，kg/m3；km为酶解反应的米氏常数，kmol/m3；k＋2为反应速度常数，s-1；C0为示踪剂入口浓度，kg/m3；Ci为第i级的示踪剂出口浓度，kg/m3；Q0为反应器入口流量，m3/s；QLi为第i级的膜滤液流量，m3/s。
　　从实验中得出，在多级膜分离耦合式酶解反应器中菊糖的转化率要高于间歇式搅拌罐反应器，在相同的工艺条件下，果糖产率为间歇式搅拌罐反应器的2.31倍。同时，这种新型的反应器膜滤性能稳定，且能较好地再生。
　　通过上述研究可以看出，这种膜分离耦合式酶解反应器是一种新型、高效的生物酶解反应器，在酶工程领域里有广阔的应用前景。