膜分離式酶解反應器的研究進展

時間：2006-11-14 來源： 作者：陳志強　曹盛　胡金榜

　　隨著生物技術在21世紀的發展，生化工程也有著良好的發展前景。因此，生物反應器與新產品的開發一直受到國內外學者的重視。生物反應器主要有間歇、半連續(流加)、連續三種操作類型。連續反應器又可進一步分為連續釜式反應器和活塞流反應器。在酶促反應中，常用的催化劑分為兩種：一種是酶，包括游離酶和固定化酶；另一種為細胞。
　　傳統的生物酶解反應器基本上是連續釜式反應器和填充床式反應器。隨著膜分離技術的不斷發展和完善，膜分離技術在生物反應過程中做為產物與底物、產物與酶、或酶與底物的分離手段，應用逐漸增多。

1　膜分離式酶解反應器在酶促反應中的開發應用

　　膜分離技術是指以選擇性半透膜(天然的或合成的、有機的或無機的)作為膜濾介質，以外界能量或化學位差為推動力(化學力、壓力、電場等)，對雙組分或多組分混合物或溶液進行分離、分級、提純的方法。膜分離技術依據傳質驅動力、分離機理及所用膜的類型不同，可實現微濾(Microfiltration,MF)、超濾(Ultrafiltration,UF)、反滲透(Reverse Osmosis,RO)、透析、電滲析、氣體分離等。在生物反應器中，應用最多的是超濾，它的膜濾元件常為平板型膜［2］、管式膜［3］、中空纖維膜［4，5］和卷式膜等［6］。國內外學者對膜的性能及應用進行了大量的研究［7～13］。
　　有研究者采用結構如圖1所示的裝置系統進行酶解反應研究。它是在傳統的連續釜式反應器的外部再設置一套超濾膜組件，將兩者串聯起來使用，稱為CSTR/UF類型。應用這種裝置系統已成功地進行了血漿蛋白的酶解［4］和菊糖酶解生成果糖的模擬實驗［14］。

圖1　連續釜式反應器-超濾膜組件反應分離聯合裝置簡圖

　　采用這種聯合裝置進行酶解反應時，由于超濾膜對大分子的酶和底物起截留作用，所以，從反應器流入膜組件的混合溶液中，小相對分子質量的酶解產物能透過超濾膜，排出反應系統，而大分子的底物和酶被截留，隨循環液得以回收利用或處理排放。超濾膜組件多為平板膜，有時為增大過濾面積而采用中空纖維膜或多根管狀膜。
　　在酶工程領域內，應用膜分離技術的酶反應器與其他型式的酶反應器相比有如下優點［15］：
　　(1)它能夠從反應混合物中連續而有選擇性地移出反應產物。
　　(2)能將某些反應混合溶液中具有抑制性的產物通過膜不斷地濾出，減小了反應中的產物抑制現象，可獲得比其他反應器更高的反應速度和轉化率。
　　(3)在多相系統中，若膜能將產物截留，則在流出的物料中就可以得到富化的產物。

　　(4)對大分子水解時，膜的適當截留可以對水解產物的相對分子質量進行控制，使滲透液中小相對分子質量的物質增多，反應器內大相對分子質量的物質濃度增大，加大水解程度。
　　同時也存在如下缺點：
　　(1)在操作過程中，酶在操作動力學穩定性方面除了因溫度、pH而失活外，還受到其他因素的影響。
　　(2)當酶處于游離態時，由于膜材料的多樣性，若選用了不合適的膜就會引起膜對酶的不恰當吸附，造成酶構型的變化，降低酶的活性。
　　(3)超濾膜在使用時可能造成堵塞，引起膜濾速率的降低，常通過對膜的清洗和物料的預處理將其控制在最小程度。
　　(4)在膜濾過程中，分離有機大分子時，因其擴散性差，易形成濃差極化。

2　膜分離式酶解反應器最新進展

　　將動態過濾技術與膜分離技術有機地結合起來，就形成了動態膜分離技術，它可有效地破壞膜面濃差極化層所形成的濃度梯度，減小濃差極化和凝膠層的影響。應用動態膜濾技術，已開發出了一些新型的生物酶解反應器，例如攪拌式平板膜反應器［16～20］和旋鼓式反應器［21］。
　　近年來國內外學者對膜分離式酶解反應器進行了許多有意義研究［22～27］，但主要集中在其應用方面。Pestchanker等［28］提出了雙室膜反應器的設計思路，這種反應器可以通過改變兩個室里的壓力來控制介質經過膜的傳遞速率，同時可采用膜的切向流防止膜的堵塞。通過實驗，該種反應器性能優良。Nakajima等人［29］對在微濾膜酶解反應器中用UDP-葡糖基轉移酶制取β-寧側素Z-O-β-D糖苷的工藝過程及UDP-葡糖基轉移酶的活性進行了研究。楊斌等人［30］對膜式糖化反應器及酶回收的工藝過程進行了研究。他們提出了PS-Ti復合管式膜糖化器水解蔗渣噴爆物及循環使用纖維素酶的新工藝。同時研究了水解酶失活的機理為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，天津大學提出了膜分離耦合式酶解反應器［31］，根據動態膜分離技術原理，將反應器與膜組件組合在一起，在反應的同時就能將產物及時移出，并使多個反應與膜分離室串聯在一起組成了多級反應器，用于洋姜制取果糖的實驗研究，不僅實現了一體化的操作，同時也有效地控制了膜表面的濃差極化，提高了反應器的生產強度。胡金榜等通過在膜分離式酶解反應器中單基酶受葉輪攪拌剪切失活的實驗研究，將實驗數據歸納為余存酶活與葉輪型式、葉端線速度、剪切暴露時間的曲線，發現不同的葉輪型式和葉輪轉速對酶的剪切失活影響不同［32］。他還對膜分離式酶解反應器流體流動特性進行了研究，導出了停留時間分布函數方程式。根據停留時間分布函數和分布密度函數的定義，量綱為1的停留時間分布函數方程式為：

　
　　并采用降階法的階躍方式進行了實驗驗證，結果表明實驗值與按分布函數方程式的計算值吻合良好，通過與連續釜式反應器停留時間分布的特征值的比較，完全能顯示出這種反應器的優越性［33］。
　　單級膜分離式耦合反應器(MCER)的結構示意圖如圖2所示。

圖2　單級膜分離耦合式酶解反應器結構簡圖

　　在操作過程中，酶與反應底物經預混合后經泵送入反應器內進行反應。由于反應器特殊的幾何構型以及葉輪旋轉造成的離心作用，混合液先由反應器的中心流向周邊，在壓力差的作用下，周邊的流體又向中心流動；同時由于葉輪旋轉形成的剪切力也促使流體隨葉輪沿膜面環向流動，在這兩種作用的綜合影響下，流體就以平行于膜面的方向流動，從而使膜處于動態過濾狀況。高速旋轉的葉輪也極大地改善了反應器內流體的流動狀況，避免了滯留、溝流和死區的發生。
　　張慧進行了多級膜分離耦合式酶解反應器中菊糖降解生成果糖的應用研究［31］，并得到了多級膜分離耦合式酶解反應器的操作特性方程：

式中，e為酶溶液濃度，kg/m3；km為酶解反應的米氏常數，kmol/m3；k＋2為反應速度常數，s-1；C0為示蹤劑入口濃度，kg/m3；Ci為第i級的示蹤劑出口濃度，kg/m3；Q0為反應器入口流量，m3/s；QLi為第i級的膜濾液流量，m3/s。
　　從實驗中得出，在多級膜分離耦合式酶解反應器中菊糖的轉化率要高于間歇式攪拌罐反應器，在相同的工藝條件下，果糖產率為間歇式攪拌罐反應器的2.31倍。同時，這種新型的反應器膜濾性能穩定，且能較好地再生。
　　通過上述研究可以看出，這種膜分離耦合式酶解反應器是一種新型、高效的生物酶解反應器，在酶工程領域里有廣闊的應用前景。