酶膜反应器的应用研究

酶膜反应器的应用研究 杨利敏 � 王亚明 � 张 � 松 � 唐红玉 � 钟 � 莉 (昆明理工大学生物与化学工程学院,云南 昆明 650224) 摘要 � 介绍了酶膜反应器的基本概念,主要就酶膜反应器目前存在的突出问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 和相应的解决 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 进行了讨论, 并对 酶膜反应器的前景进行了展望。 关键词 � 膜反应器 � 酶 � 膜污染 � 膜 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 � 透过通量 � 固定化 收稿日期: 2004- 12- 29 作者简介:杨利敏( 1978~ ) ,女,硕士生。 Application Study of the Reactor of Enzyme- membrane Yang Limin � Wang Yaming � Zhang Song � Tang Hongyu � Zhong Li ( The Academy of Biology and Chemistry Engineering, Kunming University of Science and Technology,Yunnan Kunming, 650224) Abstract � The basic conception of reactor of enzyme- membrane was introduced, and the main problems enzyme membrane� s that the reactor existed at present and correspondmgmain solution of this problem were discussed�The furture of the enzymemembrane reactor was analyzed� Key words � Membrane reactor � Enzyme � Membrane polluting � Membrane material � The flux of see throueh � Melt regularly � � 随着酶膜反应器的进一步健全,酶膜反应器存在 一些重要问题急需解决, 如膜表面的浓差极化使液体 的透过通量下降;酶的失活及传质效率下降而导致反 应器的效率降低,除了酶的热失活外, 膜反应器中酶 的稳定性受到其他因素, 诸如, 酶的泄漏导致催化活 性下降,酶活性剂的流失等; 尚缺乏有效的方法确保 酶在膜上的均匀分布; 在超滤和反冲洗操作中, 由于 有垂直于膜表面的液流, 通量下降和酶的泄漏都比较 严重,这些问题都是较重要的研究课题。 1 影响酶膜反应器透过通量的因 素主要有以下几种 1. 1 � 压力的影响 一般情况下透过通量随操作压力增大而增大,当 操作压力值达到一定程度后, 透过通量不再随压力升 高而增大。这个操作压力即为临界压力,在达到临界 压力后操作压力基本不变,说明膜的透水量下降不是 膜被压实所引起,而浓差极化及吸附造成的部分曲线 随时间延长有上升趋势,这是因为随时间延长料液温 度上升的缘故[ 1] , Abeaubien 等人[ 2]认为操作压力对 膜透水率的影响可分为两个区域, 即高压区和低压 区。刘忠洲[ 3]等对中空纤维膜反应器中透水量和压 力的关系分 3个区域进行研究,并根据理论模型计算 出了不同情况下的最佳操作压力。所以,在一定压力 范围内,操作压力大,膜透水率高, 但膜污染严重; 反 之,压力越小,膜污染越轻,但膜透过率越低。所以在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 酶膜生物反应器时膜操作压力的选择也是一个 重要的参数。 1. 2 � 反应液流速的影响 通常情况下,膜面流速越大, 膜透水率高。因为 流速越大,混合液紊动程度越剧烈,浓差极化层和凝 胶层相对越薄。在湍流系统中, 反应液流速一般在 3 m/s, 在层流系统中, 物料流速一般低于 1 m/ s, 流速 越大,对酶膜反应器分离的循环系统要求越高, 能量 �62� 第 19卷第 5期 2005 年 5 月 � � � � � � � � � � � � 化工时刊Chemical Industry Times � � � � � � � � � � � � Vol. 19, No. 5May. 5. 2005 消耗越大。Ein � grasser 对流体 � 中空纤维反应器中 停留的时间分布研究表明, 反应器中存在死区, 但当 流速增大时死区缩小[ 4] , park等对各类结构的中空纤 维膜反应建立了牛顿流动模型,通过计算机在许多状 态下各纤维反应器中的流速分布, 发现处于膜器中心 的中空纤维酶膜反应器中的流速最大[ 5、6]。但另一 方面, 酶膜反应器是反应和分离的一体化,所以还应 该保证反应物的足够反应时间,所以实际操作中应综 合考虑酶膜反应器的透过通量,反应物的停留时间等 几方面因素来确定最佳反应流速。 1. 3 � 温度的影响 酶的活性在一定温度范围内随反应温度的升高 而升高,几乎呈线性, 只是线性斜率稍有差异。酶活 性提高,反应速度加快,一般遵循Arhenius公式: lnk= - Ea/ RT + A , 式中, Ea � 反应的活化能, T � 反应温度, A � 常数, k � 反应速率常数。另外, 温度升高时,反应液黏度相应下降,传质能力增强,所 以酶膜反应器的透过通量也增大。但温度的范围需 要综合考虑酶的失活率,膜稳定性和耐温情况等[ 5]。 在彭跃莲等对中空纤维器温度与膜透水率关系的研 究中,固定酶膜反应器膜面流速,反应液浓度,操作压 力等情况下,得出膜透水率与温度的经验公式为透水 率 J= 1�352 4 t + 22�35, ( R 2= 0�969 6) , 此关系式表 示, 温 度每 升 高 10 � , 膜 透 水率 增 大 13�524 L/ h�m2[ 7]。 1. 4 � pH 值的影响 对于生物催化剂催化反应, pH 值控制也是一个 重要的参数, 因为每种酶都有酶活稳定的 pH 值范 围,超过稳定范围,酶会失活, 而且也会影响反应产物 的结构和组成, 从而对酶膜反应器透过通量产生影 响。pH 值的控制范围, 一般在 20 � ~ 60 � , pH 值的 确定需要综合考虑酶活性、反应时间、产物产率等因 素,例如反应生成 7- 氨基头孢烷酸试验中, pH 值最 佳控制温度范围为 18~ 33 � 。 1. 5 � 酶浓度的影响 在实际生产操作中, 投入反应器的酶量多,虽然 在一定程度上可增加产物生产量, 但由于过量酶的脱 落等原因极易造成酶膜反应器膜污染及浓差极化,从 而大大减少反应液的透过通量,严重影响工业生产反 应进度和收率,所以酶浓度也是一个重要参数, 酶浓 度的确定要综合考虑反应时间、酶的活性和产物生成 率等因素。 1. 6 � 反应液浓度的影响 反应液浓度高,说明反应液中含有的大分子胶体 物质多,反应液的粘度大, 比较容易造成浓差极化, 所 以使反应器的透过通过减少;但另一方面, 反应液浓 度低时,会使酶的活性浪费,不能充分利用酶。所以 反应液的浓度的确定要综合考虑酶的活性、反应时 间、产率收率等因素。 2 酶膜反应器中浓差极化和膜 污染及解决办法 � � 造成膜浓度极化和污染的主要原因有3个[ 8] : 一 是当液体以对流方式穿过膜时,易在膜的表面产生浓 差极化和生成胶质层;二是失去活性的酶和死细胞等 在膜上产生沉积;三是细胞的增大导致膜孔变小。为 了减轻膜污染和浓差极化,张卫东等[ 9]分析了浓差极 化和膜污染对传质的影响。同时,国内外许多学者也 分别作了不少研究工作, 例如: 通过对原料进行预处 理,除去可能在膜表面产生沉淀的微粒; 通过改善膜 面附近料液侧的流体力学条件,如采用错流流动, 提 高流速,采用薄层流路结构[ 8] ; 采用脉冲流动, 加强搅 拌速度,定期反冲洗等方法来加以控制。通过大量研 究表明, 这些方法可以增大流体的剪切力, 减少大分 子物质在膜表面的沉积,可以减轻浓差极化来延缓膜 的污染,但都不能改变膜污染和浓差极化的本质。因 为不论在何流动条件下,流体压差的作用使反应液透 过膜的同时,反应液中的大粒子被截留和堆积在膜面 上的过程总是存在的。现在这方面的研究方向主要 有以下方面: 2. 1 � 通过电场作用 电场作用原理为:因为膜表面的凝胶层在水溶液 中带负电荷。在电场作用下发生电泳现象,使被截留 粒子背离膜面运动,减少胶体物质在膜面上的沉积和 吸附,进而膜透过量增大, 这可以从根本上解决膜污 染和浓差极化现象。李雁[ 10]等以淀粉水解为研究对 象,研究了电场强度作用下透过通量的变化。结果表 明,当酶膜反应器出现较严重的浓差极化和膜污染现 象时,可以通过施加电场来改变其透过通量的减少, 在一定程度上克服了浓差极化和膜污染的影响。 2. 2 � 膜组件优化 膜组件优化在一定程度上可以改善浓差极化和 �63� 杨利敏等 � 酶膜反应器的应用研究 � � � � � � � � � � � � � � � � 2005. Vol. 19, No. 5 � 化工时刊 膜污染,杜启云[ 11]等,研究聚偏氟乙烯中纤维的应用 时指出,选用长度较短的组件, 更有利于减轻浓差极 化和膜污染。彭跃莲[ 12]等在研究生物酶膜反应器影 响透水率的几个因素一文中指出:组件越长, 酶膜的 利用率越低。 2. 3 � 通过磁场作用 磁场作用有磁的力学效应和磁的共振效应[ 13]。 现代磁学的发展已经从实验和理论两方面证明,任何 物质都具有或弱或强的磁性, 任何空间都存在或高或 低的磁场[ 14]。利用磁的力学效应和共振效应, 物质 就可以受到磁场所产生的力的作用,并且吸收能量。 外加磁场对物质的结构和性质就会产生相应的影响。 磁场作用原理为:当反应液流经一定强度的磁场 时,其微观结构和性质发生改变。研究证实[ 13~ 17]反 应液经磁处理后,受磁场力的作用, 反应间的键发生 弯曲、扭转甚至断裂,这样就改变了分子的结构,使它 由缔合大分子变为小缔合或单个分子, 从而降低膜污 染及浓差极化的影响。 在现实应用中, 为了解决膜污染和浓差极化问 题,可以根据实际情况在酶膜反应器的膜两侧施加外 电磁场, 再加上采用错流过滤[ 18]等流体力学条件来 共同减少膜表面的浓度极化层并构成动态冲洗机制, 提高和稳定膜透过量,解决酶膜反应器操作不稳定等 问题。 3 酶的固定化 � � 当酶以游离的状态存在时, 一些缺陷如稳定性 差,使用寿命短等并未得到改善, 将酶固定在分离膜 上可以有效的避免上述不足。另外当酶以游离态存 在时,由于酶膜表面的不利吸附造成酶的空间构型改 变或活性位点遮蔽, 而降低了酶的活性。Prog[ 19]等通 过研究游离酶和固定化酶分析表明,固定化酶活性比 游离态稳定性提高很多。有些酶与膜的相容性很差 而中毒失活,这意味着膜材料类型的选择也应注意, 以下讨论几种有效酶固定化方法[ 20] : 3. 1 � 共价结合法 通过酶的侧链基团(例如氨基和羧基)与活化过 的载体表面基团发生反应制取固定化酶的方法。现 在认为共价 � 交联方法是固定酶的一种比较优异的 方法, 它不仅提高了酶的固定量, 而且固定的酶不易 脱落, 要注意的是固定过程防止酶的失活。徐新 颜[ 21]等以共价交联方法将葡萄糖氧化酶固定化在丝 素蛋白的膜上,研究结果表明经固定化后的酶膜有较 好的稳定性。周文瑜[ 22]等研究了以丝纤维为载体, 通过共价法来固定的葡萄糖氧化酶稳定性好, 反复使 用 30次酶膜活性保留 90%以上。 3. 2 � 物理吸附法 通过物理吸附,将酶吸附于不溶性载体上的一种 固定化方法。通过以前的研究,知道吸附法是固定酶 的一种基本方法,操作比较简便,适用范围广, 固定过 程不影响酶的活力。但固定的酶容易脱落从而稳定 性差。德国 Roch公司用离子交换树脂吸附生产 D � AOD氧化酶和 GL � AC酰化酶都是有较好应用效果。 辛嘉英[ 23]等研究了吸附法将圆柱状假丝酵母脂肪酶 固定于 4种疏水性不同的载体上,得到固定酶的活性 及稳定性变化。 3. 3 � 离子结合法 酶与不溶于水的具有离子交换基团的载体通过 离子键的结合而固定的方法。这种方法较物理吸附 法,酶结构更稳定, 操作条件温和。意大利 Uichenal 公司采用离子交换树脂为载体用离子结合方法同样 生产 D � AOD氧化酶,操作条件更易控制。但此方法 载体与酶结合力同样较弱,酶的脱落和失活问题同样 急需解决。 3. 4 � 包埋法 包埋法分为网格型和微囊型两类。包埋在高分 子凝胶细微网格中的称为网格型;将酶包埋在高分子 半透膜中的称为微囊型。包埋法不需要酶分子参与 反应, 所以酶的高级结构很少变化。包埋法同样存在 弊端。如, 大分子的底物和产物不能够通过高分子凝 胶和网格进行扩散, 所以导致酶的活性不能充分利 用。包埋法较广泛用于酶电极的固定方法。如, 20 世纪 70年代 wingard[ 24]报道了以聚乙烯酰胺凝胶为 载体的包埋法制得酶膜。Prog[ 25]采用包埋法在醋酸 纤维素共混体微孔滤膜上固定化氨基酰化醇, 研究表 明,酶活力收率高达 98�20%。 3. 5 � 载留法 将酶载留在不同形式的膜上, 直接制成膜反应 器。膜的微孔只允许小分子的底物和产物透过,而不 允许酶透过。 以上介绍的是酶的固定化的几种方法,以上各种 方法各有优缺点,所以在实际应用过程中一般都将多 �64� 化工时刊 � 2005. Vol. 19, No. 5 � � � � � � � � � � � � � � � � � 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 综述�Overview of Thesises� 种方法结合起来使用。徐运华等[ 26]以溶胶 � 凝胶法 制得薄膜作载体用吸附法和共价 � 交联法固定胆固 醇氧化酶,不仅克服了以往单纯的物理吸附法固定的 酶极易脱落的特点, 而且较其它方法极大的提高了酶 的固定量,从而改善了酶的催化活性。 4 膜材料的影响 4. 1 � 开发耐溶胀的膜材料 在酶膜反应器中, 由于有机溶剂的引入,常使膜 发生溶胀,膜的弯曲因子、孔径等发生改变,致使机械 强度降低。另一方面, 溶胀使膜靠在一起,丧失有效 的传质面积。因此, 开发耐溶胀的膜材料成为酶膜反 应器发展的关键之一。续曙光[ 27]等研究证明溶胀对 中空纤维膜的强度有很大的影响。张卫东[ 28]等探讨 了溶胀对聚砜中空纤维膜萃取过程的影响。罗方[ 20] 等研究两种聚偏氟乙烯中空纤维酶膜反应器溶脂性 能及总传质系数, 并且得到速率常数值和动力学方 程。 4. 2 � 研制新型膜材料 提高膜材料与酶分子之间的相容性,减轻膜的污 染,同时用模板技术或分子印迹技术进行膜结构尺寸 的调变,降低扩散阻力是另一个膜材料重要发展方 向。梁世忠[ 30]根据有机氟材料分子侧基或侧链含有 空间位阻小,亲核能力强等独特的优良性能, 研究了 聚偏氟乙烯 ( PVDF)中空纤维酶膜的性能。用此方 法,具有高热稳定性及很高的化学稳定性。 5 结束语 � � 酶膜反应器与传统反应器相比,具有许多现实意 义。在现代要求过程无污染、产物无污染和环境无污 染的大环境下, 酶膜反应器会得到越来越广泛的应 用。酶膜反应器在以下研究领域的应用会得到迅速 增长:手性分离和手性合成、非水酶学、使用抗体和模 拟酶催化剂、生物分子合成等。为了进一步提高了酶 膜反应器的应用,在设计过程中, 尤其是工业大生产 中酶膜反应器的固定化技术、流体动力学控制最优化 设计等方面,还需要开展大量研究工作。 参考文献 [ 1] � 刘忠洲等.环境化学, 1993, 12( 26) : 7~ 10 [ 2] � Scheper T�Chen�Eng J. 1984, 29: B31 [ 3] � 刘忠洲,彭跃连� 水处理技术, 2000, 26( 16) , 326~ 332 [ 4] � Park J K�proceeding of word conf l. of cncyn. 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