高分子膜在生物酶催化轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

何連順

摘 要：隨著生物科學(xué)與生物工程在世界科技和經(jīng)濟(jì)中已經(jīng)顯示出來(lái)的地位和作用，生物酶催化技術(shù)作為生物化學(xué)領(lǐng)域中的一支重要分支學(xué)科，越來(lái)越多地應(yīng)用到了氨基酸及其小分子肽類(lèi)產(chǎn)品中，提取工藝在純化、環(huán)保、節(jié)能等方面必然使用到了高分子膜。

關(guān)鍵詞：高分子膜 生物酶 催化轉(zhuǎn)化

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（a）-0057-02

高分子膜分離技術(shù)是以選擇性透過(guò)膜為分離介質(zhì)，在膜兩側(cè)自由能差或化學(xué)位差的作用下，使得原料混合物中的某組分選擇性的透過(guò)膜，從而使混合物得以分離，達(dá)到提純、濃縮等目的的分離技術(shù)。膜分離作為一種新型的分離技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在石油化工、生物醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域。

1 膜分離原理及分類(lèi)

1.1 氨基酸分離原理

氨基酸生物酶催化轉(zhuǎn)化結(jié)束后，其轉(zhuǎn)化液化學(xué)組分復(fù)雜，相對(duì)分子量從幾十到幾百萬(wàn)不等，一般來(lái)說(shuō)相對(duì)分子質(zhì)量較高的化學(xué)成分多為無(wú)效成分，應(yīng)首先考慮將其去除。氨基酸或肽類(lèi)的分離是在膜的選擇透過(guò)性或傳遞性受到膜兩側(cè)的自由能差或化學(xué)位差所推動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。氨基酸選擇透過(guò)膜能力可分為兩類(lèi)：一是借助外界能量，發(fā)生有低位到高位的移動(dòng)；二是借助本身的化學(xué)位差，發(fā)生有高位到地位的移動(dòng)。移動(dòng)和傳遞的驅(qū)動(dòng)力可以是膜兩側(cè)的壓力差、濃度差、電位差等。化學(xué)成分通過(guò)膜移動(dòng)和傳遞時(shí)，根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的不同，可以分為以下幾種分離機(jī)制。

1.2 高分子膜應(yīng)用分類(lèi)

對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)而言，以多種技術(shù)集成綜合工藝應(yīng)用為基礎(chǔ)的膜分離技術(shù)發(fā)展很快，通常以分離機(jī)制、分離推動(dòng)力、膜材料及結(jié)構(gòu)形態(tài)等進(jìn)行分類(lèi)。常用的分類(lèi)方法，按照膜材質(zhì)如陶瓷膜、金屬膜與聚砜類(lèi)超濾膜、纖維素反滲透膜等進(jìn)行分類(lèi)。以下是在氨基酸及其衍生物中使用的膜設(shè)備，根據(jù)分離技術(shù)的基本特點(diǎn)和膜孔徑的大小進(jìn)行分類(lèi)如表1所示。

2 膜分離技術(shù)處理流程

2.1 物料預(yù)處理

一般生物酶催化轉(zhuǎn)化的氨基酸料液中含有大量的懸浮性細(xì)胞碎片、細(xì)菌、可溶性高分子物質(zhì)，不經(jīng)過(guò)預(yù)處理直接微濾或者超濾，將會(huì)導(dǎo)致膜孔堵塞或聚集在膜的表面使膜污染，從而降低了分離性能和生產(chǎn)效率，因此，在使用液酶轉(zhuǎn)化時(shí)必須對(duì)含有多種物質(zhì)的物料進(jìn)行預(yù)處理，一般采用的手段是去除高分子雜質(zhì)，通常采用高速離心法或者絮凝澄清等方式，處理微生物滅活，一般進(jìn)行高溫或者pH調(diào)節(jié)處理，通過(guò)改變微生物的生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)改變微生物的特性，使分離膜設(shè)備在其適宜的溫度和pH范圍內(nèi)進(jìn)行快速分離，采用固定化酶將使以上問(wèn)題變得簡(jiǎn)單。

2.2 分離操作

一般的膜分離設(shè)備在分離生物酶轉(zhuǎn)化液時(shí)，多采用錯(cuò)流操作來(lái)減少物料在濾材上的沉積，具體操作方式是在壓力驅(qū)動(dòng)下，使物料在膜系統(tǒng)的一側(cè)進(jìn)行高速高壓流動(dòng)，在膜切面形成切向流，從而使小分子物質(zhì)通過(guò)膜。大分子物質(zhì)或顆粒被膜截留，從而達(dá)到分離、濃縮、純化的目的。單程操作或循環(huán)操作在工業(yè)化生產(chǎn)上應(yīng)用也比較廣泛，通過(guò)多個(gè)膜組件進(jìn)行串聯(lián)，在增壓泵作用下將料液進(jìn)行二次加壓分離，從而達(dá)到相應(yīng)的效果，如此循環(huán)，直到達(dá)到預(yù)定濃度或預(yù)定值為止。

2.3 后處理工序

膜應(yīng)用技術(shù)的后處理工序非常重要，主要分為膜清洗和膜組件的定期維護(hù)，膜清洗可分為酸堿、化學(xué)、電場(chǎng)或超聲波洗滌等，將膜表面和膜孔內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行處理，從而恢復(fù)膜的性能；膜組件定期維護(hù)包括膜組件更換、膜組塊交替使用等。后處理的難易程度主要取決于使用環(huán)境，因此將生物酶制備成固定化酶對(duì)膜的使用壽命和維護(hù)顯得非常重要。

3 膜分離技術(shù)優(yōu)勢(shì)及存在的問(wèn)題

3.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

膜分離技術(shù)作為高分子物理化學(xué)、材料科學(xué)與化學(xué)工程交叉融會(huì)的新型高效分離技術(shù)，在物理、化學(xué)、生物性質(zhì)上呈現(xiàn)出各種各樣的特性，與傳統(tǒng)分離技術(shù)如蒸餾、萃取、吸附、深冷分離等技術(shù)相比，膜分離過(guò)程大多無(wú)相變（滲透汽化除外），可常溫操作，設(shè)備流程簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)放大，適用于熱敏性物質(zhì)的分離、濃縮和純化、能耗低、分離系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)膜技術(shù)應(yīng)用范圍廣，適用性強(qiáng)，形式多樣，可根據(jù)工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)選擇中空纖維式、管式、卷式、框式、回轉(zhuǎn)平膜和浸漬平膜等。

3.2 存在的問(wèn)題

3.2.1 耐污能力

在工業(yè)應(yīng)用上，高分子膜的耐污能力差是最突出的問(wèn)題，分為膜污染和膜孔堵塞等因素導(dǎo)致的膜通透性下降和膜材質(zhì)自身發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化導(dǎo)致的膜劣化，從而導(dǎo)致膜性能的改變。

3.2.2 特定功能

由于目標(biāo)產(chǎn)物的性能差異，針對(duì)不同體系的膜選擇有很大區(qū)別，特別是在氨基酸應(yīng)用領(lǐng)域，相似特性，相近分子量，相近等電點(diǎn)物料的分離，是工業(yè)工程中的一大難題，如何改善膜設(shè)備對(duì)此種物料的分離，這種特定膜的研究顯得非常緊迫。

3.2.3 膜材料回收再利用

高分子膜材料多采用有機(jī)添加劑或復(fù)合材料制備而成，在回收再生方面尚無(wú)成功案例，工業(yè)生產(chǎn)上多以固廢進(jìn)行處理，如此造成了大量基礎(chǔ)材料的浪費(fèi)，不利于環(huán)境保護(hù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

4 發(fā)展展望

高分子膜在生物酶催化轉(zhuǎn)化的應(yīng)用上越來(lái)越廣泛，隨著固定化酶技術(shù)、智能高分子膜技術(shù)、功能高分子膜、再生膜技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，其具有的工藝流程短、能耗低，人機(jī)效率高、節(jié)約環(huán)保的生產(chǎn)技術(shù)將會(huì)對(duì)整個(gè)氨基酸衍生物生產(chǎn)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅永明.中藥化學(xué)成分提取分離技術(shù)與方法[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2015：141-142.