生物催化膜反应器的特点及应用

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生物催化膜反应器的特点及应用
金士威"$)$徐成苗 %$朱圣东 "$徐
)- 中国科学院水生生物研究所 $ 湖北 武汉
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%"3 武汉化工学院 化工与制药学院 $ 湖北 武汉 !)**$) &%+ 浙江基本上都是建立在生物催化 的基础之上 $ 生物催化由于具有反应速度快 $ 选择性 高 $反应条件温和 $ 环境友好等优点而呈现出美好的工 业应用前景 6 但对于一些受热力学限制或受产物抑制 的生物催化反应而言 $ 其应用往往受到限制 ’ 生物催化 膜反应器将生物催化反应与膜的选择透过性结合起 来 $ 生物催化反应所生成的小分子产物可以透过选择 性膜 $这样一方面可以消除产物抑制 $ 另一方面可以使 生物催化反应向有利于产物生成的方向移动 $ 而使膜 反应器在生物催化领域得到广泛应用7"8’ 本文对生物催 化膜反应器的类型 ( 特点及在食品 (医药及废水处理方 面的应用作以下介绍 ’
" 生物催化膜反应器的特点
生物催化膜反应器将生物催化反应与膜的选择透 过性结合起来 !具有生物催化及膜分离的优点 ! 但同时 亦存在一些问题 !总的说来 ! 包括以下几个方面 # $#% 在生物催化膜反应器内进行的生物催化反应 具有高的反应速率 ! 高的选择性 ! 反应条件温和 ! 环境 友好 & $"% 在生物催化膜反应器内通过膜实现产物的分 离 !具有膜分离的优点 !如能耗低 ! 易于连续化等 & $$% 生物催化膜反应器将生物催化反应与膜的选 择透过性结合起来 ! 生物催化反应所生成的小分子产 物可以透过选择性膜 ! 这样一方面可以消除产物抑制 ! 另一方面可以使生物催化反应向有利于产物生成的方 向移动 ! 而使膜反应器特别适用于受热力学限制或受 表"
操作稳定 $ 缺点是固定化的过程中可能是生物催化剂 的活性下降 $也可能使膜的通透性下降 & 当生物催化剂 在膜反应器中以游离态存在时 $ 催化剂均匀的分布在 反应体系中 $反应速度可以达到最大 $ 但浓差极化与膜 污染会影响到反应器的稳定操作 ’ ") ) 据系统相数的差别 $ 可以将生物催化膜反应器 分为单液相与双液相膜反应器 $ 在一般情况下都采用 单液相膜反应器 $ 但在有时为了提高产物的移出速率 $ 而采用双液相膜反应器 $ 此时产物在膜另一侧的流体 中的溶解度比在反应相的要高 $ 这样有利于消除产物 抑制 $ 使生物催化反应向有利于产物生成的方向移动 ’ "!) 根据膜组件的型式的不同 $ 可以将生物催化膜 反应器分为板框式 $ 螺旋卷式 $ 管式及中孔纤维式 $ 具 体选用应考虑到反应物系的理化性质 $ 对膜污染的程
酸 !抗生素 !抗感染药物 !抗癌药物 ! 维生素及其众多医 药中间体的制备 !近年来 ! 生物催化膜反应器在手性药 物的制备及对应体的拆分方面的研究异常活跃 ! 表 " 给 出了生物催化膜反应器在医药方面应用的一些实例 & 表#
编号
$&$ 生物催化膜反应器的在废水处理方面应用%#"&#$(
生物催化膜反应器的在废水处理方面主要用于废 水的二级与三级处理以除去其中的有机化合物与氮 ’ 磷和其他无机化合物 " 采用生物催化膜反应器进行活
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摘
要 ! 生物技术与膜技术相结合对于改进传统工艺 $ 保护环境及维持社会可持续发展提供了
一种现实可行的途径 ’ 本文对生物催化膜反应器的类型 ( 特点及在食品 ( 医药及废水处理方面 的应用作以综述 ’ 关键词 ! 生物催化 &膜反应器 &特点 &应用
中图分类号 !./,#"-01) &./,#% 文献标识码 !2 文章编号 !",,#30%’#4%**!5,!3,,)!3,)
编号
$ 生物催化膜反应器的应用 $&# 生物催化膜反应器在食品工业方面的应用%"&’(
生物催化膜反应器在食品工业方面的应用主要包 括四个方面 #$)% 果胶水解降低果汁的粘度 $*% 将乳糖 水解为可消化的糖来降低牛奶与乳清中乳糖的含量 $+ %通过多酚化合物与花色素的转化来处理葡萄酒 $,% 除去奶制品中的过氧化合物 & 表# 给出了生物催化膜反 应器在食品工业方面应用的一些实例 &
反应物 反应器
透过液 图 " 分体式生物膜催化反应器 膜 9 带有固定化酶 : 反应物 保留物
透过液 图% 一体式生物膜催化反应器
" 生物催化膜反应器的分类
根据系统耦合方式 $ 生物催化剂存在的状态 $ 系统 的相数及膜组件的型式的不同 $ 生物膜催化反应器有 不同的分类方式 ! "") 根据反应与分离耦合方式的差别 $ 可以将生物 膜催化反应器分为一体式与分体式 $ 分体式是将生物 催化反应与膜分离分开进行 $ 如图 " 所示 & 一体式是将 反应与分离耦合在一起 $ 在反应的同时实现分离 $ 如图
责任编辑 $ 魏运贵 %BPG#HFPBCB!B&
! 结论
生物催化膜反应器将生物催化与膜分离相耦合 ! 具有生物催化过程及膜分离技术的优点 ! 特别适用于 受热力学限制或受产物抑制的生物催化反应过程 ! 在 食品 # 医药 # 环保等工业领域具有广阔的应用前景 " 但 目前生物催化膜反应器大规模的工业化生产的应用实 例并不多 ! 还有不少的技术问题需要更进一步的研究 探索 " 参考文献 $
$&" 生物催化膜反应器在医药方面的应用!#-.&##(
生物催化膜反应器在医药方面广泛地用于氨基
生物催化膜反应器在食品工业方面应用实例
应用实例内容
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在管式膜反应器内 ! 利用 !6 半乳糖苷酶将牛奶与乳清中的乳糖水解为葡萄糖与 !6 半乳糖 ! 以降低乳糖的含量 在非对称中空纤维膜反应器内 ! 采用固定化在膜上的胰酶将牛奶中的高分子蛋白水解制备婴儿食品 在中空纤维膜反应器内 ! 采用 !6 半乳糖苷酶与蔗糖酶将棉子糖水解为单糖 在分体式生物催化膜反应器内 ! 利用 )6 淀粉酶与 !6 淀粉酶将淀粉水解为麦芽糖制备糖浆 在分体式生物催化膜反应器内 ! 利用利用酵母发酵生产啤酒与酒精 在分体式生物催化膜反应器内 ! 利用果胶酶水解果汁中的果胶以降低粘度 ! 同时提高澄清度 在分体式生物催化膜反应器内 ! 利用乳酸菌发酵生产有机酸 在分体式生物催化膜反应器内 ! 采用蛋白酶水解胶原蛋白与肌肉蛋白使肉质变的细嫩可口 在非对称中空纤维膜反应器内 ! 采用纤维素酶将纤维素水解为半纤维素与葡萄糖生产乙醇与单细胞蛋白 在板框式 $ 螺旋卷式 ! 管式或中孔纤维式 % 膜反应器内 ! 采用脂肪酶水解脂肪 ! 油脂及甘油三酯制备脂肪酸与甘油
% 所示 ’ "%) 根据生物催化剂存在的状态 $ 可以将生物催化
膜反应器分为固定化的与游离态的膜反应器 ’ 固定化 的生物催化膜反应器是通过吸附 ( 交联 ( 包埋与化学共 价的方法将生物催化剂固定在膜上 $ 膜即是生物催化 剂的载体 $ 也是分离的关键构件 $ 其优点是结构紧凑 $
收稿日期 !611!71!8"# 作者简介 ! 金士威 "49$%8 #$ 男 $ 讲师 $ 博士研究生 & 联系电话 !1%$8’%’"((%"3
生物催化膜反应器在医药方面应用实例
应用实例内容
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在生物催化膜反应器内 ! 采用固定在膜上的脱氧核酸酶水解水解脱氧核酸制备寡脱氧核酸 在双相生物催化膜反应器内 ! 采用固定在膜上的脂肪酶水解布洛芬酯制备布洛芬 在生物催化膜反应器内 !采用固定在膜上的海因酶与氨甲酰酶将/&3&45& 海因到6&3&45&甘氨酸 !用于合成头孢菌素的中间体 在生物催化膜反应器内 ! 采用固定在膜上的青霉素酰氨酶制备头孢氨苄与阿莫西林等抗生素 在双相生物催化膜反应器内 ! 采用固定在膜上的脂肪酶水解萘普生酯制备光学活性萘普生 在生物催化膜反应器内 ! 固定适当的酶制备人造肝 ! 人造肾 ! 人造胰等人造器官 在生物催化膜反应器内 ! 采用固定在膜上的细胞 789:;9<):=)<9>)?)@@8)>,=,) A=B3<CDE 将 ##& 脱氧皮质甾醇转化为氢化可的松等 甾体类药物 在生物催化膜反应器内 ! 采用固定在膜上的酰化氨基酸水解酶水解外消旋氨基酸制备 F& 氨基酸
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过滤与分离 )$*+,-% $. /0%1+-10$, 2 345-+-10$, 产物抑制的生物催化反应过程 &
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度 !生产能力及其它工艺要求与投资成本 " 根据其它不同的分类标准 ! 生物膜催反应器还有 其他不同的分类方式 "
$!% 生物催化膜反应器将反应与分离相耦合 ! 在有 时由于受流体流动方式与生物催化剂固定化的限制 ! 生物催化剂的催化活性与选择性会下降 ! 在有时由于 反应物系的性质比较复杂 ! 浓差极化与膜污染比较严 重 ! 使膜分离的效率降低 ! 从而限制生物催化膜反应器 的使用 &
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