高分子膜在生物酶催化轉化中的應用

何連順

摘 要：隨著生物科學與生物工程在世界科技和經濟中已經顯示出來的地位和作用，生物酶催化技術作為生物化學領域中的一支重要分支學科，越來越多地應用到了氨基酸及其小分子肽類產品中，提取工藝在純化、環保、節能等方面必然使用到了高分子膜。

關鍵詞：高分子膜 生物酶 催化轉化

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（a）-0057-02

高分子膜分離技術是以選擇性透過膜為分離介質，在膜兩側自由能差或化學位差的作用下，使得原料混合物中的某組分選擇性的透過膜，從而使混合物得以分離，達到提純、濃縮等目的的分離技術。膜分離作為一種新型的分離技術已經廣泛應用在石油化工、生物醫藥、食品等領域。

1 膜分離原理及分類

1.1 氨基酸分離原理

氨基酸生物酶催化轉化結束后，其轉化液化學組分復雜，相對分子量從幾十到幾百萬不等，一般來說相對分子質量較高的化學成分多為無效成分，應首先考慮將其去除。氨基酸或肽類的分離是在膜的選擇透過性或傳遞性受到膜兩側的自由能差或化學位差所推動來實現的。氨基酸選擇透過膜能力可分為兩類：一是借助外界能量，發生有低位到高位的移動；二是借助本身的化學位差，發生有高位到地位的移動。移動和傳遞的驅動力可以是膜兩側的壓力差、濃度差、電位差等。化學成分通過膜移動和傳遞時，根據膜的結構和性質的不同，可以分為以下幾種分離機制。

1.2 高分子膜應用分類

對于工業生產而言，以多種技術集成綜合工藝應用為基礎的膜分離技術發展很快，通常以分離機制、分離推動力、膜材料及結構形態等進行分類。常用的分類方法，按照膜材質如陶瓷膜、金屬膜與聚砜類超濾膜、纖維素反滲透膜等進行分類。以下是在氨基酸及其衍生物中使用的膜設備，根據分離技術的基本特點和膜孔徑的大小進行分類如表1所示。

2 膜分離技術處理流程

2.1 物料預處理

一般生物酶催化轉化的氨基酸料液中含有大量的懸浮性細胞碎片、細菌、可溶性高分子物質，不經過預處理直接微濾或者超濾，將會導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效率，因此，在使用液酶轉化時必須對含有多種物質的物料進行預處理，一般采用的手段是去除高分子雜質，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，一般進行高溫或者pH調節處理，通過改變微生物的生長環境來改變微生物的特性，使分離膜設備在其適宜的溫度和pH范圍內進行快速分離，采用固定化酶將使以上問題變得簡單。

2.2 分離操作

一般的膜分離設備在分離生物酶轉化液時，多采用錯流操作來減少物料在濾材上的沉積，具體操作方式是在壓力驅動下，使物料在膜系統的一側進行高速高壓流動，在膜切面形成切向流，從而使小分子物質通過膜。大分子物質或顆粒被膜截留，從而達到分離、濃縮、純化的目的。單程操作或循環操作在工業化生產上應用也比較廣泛，通過多個膜組件進行串聯，在增壓泵作用下將料液進行二次加壓分離，從而達到相應的效果，如此循環，直到達到預定濃度或預定值為止。

2.3 后處理工序

膜應用技術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，膜清洗可分為酸堿、化學、電場或超聲波洗滌等，將膜表面和膜孔內物質進行處理，從而恢復膜的性能；膜組件定期維護包括膜組件更換、膜組塊交替使用等。后處理的難易程度主要取決于使用環境，因此將生物酶制備成固定化酶對膜的使用壽命和維護顯得非常重要。

3 膜分離技術優勢及存在的問題

3.1 技術優勢

膜分離技術作為高分子物理化學、材料科學與化學工程交叉融會的新型高效分離技術，在物理、化學、生物性質上呈現出各種各樣的特性，與傳統分離技術如蒸餾、萃取、吸附、深冷分離等技術相比，膜分離過程大多無相變（滲透汽化除外），可常溫操作，設備流程簡單，易實現工業放大，適用于熱敏性物質的分離、濃縮和純化、能耗低、分離系數大等優點。同時膜技術應用范圍廣，適用性強，形式多樣，可根據工業應用特點選擇中空纖維式、管式、卷式、框式、回轉平膜和浸漬平膜等。

3.2 存在的問題

3.2.1 耐污能力

在工業應用上，高分子膜的耐污能力差是最突出的問題，分為膜污染和膜孔堵塞等因素導致的膜通透性下降和膜材質自身發生不可逆轉的變化導致的膜劣化，從而導致膜性能的改變。

3.2.2 特定功能

由于目標產物的性能差異，針對不同體系的膜選擇有很大區別，特別是在氨基酸應用領域，相似特性，相近分子量，相近等電點物料的分離，是工業工程中的一大難題，如何改善膜設備對此種物料的分離，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添加劑或復合材料制備而成，在回收再生方面尚無成功案例，工業生產上多以固廢進行處理，如此造成了大量基礎材料的浪費，不利于環境保護和循環經濟。

4 發展展望

高分子膜在生物酶催化轉化的應用上越來越廣泛，隨著固定化酶技術、智能高分子膜技術、功能高分子膜、再生膜技術的開發與應用，其具有的工藝流程短、能耗低，人機效率高、節約環保的生產技術將會對整個氨基酸衍生物生產領域產生重大影響。

參考文獻

[1] 羅永明.中藥化學成分提取分離技術與方法[M].上海：上海科學技術出版社，2015：141-142.