高分子膜在生物酶催化转化中的应用

何连顺

摘 要：随着生物科学与生物工程在世界科技和经济中已经显示出来的地位和作用，生物酶催化技术作为生物化学领域中的一支重要分支学科，越来越多地应用到了氨基酸及其小分子肽类产品中，提取工艺在纯化、环保、节能等方面必然使用到了高分子膜。

关键词：高分子膜 生物酶 催化转化

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（a）-0057-02

高分子膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧自由能差或化学位差的作用下，使得原料混合物中的某组分选择性的透过膜，从而使混合物得以分离，达到提纯、浓缩等目的的分离技术。膜分离作为一种新型的分离技术已经广泛应用在石油化工、生物医药、食品等领域。

1 膜分离原理及分类

1.1 氨基酸分离原理

氨基酸生物酶催化转化结束后，其转化液化学组分复杂，相对分子量从几十到几百万不等，一般来说相对分子质量较高的化学成分多为无效成分，应首先考虑将其去除。氨基酸或肽类的分离是在膜的选择透过性或传递性受到膜两侧的自由能差或化学位差所推动来实现的。氨基酸选择透过膜能力可分为两类：一是借助外界能量，发生有低位到高位的移动；二是借助本身的化学位差，发生有高位到地位的移动。移动和传递的驱动力可以是膜两侧的压力差、浓度差、电位差等。化学成分通过膜移动和传递时，根据膜的结构和性质的不同，可以分为以下几种分离机制。

1.2 高分子膜应用分类

对于工业生产而言，以多种技术集成综合工艺应用为基础的膜分离技术发展很快，通常以分离机制、分离推动力、膜材料及结构形态等进行分类。常用的分类方法，按照膜材质如陶瓷膜、金属膜与聚砜类超滤膜、纤维素反渗透膜等进行分类。以下是在氨基酸及其衍生物中使用的膜设备，根据分离技术的基本特点和膜孔径的大小进行分类如表1所示。

2 膜分离技术处理流程

2.1 物料预处理

一般生物酶催化转化的氨基酸料液中含有大量的悬浮性细胞碎片、细菌、可溶性高分子物质，不经过预处理直接微滤或者超滤，将会导致膜孔堵塞或聚集在膜的表面使膜污染，从而降低了分离性能和生产效率，因此，在使用液酶转化时必须对含有多种物质的物料进行预处理，一般采用的手段是去除高分子杂质，通常采用高速离心法或者絮凝澄清等方式，处理微生物灭活，一般进行高温或者pH调节处理，通过改变微生物的生長环境来改变微生物的特性，使分离膜设备在其适宜的温度和pH范围内进行快速分离，采用固定化酶将使以上问题变得简单。

2.2 分离操作

一般的膜分离设备在分离生物酶转化液时，多采用错流操作来减少物料在滤材上的沉积，具体操作方式是在压力驱动下，使物料在膜系统的一侧进行高速高压流动，在膜切面形成切向流，从而使小分子物质通过膜。大分子物质或颗粒被膜截留，从而达到分离、浓缩、纯化的目的。单程操作或循环操作在工业化生产上应用也比较广泛，通过多个膜组件进行串联，在增压泵作用下将料液进行二次加压分离，从而达到相应的效果，如此循环，直到达到预定浓度或预定值为止。

2.3 后处理工序

膜应用技术的后处理工序非常重要，主要分为膜清洗和膜组件的定期维护，膜清洗可分为酸碱、化学、电场或超声波洗涤等，将膜表面和膜孔内物质进行处理，从而恢复膜的性能；膜组件定期维护包括膜组件更换、膜组块交替使用等。后处理的难易程度主要取决于使用环境，因此将生物酶制备成固定化酶对膜的使用寿命和维护显得非常重要。

3 膜分离技术优势及存在的问题

3.1 技术优势

膜分离技术作为高分子物理化学、材料科学与化学工程交叉融会的新型高效分离技术，在物理、化学、生物性质上呈现出各种各样的特性，与传统分离技术如蒸馏、萃取、吸附、深冷分离等技术相比，膜分离过程大多无相变（渗透汽化除外），可常温操作，设备流程简单，易实现工业放大，适用于热敏性物质的分离、浓缩和纯化、能耗低、分离系数大等优点。同时膜技术应用范围广，适用性强，形式多样，可根据工业应用特点选择中空纤维式、管式、卷式、框式、回转平膜和浸渍平膜等。

3.2 存在的问题

3.2.1 耐污能力

在工业应用上，高分子膜的耐污能力差是最突出的问题，分为膜污染和膜孔堵塞等因素导致的膜通透性下降和膜材质自身发生不可逆转的变化导致的膜劣化，从而导致膜性能的改变。

3.2.2 特定功能

由于目标产物的性能差异，针对不同体系的膜选择有很大区别，特别是在氨基酸应用领域，相似特性，相近分子量，相近等电点物料的分离，是工业工程中的一大难题，如何改善膜设备对此种物料的分离，这种特定膜的研究显得非常紧迫。

3.2.3 膜材料回收再利用

高分子膜材料多采用有机添加剂或复合材料制备而成，在回收再生方面尚无成功案例，工业生产上多以固废进行处理，如此造成了大量基础材料的浪费，不利于环境保护和循环经济。

4 发展展望

高分子膜在生物酶催化转化的应用上越来越广泛，随着固定化酶技术、智能高分子膜技术、功能高分子膜、再生膜技术的开发与应用，其具有的工艺流程短、能耗低，人机效率高、节约环保的生产技术将会对整个氨基酸衍生物生产领域产生重大影响。

参考文献

[1] 罗永明.中药化学成分提取分离技术与方法[M].上海：上海科学技术出版社，2015：141-142.