[发明专利]一种催化反应中酶循环使用的方法

说明书

本发明属于酶催化应用技术领域，特别涉及一种催化反应中酶循环使用的方法。本发明经过透析袋预处理、透析反应器组装、底物体系制备、透析反应、离心等步骤实现酶循环使用。本发明所提供的方法具有过程简单、稳定、易于放大，设备投资成本低，生产成本低，酶完全回收，催化转化率高等特点。采用本发明方法循环使用的酶具有酶活力高、性能稳定等特点。本发明提供的方法，可广泛应用于医药、食品、化工、环境处理等行业的催化反应中。

技术领域

本发明属于酶催化应用技术领域，特别涉及一种催化反应中酶循环使用的方法。

背景技术

酶作为一种生物催化剂，具有反应条件温和、反应选择性好、催化转化率高、反应速率快等显著特点，被广泛应用于催化反应领域。但是，酶及其相关过程成本较高，约占总生产成本的50～70%，极大地限制了其工业应用。研究表明，酶循环使用可有效提高催化效率，从而降低生产成本。

目前，酶循环使用的方法主要有膜过滤分离法、重吸附法、固定化酶法等。膜过滤分离法是采用适当孔径的超滤、纳滤等膜组件，对游离酶或固定化酶进行选择性分离回收或继续循环至反应体系中使用，如酶膜反应器。该方法有效保持了酶活力，主要问题是膜污染严重、成本高，不便于工业化生产。重吸附法是采用新底物或吸附剂对游离酶进行特异性吸附分离，然后直接或解吸后循环使用，其中对纤维素酶的应用研究较为广泛。该方法简单、易于操作，存在酶回收不完全、酶活力易损失等缺点。固定化酶法是研究最为广泛的一种实现酶循环使用的传统方法，其通过吸附、共价结合、包埋、吸附交联等手段将游离酶固定于载体上，从而实现酶的重复使用。固定化酶具有热稳定性好、储存稳定性高、操作条件宽泛、可连续使用、便于分离等显著优点，但是，固定化及其相关过程通常会导致10～90%的酶活力损失。

现有酶循环使用的方法，如2016年08月31日授权公告的公告号为CN 104498458 B“一种抛光纤维素酶重复使用方法”的发明专利，该专利公开的方法是：先将常规纤维素酶抛光处理液降温，然后用氨水、醋酸调节pH值，经微孔过滤、超滤、补料、升温、纤维素酶补充等步骤，实现抛光纤维素酶的重复使用。该方法存在的主要缺点有：①工艺过程复杂，导致生产效率低，成本高，且不便于工业化生产；②使用氨水、醋酸等试剂，不仅对微孔滤膜、超滤膜造成不可逆的膜损伤，而且容易导致酶活力损失；③处理液成分复杂，极易造成膜污染，进一步提高生产成本；④过程中反复升温降温导致酶结构或微环境改变，造成酶活力进一步损失。

发明内容

本发明的内容是针对现有催化反应中酶循环使用方法的不足之处，提供一种催化反应中酶循环使用的方法，该方法具有过程简单、稳定、易于放大，设备投资成本低，生产成本低，酶完全回收，催化转化率高等特点。采用本发明方法循环使用的酶具有酶活力高、性能稳定等特点。

本发明的机理是：透析是小分子可通过半透膜从高浓度一侧扩散到低浓度一侧直至膜两侧浓度达到平衡的简单扩散过程。由于多孔膜有选择性地允许小分子通过，而保留大分子，所以透析可以根据溶质大小起到分离作用。通过调控或选择透析膜的截留分子量，可以实现膜内外物质的截留与透过。透析袋具有截留分子量种类多、柔韧性好、材料成本低、操作简单等优势，在透析膜中应用最为广泛。酶作为一种生物大分子，其分子量范围一般为10～80kDa。在催化反应中，将酶置于一定截留分子量的透析袋中，之后将装有酶的透析袋放入待反应的底物体系中，可进行透析反应。根据反应底物、酶的分子量大小进行透析袋截留分子量选择，使酶能够完全截留于透析袋内，而底物可以穿过膜进入透析袋内。由于底物分子量小于透析袋截留分子量，在浓度梯度下将不断扩散进入透析袋，并在袋内酶的催化作用下不断实现转化，生成的产物将不断扩散到透析袋外，从而实现透析反应。待反应完全后，将透析袋取出，经低速冷冻离心，透析袋内的液体不断透过，而酶由于分子量大于透析袋截留分子量保留在袋内，可继续置于新鲜的底物体系中使用，从而实现酶循环使用。该催化反应中使用游离酶，其可保持均相催化活性，因而催化转化效率高。此外，通过透析袋截留分子量的选择，可实现酶的完全截留，从而使该过程中酶完全回收。