CN104437002B - 一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸co2中的应用 - Google Patents

一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸co2中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于CO2减排处理领域，本发明提供一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，所述热稳定性碳酸酐酶为SEQ？ID？NO:2所示的氨基酸序列。本申请采用本实验室基因改造后表达的碳酸酐酶(PaCA)进行不同温度下催化CO2富集有机胺溶液解吸，该酶能在不同的较低的解吸温度下，有效地促进CO2的解吸速率。相对于化学解吸需要较高的温度来说，酶催化效率高，可以降低解吸温度，减少能耗，节约能源。

Description

一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用
技术领域
本发明属于CO2减排处理领域，具体地涉及一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用。
背景技术
二氧化碳是导致温室效应的主要气体之一，而随着国民经济的不断发展，二氧化碳的排放量也日益增长。为响应对于全球气候变化的关注，二氧化碳的减排策略在国际上受到了广泛的重视，已成为国际能源领域的研发热点。我国二氧化碳的排放量居世界首位，减排二氧化碳的压力越来越大，并将成为制约我国燃煤发电可持续发展的瓶颈之一。
对二氧化碳的捕集与利用(CO2CaptureandUtilization,CCU)是当前最直接的一种控制二氧化碳排放的措施，因其有望实现化石能源二氧化碳近零排放而被广泛采用。目前主要有三种不同类型的CO2捕集方案，即燃烧前脱碳(Pre-combustion)、富氧燃烧脱碳(Oxy-fuelcombustion)和燃烧后脱碳(Post-combustion)，其中最成熟的是燃烧后脱碳，就是将CO2从化石燃料或生物质空气燃烧后的烟气中进行捕集分离的过程，这种技术原理简单，适应范围广。目前研究和使用最多的CO2捕集方法是以有机胺为主的溶剂吸收法。有机胺法吸收CO2的实质是酸碱中和反应，弱酸(CO2)和弱碱(胺)在38℃左右反应生成可溶于水的盐，温度升高时发生逆反应解吸出CO2。不同种类的有机胺在吸收和解吸速率、腐蚀性以及降解性方面都存在一定的差异。伯胺和仲胺能够快速直接与CO2进行反应生成氨基甲酸盐(反应1)，而因为氨基甲酸盐的结构比较稳定，使得解吸过程难以发生。而叔胺的N原子为三耦合的，CO2与生成亚稳定的碳酸氢盐，在高温条件下极易发生水解，解吸出CO2(如反应2所示)。
有机胺吸收是一种能源投入较大的过程，仍存在一些瓶颈，直接制约了碳捕捉技术的大规模化发展。例如在利用乙醇胺(MEA)捕集CO2的过程中，成本约为60美元每吨CO2(IPCC)，占整个捕捉技术投入的80％，另外20％则用于后续CO2的压缩、运输以及封存等过程。其中最为关键的问题是解吸过程中的能耗较高。而在有机胺法吸收和解吸CO2的整个捕集过程中，70％-80％的能量用于解吸CO2过程。因此，对于如何减少CO2解吸过程的能量投入问题具有极其重要的学术意义和工业价值。为解决传统捕集过程成本过高的问题，生物催化剂—碳酸酐酶被应用到了这项技术中。碳酸酐酶是催化CO2水合生成HCO3-及其逆反应速率最快的酶。近年来，碳酸酐酶在催化有机胺吸收CO2过程中得到了众多研究和应用，而国内外对碳酸酐酶催化CO2解吸的方法仍鲜有报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用。
本申请采用本实验室基因改造后表达的碳酸酐酶(PaCA)进行不同温度下催化CO2富集有机胺溶液解吸，在本应用方法中该酶能在不同的较低的解吸温度下，有效地促进CO2的解吸速率。
本发明的技术方案如下：
一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，所述热稳定性碳酸酐酶为SEQIDNO:2所示的氨基酸序列。
根据本发明所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，所述应用的方法为，包括如下步骤：
装有有机胺溶液的反应器内常温吸收CO2，吸收结束后加入热稳定性碳酸酐酶酶液，加入量为15-75mL/L有机胺溶液，搅拌，升温，在50-100℃下进行解吸实验，在线检测反应过程中体系pH的变化，pH变化稳定时，解吸过程结束。
所述的常温吸收为在25-40℃下吸收。
根据本发明所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，所述的有机胺溶液选自乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、三乙醇胺(TEA)、哌嗪(PZ)中的一种。所述有机胺溶液浓度为:1-6mol/L。
根据本发明所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，优选的是，所述的有机胺溶液选自乙醇胺(MEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、哌嗪(PZ)中的一种。
根据本发明所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，所述热稳定性碳酸酐酶酶液的酶活浓度为32000U/mL。
根据本发明所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，所述搅拌的搅拌速率为200-450rpm。
根据本发明所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，所述解吸实验的反应时间10-60min。反应超过一定时间解吸基本不再进行，pH不再上升。
根据本发明所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，优选的是，所述催化有机胺溶液解吸CO2的方法的温度为60-80℃。有机胺吸收CO2后一半需要较高的温度解吸，温度过低会使解析过程发生吸收反应，温度过高导致巨大的能量损耗。
本发明还提供一种所述的热稳定性碳酸酐酶如SEQIDNO:2所示的氨基酸序列。
本发明还提供一种编码所述热稳定性碳酸酐酶的如SEQIDNO:1所示的核苷酸序列。
本发明提供一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用方法中CO2解吸在与吸收反应相同的5L玻璃反应器中进行，只是在吸收结束后的基础上升高了反应温度，解吸温度在100℃以下。PaCA酶液加入量为15-75mL/L有机胺溶液，反应在搅拌下进行，搅拌速率为200-450rpm，反应时间>10min。
本发明模拟工业捕集CO2中具有一定高径比的装置，直接采用有机胺溶液对CO2进行先吸收至一定浓度再升温解吸，解吸温度在加入碳酸酐酶催化的基础上适当低于工业条件。符合实际工业化的要求。
本发明中涉及的作为在大肠杆菌中异源表达的重组碳酸酐酶，该酶有比较好的热稳定性和MDEA耐受性，把该酶应用于MDEA解吸CO2反应中。相对于化学解吸需要较高的温度来说，本发明的优点是酶催化效率高，可以降低解吸温度，减少能耗，节约能源。
本发明提供的热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，可以应用于其它有机胺溶液解吸CO2的体系中；也可以应用于不同温度下的解吸体系，通常为<100℃。
有益技术效果：
本发明提供一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，采用本实验室基因改造后表达的碳酸酐酶(PaCA)进行不同温度下催化CO2富集有机胺溶液解吸，在该应用中该酶能在不同的较低的解吸温度下，有效地促进CO2的解吸速率。相对于化学解吸需要较高的温度来说(一般都在110℃以上)，本发明应用中酶催化效率高，可以降低解吸温度，减少能耗，节约能源。
附图说明
图1为PaCA在60℃下促进MDEA解吸CO2，从10min内测得的CO2解吸过程pH值变化。
图2为PaCA在70℃下促进MDEA解吸CO2，测得10min解吸CO2的pH变化曲线。
图3为PaCA在80℃下促进MDEA解吸CO2，测得10min内解吸CO2的pH值变化曲线。
图4为PaCA在60℃下促进MEA解吸CO2，从10min内测得的CO2解吸过程pH值变化。
图5为PaCA在60℃下促进PZ解吸CO2，从10min内测得的CO2解吸过程pH值变化。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1、PaCA酶液的制备
1.1培养基：
LB固体培养基(g/L)：酵母膏5，蛋白胨10，氯化钠10，琼脂15
LB液体培养基(g/L)：酵母膏5，蛋白胨10，氯化钠10
1.2制备步骤
根据Blast比对得到碳酸酐酶核苷酸序列(SeqNo.1，命名为PaCA)，经优化后由南京金斯瑞生物科技有限公司进行全基因合成，然后与质粒pET21a(Novagen)进行连接，重组质粒PaCA-pET21a转化到BL21(DE3)感受态细胞(购于天根生化科技(北京)有限公司)，挑取阳性克隆单菌落进行表达验证为可溶性活性表达。
取甘油管中的大肠杆菌划线于带有氨苄抗性LB固体培养基的平板上。37℃培养12-16h，挑取单菌落转接到装有5mlLB液体培养基中的试管中进行培养，37℃，200rpm培养，OD600达到0.4-0.8时转接到装有400mlLB液体培养基中扩大培养，培养菌液OD600达到0.4-0.6，然后加入终浓度0.1mM的IPTG，温度调至30℃低温诱导12h。
离心收集菌体(8000rpm，10min)，用PB缓冲液(0.05M，pH7.0)重悬清洗两遍，最后用一定体积PB缓冲液重悬(体积：菌体湿重；3:1)。超声破壁10min(200W，work3s，interval5s)。12000rpm离心20min取上清即得粗酶液。所述酶液应用于本发明以及以下实施例中。所述酶液的酶活浓度为32000U/mL。
实施例2
材料和仪器：反应器为5L带夹套玻璃反应器(高径比为8:1)，上海科兴玻璃仪器厂提供。N-甲基二乙醇胺(MDEA)，分析纯；碳酸酐酶，公司自制(PaCA)；CO2气体，上海熙勤气体有限公司提供。
1、PaCA在60℃下促进MDEA解吸CO2
配制2L3M的MDEA溶液，于5L反应器内进行常温吸收CO2，吸收时间为60min，CO2通入速率为6L/min。吸收结束后将MDEA溶液均分为两份，一份加入800U/mLPaCA酶液，一份作为空白对照，分别在60℃下进行解吸实验，在线检测反应过程中体系pH的变化。从10min内测得的CO2解吸过程pH值变化(图1)可知，与对照相比，添加酶后的CO2解吸速率比较高。
2、PaCA在70℃下促进MDEA解吸CO2
将解吸温度设为70℃，其他实验条件和方法同上，测得10min解吸CO2的pH(图2)变化曲线。70℃条件下添加酶之后的CO2解吸速率仍比对照高。
3、PaCA在80℃下促进MDEA解吸CO2
将解吸温度设为80℃，其他实验条件和方法同上，测得10min内解吸CO2的pH(图3)值变化曲线。可知在80℃下，添加酶后的MDEA溶液具有更高的解吸速率。
吸收体系在80℃解吸前称重并量取体积，解吸后再次量取体积，减少的部分为水分蒸发所引起，加水至原水位后进行称量解吸后质量。测得10min解吸CO2的质量变化(表1)。可知添加酶的CO2解吸速率比对照高。
表1
解吸质量(g) 解吸比(％)
CON 54.5 54.07
PaCA 73 72.42
实施例3：PaCA在60℃下促进MEA解吸CO2
MEA60℃解吸,浓度等其余条件同实施例2
配制2L3M的MEA溶液，于5L反应器内进行常温吸收CO2，吸收时间为40min，CO2通入速率为6L/min。吸收结束后将MDEA溶液均分为两份，一份加入900U/mLPaCA酶液，一份作为空白对照，分别在60℃下进行解吸实验，在线检测反应过程中体系pH的变化。从10min内测得的CO2解吸过程pH值，与对照相比，添加酶后的CO2解吸速率比较高。
实施例4：PaCA在60℃下促进PZ解吸CO2
PZ60℃解吸，浓度等其余条件跟实施例2MDEA相同
配制2L3M的PZ溶液，于5L反应器内进行常温吸收CO2，吸收时间为40min，CO2通入速率为6L/min。吸收结束后将MDEA溶液均分为两份，一份加入1000U/mLPaCA酶液，一份作为空白对照，分别在60℃下进行解吸实验，在线检测反应过程中体系pH的变化。从10min内测得的CO2解吸过程pH值，与对照相比，添加酶后的CO2解吸速率比较高。
本发明提供一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，采用本实验室基因改造后表达的碳酸酐酶(PaCA)进行不同温度下催化CO2富集有机胺溶液解吸，在该应用中该酶能在不同的较低的解吸温度下，有效地促进CO2的解吸速率。相对于化学解吸需要较高的温度来说(一般都在110℃以上)，本发明应用中酶催化效率高，可以降低解吸温度，减少能耗，节约能源。

Claims (6)

1.一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，所述热稳定性碳酸酐酶为SEQIDNO:2所示的氨基酸序列；
所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中应用的方法为，包括如下步骤：
装有有机胺溶液的反应器内常温吸收CO2，吸收结束后加入热稳定性碳酸酐酶酶液，加入量为15-75mL/L有机胺溶液，搅拌，升温，在50-100℃下进行解吸实验，在线检测反应过程中体系pH的变化，pH变化稳定时，解吸过程结束。
2.根据权利要求1所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，其特征在于，所述的有机胺溶液选自乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺、三乙醇胺、哌嗪中的一种。
3.根据权利要求1所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，其特征在于，所述热稳定性碳酸酐酶酶液的酶活浓度为32000U/mL。
4.根据权利要求1所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，其特征在于，所述搅拌的搅拌速率为200-450rpm。
5.根据权利要求1所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，其特征在于，所述解吸实验的反应时间10-60min。
6.根据权利要求1所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液解吸CO2中的应用，其特征在于，所述催化有机胺溶液解吸CO2的方法的温度为60-80℃。
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