CN110669663A - 一种定向固定的酶膜反应器及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向固定的酶膜反应器及其制备方法与应用，所述定向固定的酶膜反应器基于渗透汽化膜组件，所述渗透汽化膜组件包括复合有微孔滤膜的渗透汽化膜，所述微孔滤膜上按照CO2催化为甲醇的级联反应顺序依次固定有三种多酶/MOF复合物，所述多酶/MOF复合物中的三多酶分别由甲酸脱氢酶、甲醛脱氢酶和乙醇脱氢酶与谷氨酸脱氢酶和还原型辅酶Ⅰ组成；三种多酶均包埋于MOF内；本发明中的酶膜反应器将酶促反应的高效率与膜的选择透过性有机结合,强化CO2转化形成甲醇的反应过程的速率，使得反应速率加快；且条件温和、易于连续化。
Description
技术领域
本发明属于反应器技术领域，具体来说涉及一种定向固定的酶膜反应器及其制备方法和应用。
背景技术
CO2是温室气体的主要成分, 它的固定和再利用一直是人们关注和亟待解决的问题。通过化学或生物学途径，CO2 可被转化为多种有机化合物，如低碳醇、低碳烃和有机酸等。其中将CO2转化为甲醇是一条具有重要研究价值和应用前景的途径。它不但可以解决CO2的循环再利用问题, 同时还可以为人类提供重要的化工原料和洁净燃料——甲醇。为了实现CO2向甲醇的转化，研究人员已尝试了多种方法，其中非均相催化法、电催化法和光催化法是具有代表性的几种转化方法。但这些方法要求的条件往往都很苛刻，如非均相催化法需要高温高压，而后两种方法则需外加电能或光能,且转化率不高。
酶催化法以高效、专一及反应条件温和等优点近年来备受关注, 在CO2的固定和还原反应中已有应用。酶膜反应器在生物、医药、食品、化工、环境等领域得到了日益广泛的应用。基于酶催化法和酶膜反应器的基本原理，本发明提供一种定向固定的酶膜反应器及其制备方法和应用，以用于甲醇的高效转化。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种酶膜反应器，以解决现有技术中二氧化碳转化形成甲醇的条件苛刻，转化率不高的问题。
本发明的目的之二在于提供所述酶膜反应器的制备方法。
本发明的目的之三在于提供应用所述酶膜反应器制备甲醇的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种定向固定的酶膜反应器，基于渗透汽化膜组件，所述渗透汽化膜组件包括复合有微孔滤膜的渗透汽化膜，所述微孔滤膜上按照CO2催化为甲醇的级联反应顺序依次固定有三种多酶/MOF复合物，所述多酶/MOF复合物中的三多酶分别由甲酸脱氢酶（Formatedehydrogenase， FDH）、甲醛脱氢酶Formaldehyde dehydrogenase，FalDH）和乙醇脱氢酶（Alcohol dehydrogenase，ADH）与谷氨酸脱氢酶（Glutamate dehydrogenase，GDH）和还原型辅酶Ⅰ（Nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）组成；所述三种多酶均包埋于MOF内。
优选地，所述渗透汽化膜为聚二甲氧基硅氧烷/聚偏氟乙烯（PDMS/PVDF）复合膜。
优选地，所述微孔滤膜为聚偏氟乙烯（PVDF）膜，多酶/MOF复合物与微孔滤膜采用抽滤的方式固定。
优选地，所述多酶/MOF复合物中MOF采用ZIF-8。
优选地，所述微孔滤膜的孔径为1~3 μm，单位面积微孔滤膜上所有多酶/MOF复合物的固定量为0.1~0.5 mg/cm2。
优选地，所述酶膜反应器的渗透通量为10～50 g·m-2·h-1。
一种酶膜反应器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
第一步，制备多酶/MOF复合物溶液
步骤1：将三种组合的酶分子分别溶于去离子水中制备得到三种多酶溶液；
步骤2：将硝酸锌溶液、2-甲基咪唑溶液，分别与三种多酶溶液混合，室温下反应至少30min，静置3-5h；
步骤3：将步骤2所得混合液分别以6000rpm离心至少10min收集产物；并用去离子水洗涤至少三次；
步骤4：将步骤3所得产物分别均匀分散在去离子水中，冷冻干燥，得到白色粉末；
步骤5：将步骤4所得的白色粉末分别再次与去离子水混合，超声分散均匀，得到三种多酶/MOF 复合物溶液；
第二步，抽滤固定及复合
将第一步所得的三种多酶/MOF 复合物溶液按照顺序抽滤固定于微孔滤膜上，然后用去离子水洗涤至少两次，然后将微孔滤膜复合于渗透汽化膜上，最后将渗透汽化膜固定于渗透汽化膜组件中。
优选地，所述步骤2中，硝酸锌溶液的浓度为0.2-0.5mol/L；2-甲基咪唑溶液的浓度为1.11-1.42mol/L，硝酸锌溶液、2-甲基咪唑溶液与任一多酶溶液的体积比为2:10:1。
一种应用酶膜反应器制备甲醇的方法，基于定向固定的酶膜反应器，所述方法包括以下步骤：
步骤1：取2-5mL谷氨酸和2-5mLNADH溶液混合，并通入CO2气体至少30 min；
步骤2：将步骤1所得的反应液通过所述酶膜反应器进行酶催化反应，收集透过酶膜反应器的渗透物。
优选地，所述酶膜反应器一侧还设有储液罐，所述酶膜反应器通过进料管和料液泵与储液罐连接，同一侧还通过第一出料管与储液罐连接；所述酶膜反应器的另一侧依次设有冷阱、干燥塔、缓冲瓶和真空泵，所述酶膜反应器通过第二出料管与冷阱连接，冷阱和干燥塔之间设有泵，
具体的说，步骤2中，通过冷阱和干燥塔之间的泵来调节渗透汽化膜组件下游的气压，使得渗透汽化膜的上下游之间产生气压差，调节到一定的压力之后，开始渗透汽化：用料液泵将储液罐中的原料通过进料管输送到酶膜反应器的一侧，原料在气压差的作用下向酶膜反应器的另一侧移动，导致原料在微滤滤膜上的各类多酶/MOF复合物的作用下发生级联反应，符合微孔滤膜孔径大小的物质在气压差的作用下移动到酶膜反应器的另一侧形成渗透物，若通过料液泵输送到渗透汽化膜组件的反应液过剩，则通过第一出料管返回到储液罐中，渗透物在泵的作用下通过出料管输送到冷阱中，冷阱内设有干冰，用于对渗透物进行液化形成渗透液，对于未能及时液化的气体，通过干燥塔吸收水汽，为了防止干燥塔的气体在真空泵的作用下进入到真空泵中，在真空泵前设缓冲瓶。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
金属有机骨架材料（MOF）作为生物固定化载体材料具有独特性质，包括超高的比表面积、较好的生物相容性、可调节的孔尺寸和功能结构和良好的热及化学稳定性，激发了将其应用于酶固定化的兴趣。通过将MOF作为大分子载体将生物催化酶包埋形成的多酶/MOF复合物具有较高的生物催化剂效率、良好的重复利用性、对活性位点的可及性和高的负载能力等优点。
本发明将微孔滤膜与渗透气化膜结合使得反应与分离一体，无需另设分离装置，可操作性强；产物在气压差的作用下在渗透汽化膜另一侧富集后得到，且能促进反应平衡向有利的方向移动。
本发明中的酶膜反应器将酶促反应的高效率与膜的选择透过性有机结合 ,强化CO2转化形成甲醇的反应过程的速率，使得反应速率加快；且条件温和、易于连续化。
以还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)作为电子供体，以谷氨酸脱氢酶(GDH)作为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的再生酶，使得酶膜反应器可重复利用。
附图说明
图1为酶膜反应器的结构示意图。
图2为制备甲醇的装置的结构示意图。
图中标记：1-渗透汽化膜组件，2-微孔滤膜，3-渗透汽化膜，4-酶膜反应器，5-冷阱，6-泵，7-干燥塔，8-缓冲瓶，9-真空泵，10-储液罐，11-料液泵。
具体实施方式
以下以具体实施例来进一步说明本发明技术方案。本领域技术人员应当知晓，实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明的范围。
实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的手段。
实施例1：
（1）酶膜反应器的制备方法包括以下步骤：
第一步，制备多酶/ZIF-8复合物溶液
步骤1：将三种组合的酶分子分别溶于去离子水中制备得到三种多酶溶液，其中任一多酶溶液中任一脱氢酶的质量为5mg，还原型辅酶I的质量5mg；
本发明步骤1中，三种组合的酶分子分别为甲酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、还原型辅酶Ⅰ；甲醛脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、还原型辅酶I；乙醇脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、还原型辅酶I。
步骤2：将2mL硝酸锌溶液、20mL2-甲基咪唑溶液，分别与三种1mL多酶溶液混合，室温下反应30min，静置3h；
本发明中，通过硝酸锌溶液与2-甲基咪唑溶液反应，使得甲基咪唑与锌离子进行配位，组装形成了ZIF-8，并将多酶包埋在ZIF-8纳米粒子内。
步骤3：将步骤2所得混合液分别以6000rpm离心至少10min收集产物；并用去离子水洗涤至少三次；
步骤4：将步骤3所得产物分别均匀分散在去离子水中，冷冻干燥，得到白色粉末；
步骤5：将步骤4所得的白色粉末分别再次与去离子水混合，超声分散均匀，分别得到三种多酶/ZIF-8复合物溶液（分别为FDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液、FalDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液、ADH&GDH&NADH/ZIF-8溶液），其中各白色粉末的质量为3mg；
第二步，抽滤固定及复合
将第一步所得的三种多酶/ZIF-8复合物溶液按照顺序抽滤固定于微孔滤膜上，然后用去离子水洗涤至少两次，然后将PVDF膜（膜的直径为50mm，孔径为2 μm）复合于PDMS/PVDF膜上，最后将渗透汽化膜固定于渗透汽化膜组件中。
本发明中，抽滤的顺序从先到后依次为ADH&GDH&NADH/ZIF-8溶液、FalDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液、FDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液。
本发明中，PVDF膜与PDMS/PVDF膜的复合可以为：在PVDF膜上涂布一层粘合剂，然后与PDMS/PVDF膜中的PVDF层胶粘在一起或者其他复合方法，此为本领域的常规技术手段；渗透汽化膜组件主要用于将渗透汽化膜固定，至于如何将渗透汽化膜固定于渗透汽化膜组件中，为本领域常规技术手段，本领域技术人员可以根据实际情况自行设置。
所述步骤2中，硝酸锌溶液的浓度为0.31mol/L；2-甲基咪唑溶液的浓度为1.25mol/L。
（2）应用该酶膜反应器制备甲醇的方法：
基于定向固定的酶膜反应器，所述酶膜反应器一侧还设有储液罐，所述酶膜反应器通过进料管和料液泵与储液罐连接，同一侧还通过第一出料管与储液罐连接；所述酶膜反应器的另一侧依次设有冷阱、干燥塔、缓冲瓶和真空泵，所述酶膜反应器通过第二出料管与冷阱连接，冷阱和干燥塔之间设有泵，所述方法包括以下步骤：
步骤1：取3mL谷氨酸和3mLNADH溶液混合，并通入CO2气体30 min；
步骤2：将步骤1所得的反应液通过所述酶膜反应器进行酶催化反应，收集透过酶膜反应器的渗透物。
持续反应6h后测得渗透物中甲醇的含量为12.67μmol（反应条件：酶膜反应器的渗透通量为21.05 g·m-2·h-1）。
实施例2：
（1）酶膜反应器的制备方法包括以下步骤：
第一步，制备多酶/ZIF-8复合物溶液
步骤1：将三种组合的酶分子分别溶于去离子水中制备得到多酶溶液，其中任一多酶溶液中任一脱氢酶的质量为5mg，还原型辅酶I的质量5mg；
本发明步骤1中，三种组合的酶分子分别为甲酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、还原型辅酶Ⅰ；甲醛脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、还原型辅酶I；乙醇脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、还原型辅酶I。
步骤2：将2mL硝酸锌溶液、20mL的2-甲基咪唑溶液，分别与三种1mL多酶溶液混合，室温下反应30min，静置5h；
步骤3：将步骤2所得混合液分别以6000rpm离心至少10min收集产物；用去离子水洗涤至少三次；
步骤4：将步骤3所得产物分别均匀分散在去离子水中，冷冻干燥，得到白色粉末；
步骤5：将步骤4所得的白色粉末分别再次与去离子水混合，超声分散均匀，分别得到三种多酶/ZIF-8复合物溶液（分别为FDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液、FalDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液、ADH&GDH&NADH/ZIF-8溶液），其中各白色粉末的质量为3mg；
第二步，抽滤固定及复合
将第一步所得的三种多酶/ZIF-8复合物溶液按照顺序抽滤固定于微孔滤膜上，然后用去离子水洗涤至少两次，然后将PVDF膜（膜的直径为50mm，孔径为3 μm）复合于PDMS/PVDF膜上，最后将渗透汽化膜固定于渗透汽化膜组件中。
本发明中，抽滤的顺序从先到后依次为ADH&GDH&NADH/ZIF-8溶液、FalDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液、FDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液。
所述步骤2中，硝酸锌溶液的浓度为0.5mol/L；2-甲基咪唑溶液的浓度为1.42mol/L。
（2）应用该酶膜反应器制备甲醇的方法：
基于定向固定的酶膜反应器，所述酶膜反应器一侧还设有储液罐，所述酶膜反应器通过进料管和料液泵与储液罐连接，同一侧还通过第一出料管与储液罐连接；所述酶膜反应器的另一侧依次设有冷阱、干燥塔、缓冲瓶和真空泵，所述酶膜反应器通过第二出料管与冷阱连接，冷阱和干燥塔之间设有泵，所述方法包括以下步骤：
步骤1：取5mL谷氨酸和5mLNADH溶液混合，并通入CO2气体30 min；
步骤2：将步骤1所得的反应体系通过所述酶膜反应器进行酶催化反应，收集透过酶膜反应器的渗透物。
持续反应6h后测得渗透物中甲醇的含量为9.679μmol（反应条件：酶膜反应器的渗透通量为50.78 g·m-2·h-1）。
实施例3：
（1）酶膜反应器的制备方法包括以下步骤：
第一步，制备多酶/ZIF-8复合物溶液
步骤1：将三种组合的酶分子分别溶于去离子水中制备得到三种多酶溶液，其中任一多酶溶液中任一脱氢酶的质量为5mg，还原型辅酶I的质量5mg；
本发明步骤1中，三种组合的酶分子分别为甲酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、还原型辅酶Ⅰ；甲醛脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、还原型辅酶I；乙醇脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、还原型辅酶I。
步骤2：将2mL硝酸锌溶液、20mL2-甲基咪唑溶液，分别与三种1mL多酶溶液混合，室温下反应30min，静置3h；
步骤3：将步骤2所得混合液分别以6000rpm离心至少10min收集产物；用去离子水洗涤至少三次；
步骤4：将步骤3所得产物分别均匀分散在去离子水中，冷冻干燥，得到白色粉末；
步骤5：将步骤4所得的白色粉末分别再次与去离子水混合，超声分散均匀，分别得到三种多酶/ZIF-8复合物溶液（分别为FDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液、ADH&GDH&NADH/ZIF-8溶液和FalDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液），其中各白色粉末的质量为3mg；
第二步，抽滤固定及复合
将第一步所得的三种多酶/ZIF-8复合物溶液按照顺序抽滤固定于微孔滤膜上，然后用去离子水洗涤至少两次，然后将PVDF膜（膜的直径为55mm，孔径为2 μm）复合于PDMS/PVDF膜上，最后将渗透汽化膜固定于渗透汽化膜组件中。
本发明中，抽滤的顺序从先到后依次为ADH&GDH&NADH/ZIF-8溶液、FalDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液、FDH&GDH&NADH/ZIF-8溶液。
所述步骤2中，硝酸锌溶液的浓度为0.2mol/L；2-甲基咪唑溶液的浓度为1.11mol/L。
（2）应用该酶膜反应器制备甲醇的方法：
基于定向固定的酶膜反应器，所述酶膜反应器一侧还设有储液罐，所述酶膜反应器通过进料管和料液泵与储液罐连接，同一侧还通过第一出料管与储液罐连接；所述酶膜反应器的另一侧依次设有冷阱、干燥塔、缓冲瓶和真空泵，所述酶膜反应器通过第二出料管与冷阱连接，冷阱和干燥塔之间设有泵，所述方法包括以下步骤：
步骤1：取2mL谷氨酸和2mLNADH溶液混合，并通入CO2气体30 min；
步骤2：将步骤1所得的反应体系通过所述酶膜反应器进行酶催化反应，收集透过酶膜反应器的渗透物。
持续反应6h后测得渗透物中甲醇的含量为3.03μmol（反应条件：酶膜反应器的渗透通量为10.52 g·m-2·h-1）。
通过本发明将CO2转化形成甲醇的原理：
本发明采用甲酸脱氢酶(FDH)、甲醛脱氢酶(FalDH)和乙醇脱氢酶(ADH)三种脱氢酶作为催化剂, 以还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)作为电子供体，以谷氨酸脱氢酶(GDH)作为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的再生酶，具体的反应过程如下：
Claims (10)
1.一种定向固定的酶膜反应器，其特征在于，基于渗透汽化膜组件，所述渗透汽化膜组件包括复合有微孔滤膜的渗透汽化膜，所述微孔滤膜上按照CO2催化为甲醇的级联反应顺序依次固定有三种多酶/MOF复合物，所述多酶/MOF复合物中的三多酶分别由甲酸脱氢酶、甲醛脱氢酶和乙醇脱氢酶与谷氨酸脱氢酶和还原型辅酶Ⅰ组成；三种多酶均包埋于MOF内。
2.如权利要求1所述的一种定向固定的酶膜反应器，其特征在于，所述渗透汽化膜为聚二甲氧基硅氧烷/聚偏氟乙烯（PDMS/PVDF）复合膜。
3.如权利要求1所述的一种定向固定的酶膜反应器，其特征在于，所述微孔滤膜为聚偏氟乙烯（PVDF）膜，多酶/MOF复合物与微孔滤膜采用抽滤的方式固定。
4.如权利要求1所述的一种定向固定的酶膜反应器，其特征在于，所述多酶/MOF复合物中MOF采用ZIF-8。
5.如权利要求1所述的一种定向固定的酶膜反应器，其特征在于，所述微孔滤膜的孔径为1~3 μm，单位面积微孔滤膜上所有多酶/MOF复合物的固定量为0.1~0.5 mg/cm2。
6.如权利要求1所述的一种定向固定的酶膜反应器，其特征在于，所述酶膜反应器的渗透通量为10～50 g·m-2·h-1。
7.一种权利要求1~6任一项所述的定向固定的酶膜反应器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
第一步，制备多酶/MOF复合物溶液
步骤1：将三种组合的酶分子分别溶于去离子水中制备得到三种多酶溶液；
步骤2：将硝酸锌溶液、2-甲基咪唑溶液，分别与三种多酶溶液混合，室温下反应至少30min，静置3-5h；
步骤3：将步骤2所得混合液分别以6000rpm离心至少10min收集产物；并用去离子水洗涤至少三次；
步骤4：将步骤3所得产物分别均匀分散在去离子水中，冷冻干燥，得到白色粉末；
步骤5：将步骤4所得的白色粉末分别再次与去离子水混合，超声分散均匀，得到三种多酶/MOF复合物溶液；
第二步，抽滤固定及复合
将第一步所得的三种多酶/MOF 复合物溶液按照顺序抽滤固定于微孔滤膜上，然后用去离子水洗涤至少两次，然后将微孔滤膜复合于渗透汽化膜上，最后将渗透汽化膜固定于渗透汽化膜组件中。
8.如权利要求7所述的一种酶膜反应器的制备方法，所述步骤2中，硝酸锌溶液的浓度为0.2-0.5mol/L；2-甲基咪唑溶液的浓度为1.11-1.42mol/L，硝酸锌溶液、2-甲基咪唑溶液与任一多酶溶液的体积比为2:10:1。
9.一种应用权利要求1-6任一项所述的酶膜反应器制备甲醇的方法，其特征在于，基于定向固定的酶膜反应器，所述方法包括以下步骤：
步骤1：取2-5mL谷氨酸和2-5mLNADH溶液混合，并通入CO2气体至少30 min；
步骤2：将步骤1所得的反应液通过所述酶膜反应器进行酶催化反应，收集透过酶膜反应器的渗透物。
10.如权利要求9所述的制备甲醇的方法，其特征在于，所述酶膜反应器一侧还设有储液罐，所述酶膜反应器通过进料管和料液泵与储液罐连接，同一侧还通过第一出料管与储液罐连接；所述酶膜反应器的另一侧依次设有冷阱、干燥塔、缓冲瓶和真空泵，所述酶膜反应器通过第二出料管与冷阱连接，冷阱和干燥塔之间设有泵。
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