碳酸酐酶固定及在二氧化碳捕集應(yīng)用研究進展

于 洋，劉 琦，呂 靜，羅 聃，彭 勃

(1.中國石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院 溫室氣體封存與石油開采利用北京市重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 新能源與材料學(xué)院，北京 102249)

0 引 言

化石燃料如煤、石油和天然氣的使用向大氣中排放大量二氧化碳是導(dǎo)致氣溫上升、海平面變化和極端天氣等現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。但受能源供應(yīng)與需求的影響，目前主要能源仍是化石能源[1]。因此，減少因使用化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳排放至關(guān)重要。二氧化碳捕集、利用及封存(CCUS)技術(shù)在減少碳排放的同時，還可將CO2轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品，在控制全球氣候變化、維持經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用[2]。

目前CO2捕集技術(shù)主要有物理/化學(xué)吸收法、吸附法、膜吸收法和生物固定法等[3]。其中，利用堿性液體吸收劑將CO2直接從煙氣中分離的化學(xué)吸收法，具有分離效率高、成本低等優(yōu)點，是目前最成熟的工藝[4]。但存在解吸過程中消耗能量較多、溶劑長期使用會產(chǎn)生降解并造成設(shè)備腐蝕性等問題[5]。碳酸酐酶(Carbonic anhydrase，CA)是一種高效的CO2水合催化劑。將CA應(yīng)用在CCUS技術(shù)中，可以提高CO2的吸收效率，有效解決傳統(tǒng)工藝中的熱能損失，逐漸成為二氧化碳捕集與封存研究中的熱點。CA捕集CO2技術(shù)具有環(huán)境友好、能耗低、可再生、無二次污染等優(yōu)點[6]。

CA是一種以Zn2+為活性中心的金屬酶，具有巨大的生物催化潛力。目前，利用碳酸酐酶法捕集CO2的主要機理是利用碳酸酐酶催化CO2水合生成碳酸氫根后，在Ca2+、Mg2+等金屬離子的參與下將CO2以碳酸鹽形式固定下來。然而，CA成本較高、游離CA在高溫和廢氣含量大等惡劣條件下穩(wěn)定性差、可重用性差，限制了其工業(yè)應(yīng)用。固定化酶技術(shù)是利用物理或化學(xué)手段解決上述問題的有效方法之一。將游離酶封鎖在載體材料內(nèi)或限制在一定區(qū)域內(nèi)進行催化作用的一種技術(shù)。CA固定化保持了游離CA反應(yīng)條件溫和、高效專一等特性，同時又彌補了游離CA的不足，具備儲存穩(wěn)定性高、易于分離回收、可重復(fù)使用、連續(xù)操作可控、工藝設(shè)備簡便等優(yōu)點，固定化技術(shù)擴大了酶在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍[7]。常用的載體材料可分為高分子材料、無機材料、聚合物-無機復(fù)合材料等。根據(jù)使用場合和要求來選擇合適的載體材料和固定化方法對于獲得理想性能的固定化CA至關(guān)重要[8]。

本文介紹了碳酸酐酶的固定方法和載體材料以及碳酸酐酶在二氧化碳捕集中的作用機理，總結(jié)了碳酸酐酶在促進化學(xué)溶劑吸收二氧化碳和誘導(dǎo)二氧化碳礦化生成碳酸鈣的最新研究進展。

1 碳酸酐酶的固定化

CA是已知催化CO2水合速率最快的酶，其催化吸收速率可達(dá)106s-1。在有機胺溶液中加入CA可以顯著降低解析時需要的溫度，大大減少再生所需能耗[9]。由于CA自身的熱穩(wěn)定性不高和重復(fù)利用率較低，限制了其大規(guī)模應(yīng)用，因此，分子修飾、定向進化和酶固定化等被用來提高其穩(wěn)定性和活性[10]?；瘜W(xué)修飾分為殘基特異性修飾和基團特異性修飾。徐霞等[11]將BacillusClausii中CA上的29位天冬氨酸、233位甘氨酸或83位天冬氨酸進行突變，構(gòu)建含有目的基因的載體，有效提高了CA在高溫條件下的CO2捕集轉(zhuǎn)化效率。Alvizo等[12]利用定向進化技術(shù)，篩選出高度穩(wěn)定的CA變異體，在pH>10.0的4.2 mol/L堿性胺溶劑下，該變異體能耐受高達(dá)107 ℃的溫度，極大提高了普通脫硫弧菌β類CA的性質(zhì)。雖然前2種方法可以提高CA對高溫、極端pH值等極端操作條件的抵抗力，但需通過固定化來提高CA的可重用性，且酶固定化具有方便、直接等優(yōu)點，常被作為提高CA穩(wěn)定性和活性的技術(shù)手段之一[13]。

1.1 碳酸酐酶的固定方法

由于酶易變性和失活，合理的固定化可以提高酶的剛性和穩(wěn)定性，以克服其在實際應(yīng)用中的局限性。通常酶固定化方法包括物理法和化學(xué)法。物理法分為吸附法和包埋法，化學(xué)法分為共價結(jié)合法和交聯(lián)法[14]。4種酶固定方法如圖1所示。吸附法是最簡單的酶固定方法，包括物理吸附和離子交換吸附。吸附法利用載體和酶之間的物理相互作用力(如范德華力、離子鍵合、氫鍵、電荷轉(zhuǎn)移、親疏水性等)將酶固定在載體表面[15]。包埋法又可以分為凝膠包埋法和微囊化包埋法。凝膠包埋將酶限制在高聚物網(wǎng)格中，而微囊化包埋則將酶置于不同構(gòu)型的膜外殼內(nèi)。共價結(jié)合法是指酶蛋白分子的功能基團與載體表面基團之間以共價鍵結(jié)合的一種固定化方法。因此，以共價結(jié)合法制備生物復(fù)合酶時，需對載體進行改性，使其表面附著氨基、羧基、羥基、醛基等功能性基團[16]。交聯(lián)法將酶分子和雙功能或多功能試劑分子之間以共價鍵結(jié)合，再與載體材料進一步結(jié)合。4種固定化方法的優(yōu)缺點見表1，酶的固定化方法要根據(jù)酶的應(yīng)用領(lǐng)域選擇。

圖1 CA固定方法[17]

表1 CA固定方法優(yōu)缺點

1.2 碳酸酐酶固定化載體

載體的選擇會顯著影響固定化酶的性質(zhì)，制備理想的固定化酶既要選用合理有效的固定化方法，還要選擇良好的載體。通常在選擇固定化載體材料時需考慮以下幾點：① 載體的理化性質(zhì)，如形狀、大小、孔徑、機械強度、不易溶于反應(yīng)介質(zhì)、強酸堿和高溫條件下的穩(wěn)定性、耐微生物降解能力等；② 載體的工業(yè)應(yīng)用能力，材料價廉易得、可進行工業(yè)化大生產(chǎn)、可再生循環(huán)使用等[21]。

傳統(tǒng)的固定化載體主要是以動植物結(jié)構(gòu)蛋白為主的天然高分子產(chǎn)物，如從蝦的甲殼中提取的殼聚糖、甲殼素；從海藻中可以提取海藻酸鈉等。此外還包括瓊脂糖珠、瓊脂糖凝聚、卵清蛋白、木質(zhì)纖維等[22]。近幾年，包括碳基材料、硅基材料、金屬氧化物等在內(nèi)的無機載體材料研究較多，且大量研究利用化學(xué)試劑對材料改性后再用于固定CA，使固定化CA的穩(wěn)定性、可重復(fù)利用性更好。固定化CA的種類及其載體見表2。牛建杰等[23]以γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)為改性劑對納米顆粒進行改性，得到了環(huán)氧基功能化的Fe3O4-SiO2核殼納米顆粒，隨后將碳酸酐酶CA共價固定到納米顆粒上，以實現(xiàn)CA固定化。結(jié)果表明，固定化酶的熱穩(wěn)定性、貯藏穩(wěn)定性和循環(huán)使用性均優(yōu)于同等條件下的游離酶，其在循環(huán)使用10次后仍保持84.2%的相對酶活力。Jing等[24]成功將CA固定在磁性聚微球上，與游離CA相比，固定化CA具有更好的酶活性、較好的可重用性、更高的熱穩(wěn)定性。經(jīng)過6次重復(fù)使用后，活性為最初的47.6%。Kim等[25]將大腸桿菌核糖體蛋白L2與海洋細(xì)菌海洋氫基因弧菌(hmCA)的CA基因融合，構(gòu)建的融合蛋白成功自固定到硅藻生物硅，制備的固定化酶具有較高的穩(wěn)定性。Peirce等[26]在存在碳化二亞胺的條件下，通過共價鍵將耐熱的CA固定在順磁性Fe3O4納米粒子(NPs)上，最大載酶量為40 mg/g(以NPs計)。Kumari等[27]將SulfurihydrogenibiumazorenseCA(SazCA)與纖維素結(jié)合模塊(CBM3)融合后得到的重組蛋白BMC-SazCA可與微晶纖維素珠子緊密結(jié)合，將固定化酶應(yīng)用于催化CO2水合反應(yīng)，10個循環(huán)后，固定化BMC-SazCA的活性約為新鮮制備固定化BMC-SazCA的90%。

表2 固定化CA載體

2 碳酸酐酶在二氧化碳捕集中的應(yīng)用

2.1 對化學(xué)溶劑吸收二氧化碳的促進作用

利用化學(xué)吸收法捕集二氧化碳常用的化學(xué)溶劑為醇胺和金屬堿性試劑[37]。醇胺溶液包括一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DGA)、哌嗪(PZ)、二乙烯三胺(DETA)、甲基二乙醇胺(MDEA)和五甲基二乙烯三胺(PMDETA)等[38]。金屬堿性試劑有碳酸鉀、氫氧化鈉、氫氧化鎂等。利用醇胺溶液吸收CO2具有較大的吸收容量，易解吸、腐蝕低，但產(chǎn)物易降解，吸收焓較高，吸收速率有待提升。利用碳酸鉀(K2CO3)溶液吸收CO2需要較低的再生能量，對環(huán)境更友好，但其吸收動力學(xué)較慢，因此需要大型且昂貴的吸收柱才能操作。碳酸酐酶穩(wěn)定性好，在加快CO2水合速率的同時又可以降低吸收焓。因此，大量研究表明在醇胺或金屬堿性試劑中加入碳酸酐酶，可以使CO2捕集工藝同時具有高吸收容量、較快吸收速率和較低解吸能耗[39]。

Silverman等[40]探討了碳酸酐酶的結(jié)構(gòu)和催化機理，結(jié)果表明，盡管不同類型的CA具有不同的蛋白質(zhì)序列，但催化的活性中心都是帶羥基的Zn2+離子，CA的加入可明顯提高CO2水合速率。CA催化水合反應(yīng)機理如圖2所示。在分子間質(zhì)子轉(zhuǎn)移中，CA處于活性狀態(tài)，氫氧離子結(jié)合到鋅上，二氧化碳分子靠近氨基酸側(cè)鏈，這里稱為質(zhì)子通道，向溶液中的緩沖分子釋放質(zhì)子。然后結(jié)合鋅的羥基對碳原子進行親核攻擊與附近的二氧化碳分子反應(yīng)，產(chǎn)生結(jié)合鋅的碳酸氫鹽。水分子將碳酸氫鹽交換到溶液后，酶處于不活躍狀態(tài)，水與鋅結(jié)合。為了恢復(fù)CA的催化活性，必須從與鋅結(jié)合的水分子中去掉一個質(zhì)子。質(zhì)子通過質(zhì)子通道完成分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移，這種轉(zhuǎn)移發(fā)生在氫鍵水分子之間[41]。

圖2 CA催化水合反應(yīng)的機理[42]

使用MEA溶劑吸收CO2是迄今為止捕集CO2最成熟的技術(shù)。但MEA溶劑仍存在再生能量高、溶劑降解、揮發(fā)性大、毒性大等問題[43]。Feron[44]認(rèn)為可形成碳酸氫鹽的溶劑(如叔胺和堿性碳酸鹽)是一種很有前途的替代物。Gladis等[45]探究了碳酸酐酶對MEA、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)、MDEA和K2CO3溶劑吸收CO2能力的影響。研究表明，CA的加入對各溶劑液相傳質(zhì)系數(shù)的影響依次為：MDEA顯著提高，K2CO3和AMP略有增加，而MEA基本不變。說明CA對于可形成碳酸氫鹽溶劑的催化效果更好。Leimbrink等[46]將包埋在有機硅基聚合物基質(zhì)中的CA加入MDEA水溶液后，與空白MDEA溶劑相比，在固定化CA的存在下，CO2總吸收摩爾流量增加了6倍。Gladis等[47]研究發(fā)現(xiàn)，CA的加入對提高MDEA溶劑CO2捕集率有積極影響，增加酶的添加量可進一步提高捕集效率。中試吸收試驗表明，CA的加入對CO2傳質(zhì)速率有明顯促進作用，30%的MDEA溶劑在10 m柱高時可捕集18%～23%CO2，在相同液氣比范圍內(nèi)，加入0.85 g/L CA后的CO2捕集率在36%～49%。當(dāng)CA濃度增加到3.5 g/L時，捕集效率高達(dá)48%～83%。Ai等[48]將固定在環(huán)氧磁性復(fù)合微球上的CA酶加到10%的MDEA溶液中，CO2吸收速率比原MDEA溶液提高近40%，反應(yīng)平衡時間從150 min縮短到90 min，經(jīng)7次循環(huán)使用后，固定化CA的活性在313.15 K時仍接近其初始值。劉彬等[49]研究發(fā)現(xiàn)牛碳酸酐酶(BCA)的加入可顯著提高MDEA吸收CO2的反應(yīng)速率，且反應(yīng)速率隨BCA濃度的增加而增大。CA在二氧化碳捕集中的催化性能見表3。

表3 CA在二氧化碳捕集中的催化性能

K2CO3溶液使用時需要較低的再生能量，更環(huán)保，但吸收動力學(xué)較慢，因此需要較大且昂貴的吸收塔才能操作。這一工業(yè)限制可以向K2CO3溶液中添加CA等促進劑來解決。Hu等[54]用濕壁柱測定了323 K下，耐熱CA在30% K2CO3溶液(pH=11～12)中的催化系數(shù)為5.3×108M-1s-1。耐熱CA在pH=10.6～10.8、323 K的30% K2CO3溶液中連續(xù)運行8 h后較穩(wěn)定，初始催化效率仍保持在70%以上。Qi等[52]在吸收塔溫度40 ℃、汽提塔壓力35 kPa條件下，在23.5% K2CO3溶劑中加入2.5 g/L的CA，集成小試系統(tǒng)成功運行500 h后，CO2平均捕集率為84%。通過濕壁柱試驗表明，當(dāng)加入2 g/L CA時，CO2傳質(zhì)系數(shù)可顯著提高5倍。

2.2 對二氧化碳礦化生成碳酸鈣的誘導(dǎo)作用

隨著碳濃縮機制的發(fā)展，一些細(xì)菌可以將高含量CO2轉(zhuǎn)化為碳酸鈣(CaCO3)、生物燃料和生物表面活性劑等高附加值產(chǎn)品。CA將CO2通過生物礦化固定為CaCO3的過程中發(fā)揮了重要作用。利用CA誘導(dǎo)礦化是一種高效、穩(wěn)定、生態(tài)友好且可長期儲存CO2的方法[60]。Li等[61]研究表明CA可以加快CaCO3的沉淀速率，CaCO3主要晶相為方解石。Cizer等[62]研究表明CA有利于形成穩(wěn)定的CaCO3，并通過形成新的晶面顯著改變其形態(tài)。CA誘導(dǎo)CaCO3沉淀的實質(zhì)是催化水中Ca2+與CO2的反應(yīng)[63]。微生物產(chǎn)CA誘導(dǎo)CaCO3沉淀機理如圖3所示，反應(yīng)方程[64]為

1)氣態(tài)二氧化碳溶解于水中，生成水合二氧化碳：

(1)

2)水合二氧化碳與水反應(yīng)生成H2CO3：

(2)

(3)

(4)

(5)

圖3 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣在溶液中沉淀的機理模型[64]

上述反應(yīng)中影響CaCO3生成的限速步驟主要是CO2和水反應(yīng)生成碳酸氫鹽。自然界中，CO2水合反應(yīng)速率相當(dāng)慢，轉(zhuǎn)化系數(shù)僅為1.3×10-1s-1，CA存在可以加速上述反應(yīng)，CO2水合物轉(zhuǎn)化系數(shù)顯著提高到1.0×106s-1，是自然界的107倍。因此，CA加速CO2的水合反應(yīng)是CaCO3沉淀的主導(dǎo)因素。

在CA誘導(dǎo)礦化過程中，CA活性受各種因素影響，如溫度、酸堿度和Ca2+濃度。因此，研究不同因素對CA活性的影響，進一步闡明CA促進CaCO3礦化的機理具有重要意義。Li等[65]研究了不同Ca2+濃度下CA催化CaCO3沉淀的動力學(xué)。CaCO3沉淀速率隨Ca2+濃度的增加而增加，但Ca2+濃度高于100 mmol/L時對CA催化CaCO3沉淀有負(fù)面影響。Li等[66]研究了CA在初始pH分別為6.0、6.5、7.0和8.0時促進CaCO3沉淀的動力學(xué)。結(jié)果表明，初始pH=8.0時，體系中Ca2+離子在48 h內(nèi)完全沉淀，分別比初始pH為6.0、6.5和7.0時提前21、15和14 h，說明在試驗pH范圍內(nèi)，較高的pH值有利于CA催化CaCO3沉淀。袁亮[67]研究了溫度、pH值和Ca2+濃度對細(xì)菌生長、CA活性的影響。結(jié)果表明，25 ℃時CA活性最高，有利于CaCO3沉淀；初始pH值為8.5時，CaCO3沉淀最多；Ca2+濃度為50 mmol/L時，細(xì)菌生長繁殖最好，過低的Ca2+濃度會影響CaCO3生成，而過高的Ca2+濃度則會嚴(yán)重影響細(xì)菌生長，降低細(xì)菌活性。

3 結(jié)語與展望

碳酸酐酶(carbonic anhydrase，CA)是一種以Zn2+為活性中心的金屬酶，具有巨大的生物催化潛力。但由于CA自身的熱穩(wěn)定性不高和重復(fù)利用率較低，限制了其大規(guī)模應(yīng)用，因此，分子修飾、定向進化和酶固定化等被用來提高其穩(wěn)定性和活性。近幾年研究方向逐漸將這幾種策略結(jié)合起來，如將分子修飾后的CA進行固定化應(yīng)用于CO2捕集。固定化載體材料不僅具有較高的機械和化學(xué)穩(wěn)定性，還要避免外界因素導(dǎo)致CA浸出，更重要的是，這種新型材料的制備條件應(yīng)簡單溫和，很好地保留固定化過程中CA的活性。此外，載體材料應(yīng)與底物有足夠的親和力，以增強CO2的捕集和傳質(zhì)。雖然CA可以通過CO2的水合作用促進碳的捕集和分離過程，但離實際應(yīng)用還有差距。對此，可從以下方面進行研究：

1)開發(fā)具有更高活性和穩(wěn)定性的新型CA。利用基因克隆、蛋白質(zhì)工程和合成生物學(xué)等理論，可以設(shè)計出對各種極端環(huán)境適應(yīng)性強的游離CA。

2)廉價高性能載體材料的開發(fā)。載體材料應(yīng)具有較高的機械和化學(xué)穩(wěn)定性，以抑制CA浸出、避免外界侵襲。此外，新型材料的制備條件應(yīng)簡單溫和，以很好地保留固定化過程中CA的活性。

3)進一步探究CA內(nèi)在因素和外界條件對其工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生的阻礙，如酶的成本、批量生產(chǎn)、熱穩(wěn)定性、貯藏穩(wěn)定性、催化壽命以及其對SOx和NOx等煙道氣成分的耐受性等問題。