基于酶促反應(yīng)的二氧化碳捕集技術(shù)研究進(jìn)展

張士漢, 邵培靜, 葉杰旭, 沈 遙

(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 浙江 杭州 310014;2. 臺州科技職業(yè)學(xué)院 農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院, 浙江 臺州 318020)

0 引 言

據(jù)中國國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,自1980年以來,我國能源消費(fèi)總量不斷增長,其中煤炭消費(fèi)比值占一半以上。煤炭燃料的燃燒導(dǎo)致大量二氧化碳(CO2)排放。2020年,我國的能源消費(fèi)總量為49.8億t標(biāo)準(zhǔn)煤,CO2總排放量約99億t,占全球總排放量的30.9%,居全球第一[1]。由于CO2的排放量占溫室氣體總排放量的81%,現(xiàn)已成為最重要的溫室氣體[2]。我國于2020年9月22日在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出:二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3]。然而,作為全球最大的能源消費(fèi)國家以及碳排放國家,我國要在不到40年的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo),則面臨著巨大的挑戰(zhàn),必須針對我國當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)情況,加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,加快綠色清潔能源發(fā)展,降低各產(chǎn)業(yè)碳排放量,制定符合我國現(xiàn)狀的節(jié)能減排實(shí)施路徑[4]。

電力、熱力行業(yè)是當(dāng)前我國產(chǎn)生CO2排放最為主要的部門。二氧化碳捕集利用和封存(CCUS)技術(shù)能夠?qū)O2從能源利用、工業(yè)過程等排放源或空氣中捕集分離后加以封存或利用,因此可以實(shí)現(xiàn)化石燃料利用后降低碳排放,從而促進(jìn)電力、熱力等行業(yè)的深度碳減排,是助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo),推動社會可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)手段[5]。CCUS技術(shù)主要有吸附法、吸收法、膜分離法和鈣循環(huán)法等。以吸收法為例,其技術(shù)成熟度高,應(yīng)用于傳統(tǒng)發(fā)電廠不需要進(jìn)行較大的設(shè)備改造,運(yùn)營成本較低[6]。但現(xiàn)有CCUS技術(shù)均存在傳質(zhì)速率較慢、能耗損失較大、選擇性較差等缺點(diǎn)[7-8]。為解決這些技術(shù)瓶頸,研究者們提出利用生物催化劑這一措施,該措施既不改變氣液平衡過程,又可大幅降低CO2捕集能耗,且二次污染風(fēng)險(xiǎn)低,對環(huán)境友好。碳酸酐酶(CA)是一種高效的CO2水合催化劑,將其應(yīng)用在CCUS技術(shù)中,可提高CO2的水合反應(yīng)速率,有效解決傳統(tǒng)工藝中的能耗損失,逐漸成為了CO2捕集研究的熱點(diǎn)[9]。

本文介紹了以CA酶作為生物催化劑強(qiáng)化CO2吸收的作用機(jī)理和酶促強(qiáng)化捕集技術(shù),總結(jié)了CA酶的固定方法及其應(yīng)用于CO2捕集研究的最新研究進(jìn)展。

1 碳酸酐酶的性質(zhì)

CA酶是于1933年首次在紅細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的含有金屬鋅的蛋白酶[10]。大部分CA酶以鋅離子為活性中心,能夠高效且可逆地催化CO2進(jìn)行水合反應(yīng)轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽。根據(jù)遺傳進(jìn)化及蛋白質(zhì)序列的差異,CA酶被分為八個族,即α、β、γ、δ、ζ、η、θ和ι。其中,α-CA廣泛存在于脊椎動物、綠色植物、藻類和許多革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)中;β-CA主要存在于革蘭氏陰性和陽性細(xì)菌、藻類植物、真菌和一些古細(xì)菌中;γ-CA被發(fā)現(xiàn)存在于古菌、藍(lán)細(xì)菌等;δ-,ζ-和θ-CA似乎只存在于海洋硅藻中(ζ-CA的活性中心為鎘離子);而η-CA存在于原生動物中;ι-CA存在于海洋浮游植物和細(xì)菌中。此外,目前研究表明,CA眾多同工酶中,CA-Ⅱ是最重要的、研究最深入的、催化效率最高的鋅酶,轉(zhuǎn)化率可達(dá)106s-1。

CA-Ⅱ的分子量約為30 kDa,含有約260個氨基酸殘基,金屬Zn2+是其重要的不可或缺的活性中心。在空間結(jié)構(gòu)上,它整個分子近似于球形結(jié)構(gòu),其尺寸約為5 nm×4 nm×4 nm[11]。CA酶分子的主要二級結(jié)構(gòu)由10條β鏈組成,與催化活性相關(guān)的大多數(shù)氨基酸殘基都位于此結(jié)構(gòu)中。此外,CA酶分子表面還分布有一些α-螺旋結(jié)構(gòu)。如圖1所示,CA酶的活性中心是由Zn2+與β鏈上的氨基酸殘基His 94、His 96、His 119中的咪唑基側(cè)鏈中的三個氮原子配位結(jié)合,然后與親核基團(tuán)-OH-中的氧原子相連接而形成的四面體結(jié)構(gòu)[12]。此外,CA酶的活性中心兩側(cè)有兩個突出的區(qū)域,一個是疏水區(qū)域,另一個是親水區(qū)域。疏水“口袋”由氨基酸Leu 198、Val 121、Val 143、Trp 209、Leu 141和Val 207組成,它在捕獲CO2分子方面起著重要作用。而親水區(qū)域包括氨基酸His 64、Asn 62、Tyr 7、Thr 199、Thr 200和Asn 67,它負(fù)責(zé)CO2水合反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子和碳酸氫鹽的運(yùn)動[13]。其中,His 64可以充當(dāng)質(zhì)子“梭”,將與Zn2+結(jié)合的水轉(zhuǎn)化為與Zn2+結(jié)合的氫氧化物。Thr 199則可以接受來自與Zn結(jié)合的氫氧化物上的一個氫鍵,又轉(zhuǎn)移一個氫鍵給其他具有氫鍵受體的氨基酸殘基。不同配體之間相互結(jié)合作用,形成了一個氫鍵網(wǎng)狀系統(tǒng),從而有效發(fā)揮CA酶的催化作用。

圖1 碳酸酐酶的基本結(jié)構(gòu)及活性中心Fig. 1 Structure and active site of carbonic anhydrase

圖2 CA酶催化CO2水合反應(yīng)的作用機(jī)制[12]Fig. 2 Mechanism of CA enzyme catalyzing CO2 hydration reaction[12]

2 酶促強(qiáng)化CO2捕集技術(shù)

基于CA酶的生物催化系統(tǒng)可以有效促進(jìn)CO2的捕集和分離,利用CA酶的CO2捕集技術(shù)中,備受關(guān)注的主要包括溶劑吸收、選擇性膜分離和生物誘導(dǎo)礦化。

2.1 溶劑吸收

目前,吸收法捕集CO2的常用化學(xué)溶劑為醇胺(MEA、MDEA、DETA、AMP、PZ等)和碳酸鹽溶液(K2CO3、Na2CO3)。利用醇胺溶液吸收CO2具有CO2吸收容量較大、容易解吸等優(yōu)點(diǎn),但是產(chǎn)物易降解,副產(chǎn)物較多,吸收焓較高,再生能耗較高。利用碳酸鹽溶液吸收CO2所需的再生能量較低,對環(huán)境更友好,但其吸收動力學(xué)較慢,要求吸收塔更大更高,資金成本較大。CA酶能明顯提高CO2水合反應(yīng)速率,既不影響氣液平衡狀態(tài),又可以降低吸收焓,將其投入化學(xué)吸收劑中有利于CO2的捕集并提高經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)經(jīng)典的傳質(zhì)阻力模型分析,當(dāng)吸收CO2(包括發(fā)生化學(xué)反應(yīng))時(shí),液相傳質(zhì)系數(shù)會通過增強(qiáng)因子E而進(jìn)行改變。以游離或固定的形式引入CA酶的目的是增加E,從而降低液相傳質(zhì)阻力,并影響所需的設(shè)備尺寸[14]。有研究表明,在Na2CO3水溶液或MDEA水溶液中添加CA酶均可顯著提高CO2吸收速率,進(jìn)一步建模顯示當(dāng)分別使用含1 kg·m-3CA酶的Na2CO3水溶液和含0.5 kg·m-3CA酶的MDEA水溶液作為吸收劑時(shí),均可以使商業(yè)規(guī)模的CO2吸收塔高度比使用MEA作為吸收劑時(shí)降低90%以上[15]。Ye等[16]發(fā)現(xiàn),溫度為40～60 ℃的條件下,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% K2CO3-KHCO3溶液中存在CA酶時(shí),CO2吸收速率提高了2～6倍。

一些研究者將CA酶固定化在吸收塔填料或其他載體材料后用于催化吸收CO2。Iliuta等[17]將hCA Ⅱ酶固定化在新型無規(guī)則填料上,所構(gòu)建的逆流式填料吸收塔壓降低且吸收容量大。Leimbrink等[18-19]將CA酶固定在多孔二氧化硅顆粒上,然后封裝在Sulzer Katapak-SP規(guī)整填料中,并在中試條件下評估了游離CA酶和固定化CA酶對MDEA溶液吸收煙氣中CO2的促進(jìn)作用。與無酶時(shí)相比,添加了游離CA酶的30%(質(zhì)量比)MDEA水溶液對CO2的吸收速率增加了9倍以上,但使用固定化CA酶時(shí)捕集效果提升較少,為1.5倍左右,需通過改進(jìn)填料結(jié)構(gòu)以提高酶負(fù)載量。Leimbrink等[20]進(jìn)一步將CA酶包埋在有機(jī)硅聚合物基質(zhì)中(稱為BDS微粒),該種微粒具有較高的內(nèi)部孔隙率,酶負(fù)荷達(dá)到了13%(質(zhì)量比)。經(jīng)逆流式填充柱測試發(fā)現(xiàn),BDS微粒的催化效率雖略低于游離CA酶,但與空白MEDA溶液相比,BDS微粒存在時(shí)的CO2總吸收摩爾流量是其4.8～6倍,并且BDS微粒的穩(wěn)定性較佳。Zhu等[21]通過戊二醛交聯(lián)法將CA酶固定在海藻酸鹽聚合物中,發(fā)現(xiàn)固定化CA酶的pH和熱穩(wěn)定性顯著高于游離CA酶,能有效提高立式反應(yīng)器中的CO2吸收速率,并且具有較好的可重復(fù)使用性,經(jīng)六次循環(huán)使用后其初始活性保留率仍接近61%。

2.2 選擇性膜分離

選擇性膜分離技術(shù)具有能耗低、可加工性高和維護(hù)成本較低等優(yōu)點(diǎn),但受到膜厚度和選擇性的限制。性能優(yōu)異的CO2分離膜具有高CO2選擇性和高CO2滲透速率。將CA酶固定在用于氣體分離的膜中,隨著CO2轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽或碳酸鹽,CO2的擴(kuò)散效率提高,從而有效增加了CO2的滲透性和選擇性[22]。

CA酶和選擇性膜最初主要一起應(yīng)用于從O2中分離CO2,少量的CA酶水溶液通過毛細(xì)力固定在多孔膜的孔隙中,組成支撐液膜[23-24]。然而,這種支撐液膜的主要缺點(diǎn)是由跨膜壓差和液體蒸發(fā)產(chǎn)生機(jī)械損失造成的穩(wěn)定性不足。在實(shí)際工業(yè)中,支撐液膜的應(yīng)用必須克服液膜機(jī)械穩(wěn)定性不足的問題。因此,研究者們提出在多孔膜之間截留CA酶液膜[25-26]。Bao等[27]通過將CA酶液膜置于兩個中空纖維膜(HFCLM)中實(shí)現(xiàn)液膜截留,從而使新鮮的CA酶溶液能夠連續(xù)被供應(yīng),減少蒸發(fā)產(chǎn)生的損失。同時(shí),它們可以承受比支撐液膜更大的壓力差。Trachtenberg等[28]則將CA酶固定在中空纖維膜的外壁上,以確保CA酶和CO2在氣液界面上的接觸,大大提高了膜的CO2選擇性。Fu等[29]開發(fā)了一種高CO2選擇性的超薄仿生膜,即直接將CA酶固定于羥基改性的二氧化硅膜的納米通道(8 nm直徑)中,因納米限制膜的穩(wěn)定性大幅提高,并且在常溫常壓條件下具有很高的CO2滲透率,達(dá)到2 600個氣體滲透單位。此外,一些研究者還利用多孔、高度親水的水凝膠固定CA酶,并將其置于中空纖維膜的孔隙中,大大提高了CA酶的穩(wěn)定性,但由于水凝膠的高傳質(zhì)阻力,固定化酶利用的充分性會受到一定影響[30-31]。

2.3 生物誘導(dǎo)礦化

21世紀(jì)初,Gillian等[33]首次提出利用生物誘導(dǎo)CO2轉(zhuǎn)化為固體礦物(鈣/鎂)碳酸鹽。近些年來,國內(nèi)外在將CO2生物誘導(dǎo)礦化成固體礦物方面取得了重大進(jìn)展。研究表明,CA酶是促進(jìn)碳酸鹽礦化的關(guān)鍵酶之一,它有利于CaCO3沉淀的生成[34]。CA酶誘導(dǎo)礦化的過程會受到溫度、pH、酶濃度、Ca2+濃度等多種因素的影響。如Mirjafari等[35]發(fā)現(xiàn)在CO2礦化過程中,隨著反應(yīng)溫度的升高,CA酶活性降低,CO2溶解度也隨之降低,從而使礦化產(chǎn)物CaCO3的生成量降低,但CA酶含量的影響相對較小。由于CA酶誘導(dǎo)礦化技術(shù)的高效性、安全性和環(huán)境友好性,該技術(shù)將愈發(fā)受到關(guān)注。

3 碳酸酐酶的固定化

眾所周知,酶是“脆弱”的分子,易受環(huán)境條件(溫度、pH、離子強(qiáng)度等)影響,且CA酶體積較小(CA酶分子的平均尺寸為5 nm×4 nm×4 nm[11]),難以回收和循環(huán)利用[36-37]。燃煤電廠典型煙氣環(huán)境溫度為40～60 ℃,高于CA酶的適宜溫度,且組分復(fù)雜,易造成酶的失活。因此,在工業(yè)應(yīng)用中,通常采用酶固定化手段來提高酶的穩(wěn)定性及循環(huán)利用性,從而降低CO2捕集中的CA酶成本[38-39]。固定化載體和固定方法對固定化效率有直接影響,并可能導(dǎo)致酶的理化性質(zhì)發(fā)生變化,在實(shí)際操作中可能會導(dǎo)致酶出現(xiàn)活性降低,如傳質(zhì)限制、酶構(gòu)象改變等[9, 40]。酶固定手段通常包括吸附、共價(jià)鍵合、封裝合交聯(lián)等,如圖3所示[41-42]。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),見表1。

表1 固定化手段的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of theimmobilization methods

圖3 傳統(tǒng)的固定方法Fig. 3 Traditional immobilization methods

3.1 物理吸附

物理吸附是一種通過弱相互作用力(如氫鍵、靜電作用、疏水作用或范德華力)介導(dǎo)的固定方法。該方法操作簡單,一般通過改變酶濃度、載體材料劑量、溫度、pH、攪拌速度等優(yōu)化固定化條件。因此,酶的固定效果在很大程度上取決于載體的物化性質(zhì)。載體的比表面積增大有利于酶的吸附,親水性載體則往往比疏水性載體更適合用于酶吸附[40, 43]。一般情況下,酶與載體之間的弱相互作用可以使得固定時(shí)酶發(fā)生較小的構(gòu)象變化[39, 44-45]。

為了探尋最佳的酶吸附性能,研究者們已經(jīng)研究了以無機(jī)材料、有機(jī)材料和復(fù)合材料等為載體的固定化CA酶性能。如Vinoba等[46]開展了球形介孔二氧化硅(SBA-15)吸附固定CA酶的研究,結(jié)果顯示固定化后酶活性能保留游離CA酶時(shí)的90%左右,但在重復(fù)利用過程中酶活性會顯著減少。這是由于利用弱相互作用力固定CA酶,酶容易浸出從而降低表觀活性。該課題組又利用了銀或金納米粒子覆蓋的改性SBA-15固定CA酶,蛋白質(zhì)和金屬之間較大的靜電相互作用力使固定化酶獲得了更好的穩(wěn)定性,其中固定化在金納米粒子覆蓋的SBA-15上的CA酶儲存20 d后仍保留初始活性的98%左右[47-48]。Shao等[49]將CA酶固定于具有相同化學(xué)組成但不同結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅中,發(fā)現(xiàn)CA酶負(fù)載分布情況取決于材料孔徑。Kim等[50]利用肽重組修飾CA酶后,將這種蛋白質(zhì)吸附在二氧化硅和二氧化鈦顆粒上。這種重組CA酶被選擇性固定在載體上,并發(fā)現(xiàn)得到的固定化生物催化劑具有更好的可重復(fù)使用性(5次循環(huán)后仍保留95%的酶活性)。Khameneh等[44]使用納米多孔硅(KIT-6)作為吸附BCA II酶的載體,發(fā)現(xiàn)固定化CA酶熱穩(wěn)定性明顯提升,其最佳催化溫度較游離BCA II酶提高了約10 ℃,且在60 ℃孵育30 min后,固定化酶的保留活性為43%,而游離酶保留活性僅剩17%。Snehal等[51]將CA酶吸附固定在以蛋殼膜(ESM)為模板制備的介孔氧化鋁(ESMAl)上,盡管固定化酶的保留活性約為53%,但其半衰期較游離酶提高了1.25倍。Prabhu等[52]將CA酶固定在殼聚糖基活性氧化鋁-碳復(fù)合材料上,研究結(jié)果顯示酶活性隨吸附時(shí)間、pH、酶濃度和載體劑量的改變而改變,在最優(yōu)吸附條件下,固定化CA酶的半衰期是游離酶的近1.4倍。Sharma等[32]成功將CA酶固定在殼聚糖-KOH微珠上,并實(shí)現(xiàn)了89%的高酶負(fù)載率,且固定后CA酶的儲存穩(wěn)定性提高了2.02倍。

3.2 共價(jià)鍵合

通過共價(jià)鍵結(jié)合來固定酶是一種不可逆的方法。通常,載體需要羥基、羧基、胺、環(huán)氧樹脂等官能團(tuán)的存在,并通過共價(jià)鍵與酶上的官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。共價(jià)鍵合的主要優(yōu)點(diǎn)是可有效提高固定化酶的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性[39]。但利用表面改性的載體材料與酶共價(jià)鍵合制備得到的固定化酶,其酶構(gòu)象易受到共價(jià)鍵影響而發(fā)生改變,從而降低酶活性。

目前,不同的無機(jī)、有機(jī)等材料均已被作為CA酶的載體進(jìn)行了大量研究。對于無機(jī)材料來說,其穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較高,相關(guān)研究也較多。Zhang等[53]基于共價(jià)偶聯(lián)方法將CA酶固定在改性的活性炭和可控孔玻璃上,所得固定化CA酶可有效促進(jìn)CO2吸收到碳酸鉀溶液中,適用于IVCAP工藝。盡管固定化后活性降低,但與游離酶相比,固定化酶結(jié)構(gòu)硬化使其穩(wěn)定性顯著改善。Sahoo等[54]將CA酶共價(jià)結(jié)合固定在CaCO3/H3BO3/SiO2上,有效提高了其在混合吸收劑中的穩(wěn)定性,連續(xù)重復(fù)使用15個循環(huán)后仍能保留初始活性的90%。Pierce等[55]將CA酶活化后共價(jià)結(jié)合于胺化的磁性Fe3O4納米顆粒上,研究發(fā)現(xiàn)盡管共價(jià)結(jié)合較穩(wěn)定,但該固定化酶在高鹽溶液中捕獲CO2時(shí)仍需考慮酶浸出對活性的影響。針對有機(jī)復(fù)合材料,其主要為疏水性聚合物膜(PVDF、PP等),常用于氣液膜接觸器。例如,Sun等[56]制備了水等離子體改性的PVDF平膜,在表面上引入了羥基,然后通過不同硅烷對膜進(jìn)行進(jìn)一步的胺或環(huán)氧官能化,發(fā)現(xiàn)表面官能化基團(tuán)不同,酶負(fù)載及活性結(jié)果也不同。在后續(xù)研究中他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),表面胺官能團(tuán)密度越大,則與表面結(jié)合的酶越多,從而提高了酶負(fù)載率[57]。Merle等[58]利用電沉積法將聚(氨基丙基)吡咯膜涂覆在高度多孔的碳基載體(碳泡沫),再將CA酶共價(jià)固定在該膜上。由于共價(jià)結(jié)合不是位點(diǎn)特異性的,因此當(dāng)酶與載體連接時(shí),其方向是隨機(jī)的,其中CA酶或直接連接至涂層,或通過墊片連接。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過墊片連接,可減少酶與載體間的空間位阻,更有利于提高酶負(fù)載和保留酶活性。

3.3 交 聯(lián)

交聯(lián)法是通過采用交聯(lián)劑與酶分子中的氨基或羧基發(fā)生反應(yīng),形成酶分子團(tuán)交聯(lián)產(chǎn)生的共價(jià)互連的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它與共價(jià)鍵合方法缺點(diǎn)相似,即酶結(jié)構(gòu)易受到交聯(lián)劑等影響而發(fā)生變化。常用的交聯(lián)劑有戊二醛、乙二胺、雙偶氮苯、鞣酸等。交聯(lián)法一般作為其它方法(如共價(jià)鍵合法)的輔助手段使用。例如,Peirce等[59-60]制備了CA酶和磁性納米顆粒(NPs)的磁性交聯(lián)酶聚集體,并通過優(yōu)化固定化方案(包括溫度、時(shí)間、戊二醛濃度、酶/載體比和攪拌條件)獲得了最佳酶負(fù)載率和酶活性,酶活性保留約90%。Bora等[61]將CA酶以交聯(lián)的方式固定在聚氨酯泡沫上,所得固定化CA酶具有良好的熱穩(wěn)定性,50 ℃條件下仍可保留98%的活性。Jun等[62]利用電紡納米纖維作為載體制備得到的交聯(lián)酶聚集體,在水溶液中孵育868 d后仍能保持65.3%的初始活性,其儲存穩(wěn)定性顯著優(yōu)于表面共價(jià)連接的得到的單層固定化CA酶和游離酶。Sun等[63]利用親水性聚乙烯亞胺和多巴胺修飾聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯(PE)膜,再用交聯(lián)劑戊二醛將CA酶固定到親水膜表面。在室溫下儲存30 d后,固定化CA酶(CA-PEI/PDA-PVDF和CA-PEI/PDA-PE)的活性分別僅降至初始值的64.43%和77.76%,而游離CA酶為54%。交聯(lián)酶聚集體較高的酶穩(wěn)定性(溫度、pH、儲存等)使其在CO2捕集領(lǐng)域中具有一定的應(yīng)用前景[64]。

3.4 封 裝

封裝是基于酶可被限制在載體材料內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,且該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)僅允許底物和產(chǎn)物通過的一種酶固定手段。酶被限制在載體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi),有助于防止酶過度聚集,且酶不與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)作用,這樣酶的空間構(gòu)象破壞較小,可保留大部分酶活性。大分子有機(jī)聚合物因其排列有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以,被廣泛用作酶封裝載體。例如,Oviya等[65]利用封裝技術(shù)將CA酶封裝于殼聚糖-藻酸鹽聚電解質(zhì)復(fù)合物中,得到的固定化酶在8次循環(huán)使用后剩余53%的初始活性。Simsek-Ege等[66]將BCA酶封裝在殼聚糖-藻酸鹽體系中,該固定方式有效降低了長期儲存過程中的酶浸出損失。Zhang等[67-68]以制備的聚(丙烯酸-丙烯酰胺共聚物)/水滑石納米復(fù)合水凝膠作為載體,通過封裝和共價(jià)鍵合的方法固定CA酶,其中,酶和復(fù)合水凝膠之間的多點(diǎn)共價(jià)連接增強(qiáng)了酶的機(jī)械強(qiáng)度,從而增加了酶在有機(jī)溶劑及高溫條件下的穩(wěn)定性。封裝得到的固定化酶的比活性(90.9%,基于游離酶)很高,可能是由于水凝膠多孔結(jié)構(gòu)中存在的游離水可以為CA酶提供更好的生存條件,酶構(gòu)象改變較小,從而使酶活性保留較高。

近年來,金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)的興起促進(jìn)了生物催化劑制備技術(shù)的發(fā)展。比如,一些MOFs(如沸石咪唑酯骨架(ZIF))制造條件溫和,允許在其在合成中加入酶,從而可以將酶有效地包埋在晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)。Asadi等[69]通過“一鍋合成”的方法制備了固定化BCA酶(BCA-ZIF-8),結(jié)果表明在合成過程中晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生較大改變,且固定化酶具有比游離酶更高的比活性。Du等[70]通過聚乙烯吡咯烷酮(PVP)將CA酶分散封裝在ZIF-L晶體內(nèi),并通過CO2水合反應(yīng)評估酶活性。研究發(fā)現(xiàn),該固定化酶的催化活性是游離酶的約1.5倍,且穩(wěn)定性好(20 d后仍有120%比活性),重復(fù)利用率高(循環(huán)使用6次仍有130%比活性)。因此未來基于MOFs材料的酶的固定化技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。

4 結(jié)語與展望

綜上所述,CA酶促強(qiáng)化CO2水合反應(yīng)的CO2捕集技術(shù)是一種高效可行且環(huán)境友好的手段。使用CA酶(游離在反應(yīng)器中或固定在不同載體上)作為催化劑,可以有效提高CO2捕集效率,同時(shí)豐富的酶固定化手段可進(jìn)一步克服游離酶易失活、難回收的缺點(diǎn)。然而,相關(guān)研究仍存在著諸多未解決的技術(shù)難題。1)CA酶本身方面:CA酶的熱穩(wěn)定性、工業(yè)應(yīng)用適用性等還有待進(jìn)一步提升。因此,需致力于通過基因克隆、蛋白質(zhì)工程等途徑開發(fā)工程性CA酶,以提高CA酶的活性、穩(wěn)定性和對工業(yè)極端條件的適應(yīng)性,促進(jìn)其工業(yè)規(guī)模應(yīng)用。與此同時(shí),還可以人工模擬CA酶蛋白的金屬中心及其“疏水袋”相互作用,構(gòu)筑更為高效且較為廉價(jià)的仿生催化劑,不僅可克服酶易失活的缺點(diǎn),還能大幅降低工藝成本;2)固定化手段方面:目前已報(bào)道不少CA酶固定化的研究,但是酶的活性保留率及穩(wěn)定性仍不夠理想,十分有必要開發(fā)新型經(jīng)濟(jì)高效的固定化載體材料并優(yōu)化酶的固定化手段。其中載體材料需具備高機(jī)械強(qiáng)度、簡便溫和的制備條件、低成本、較低的傳質(zhì)阻力和高底物親和力(有效保留酶結(jié)構(gòu))等優(yōu)點(diǎn),并且能抑制CA酶的浸出。盡管采用酶固定化技術(shù)會提高CO2捕集工藝的成本,但能從反應(yīng)器中回收生物催化劑并重復(fù)利用可有效降低成本;3)酶促工藝優(yōu)化方面:通過結(jié)合數(shù)學(xué)模型、實(shí)驗(yàn)和中試等開展固定化CA酶應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)中的研究,同樣很具有挑戰(zhàn)性。評估固定化CA酶在實(shí)際碳捕集工藝中的應(yīng)用情況,分析固定化CA酶投入使用后的穩(wěn)定性和重復(fù)利用性,這對于評價(jià)基于酶促反應(yīng)的CO2捕集工藝的經(jīng)濟(jì)成本有非常重要的作用。