基于酶促反應的二氧化碳捕集技術研究進展

張士漢, 邵培靜, 葉杰旭, 沈 遙

(1. 浙江工業大學 環境學院, 浙江 杭州 310014;2. 臺州科技職業學院 農業與生物工程學院, 浙江 臺州 318020)

0 引 言

據中國國家統計局數據顯示,自1980年以來,我國能源消費總量不斷增長,其中煤炭消費比值占一半以上。煤炭燃料的燃燒導致大量二氧化碳(CO2)排放。2020年,我國的能源消費總量為49.8億t標準煤,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日在第七十五屆聯合國大會上提出:二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和[3]。然而,作為全球最大的能源消費國家以及碳排放國家,我國要在不到40年的時間內實現碳達峰碳中和目標,則面臨著巨大的挑戰,必須針對我國當前的產業情況,加快產業結構調整,加快綠色清潔能源發展,降低各產業碳排放量,制定符合我國現狀的節能減排實施路徑[4]。

電力、熱力行業是當前我國產生CO2排放最為主要的部門。二氧化碳捕集利用和封存(CCUS)技術能夠將CO2從能源利用、工業過程等排放源或空氣中捕集分離后加以封存或利用,因此可以實現化石燃料利用后降低碳排放,從而促進電力、熱力等行業的深度碳減排,是助力實現雙碳目標,推動社會可持續發展的重要技術手段[5]。CCUS技術主要有吸附法、吸收法、膜分離法和鈣循環法等。以吸收法為例,其技術成熟度高,應用于傳統發電廠不需要進行較大的設備改造,運營成本較低[6]。但現有CCUS技術均存在傳質速率較慢、能耗損失較大、選擇性較差等缺點[7-8]。為解決這些技術瓶頸,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,且二次污染風險低,對環境友好。碳酸酐酶(CA)是一種高效的CO2水合催化劑,將其應用在CCUS技術中,可提高CO2的水合反應速率,有效解決傳統工藝中的能耗損失,逐漸成為了CO2捕集研究的熱點[9]。

本文介紹了以CA酶作為生物催化劑強化CO2吸收的作用機理和酶促強化捕集技術,總結了CA酶的固定方法及其應用于CO2捕集研究的最新研究進展。

1 碳酸酐酶的性質

CA酶是于1933年首次在紅細胞中發現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進行水合反應轉化為碳酸氫鹽。根據遺傳進化及蛋白質序列的差異,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菌細胞質中;β-CA主要存在于革蘭氏陰性和陽性細菌、藻類植物、真菌和一些古細菌中;γ-CA被發現存在于古菌、藍細菌等;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,轉化率可達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。在空間結構上,它整個分子近似于球形結構,其尺寸約為5 nm×4 nm×4 nm[11]。CA酶分子的主要二級結構由10條β鏈組成,與催化活性相關的大多數氨基酸殘基都位于此結構中。此外,CA酶分子表面還分布有一些α-螺旋結構。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中的咪唑基側鏈中的三個氮原子配位結合,然后與親核基團-OH-中的氧原子相連接而形成的四面體結構[12]。此外,CA酶的活性中心兩側有兩個突出的區域,一個是疏水區域,另一個是親水區域。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。而親水區域包括氨基酸His 64、Asn 62、Tyr 7、Thr 199、Thr 200和Asn 67,它負責CO2水合反應產生的質子和碳酸氫鹽的運動[13]。其中,His 64可以充當質子“梭”,將與Zn2+結合的水轉化為與Zn2+結合的氫氧化物。Thr 199則可以接受來自與Zn結合的氫氧化物上的一個氫鍵,又轉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合作用,形成了一個氫鍵網狀系統,從而有效發揮CA酶的催化作用。

圖1 碳酸酐酶的基本結構及活性中心Fig. 1 Structure and active site of carbonic anhydrase

圖2 CA酶催化CO2水合反應的作用機制[12]Fig. 2 Mechanism of CA enzyme catalyzing CO2 hydration reaction[12]

2 酶促強化CO2捕集技術

基于CA酶的生物催化系統可以有效促進CO2的捕集和分離,利用CA酶的CO2捕集技術中,備受關注的主要包括溶劑吸收、選擇性膜分離和生物誘導礦化。

2.1 溶劑吸收

目前,吸收法捕集CO2的常用化學溶劑為醇胺(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、容易解吸等優點,但是產物易降解,副產物較多,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,對環境更友好,但其吸收動力學較慢,要求吸收塔更大更高,資金成本較大。CA酶能明顯提高CO2水合反應速率,既不影響氣液平衡狀態,又可以降低吸收焓,將其投入化學吸收劑中有利于CO2的捕集并提高經濟性。

根據經典的傳質阻力模型分析,當吸收CO2(包括發生化學反應)時,液相傳質系數會通過增強因子E而進行改變。以游離或固定的形式引入CA酶的目的是增加E,從而降低液相傳質阻力,并影響所需的設備尺寸[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,進一步建模顯示當分別使用含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,均可以使商業規模的CO2吸收塔高度比使用MEA作為吸收劑時降低90%以上[15]。Ye等[16]發現,溫度為40～60 ℃的條件下,當質量分數20% K2CO3-KHCO3溶液中存在CA酶時,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則填料上,所構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的促進作用。與無酶時相比,添加了游離CA酶的30%(質量比)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酶時捕集效果提升較少,為1.5倍左右,需通過改進填料結構以提高酶負載量。Leimbrink等[20]進一步將CA酶包埋在有機硅聚合物基質中(稱為BDS微粒),該種微粒具有較高的內部孔隙率,酶負荷達到了13%(質量比)。經逆流式填充柱測試發現,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微粒存在時的CO2總吸收摩爾流量是其4.8～6倍,并且BDS微粒的穩定性較佳。Zhu等[21]通過戊二醛交聯法將CA酶固定在海藻酸鹽聚合物中,發現固定化CA酶的pH和熱穩定性顯著高于游離CA酶,能有效提高立式反應器中的CO2吸收速率,并且具有較好的可重復使用性,經六次循環使用后其初始活性保留率仍接近61%。

2.2 選擇性膜分離

選擇性膜分離技術具有能耗低、可加工性高和維護成本較低等優點,但受到膜厚度和選擇性的限制。性能優異的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轉化為碳酸氫鹽或碳酸鹽,CO2的擴散效率提高,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用于從O2中分離CO2,少量的CA酶水溶液通過毛細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是由跨膜壓差和液體蒸發產生機械損失造成的穩定性不足。在實際工業中,支撐液膜的應用必須克服液膜機械穩定性不足的問題。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)中實現液膜截留,從而使新鮮的CA酶溶液能夠連續被供應,減少蒸發產生的損失。同時,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酶的穩定性,但由于水凝膠的高傳質阻力,固定化酶利用的充分性會受到一定影響[30-31]。

2.3 生物誘導礦化

21世紀初,Gillian等[33]首次提出利用生物誘導CO2轉化為固體礦物(鈣/鎂)碳酸鹽。近些年來,國內外在將CO2生物誘導礦化成固體礦物方面取得了重大進展。研究表明,CA酶是促進碳酸鹽礦化的關鍵酶之一,它有利于CaCO3沉淀的生成[34]。CA酶誘導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]發現在CO2礦化過程中,隨著反應溫度的升高,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酶誘導礦化技術的高效性、安全性和環境友好性,該技術將愈發受到關注。

3 碳酸酐酶的固定化

眾所周知,酶是“脆弱”的分子,易受環境條件(溫度、pH、離子強度等)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]),難以回收和循環利用[36-37]。燃煤電廠典型煙氣環境溫度為40～60 ℃,高于CA酶的適宜溫度,且組分復雜,易造成酶的失活。因此,在工業應用中,通常采用酶固定化手段來提高酶的穩定性及循環利用性,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,并可能導致酶的理化性質發生變化,在實際操作中可能會導致酶出現活性降低,如傳質限制、酶構象改變等[9, 40]。酶固定手段通常包括吸附、共價鍵合、封裝合交聯等,如圖3所示[41-42]。每種方法各有優缺點,見表1。

表1 固定化手段的優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of theimmobilization methods

圖3 傳統的固定方法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。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酶發生較小的構象變化[39, 44-45]。

為了探尋最佳的酶吸附性能,研究者們已經研究了以無機材料、有機材料和復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,結果顯示固定化后酶活性能保留游離CA酶時的90%左右,但在重復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組成但不同結構的介孔二氧化硅中,發現CA酶負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,并發現得到的固定化生物催化劑具有更好的可重復使用性(5次循環后仍保留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,發現固定化CA酶熱穩定性明顯提升,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-碳復合材料上,研究結果顯示酶活性隨吸附時間、pH、酶濃度和載體劑量的改變而改變,在最優吸附條件下,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,并實現了89%的高酶負載率,且固定后CA酶的儲存穩定性提高了2.02倍。

3.2 共價鍵合

通過共價鍵結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、環氧樹脂等官能團的存在,并通過共價鍵與酶上的官能團發生化學反應。共價鍵合的主要優點是可有效提高固定化酶的穩定性和可重復使用性[39]。但利用表面改性的載體材料與酶共價鍵合制備得到的固定化酶,其酶構象易受到共價鍵影響而發生改變,從而降低酶活性。

目前,不同的無機、有機等材料均已被作為CA酶的載體進行了大量研究。對于無機材料來說,其穩定性和機械強度較高,相關研究也較多。Zhang等[53]基于共價偶聯方法將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,固定化酶結構硬化使其穩定性顯著改善。Sahoo等[54]將CA酶共價結合固定在CaCO3/H3BO3/SiO2上,有效提高了其在混合吸收劑中的穩定性,連續重復使用15個循環后仍能保留初始活性的90%。Pierce等[55]將CA酶活化后共價結合于胺化的磁性Fe3O4納米顆粒上,研究發現盡管共價結合較穩定,但該固定化酶在高鹽溶液中捕獲CO2時仍需考慮酶浸出對活性的影響。針對有機復合材料,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行進一步的胺或環氧官能化,發現表面官能化基團不同,酶負載及活性結果也不同。在后續研究中他們進一步發現,表面胺官能團密度越大,則與表面結合的酶越多,從而提高了酶負載率[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酶共價固定在該膜上。由于共價結合不是位點特異性的,因此當酶與載體連接時,其方向是隨機的,其中CA酶或直接連接至涂層,或通過墊片連接。實驗結果表明通過墊片連接,可減少酶與載體間的空間位阻,更有利于提高酶負載和保留酶活性。

3.3 交 聯

交聯法是通過采用交聯劑與酶分子中的氨基或羧基發生反應,形成酶分子團交聯產生的共價互連的三維網絡結構。它與共價鍵合方法缺點相似,即酶結構易受到交聯劑等影響而發生變化。常用的交聯劑有戊二醛、乙二胺、雙偶氮苯、鞣酸等。交聯法一般作為其它方法(如共價鍵合法)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)的磁性交聯酶聚集體,并通過優化固定化方案(包括溫度、時間、戊二醛濃度、酶/載體比和攪拌條件)獲得了最佳酶負載率和酶活性,酶活性保留約90%。Bora等[61]將CA酶以交聯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,其儲存穩定性顯著優于表面共價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%。交聯酶聚集體較高的酶穩定性(溫度、pH、儲存等)使其在CO2捕集領域中具有一定的應用前景[64]。

3.4 封 裝

封裝是基于酶可被限制在載體材料內部網絡結構中,且該網絡結構僅允許底物和產物通過的一種酶固定手段。酶被限制在載體網絡結構內,有助于防止酶過度聚集,且酶不與網絡結構發生化學作用,這樣酶的空間構象破壞較小,可保留大部分酶活性。大分子有機聚合物因其排列有序的網絡結構以,被廣泛用作酶封裝載體。例如,Oviya等[65]利用封裝技術將CA酶封裝于殼聚糖-藻酸鹽聚電解質復合物中,得到的固定化酶在8次循環使用后剩余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)/水滑石納米復合水凝膠作為載體,通過封裝和共價鍵合的方法固定CA酶,其中,酶和復合水凝膠之間的多點共價連接增強了酶的機械強度,從而增加了酶在有機溶劑及高溫條件下的穩定性。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構中存在的游離水可以為CA酶提供更好的生存條件,酶構象改變較小,從而使酶活性保留較高。

近年來,金屬有機骨架材料(MOFs)的興起促進了生物催化劑制備技術的發展。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構內。Asadi等[69]通過“一鍋合成”的方法制備了固定化BCA酶(BCA-ZIF-8),結果表明在合成過程中晶體結構沒有發生較大改變,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,并通過CO2水合反應評估酶活性。研究發現,該固定化酶的催化活性是游離酶的約1.5倍,且穩定性好(20 d后仍有120%比活性),重復利用率高(循環使用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具有廣闊的發展前景。

4 結語與展望

綜上所述,CA酶促強化CO2水合反應的CO2捕集技術是一種高效可行且環境友好的手段。使用CA酶(游離在反應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,同時豐富的酶固定化手段可進一步克服游離酶易失活、難回收的缺點。然而,相關研究仍存在著諸多未解決的技術難題。1)CA酶本身方面:CA酶的熱穩定性、工業應用適用性等還有待進一步提升。因此,需致力于通過基因克隆、蛋白質工程等途徑開發工程性CA酶,以提高CA酶的活性、穩定性和對工業極端條件的適應性,促進其工業規模應用。與此同時,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,構筑更為高效且較為廉價的仿生催化劑,不僅可克服酶易失活的缺點,還能大幅降低工藝成本;2)固定化手段方面:目前已報道不少CA酶固定化的研究,但是酶的活性保留率及穩定性仍不夠理想,十分有必要開發新型經濟高效的固定化載體材料并優化酶的固定化手段。其中載體材料需具備高機械強度、簡便溫和的制備條件、低成本、較低的傳質阻力和高底物親和力(有效保留酶結構)等優點,并且能抑制CA酶的浸出。盡管采用酶固定化技術會提高CO2捕集工藝的成本,但能從反應器中回收生物催化劑并重復利用可有效降低成本;3)酶促工藝優化方面:通過結合數學模型、實驗和中試等開展固定化CA酶應用到實際工業中的研究,同樣很具有挑戰性。評估固定化CA酶在實際碳捕集工藝中的應用情況,分析固定化CA酶投入使用后的穩定性和重復利用性,這對于評價基于酶促反應的CO2捕集工藝的經濟成本有非常重要的作用。