基于酶促反应的二氧化碳捕集技术研究进展

张士汉, 邵培静, 叶杰旭, 沈 遥

(1. 浙江工业大学 环境学院, 浙江 杭州 310014;2. 台州科技职业学院 农业与生物工程学院, 浙江 台州 318020)

0 引 言

据中国国家统计局数据显示,自1980年以来,我国能源消费总量不断增长,其中煤炭消费比值占一半以上。煤炭燃料的燃烧导致大量二氧化碳(CO2)排放。2020年,我国的能源消费总量为49.8亿t标准煤,CO2总排放量约99亿t,占全球总排放量的30.9%,居全球第一[1]。由于CO2的排放量占温室气体总排放量的81%,现已成为最重要的温室气体[2]。我国于2020年9月22日在第七十五届联合国大会上提出:二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和[3]。然而,作为全球最大的能源消费国家以及碳排放国家,我国要在不到40年的时间内实现碳达峰碳中和目标,则面临着巨大的挑战,必须针对我国当前的产业情况,加快产业结构调整,加快绿色清洁能源发展,降低各产业碳排放量,制定符合我国现状的节能减排实施路径[4]。

电力、热力行业是当前我国产生CO2排放最为主要的部门。二氧化碳捕集利用和封存(CCUS)技术能够将CO2从能源利用、工业过程等排放源或空气中捕集分离后加以封存或利用,因此可以实现化石燃料利用后降低碳排放,从而促进电力、热力等行业的深度碳减排,是助力实现双碳目标,推动社会可持续发展的重要技术手段[5]。CCUS技术主要有吸附法、吸收法、膜分离法和钙循环法等。以吸收法为例,其技术成熟度高,应用于传统发电厂不需要进行较大的设备改造,运营成本较低[6]。但现有CCUS技术均存在传质速率较慢、能耗损失较大、选择性较差等缺点[7-8]。为解决这些技术瓶颈,研究者们提出利用生物催化剂这一措施,该措施既不改变气液平衡过程,又可大幅降低CO2捕集能耗,且二次污染风险低,对环境友好。碳酸酐酶(CA)是一种高效的CO2水合催化剂,将其应用在CCUS技术中,可提高CO2的水合反应速率,有效解决传统工艺中的能耗损失,逐渐成为了CO2捕集研究的热点[9]。

本文介绍了以CA酶作为生物催化剂强化CO2吸收的作用机理和酶促强化捕集技术,总结了CA酶的固定方法及其应用于CO2捕集研究的最新研究进展。

1 碳酸酐酶的性质

CA酶是于1933年首次在红细胞中发现的含有金属锌的蛋白酶[10]。大部分CA酶以锌离子为活性中心,能够高效且可逆地催化CO2进行水合反应转化为碳酸氢盐。根据遗传进化及蛋白质序列的差异,CA酶被分为八个族,即α、β、γ、δ、ζ、η、θ和ι。其中,α-CA广泛存在于脊椎动物、绿色植物、藻类和许多革兰氏阴性细菌细胞质中;β-CA主要存在于革兰氏阴性和阳性细菌、藻类植物、真菌和一些古细菌中;γ-CA被发现存在于古菌、蓝细菌等;δ-,ζ-和θ-CA似乎只存在于海洋硅藻中(ζ-CA的活性中心为镉离子);而η-CA存在于原生动物中;ι-CA存在于海洋浮游植物和细菌中。此外,目前研究表明,CA众多同工酶中,CA-Ⅱ是最重要的、研究最深入的、催化效率最高的锌酶,转化率可达106s-1。

CA-Ⅱ的分子量约为30 kDa,含有约260个氨基酸残基,金属Zn2+是其重要的不可或缺的活性中心。在空间结构上,它整个分子近似于球形结构,其尺寸约为5 nm×4 nm×4 nm[11]。CA酶分子的主要二级结构由10条β链组成,与催化活性相关的大多数氨基酸残基都位于此结构中。此外,CA酶分子表面还分布有一些α-螺旋结构。如图1所示,CA酶的活性中心是由Zn2+与β链上的氨基酸残基His 94、His 96、His 119中的咪唑基侧链中的三个氮原子配位结合,然后与亲核基团-OH-中的氧原子相连接而形成的四面体结构[12]。此外,CA酶的活性中心两侧有两个突出的区域,一个是疏水区域,另一个是亲水区域。疏水“口袋”由氨基酸Leu 198、Val 121、Val 143、Trp 209、Leu 141和Val 207组成,它在捕获CO2分子方面起着重要作用。而亲水区域包括氨基酸His 64、Asn 62、Tyr 7、Thr 199、Thr 200和Asn 67,它负责CO2水合反应产生的质子和碳酸氢盐的运动[13]。其中,His 64可以充当质子“梭”,将与Zn2+结合的水转化为与Zn2+结合的氢氧化物。Thr 199则可以接受来自与Zn结合的氢氧化物上的一个氢键,又转移一个氢键给其他具有氢键受体的氨基酸残基。不同配体之间相互结合作用,形成了一个氢键网状系统,从而有效发挥CA酶的催化作用。

图1 碳酸酐酶的基本结构及活性中心Fig. 1 Structure and active site of carbonic anhydrase

图2 CA酶催化CO2水合反应的作用机制[12]Fig. 2 Mechanism of CA enzyme catalyzing CO2 hydration reaction[12]

2 酶促强化CO2捕集技术

基于CA酶的生物催化系统可以有效促进CO2的捕集和分离,利用CA酶的CO2捕集技术中,备受关注的主要包括溶剂吸收、选择性膜分离和生物诱导矿化。

2.1 溶剂吸收

目前,吸收法捕集CO2的常用化学溶剂为醇胺(MEA、MDEA、DETA、AMP、PZ等)和碳酸盐溶液(K2CO3、Na2CO3)。利用醇胺溶液吸收CO2具有CO2吸收容量较大、容易解吸等优点,但是产物易降解,副产物较多,吸收焓较高,再生能耗较高。利用碳酸盐溶液吸收CO2所需的再生能量较低,对环境更友好,但其吸收动力学较慢,要求吸收塔更大更高,资金成本较大。CA酶能明显提高CO2水合反应速率,既不影响气液平衡状态,又可以降低吸收焓,将其投入化学吸收剂中有利于CO2的捕集并提高经济性。

根据经典的传质阻力模型分析,当吸收CO2(包括发生化学反应)时,液相传质系数会通过增强因子E而进行改变。以游离或固定的形式引入CA酶的目的是增加E,从而降低液相传质阻力,并影响所需的设备尺寸[14]。有研究表明,在Na2CO3水溶液或MDEA水溶液中添加CA酶均可显著提高CO2吸收速率,进一步建模显示当分别使用含1 kg·m-3CA酶的Na2CO3水溶液和含0.5 kg·m-3CA酶的MDEA水溶液作为吸收剂时,均可以使商业规模的CO2吸收塔高度比使用MEA作为吸收剂时降低90%以上[15]。Ye等[16]发现,温度为40～60 ℃的条件下,当质量分数20% K2CO3-KHCO3溶液中存在CA酶时,CO2吸收速率提高了2～6倍。

一些研究者将CA酶固定化在吸收塔填料或其他载体材料后用于催化吸收CO2。Iliuta等[17]将hCA Ⅱ酶固定化在新型无规则填料上,所构建的逆流式填料吸收塔压降低且吸收容量大。Leimbrink等[18-19]将CA酶固定在多孔二氧化硅颗粒上,然后封装在Sulzer Katapak-SP规整填料中,并在中试条件下评估了游离CA酶和固定化CA酶对MDEA溶液吸收烟气中CO2的促进作用。与无酶时相比,添加了游离CA酶的30%(质量比)MDEA水溶液对CO2的吸收速率增加了9倍以上,但使用固定化CA酶时捕集效果提升较少,为1.5倍左右,需通过改进填料结构以提高酶负载量。Leimbrink等[20]进一步将CA酶包埋在有机硅聚合物基质中(称为BDS微粒),该种微粒具有较高的内部孔隙率,酶负荷达到了13%(质量比)。经逆流式填充柱测试发现,BDS微粒的催化效率虽略低于游离CA酶,但与空白MEDA溶液相比,BDS微粒存在时的CO2总吸收摩尔流量是其4.8～6倍,并且BDS微粒的稳定性较佳。Zhu等[21]通过戊二醛交联法将CA酶固定在海藻酸盐聚合物中,发现固定化CA酶的pH和热稳定性显著高于游离CA酶,能有效提高立式反应器中的CO2吸收速率,并且具有较好的可重复使用性,经六次循环使用后其初始活性保留率仍接近61%。

2.2 选择性膜分离

选择性膜分离技术具有能耗低、可加工性高和维护成本较低等优点,但受到膜厚度和选择性的限制。性能优异的CO2分离膜具有高CO2选择性和高CO2渗透速率。将CA酶固定在用于气体分离的膜中,随着CO2转化为碳酸氢盐或碳酸盐,CO2的扩散效率提高,从而有效增加了CO2的渗透性和选择性[22]。

CA酶和选择性膜最初主要一起应用于从O2中分离CO2,少量的CA酶水溶液通过毛细力固定在多孔膜的孔隙中,组成支撑液膜[23-24]。然而,这种支撑液膜的主要缺点是由跨膜压差和液体蒸发产生机械损失造成的稳定性不足。在实际工业中,支撑液膜的应用必须克服液膜机械稳定性不足的问题。因此,研究者们提出在多孔膜之间截留CA酶液膜[25-26]。Bao等[27]通过将CA酶液膜置于两个中空纤维膜(HFCLM)中实现液膜截留,从而使新鲜的CA酶溶液能够连续被供应,减少蒸发产生的损失。同时,它们可以承受比支撑液膜更大的压力差。Trachtenberg等[28]则将CA酶固定在中空纤维膜的外壁上,以确保CA酶和CO2在气液界面上的接触,大大提高了膜的CO2选择性。Fu等[29]开发了一种高CO2选择性的超薄仿生膜,即直接将CA酶固定于羟基改性的二氧化硅膜的纳米通道(8 nm直径)中,因纳米限制膜的稳定性大幅提高,并且在常温常压条件下具有很高的CO2渗透率,达到2 600个气体渗透单位。此外,一些研究者还利用多孔、高度亲水的水凝胶固定CA酶,并将其置于中空纤维膜的孔隙中,大大提高了CA酶的稳定性,但由于水凝胶的高传质阻力,固定化酶利用的充分性会受到一定影响[30-31]。

2.3 生物诱导矿化

21世纪初,Gillian等[33]首次提出利用生物诱导CO2转化为固体矿物(钙/镁)碳酸盐。近些年来,国内外在将CO2生物诱导矿化成固体矿物方面取得了重大进展。研究表明,CA酶是促进碳酸盐矿化的关键酶之一,它有利于CaCO3沉淀的生成[34]。CA酶诱导矿化的过程会受到温度、pH、酶浓度、Ca2+浓度等多种因素的影响。如Mirjafari等[35]发现在CO2矿化过程中,随着反应温度的升高,CA酶活性降低,CO2溶解度也随之降低,从而使矿化产物CaCO3的生成量降低,但CA酶含量的影响相对较小。由于CA酶诱导矿化技术的高效性、安全性和环境友好性,该技术将愈发受到关注。

3 碳酸酐酶的固定化

众所周知,酶是“脆弱”的分子,易受环境条件(温度、pH、离子强度等)影响,且CA酶体积较小(CA酶分子的平均尺寸为5 nm×4 nm×4 nm[11]),难以回收和循环利用[36-37]。燃煤电厂典型烟气环境温度为40～60 ℃,高于CA酶的适宜温度,且组分复杂,易造成酶的失活。因此,在工业应用中,通常采用酶固定化手段来提高酶的稳定性及循环利用性,从而降低CO2捕集中的CA酶成本[38-39]。固定化载体和固定方法对固定化效率有直接影响,并可能导致酶的理化性质发生变化,在实际操作中可能会导致酶出现活性降低,如传质限制、酶构象改变等[9, 40]。酶固定手段通常包括吸附、共价键合、封装合交联等,如图3所示[41-42]。每种方法各有优缺点,见表1。

表1 固定化手段的优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of theimmobilization methods

图3 传统的固定方法Fig. 3 Traditional immobilization methods

3.1 物理吸附

物理吸附是一种通过弱相互作用力(如氢键、静电作用、疏水作用或范德华力)介导的固定方法。该方法操作简单,一般通过改变酶浓度、载体材料剂量、温度、pH、搅拌速度等优化固定化条件。因此,酶的固定效果在很大程度上取决于载体的物化性质。载体的比表面积增大有利于酶的吸附,亲水性载体则往往比疏水性载体更适合用于酶吸附[40, 43]。一般情况下,酶与载体之间的弱相互作用可以使得固定时酶发生较小的构象变化[39, 44-45]。

为了探寻最佳的酶吸附性能,研究者们已经研究了以无机材料、有机材料和复合材料等为载体的固定化CA酶性能。如Vinoba等[46]开展了球形介孔二氧化硅(SBA-15)吸附固定CA酶的研究,结果显示固定化后酶活性能保留游离CA酶时的90%左右,但在重复利用过程中酶活性会显著减少。这是由于利用弱相互作用力固定CA酶,酶容易浸出从而降低表观活性。该课题组又利用了银或金纳米粒子覆盖的改性SBA-15固定CA酶,蛋白质和金属之间较大的静电相互作用力使固定化酶获得了更好的稳定性,其中固定化在金纳米粒子覆盖的SBA-15上的CA酶储存20 d后仍保留初始活性的98%左右[47-48]。Shao等[49]将CA酶固定于具有相同化学组成但不同结构的介孔二氧化硅中,发现CA酶负载分布情况取决于材料孔径。Kim等[50]利用肽重组修饰CA酶后,将这种蛋白质吸附在二氧化硅和二氧化钛颗粒上。这种重组CA酶被选择性固定在载体上,并发现得到的固定化生物催化剂具有更好的可重复使用性(5次循环后仍保留95%的酶活性)。Khameneh等[44]使用纳米多孔硅(KIT-6)作为吸附BCA II酶的载体,发现固定化CA酶热稳定性明显提升,其最佳催化温度较游离BCA II酶提高了约10 ℃,且在60 ℃孵育30 min后,固定化酶的保留活性为43%,而游离酶保留活性仅剩17%。Snehal等[51]将CA酶吸附固定在以蛋壳膜(ESM)为模板制备的介孔氧化铝(ESMAl)上,尽管固定化酶的保留活性约为53%,但其半衰期较游离酶提高了1.25倍。Prabhu等[52]将CA酶固定在壳聚糖基活性氧化铝-碳复合材料上,研究结果显示酶活性随吸附时间、pH、酶浓度和载体剂量的改变而改变,在最优吸附条件下,固定化CA酶的半衰期是游离酶的近1.4倍。Sharma等[32]成功将CA酶固定在壳聚糖-KOH微珠上,并实现了89%的高酶负载率,且固定后CA酶的储存稳定性提高了2.02倍。

3.2 共价键合

通过共价键结合来固定酶是一种不可逆的方法。通常,载体需要羟基、羧基、胺、环氧树脂等官能团的存在,并通过共价键与酶上的官能团发生化学反应。共价键合的主要优点是可有效提高固定化酶的稳定性和可重复使用性[39]。但利用表面改性的载体材料与酶共价键合制备得到的固定化酶,其酶构象易受到共价键影响而发生改变,从而降低酶活性。

目前,不同的无机、有机等材料均已被作为CA酶的载体进行了大量研究。对于无机材料来说,其稳定性和机械强度较高,相关研究也较多。Zhang等[53]基于共价偶联方法将CA酶固定在改性的活性炭和可控孔玻璃上,所得固定化CA酶可有效促进CO2吸收到碳酸钾溶液中,适用于IVCAP工艺。尽管固定化后活性降低,但与游离酶相比,固定化酶结构硬化使其稳定性显著改善。Sahoo等[54]将CA酶共价结合固定在CaCO3/H3BO3/SiO2上,有效提高了其在混合吸收剂中的稳定性,连续重复使用15个循环后仍能保留初始活性的90%。Pierce等[55]将CA酶活化后共价结合于胺化的磁性Fe3O4纳米颗粒上,研究发现尽管共价结合较稳定,但该固定化酶在高盐溶液中捕获CO2时仍需考虑酶浸出对活性的影响。针对有机复合材料,其主要为疏水性聚合物膜(PVDF、PP等),常用于气液膜接触器。例如,Sun等[56]制备了水等离子体改性的PVDF平膜,在表面上引入了羟基,然后通过不同硅烷对膜进行进一步的胺或环氧官能化,发现表面官能化基团不同,酶负载及活性结果也不同。在后续研究中他们进一步发现,表面胺官能团密度越大,则与表面结合的酶越多,从而提高了酶负载率[57]。Merle等[58]利用电沉积法将聚(氨基丙基)吡咯膜涂覆在高度多孔的碳基载体(碳泡沫),再将CA酶共价固定在该膜上。由于共价结合不是位点特异性的,因此当酶与载体连接时,其方向是随机的,其中CA酶或直接连接至涂层,或通过垫片连接。实验结果表明通过垫片连接,可减少酶与载体间的空间位阻,更有利于提高酶负载和保留酶活性。

3.3 交 联

交联法是通过采用交联剂与酶分子中的氨基或羧基发生反应,形成酶分子团交联产生的共价互连的三维网络结构。它与共价键合方法缺点相似,即酶结构易受到交联剂等影响而发生变化。常用的交联剂有戊二醛、乙二胺、双偶氮苯、鞣酸等。交联法一般作为其它方法(如共价键合法)的辅助手段使用。例如,Peirce等[59-60]制备了CA酶和磁性纳米颗粒(NPs)的磁性交联酶聚集体,并通过优化固定化方案(包括温度、时间、戊二醛浓度、酶/载体比和搅拌条件)获得了最佳酶负载率和酶活性,酶活性保留约90%。Bora等[61]将CA酶以交联的方式固定在聚氨酯泡沫上,所得固定化CA酶具有良好的热稳定性,50 ℃条件下仍可保留98%的活性。Jun等[62]利用电纺纳米纤维作为载体制备得到的交联酶聚集体,在水溶液中孵育868 d后仍能保持65.3%的初始活性,其储存稳定性显著优于表面共价连接的得到的单层固定化CA酶和游离酶。Sun等[63]利用亲水性聚乙烯亚胺和多巴胺修饰聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯(PE)膜,再用交联剂戊二醛将CA酶固定到亲水膜表面。在室温下储存30 d后,固定化CA酶(CA-PEI/PDA-PVDF和CA-PEI/PDA-PE)的活性分别仅降至初始值的64.43%和77.76%,而游离CA酶为54%。交联酶聚集体较高的酶稳定性(温度、pH、储存等)使其在CO2捕集领域中具有一定的应用前景[64]。

3.4 封 装

封装是基于酶可被限制在载体材料内部网络结构中,且该网络结构仅允许底物和产物通过的一种酶固定手段。酶被限制在载体网络结构内,有助于防止酶过度聚集,且酶不与网络结构发生化学作用,这样酶的空间构象破坏较小,可保留大部分酶活性。大分子有机聚合物因其排列有序的网络结构以,被广泛用作酶封装载体。例如,Oviya等[65]利用封装技术将CA酶封装于壳聚糖-藻酸盐聚电解质复合物中,得到的固定化酶在8次循环使用后剩余53%的初始活性。Simsek-Ege等[66]将BCA酶封装在壳聚糖-藻酸盐体系中,该固定方式有效降低了长期储存过程中的酶浸出损失。Zhang等[67-68]以制备的聚(丙烯酸-丙烯酰胺共聚物)/水滑石纳米复合水凝胶作为载体,通过封装和共价键合的方法固定CA酶,其中,酶和复合水凝胶之间的多点共价连接增强了酶的机械强度,从而增加了酶在有机溶剂及高温条件下的稳定性。封装得到的固定化酶的比活性(90.9%,基于游离酶)很高,可能是由于水凝胶多孔结构中存在的游离水可以为CA酶提供更好的生存条件,酶构象改变较小,从而使酶活性保留较高。

近年来,金属有机骨架材料(MOFs)的兴起促进了生物催化剂制备技术的发展。比如,一些MOFs(如沸石咪唑酯骨架(ZIF))制造条件温和,允许在其在合成中加入酶,从而可以将酶有效地包埋在晶体结构内。Asadi等[69]通过“一锅合成”的方法制备了固定化BCA酶(BCA-ZIF-8),结果表明在合成过程中晶体结构没有发生较大改变,且固定化酶具有比游离酶更高的比活性。Du等[70]通过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)将CA酶分散封装在ZIF-L晶体内,并通过CO2水合反应评估酶活性。研究发现,该固定化酶的催化活性是游离酶的约1.5倍,且稳定性好(20 d后仍有120%比活性),重复利用率高(循环使用6次仍有130%比活性)。因此未来基于MOFs材料的酶的固定化技术具有广阔的发展前景。

4 结语与展望

综上所述,CA酶促强化CO2水合反应的CO2捕集技术是一种高效可行且环境友好的手段。使用CA酶(游离在反应器中或固定在不同载体上)作为催化剂,可以有效提高CO2捕集效率,同时丰富的酶固定化手段可进一步克服游离酶易失活、难回收的缺点。然而,相关研究仍存在着诸多未解决的技术难题。1)CA酶本身方面:CA酶的热稳定性、工业应用适用性等还有待进一步提升。因此,需致力于通过基因克隆、蛋白质工程等途径开发工程性CA酶,以提高CA酶的活性、稳定性和对工业极端条件的适应性,促进其工业规模应用。与此同时,还可以人工模拟CA酶蛋白的金属中心及其“疏水袋”相互作用,构筑更为高效且较为廉价的仿生催化剂,不仅可克服酶易失活的缺点,还能大幅降低工艺成本;2)固定化手段方面:目前已报道不少CA酶固定化的研究,但是酶的活性保留率及稳定性仍不够理想,十分有必要开发新型经济高效的固定化载体材料并优化酶的固定化手段。其中载体材料需具备高机械强度、简便温和的制备条件、低成本、较低的传质阻力和高底物亲和力(有效保留酶结构)等优点,并且能抑制CA酶的浸出。尽管采用酶固定化技术会提高CO2捕集工艺的成本,但能从反应器中回收生物催化剂并重复利用可有效降低成本;3)酶促工艺优化方面:通过结合数学模型、实验和中试等开展固定化CA酶应用到实际工业中的研究,同样很具有挑战性。评估固定化CA酶在实际碳捕集工艺中的应用情况,分析固定化CA酶投入使用后的稳定性和重复利用性,这对于评价基于酶促反应的CO2捕集工艺的经济成本有非常重要的作用。