酶膜反应器
摘要：酶膜反应器是一种新型的生物催化反应设备，它是反应与分离相耦合的装置，集产品分离、纯化和酶回收利用于一体，具有其它方法不可比拟的优势。在强调资源节约，环境友好和清洁化生产技术的今天，显示一些特别的优点，近年来已成为热门的研究领域。本文主要介绍了酶膜反应器的基本原理、特征及其分类，并根据分类对近年来酶膜反应器应用研究进行了概述，讨论了酶膜反应器目前存在的一些瓶颈问题及其解决办法。
关键词：酶膜反应器；优缺点；分类；催化；应用
EnzymeMembrane Reactor
Abstract:Enzyme membrane reactor that contains an enzyme and a membrane with the appropriate pore size and physicochemical properties is a new type of bioreactor, in which continuous reaction occurs simultaneously with separation of the product from the reaction mixture. Membrane bioreactor has some advantages in the field of resource saving, environmental protection and clean production in biocatalysis, and has already become one of the hottest research fields these years. The basic concept , feature and classification of enzyme membrane reactor were generally described, and some applications in some fields and examples were reviewed. The current problems and the future tendency were discussed.The current bottleneckproblems and the corresponding solution approaches were discussed.
Key words:Enzyme membrane reactor; Feature; Classification; catalyse reactions; Application
1. 酶膜反应器简介
膜反应器是基于利用选择性的半透膜来分离酶及产物(或者底物) ，利用膜两侧的推动力(化学势、压差、电势差等), 将可渗透的溶质从反应体系中分离出来的原理。
酶膜反应器是膜和生物化学反应相结合的系统或操作单元，依靠酶的专一性、催化性及膜特有的功能，集生物反应与反应产物的原位分离、浓缩和酶的回收利用于一体，能够改变反应过程、控制反应进程, 从而实现减少副产物的生成、提高产品收率等目的[2]。
在近年来的研究工作中，半透膜不仅起到分离的作用，而且还用于作为界面催化剂的支撑体。对于成功的连续操作酶膜反应器而言, 最基本且最重要的要求是将反应体系中的酶完全截留。在酶膜反应器中，酶以两种形态存在：（1）溶于或不溶于膜表面；（2）存在于膜相的微孔或膜基质中。利用包埋、静电作用等技术，或者物理的、化学的方法，将酶固定于某种媒介上( 如惰性蛋白质、凝胶、脂质体等) ，酶处于膜的一侧，这样，酶以自由的形
[3][1]
态存在。利用化学键合作用、物理吸附或者静电力，能够将酶直接锚定在膜上。在多相酶膜反应器中, 常常将酶锚定在与水相相接触的膜一侧；相反，酶也可以固定在膜相中。例如，可以将脂肪酶锚定在与疏水相相接触的膜的一侧。
酶催化反应产物渗透通过膜的微孔，可以是在浓度梯度的推动下，扩散渗透通过膜；或在压差的作用下，对流通过膜。通过这种方式，反应产物连续地从反应体系中得以分离。产物的这种分离方式是这种膜反应器的最基本要求，同时也是传统膜反应器概念的一部分。但是，对于溶解度低或产生沉积作用的产物，产物的完全截留是这种反应器未曾预期到的新优势。在操作过程中，目标产物在反应器中得以富集的同时，底物分子可以渗透通过膜或者留在反应体系中。超滤膜的孔径分布范围为1-100nm ，或平均截留分子量为500-10000，对于大多数天然的或经过修饰的酶而言，由于平均分子量在10000-100000之间，因此，特别适用于酶膜反应器。对于酶膜反应器，在选择超滤膜时，不仅要考虑酶、底物、产物的分子大小，而且它们在溶液中的化学特性以及膜本身的特性也不容忽视。在筛选膜的过程中，溶质的截留率是一个十分重要的指标[5-6]。对反应产物而言，截留率应为0%：而对酶的截留率应为100%，以保证酶完全留在反应体系中。总之，选择超滤膜时必须考虑的因素有：（1）膜材料的形态、孔度、孔径分布、截留分子量大小：（2）化学稳定性、适宜的pH 值范围；（3）热稳定性、耐压的能力；（4）是否影响到酶的活力；（5）膜的价格等。 [4]
2. 酶膜反应器的分类
酶膜反应器可以根据酶的存在状态、液相数目、膜组件型式、膜材料类型、反应与分离耦合方式、传质推动力等的区别，分为不同的类型:
（1）根据酶的存在状态，可将酶膜反应器分为游离态和固定化酶膜反应器。前者酶均匀地分布于反应物相中，酶促反应在接近本征动力学的状态下进行，但酶易发生剪切失活或泡沫变性，装置性能受浓差极化和膜污染的显著影响。固定化酶膜反应器中，酶通过吸附、交联、包埋、化学键合等方式被“束缚”在膜上，酶装填密度高，反应器稳定性和生产能力高，产品纯度和质量好，废物量少。但酶往往分布不均匀，传质阻力也较大。
（2）根据液相数目的不同，可将酶膜反应器分为单液相(超滤式) 和双液相酶膜反应器。单液相酶膜反应器多用于底物分子量比产物大得多，产物和底物能够溶于同一种溶剂的场合
[8][7]。双液相酶膜反应器多用于酶促反应涉及两种或两种以上的底物，而底物之间或底物与产物之间的溶解行为差别较大的场合。
（3）根据膜组件型式的不同，可将酶膜反应器分为板框式、螺旋卷式、管式和中空纤
维式酶膜反应器四种。其差别在于结构复杂性、装填密度、膜的更换、抗污染能力、清洗、料液要求、成本等方面有所不同。
（4）根据膜材料的不同，可将酶膜反应器分为高分子酶膜反应器和无机酶膜反应器。高分子膜材料种类多，制作方便，成本低，因而应用较多。
（5) 根据反应与分离的耦合方式不同，可将酶膜反应器分为一体式和循环式酶膜反应器。在前一种应用方式中，系统通常包含一个搅拌槽式反应器加上一个膜分离单元。在后种应用方式中，膜既作为酶的载体，同时又构成分离单元。
（6）根据传质推动力的不同，可将酶膜反应器分为压差驱动、浓差驱动、电位差驱动的酶膜反应器。另外，可以根据膜的亲疏性以及结构形态的不同，酶膜反应器还有其它分类方法。
3. 膜反应器的优缺点
3.1. 膜反应器的优点
同其他传统的酶反应器相比较，酶膜反应器具有非常明显突出的优点：
（1）酶膜反应器的最大优点是可以连续操作，并且能够极大限度地利用酶，因此可以提高产量并且节约成本[9-10]。同间歇反应器相比较, 这也是任何连续反应器具备的特点；
（2）酶膜反应器能够在线将产物从反应媒介中分离。例如，对于受化学平衡限制的反应，能够使化学平衡发生移动；
（3）通过膜的微孔，产品被在线分离，因此，膜反应器中的反应速率快，反应物的转化率大；
（4）在连续或歧化反应中, 如果膜对某种产物具有选择性, 那么, 这种产物可以选择性地渗透通过膜, 在酶膜反应器的出口便可以富集该产物。当然, 对于产物抑制的反应而言, 这种现象反而不利；
（5）在酶膜反应器发展的初期便已认识到的优点是用于大分子化合物的水解[11]。根据膜的截留性能, 可以达到控制水解产物分子量大小的目的, 低分子量的水解产物能够渗透通过膜, 在膜的背面富集。此外, 在膜反应器内尚可以进行两相反应, 且不存在乳化问题。在实验室范围内, 超滤膜反应器是用于研究酶的机理(反应动力学、产物抑制影响、酶失活过程等) 的非常有用的手段。同多功能颗粒(珠、球) 相比较, 利用膜作为酶载体, 膜固定化技术必须克服与膜相关的成本问题。由于膜反应器提供了分离的可能性，因此，另外的一些优点表现在膜反应器将分离过程与催化反应集成。由于膜反应器在构造及传质等方面的特点，同固定床及流动床反应器相比较，在膜反应器中可以实现产物在线连续分离，这一点对于产物抑制
酶催化的反应尤其重要。出现在传统反应器中的一些不利因素（孔堵塞、在操作过程中呈现非均相流动等现象），在膜反应器中则不会发生。
3.2. 膜反应器的缺点
酶膜反应器的缺点主要集中表现在操作过程中，由于催化剂的失活及传质效率下降而导致反应器的效率降低，除了酶的热失活外，膜反应器中酶的稳定性还要受到其他因素的影响
[12]。例如，酶的泄漏导致催化活性下降，即使酶的分子大于膜的微孔，这种情况也时常发生；微量的酶活化剂（金属离子、辅酶等) 的流失，也有可能导致反应器的效率下降，因此，反应过程中，反应组份的添加是必须的。
如果在反应器中酶处于自由状态（游离态) ，酶在膜表面的吸附无疑将导致酶的活性下降或者甚至失活。与膜相接触时了，有时尽管酶的结构没有发生任何变化，但也可能导致酶的中毒。也就是说，膜的形态可能影响到酶的稳定性。在超滤膜组件或反应器中，酶分子会受到剪切力的作用或者与膜反应器的内表面发生摩擦。有研究表明，酶的活性随搅拌的速率或循环速率的增加而下降。此外伴随强剪切现象的其他一些现象，如界面失活、吸附、局部热效应、空气、卷吸等，也可能导致酶的失活。将酶固定于膜表面，随着产物或者底物在邻近膜表面以凝胶层的形式积聚，可能会导致酶的抑制现象加剧。不管由于上述那种因素导致酶的稳定性下降，添加新鲜的酶是维持反应连续稳定地进行的必要条件。在操作过程中，传质效率的下降限制了膜反应器的应用。浓差极化和膜的污染是可能导致膜的渗透通量下降的两个最为主要的因素。因此, 在操作过程中，控制浓差极化现象的发生及膜的污染是维持稳定的渗透通量及产物量的重要条件。
4. 酶膜反应器的应用
4.1. 生物大分子的分解
用于酶膜反应器的生物大分子包括蛋白质、多糖等，主要工作集中在淀粉、纤维素、蛋白质等的水解[12-15]。利用膜的筛分作用, 可以将相对分子质量较大的生物大分子与相对分子质量较小的水解产物实现原位分离，以部分甚至全部消除产物抑制。
应用实例：通过果胶水解来降低果汁粘度；通过乳糖转化降低牛奶和乳清中乳糖的含量；通过多酚化合物和花色素的转化来进行白酒的处理。
4.2. 制备生物活性肽
将生物活性肤释放(酶水解) 和分离(膜分离) 藕合起来，既能有效降低酶用量，降低制备成本，还能对释放进行有效控制，实现连续释放[16-17]。这一工作的研究既能加快生物活性肽的产业化步伐。
应用实例：制备氮基酸；制备氮基酸；制备酪啡肽；制取抗高血压肽。
4.3. 辅助或辅助因子的再生
氧化还原酶可以催化共价合成、能量转移、基团转移、氧化还原等多种类型的反应，但催化作用大多需要昂贵的辅酶或辅助因子[18]，如NAD+、NADP+、ATP 或辅酶A 的参加。因此，凡是有辅酶和辅助因子参与的反应，必须设有辅酶再生反应系统，以通过辅酶和辅助因子的反复利用降低生产成本。
伴有辅酶和辅助因子再生系统的酶膜反应器已经成功地用于NADPH 、氨基酸、羧酸、醇、6-磷酸葡萄糖、乳酸、醛、内酯等物质的生产。
4.4. 油水多相水解反应
利用酶膜反应器以脂酶通过水解油脂合成甘油一酸酯、甘油二酸酯、甘油磷脂等。脂酯在相界面可得到活化，尤其是在多相酶膜反应器中脂酯活性可显著提高，这类反应器使两个互不相溶的相分别流过膜的两侧，一种底物通过膜与固定在膜另一侧的酶分子结合，反应在界面上发生，不产生乳化问题。
5. 酶膜反应器的前景
目前，酶膜反应器的应用研究进展迅速，但是酶膜反应器的潜能尚未得到充分发挥；反应器结构设计、膜、酶体系三者任何一个因素的改进，都将提高酶膜反应器的工作效率，扩大其应用范围。从酶膜反应器的发展趋势来看，以下几个方面亟待进一步研究:
（1）开发新型的酶膜反应器，从而在工业生产中避免复杂的化学反应生产流程，取代繁杂的生产管道和反应器。另外，设计良好的膜组件，降低浓差极化和膜污染的不利影响，在纵深方面提高酶膜反应器的效率[19]；
（2）在酶膜反应器中，膜的加工水平较低，膜孔径分布与形态结构的均一性差，容易造成酶分子和小分子激活剂的泄漏再加上有机溶剂的引入常使膜发生溶胀从而使膜发生弯曲变形，丧失有效传质面积，所以需要开发耐溶胀的膜材料，研制生物相容性好、抗污染的高分子膜材料，采用先进的成膜工艺使膜的形态结构更优化[12]；
（3）酶在固定的过程中存在空间位阻效应, 这使得固定化酶可能因为空间构型改变或活性位点被遮蔽而失活[7，9]。所以需要以定向固定化代替随机固定化, 以保证酶的空间构型保持不变；另外，还可以对酶分子的侧链基团进行必要的化学修饰改性, 以增加酶与膜材料之间的生物相容性，提高酶对有机溶剂的耐受性，同时使酶的分子量有所增大, 从而改善膜的截留效应。
参考文献:
[1]张丽，赵檀，杨晓东. 膜生物反应器处理废水技术研究进展[J].精细石油化工进展，2011,12（5）：20-23.
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[3]赵博宇，王聪，谢鑫。膜技术分离纯化燕麦蛋白的工艺研究[J].食品研究与开发，2011,32（9）:132-134.
[4]郑善切. 酶固定化技术的研究和进展[J].赤峰学院学报，2011，27(2)：36-38.
[5]杨大令，高涵，张守海，等. 固定化酶膜中凝胶层膜的制备与性能研究[J]. 化工时刊，2008，22（5）：
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[6]徐冉，王梓，王海峰，等. 固体表面生物膜结构特征与控制技术研究进展[J].工业用水与废
水,2009,40(6):5-8.
[7]丁青芝，马海乐，骆琳. 酶解-膜分离耦合技术制备米糠蛋白活性多肽的研究[J]，高校化学工程学报，
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[8]左继红，王定勇，刘丽丽. 微波辅助蛋白酶水解反应器的研究[J].农产品加工，2011,9:78-79
[9]熊治清，徐志宏，魏振承. 酶膜反应器连续酶解花生蛋白的工艺研究[J].食品工业科技，2011，31（8）：
208-211.
[10]张赛赛，李恒星，沙莎. 酶膜反应器水解酪蛋白连续制备ACE 抑制肽的研究[J].中国食品学报，2009,9
（6）41-46.
[11]杨万根，王卫东，孙月娥. 酶膜反应器制备的蛋清水解物的营养评价[J].食品科学，2011，31（17）：
364-367.
[12]熊治清，徐志宏，魏振承. 酶膜反应器在蛋白酶解过程中的研究进展[J].食品科技，2010，35（1）：
88-92.
[13]王文杰，王璋. 酶膜反应器中水解大豆分离蛋白的研究[J].食品与机械，2008，24（1）：16-24.
[14]黄文浩，何慧，董华伟. 酶膜耦合制备高活性ACE 抑制玉米肽及结构研究[J].中国粮油学报，2011，2
（4）：24-28.
[15]刘坤，张桂，赵国群. 酶膜反应器在淀粉糖行业中的研究应用[J].粮食与饲料工业，2010，9：25-26.
[16]李丹，官庭辉，张志翔，等. 膜技术在制备棉籽蛋白多肽中的应用研究[J].食品研究与开发，2011,32
（3）：41-43.
[17]陈耿华，王磊，王强. 用于连续制备乳清蛋白ACE 抑制肽的酶膜反应器运行条件优化[J]。农产品加工，2011，9:4-7.
[18]王文渊，龙红萍，唐守勇. 膜技术耦合酶法提取竹叶总黄酮的研究[J].China Brewing ，2011,7:74-77.
[19]徐梦鱿，袁永俊，张黎明. 酶一膜反应器在备生物活性肤中的应用[J].生命科学仪器，2009,7:29-31.
酶膜反应器
摘要：酶膜反应器是一种新型的生物催化反应设备，它是反应与分离相耦合的装置，集产品分离、纯化和酶回收利用于一体，具有其它方法不可比拟的优势。在强调资源节约，环境友好和清洁化生产技术的今天，显示一些特别的优点，近年来已成为热门的研究领域。本文主要介绍了酶膜反应器的基本原理、特征及其分类，并根据分类对近年来酶膜反应器应用研究进行了概述，讨论了酶膜反应器目前存在的一些瓶颈问题及其解决办法。
关键词：酶膜反应器；优缺点；分类；催化；应用
EnzymeMembrane Reactor
Abstract:Enzyme membrane reactor that contains an enzyme and a membrane with the appropriate pore size and physicochemical properties is a new type of bioreactor, in which continuous reaction occurs simultaneously with separation of the product from the reaction mixture. Membrane bioreactor has some advantages in the field of resource saving, environmental protection and clean production in biocatalysis, and has already become one of the hottest research fields these years. The basic concept , feature and classification of enzyme membrane reactor were generally described, and some applications in some fields and examples were reviewed. The current problems and the future tendency were discussed.The current bottleneckproblems and the corresponding solution approaches were discussed.
Key words:Enzyme membrane reactor; Feature; Classification; catalyse reactions; Application
1. 酶膜反应器简介
膜反应器是基于利用选择性的半透膜来分离酶及产物(或者底物) ，利用膜两侧的推动力(化学势、压差、电势差等), 将可渗透的溶质从反应体系中分离出来的原理。
酶膜反应器是膜和生物化学反应相结合的系统或操作单元，依靠酶的专一性、催化性及膜特有的功能，集生物反应与反应产物的原位分离、浓缩和酶的回收利用于一体，能够改变反应过程、控制反应进程, 从而实现减少副产物的生成、提高产品收率等目的[2]。
在近年来的研究工作中，半透膜不仅起到分离的作用，而且还用于作为界面催化剂的支撑体。对于成功的连续操作酶膜反应器而言, 最基本且最重要的要求是将反应体系中的酶完全截留。在酶膜反应器中，酶以两种形态存在：（1）溶于或不溶于膜表面；（2）存在于膜相的微孔或膜基质中。利用包埋、静电作用等技术，或者物理的、化学的方法，将酶固定于某种媒介上( 如惰性蛋白质、凝胶、脂质体等) ，酶处于膜的一侧，这样，酶以自由的形
[3][1]
态存在。利用化学键合作用、物理吸附或者静电力，能够将酶直接锚定在膜上。在多相酶膜反应器中, 常常将酶锚定在与水相相接触的膜一侧；相反，酶也可以固定在膜相中。例如，可以将脂肪酶锚定在与疏水相相接触的膜的一侧。
酶催化反应产物渗透通过膜的微孔，可以是在浓度梯度的推动下，扩散渗透通过膜；或在压差的作用下，对流通过膜。通过这种方式，反应产物连续地从反应体系中得以分离。产物的这种分离方式是这种膜反应器的最基本要求，同时也是传统膜反应器概念的一部分。但是，对于溶解度低或产生沉积作用的产物，产物的完全截留是这种反应器未曾预期到的新优势。在操作过程中，目标产物在反应器中得以富集的同时，底物分子可以渗透通过膜或者留在反应体系中。超滤膜的孔径分布范围为1-100nm ，或平均截留分子量为500-10000，对于大多数天然的或经过修饰的酶而言，由于平均分子量在10000-100000之间，因此，特别适用于酶膜反应器。对于酶膜反应器，在选择超滤膜时，不仅要考虑酶、底物、产物的分子大小，而且它们在溶液中的化学特性以及膜本身的特性也不容忽视。在筛选膜的过程中，溶质的截留率是一个十分重要的指标[5-6]。对反应产物而言，截留率应为0%：而对酶的截留率应为100%，以保证酶完全留在反应体系中。总之，选择超滤膜时必须考虑的因素有：（1）膜材料的形态、孔度、孔径分布、截留分子量大小：（2）化学稳定性、适宜的pH 值范围；（3）热稳定性、耐压的能力；（4）是否影响到酶的活力；（5）膜的价格等。 [4]
2. 酶膜反应器的分类
酶膜反应器可以根据酶的存在状态、液相数目、膜组件型式、膜材料类型、反应与分离耦合方式、传质推动力等的区别，分为不同的类型:
（1）根据酶的存在状态，可将酶膜反应器分为游离态和固定化酶膜反应器。前者酶均匀地分布于反应物相中，酶促反应在接近本征动力学的状态下进行，但酶易发生剪切失活或泡沫变性，装置性能受浓差极化和膜污染的显著影响。固定化酶膜反应器中，酶通过吸附、交联、包埋、化学键合等方式被“束缚”在膜上，酶装填密度高，反应器稳定性和生产能力高，产品纯度和质量好，废物量少。但酶往往分布不均匀，传质阻力也较大。
（2）根据液相数目的不同，可将酶膜反应器分为单液相(超滤式) 和双液相酶膜反应器。单液相酶膜反应器多用于底物分子量比产物大得多，产物和底物能够溶于同一种溶剂的场合
[8][7]。双液相酶膜反应器多用于酶促反应涉及两种或两种以上的底物，而底物之间或底物与产物之间的溶解行为差别较大的场合。
（3）根据膜组件型式的不同，可将酶膜反应器分为板框式、螺旋卷式、管式和中空纤
维式酶膜反应器四种。其差别在于结构复杂性、装填密度、膜的更换、抗污染能力、清洗、料液要求、成本等方面有所不同。
（4）根据膜材料的不同，可将酶膜反应器分为高分子酶膜反应器和无机酶膜反应器。高分子膜材料种类多，制作方便，成本低，因而应用较多。
（5) 根据反应与分离的耦合方式不同，可将酶膜反应器分为一体式和循环式酶膜反应器。在前一种应用方式中，系统通常包含一个搅拌槽式反应器加上一个膜分离单元。在后种应用方式中，膜既作为酶的载体，同时又构成分离单元。
（6）根据传质推动力的不同，可将酶膜反应器分为压差驱动、浓差驱动、电位差驱动的酶膜反应器。另外，可以根据膜的亲疏性以及结构形态的不同，酶膜反应器还有其它分类方法。
3. 膜反应器的优缺点
3.1. 膜反应器的优点
同其他传统的酶反应器相比较，酶膜反应器具有非常明显突出的优点：
（1）酶膜反应器的最大优点是可以连续操作，并且能够极大限度地利用酶，因此可以提高产量并且节约成本[9-10]。同间歇反应器相比较, 这也是任何连续反应器具备的特点；
（2）酶膜反应器能够在线将产物从反应媒介中分离。例如，对于受化学平衡限制的反应，能够使化学平衡发生移动；
（3）通过膜的微孔，产品被在线分离，因此，膜反应器中的反应速率快，反应物的转化率大；
（4）在连续或歧化反应中, 如果膜对某种产物具有选择性, 那么, 这种产物可以选择性地渗透通过膜, 在酶膜反应器的出口便可以富集该产物。当然, 对于产物抑制的反应而言, 这种现象反而不利；
（5）在酶膜反应器发展的初期便已认识到的优点是用于大分子化合物的水解[11]。根据膜的截留性能, 可以达到控制水解产物分子量大小的目的, 低分子量的水解产物能够渗透通过膜, 在膜的背面富集。此外, 在膜反应器内尚可以进行两相反应, 且不存在乳化问题。在实验室范围内, 超滤膜反应器是用于研究酶的机理(反应动力学、产物抑制影响、酶失活过程等) 的非常有用的手段。同多功能颗粒(珠、球) 相比较, 利用膜作为酶载体, 膜固定化技术必须克服与膜相关的成本问题。由于膜反应器提供了分离的可能性，因此，另外的一些优点表现在膜反应器将分离过程与催化反应集成。由于膜反应器在构造及传质等方面的特点，同固定床及流动床反应器相比较，在膜反应器中可以实现产物在线连续分离，这一点对于产物抑制
酶催化的反应尤其重要。出现在传统反应器中的一些不利因素（孔堵塞、在操作过程中呈现非均相流动等现象），在膜反应器中则不会发生。
3.2. 膜反应器的缺点
酶膜反应器的缺点主要集中表现在操作过程中，由于催化剂的失活及传质效率下降而导致反应器的效率降低，除了酶的热失活外，膜反应器中酶的稳定性还要受到其他因素的影响
[12]。例如，酶的泄漏导致催化活性下降，即使酶的分子大于膜的微孔，这种情况也时常发生；微量的酶活化剂（金属离子、辅酶等) 的流失，也有可能导致反应器的效率下降，因此，反应过程中，反应组份的添加是必须的。
如果在反应器中酶处于自由状态（游离态) ，酶在膜表面的吸附无疑将导致酶的活性下降或者甚至失活。与膜相接触时了，有时尽管酶的结构没有发生任何变化，但也可能导致酶的中毒。也就是说，膜的形态可能影响到酶的稳定性。在超滤膜组件或反应器中，酶分子会受到剪切力的作用或者与膜反应器的内表面发生摩擦。有研究表明，酶的活性随搅拌的速率或循环速率的增加而下降。此外伴随强剪切现象的其他一些现象，如界面失活、吸附、局部热效应、空气、卷吸等，也可能导致酶的失活。将酶固定于膜表面，随着产物或者底物在邻近膜表面以凝胶层的形式积聚，可能会导致酶的抑制现象加剧。不管由于上述那种因素导致酶的稳定性下降，添加新鲜的酶是维持反应连续稳定地进行的必要条件。在操作过程中，传质效率的下降限制了膜反应器的应用。浓差极化和膜的污染是可能导致膜的渗透通量下降的两个最为主要的因素。因此, 在操作过程中，控制浓差极化现象的发生及膜的污染是维持稳定的渗透通量及产物量的重要条件。
4. 酶膜反应器的应用
4.1. 生物大分子的分解
用于酶膜反应器的生物大分子包括蛋白质、多糖等，主要工作集中在淀粉、纤维素、蛋白质等的水解[12-15]。利用膜的筛分作用, 可以将相对分子质量较大的生物大分子与相对分子质量较小的水解产物实现原位分离，以部分甚至全部消除产物抑制。
应用实例：通过果胶水解来降低果汁粘度；通过乳糖转化降低牛奶和乳清中乳糖的含量；通过多酚化合物和花色素的转化来进行白酒的处理。
4.2. 制备生物活性肽
将生物活性肤释放(酶水解) 和分离(膜分离) 藕合起来，既能有效降低酶用量，降低制备成本，还能对释放进行有效控制，实现连续释放[16-17]。这一工作的研究既能加快生物活性肽的产业化步伐。
应用实例：制备氮基酸；制备氮基酸；制备酪啡肽；制取抗高血压肽。
4.3. 辅助或辅助因子的再生
氧化还原酶可以催化共价合成、能量转移、基团转移、氧化还原等多种类型的反应，但催化作用大多需要昂贵的辅酶或辅助因子[18]，如NAD+、NADP+、ATP 或辅酶A 的参加。因此，凡是有辅酶和辅助因子参与的反应，必须设有辅酶再生反应系统，以通过辅酶和辅助因子的反复利用降低生产成本。
伴有辅酶和辅助因子再生系统的酶膜反应器已经成功地用于NADPH 、氨基酸、羧酸、醇、6-磷酸葡萄糖、乳酸、醛、内酯等物质的生产。
4.4. 油水多相水解反应
利用酶膜反应器以脂酶通过水解油脂合成甘油一酸酯、甘油二酸酯、甘油磷脂等。脂酯在相界面可得到活化，尤其是在多相酶膜反应器中脂酯活性可显著提高，这类反应器使两个互不相溶的相分别流过膜的两侧，一种底物通过膜与固定在膜另一侧的酶分子结合，反应在界面上发生，不产生乳化问题。
5. 酶膜反应器的前景
目前，酶膜反应器的应用研究进展迅速，但是酶膜反应器的潜能尚未得到充分发挥；反应器结构设计、膜、酶体系三者任何一个因素的改进，都将提高酶膜反应器的工作效率，扩大其应用范围。从酶膜反应器的发展趋势来看，以下几个方面亟待进一步研究:
（1）开发新型的酶膜反应器，从而在工业生产中避免复杂的化学反应生产流程，取代繁杂的生产管道和反应器。另外，设计良好的膜组件，降低浓差极化和膜污染的不利影响，在纵深方面提高酶膜反应器的效率[19]；
（2）在酶膜反应器中，膜的加工水平较低，膜孔径分布与形态结构的均一性差，容易造成酶分子和小分子激活剂的泄漏再加上有机溶剂的引入常使膜发生溶胀从而使膜发生弯曲变形，丧失有效传质面积，所以需要开发耐溶胀的膜材料，研制生物相容性好、抗污染的高分子膜材料，采用先进的成膜工艺使膜的形态结构更优化[12]；
（3）酶在固定的过程中存在空间位阻效应, 这使得固定化酶可能因为空间构型改变或活性位点被遮蔽而失活[7，9]。所以需要以定向固定化代替随机固定化, 以保证酶的空间构型保持不变；另外，还可以对酶分子的侧链基团进行必要的化学修饰改性, 以增加酶与膜材料之间的生物相容性，提高酶对有机溶剂的耐受性，同时使酶的分子量有所增大, 从而改善膜的截留效应。
参考文献:
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