碳酸酐酶固定及在二氧化碳捕集应用研究进展（一） 是目前最成熟的工艺

发布时间：2025-05-09 16:17:36 来源：悠梦工坊 作者：热点

化石燃料如煤、碳酸石油和天然气的酐酶固定使用向大气中排放了大量的二氧化碳是导致气温上升、海平面变化和极端天气等现象发生的及氧进展主要原因。但受能源的化碳供应与需求影响，人类现在的捕集主要能源依旧是化石能源。因此，应用研究减少因使用化石燃料产生的碳酸二氧化碳排放是至关重要的。二氧化碳捕集、酐酶固定利用及封存(CCUS)技术在减少碳排放的及氧进展同时，还可以将 CO₂转化为有价值的化碳产品，在控制全球气候变化、捕集维持经济可持续性发展方面发挥了重要作用。应用研究

目前的碳酸 CO₂捕集技术主要有物理/化学吸收法、吸附法、酐酶固定膜吸收法和生物固定法等。及氧进展其中，利用碱性液体吸收剂将 CO₂ 直接从烟气中分离的化学吸收法，具有分离效率高、成本低的优点，是目前最成熟的工艺。但其存在解吸过程中消耗能量较多、溶剂的长期使用会产生降解并造成设备腐蚀性等问题。碳酸酐酶（Carbonic anhydrase，CA）是一种高效的 CO₂ 水合催化剂。将 CA 应用在 CCUS 技术中，可以提高 CO₂的吸收效率和有效解决传统工艺中的热能损失，逐渐成为二氧化碳捕集与封存研究中的热点。CA 捕集 CO₂技术具有环境友好、能耗低、可再生、无二次污染的优点。

CA 是一种以 Zn2+为活性中心的金属酶，具有巨大的生物催化潜力。目前，利用碳酸酐酶法捕集 CO₂的主要机理是利用碳酸酐酶催化 CO₂水合生成碳酸氢根后，在 Ca₂+、Mg₂+等金属离子的参与下将 CO₂以碳酸盐的形式固定下来。然而，CA 成本较高、游离的 CA 在高温和废气含量大等恶劣条件下稳定性差、可重用性差，限制了其工业应用。固定化酶技术作为解决上述问题的有效方法之一，是利用物理或化学手段．将游离酶封锁在载体材料内或限制在一定区域内进行催化作用的一种技术。CA 的固定化保持了游离 CA 反应条件温和、高效专一的特性，同时又弥补了游离CA 的不足，具备储存稳定性高、易于分离回收、可重复使用、连续操作可控、工艺设备简便等一系列优点，固定化技术扩大了酶在实际生产中的
应用范围。常用的载体材料可分为高分子材料、无机材料、聚合物-无机复合材料等。根据使用场合和要求来选择合适的载体材料和固定化方法对于获得理想性能的固定化 CA 至关重要。本文介绍了碳酸酐酶的固定方法和载体材料、以及碳酸酐酶在二氧化碳捕集中的作用机理及总结了碳酸酐酶在促进化学溶剂吸收二氧化碳和诱导二氧化碳矿化生成碳酸钙的最新研究进展。

1 碳酸酐酶的固定化

CA 是已知的催化 CO₂水合速率最快的酶，其催化吸收速率可达 106 s-1。在有机胺溶液中加入CA 可以显著降低解析时需要的温度，可以大大减少再生所需的能耗。但由于 CA 自身的热稳定性不高和重复利用率较低，限制了其大规模应用，因此，一些策略，如分子修饰、定向进化和酶固定化被用来提高其稳定性和活性。化学修饰分为残基特异性修饰和基团特异性修饰。徐霞等将Bacillus Clausii 中的 CA 上的 29 位天冬氨酸、233位甘氨酸或 83 位天冬氨酸进行突变，构建含有目的基因的载体，有效提高了 CA 在高温条件下 CO₂捕集转化效率。Oscar 等[12]利用定向进化技术，筛选出高度稳定的 CA 变异体，在 pH>10.0 的 4.2M碱性胺溶剂存在下，该变异体能耐受高达 107°C的温度，极大地提高了普通脱硫弧菌 β 类 CA 的性质。虽然前两种方法可以提高 CA 对高温、极端 pH 值等极端操作条件的抵抗力，但需要通过固定化来提高 CA 的可重用性，且酶固定化因具有方便且直接的优点，常被作为提高 CA 稳定性和活性的技术手段之一。下面将介绍常用的固定CA 的方法和材料。

1.1 碳酸酐酶的固定方法

由于酶易变性和失活，合理的固定化可以提高酶的刚性和稳定性，以克服其在实际应用中的局限性。通常所说的酶的固定化方法包括物理法和化学法两大类。物理法分为吸附法和包埋法，化学法分为共价结合法和交联法。四种酶固定方法如图 1 所示。吸附法是最简单的酶固定方法，包括物理吸附和离子交换吸附。吸附法利用载体和酶之间的物理相互作用力（如范德华力、离子键合、氢键、电荷转移、亲疏水性等）将酶固定在载体表面。包埋法又可以分为凝胶包埋法和微囊化包埋法。凝胶包埋将酶限制在高聚物网格中，
而微囊化包埋则将酶置于不同构型的膜外壳内。共价结合法是指酶蛋白分子的功能基团与载体表面基团之间以共价键结合的一种固定化方法。因此，以共价结合法制备生物复合酶时，常常需要对载体进行改性使其表面附着氨基、羧基、羟基、醛基等功能性基团。交联法将酶分子和双功能或多功能试剂分子之间共价键结合，然后再于载体材料进一步结合。表 1 详细总结了四种固定化方法的优缺点。在固定化酶的过程中，固定化方法要根据酶所应用的领域来选择。

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