生化法捕集二氧化碳.docx

大连理工大学本科毕业设计（论文）生化法捕集二氧化碳的研究Research of biochemical method in capturing carbon dioxide学 院（系）： 化工与环境生命学部 专 业： 工业催化 学 生 姓 名： 姜浩 学 号： 指 导 教 师： 张永春 教授 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 大连理工大学Dalian University of Technology摘 要“摘要”是摘要部分的标题，不可省略。标题“摘要”选用模板中的样式所定义的“标题1”，再居中；或者手动设置成字体：黑体，居中，字号：小三，1.5倍行距，段后11磅，段前为0。摘要是毕业设计（论文）的缩影，文字要简练、明确。内容要包括目的、方法、结果和结论。单位采用国际标准计量单位制，除特别情况外，数字一律用阿拉伯数码。文中不允许出现插图。重要的表格可以写入。摘要正文选用模板中的样式所定义的“正文”，每段落首行缩进2个汉字；或者手动设置成每段落首行缩进2个汉字，字体：宋体，字号：小四，行距：多倍行距 1.25，间距：段前、段后均为0行，取消网格对齐选项。摘要篇幅以一页为限，字数为400-500字。摘要正文后，列出3-5个关键词。“关键词：”是关键词部分的引导，不可省略。关键词请尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词。关键词与摘要之间空一行。关键词词间用分号间隔，末尾不加标点，3-5个；黑体，小四，加粗。关键词：写作规范；排版格式；毕业设计（论文）注：字体：仿宋_GB2312，小四；关键词之间用分号间隔。阅后删除此文本框。注：论文英文题目。阅后删除此文本框。The Subject of Undergraduate Graduation Project (Thesis) of DUTAbstract 外文摘要要求用英文书写，内容应与“中文摘要”对应。使用第三人称，最好采用现在时态编写。“Abstract”不可省略。标题“Abstract”选用模板中的样式所定义的“标题1”，再居中；或者手动设置成字体：Times New Roman，居中，字号：小三，多倍行距1.5倍行距，段后11磅，段前为0行。标题“Abstract”上方是论文的英文题目，字体：Times New Roman，居中，字号：小三，行距：多倍行距 1.25，间距：段前、段后均为0行，取消网格对齐选项。Abstract正文选用设置成每段落首行缩进2字，字体：Times New Roman，字号：小四，行距：多倍行距 1.25，间距：段前、段后均为0行，取消网格对齐选项。Key words与摘要正文之间空一行。Key words与中文“关键词”一致。词间用分号间隔，末尾不加标点，3-5个；Times New Roman，小四，加粗。Key Words：Write Criterion；Typeset Format；Graduation Project (Thesis)目 录摘 要IAbstractII1 文献综述11.1 研究背景11.2 研究意义11.3 目前二氧化碳捕集方法简介21.3.1 吸收分离法21.3.2 吸附分离法31.3.3 膜分离法41.4 生化法捕集二氧化碳的研究现状51.4.1 国内生化法捕集二氧化碳的研究现状61.4.2 国外生化法捕集二氧化碳的研究现状81.5 研究内容、方法及思路91.5.1 研究内容91.5.2 研究方法91.5.3 研究思路102 利用碳酸酐酶催化反应捕集二氧化碳的基础理论102.1 碳酸酐酶的基本性质和分类102.2 碳酸酐酶的结构特点122.3 碳酸酐酶的催化性质143 碳酸酐酶在介孔分子筛的吸附固定化及其酶学性质的研究153.1 碳酸酐酶固定化和活性测定方法的简介153.1.1 碳酸酐酶常见固定化方法简介163.1.2 碳酸酐酶活性测定方法简介173.2 介孔分子筛吸附固定化实验的材料与方法183.2.1 SBA-15作为碳酸酐酶固定化载体的优点分析183.2.2 实验材料、试剂与实验仪器183.2.3 介孔分子筛SBA-15的合成与氨基功能化193.2.4 游离态和经固定化碳酸酐酶活性的测定203.2.5 碳酸酐酶应用于捕集二氧化碳的效果评价213.3 结果与讨论213.3.1 SBA-15以及SBA-15/APTES的表征213.3.2 碳酸酐酶（CA）固定化条件的优化及酶学活性的测定243.3.3 碳酸酐酶应用于捕集二氧化碳的效果评价273.4 本章小结284 结论28参 考 文 献29附录A 附录内容名称34致 谢351 文献综述1.1 研究背景全球变暖是目前世界上最主要环境问题之一1。在导致气候变化的各种温室气体中，二氧化碳对地球升温影响最大，而人类活动中排放的二氧化碳，70%来自化石燃料的燃烧。据估测地球上大气和水中的CO2含量约为3.67×1014t (其含碳量约为1014t),而地球上所蕴藏的石油、煤炭等矿物中,大约含碳1013t，地球上CO2含碳量是煤和石油含碳量的10倍左右2。据资料统计，工业化开始的150年间，大气中二氧化碳的浓度已经由开始的280ppm上升到 379ppm，地表平均温度在过去的一百多年内因此上升了约 0.6 3, 人类活动引起的气候变化已经对包括物理和生物系统在内的多个系统产生严重影响4。京都议定书提出，务必要迅速找到能够大量减排CO2的新方法，以应对可能发生的更大的灾难5。目前，我国正处于经济快速发展期，对能源需求巨大。高强度的能源使用导致温室气体的大量排放。2009年12月，联合国气候变化大会在丹麦哥本哈根召开，192个国家的领导人共同研讨京都议定书到期后的后续方案，即2012-2020年的全球减排协议。 国际能源机构机构（IEA）24 日公布统计称，2011年全球二氧化碳排放量比2010年增长3.2 ，达到316亿吨，创历史新高。 其中，中国、印度等新兴国家的排放量增长迅速。全球最大的二氧化碳排放国中国 2011 年排放量增加7亿吨以上，增加幅度大 9.3 %6。因此中国实现在哥本哈根会议上公布的二氧化碳减排目标的更需要我们科学工作者付出更大的努力。1.2 研究意义近年来，大量碳处理技术的新理念、新工艺、新方法层出不穷，总结起来可以归为三类：（1）提高能量转换利用率（2）开发利用低碳或无碳能源（3）CO2的捕集和封存技术。前两种方式由于相对简便易行而获得了较广泛的关注，但其缺点也是显而易见的，以目前得科学技术条件而言，能量的转换效率在短时间难以产生质的飞跃，汽油机能量转换效率至今不足 40%，电动机效率可以达到 80% 90%，但火力发电机组能效比不足30% ，导致使用电能反而要更多排放废气；低碳甚至是无碳的新能源制造成本高昂，无法在短时间内大范围推广应用。既然无法摆脱对化石燃料的依赖，那么CO2的捕集和封存技术就变得更加有利于解决碳排放问题，因此迫切需要发展一种环境友好、可行高效的CO2固定技术7。目前CO2固定技术主要包括：溶剂吸收法、固体吸附法、膜吸收法、冷凝系统法、地质学过程固定和深海固定。以上方法在实践过程中均表现出不同的优劣性，本文在今后的讨论中会深入讨论。生化法作为一种新兴的方法，利用广泛存在于生物界的酶或微生物的特殊生理结构，催化固碳反应的进行，力求从一个经济、高效、温和的角度固定二氧化碳8。鉴于严峻的二氧化碳减排形势和国内国际二氧化碳捕集技术的现状。本文以目前学术界对二氧化碳捕集技术的研究为基础，以碳酸酐酶为研究对象，通过实验对碳酸酐酶捕集二氧化碳的可行性进行分析，重点讨论碳酸酐酶的作用机理、固定化、反应条件和其在二氧化碳捕集上的应用效能。1.3 目前二氧化碳捕集方法简介根据气源的不同，二氧化碳的捕集技术也多种多样。最常见的包括：吸收法、吸附分离法、膜分离法等。1.3.1 吸收分离法 吸收分离法是利用对某种气体具有特定吸收作用的吸收剂进行气体脱除的过程。这种方法在气源中CO2浓度低于20%时适用。按照吸收分离原理的不同，分为物理吸收法、化学吸收法和混合溶剂吸收法。（1）物理吸收法物理吸收法是在低温高压条件下，以水、甲醇、聚酯类等作为吸收剂，利用在这些溶液中的溶解度随压力的改变而改变的原理来吸收气体，该法在分离过程中并不发生化学反应。一般来讲，有机溶剂吸收CO2的能力随压力增加和温度下降而增大，反之则减小9。因此，它是基于不同的温度和压力下的CO2在吸收剂中有不同的平衡溶解度的性质而发展起来的。对吸收剂的再生可以来用加热的方法来实现，也可以通过降低压力的方法来实现。 （2）化学（溶剂）吸收法化学吸收法是利用可与二氧化碳发生化学反应并且具有吸收性质的吸收液对二氧化碳进行吸收分离的方法。使原料气和化学溶剂在吸收塔内进行化学反应，二氧化碳被吸收至溶剂中成为富液，富液进入解析塔加热分解出二氧化碳从而达到分离回收二氧化碳的目的。该法的关键是控制好吸收塔和解析塔的温度与压力。化学吸收法所选用的吸收剂应对二氧化碳具有选择性，且吸收剂不易挥发，并应避免在气体中引进新的杂质；同时所选溶剂还应具备腐蚀性小、粘度低、毒性小、不易燃等特点10。目前工业中广泛采用热碳酸钾法和醇胺法这两种化学吸收法。常用的吸附剂有氨水、热碱溶液、一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、三乙醇胺（TEA）、甲基二乙醇胺（MEDA）、二异丙醇胺（DIPA）和二甘醇胺等11。（3）混合溶剂吸收法这类溶剂是由特定组成的物理溶剂和化学溶剂混合而成。在常用的溶液中，以环丁矾最为著名，吸收过程一般采用吸收/再生系统。这类工艺应用较少，但在某些情况下也可作为一种有效的气体分离方法。总之，溶剂吸收法工艺需要复杂的预处理系统，操作比较繁琐，流体需要周期性升温、降温，溶剂再生必须消耗大量的外供热能，这些使得溶剂吸收法的能耗十分巨大，而且湿法操作过程设备腐蚀和环境污染问题也未得到根本的解决。1.3.2 吸附分离法吸附分离法是基于气体与固体吸附剂表面上活性点之间的分子间引力来实现的。CO2的吸附分离就是在填充吸附材料的滤床中进行的，利用吸附剂对原料混合气中的二氧化碳的选择性可逆吸附作用来达到分离回收二氧化碳的目的。吸附分离法适合于CO2浓度为20%一80%的工业气12。不同气体在同一吸附剂上的吸附量!吸附力以及吸附速度等存在差异。吸附剂对气体的吸附量随压力和温度的变化而变化，压力越高，吸附量越大；温度越高，吸附量越小。根据这一特性，吸附分离法可分为变压吸附法（PSA）和变温吸附法（TSA）以及变温变压吸附法(PTSA)。吸附剂在高温或高压条件下吸附CO2，降温或降压后将CO2解吸出来，通过温度或压力的周期性变化，实现CO2与其它气体分离。吸附分离法的关键是吸附剂的载荷能力,主要决定因素是温差(或压差)13。分离过程一般需要多座吸附塔并联使用，以保证整个分离过程中能够连续输入原料气，连续取出CO2及未吸附气体。（1）变温吸附分离法变温吸附法（TemPerature Swing Adsorption，简称为TSA）或变温变压吸附法（简称为PTSA）是根据混合气各组份在不同温度下吸附容量的差异来实现分离的。利用吸附剂的平衡吸附量随温度的升高而降低的特性，采用常温吸附、升温脱附的操作方法。除吸脱附外，整个操作中还应包括对脱附后的吸附剂进行干燥、冷却等辅助环节。变温吸附法可应用于常压气体及空气的减湿，空气中溶剂蒸气的回收等方面。如果吸附质是水，可用热气体加热吸附剂进行脱附；如果吸附质是有机溶剂，吸附量高时可用水蒸气加热脱附后冷凝回收；吸附量低时则可用热空气脱附后烧去，或再经二次吸附后回收14。由于常用吸附剂的比热容较大，而且过程时间长，还要配备相应的加热和冷却设施，变温吸附法的能耗和投资相对较高；此外，温度大幅度周期性变化也会影响吸附剂的寿命。因此，变温吸附主要用于微量杂质或难解吸杂质的的分离15，目前工业上较多采用变压吸附法。(2)变压吸附分离法变压吸附（Pressure Swing Adsorption，简称为PSA）工艺是近十几年来飞速发展的一种非低温法气体分离和提纯技术。其基本原理是利用固体吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附推动力等方面的差异以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化的特性，在加压时完成混合气体的吸附分离，在降压时完成吸附剂的再生，从而实现气体分离及吸附剂循环使用的目的。变压吸附还可分为高压下的变压吸附（通常称为变压吸附）和在真空条件下的变压吸附（称为真空变压吸附，Vacuum Swing Adsorption，VSA)16,17真空变压吸附过程是在常压下吸附，真空下解吸。这两种方法的分离原理是相同的，只是选择的压力变化的范围不一样。真空变压吸附与高压吸附的PSA流程相比，优点是能耗低。提高产品气的纯度和收率的效果很明显。1.3.3 膜分离法 膜分离方法是一种新型气体分离方法，因其操作简单，节能环保而受到越来越多人的关注。膜分离法是利用膜的选择透过性对混合气体进行分离的方法。可分为气体分离膜法和气体吸收膜法两类。气体分离膜法是利用某些聚合材料制成的薄膜，对不同气体的渗透率不同来进行气体分离的。膜是一种起分子级分离过滤作用的介质,驱动力是压差，当混合气体与膜接触时，膜两边存在压力，渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜，形成渗透气流；而渗透率低的气体则被选择性地拦截，绝大部分在薄膜进气一侧，形成残留气流，两股气流分别引出，从而使混合气体的不同组分分离，这种分离是分子级的分离。工业上用于二氧化碳分离的膜材质主要有：醋酸纤维、乙基纤维素、聚苯醚及聚矾等。由于膜本身或膜组件的其他材料耐热性能差，其操作温度的上限为150，近年来一些性能优异的新型膜材质正不断涌现，如聚酞亚胺膜、二胺基聚砜复合膜、聚苯氧改性膜、含二胺的聚碳酸酯复合膜、丙烯酸酯的低分子含浸膜等，均表现出优异的二氧化碳渗透性18-21。最近也有一些硅石、沸石和碳素无机膜的研制，但均存在使用温度高、成本高，长期运行可靠性差等问题。以上介绍的几种方法，是目前在工业应用中的常见方法，它们的优缺点比较如表1-1所示：表1.1 主要CO2分离方法的优缺点技术工业应用大规模应用的关键问题吸收法化学吸收脱除天然气以及烟道气中的CO2再生能耗；酸性气体的预处理物理吸收脱除天然气以及烟道气中的CO2再生方法的优化吸附法变压吸附脱除天然气以及烟道气中的CO2；制氢工业中的CO2脱除吸附剂的吸附容量和选择性的提高变温吸附脱除天然气中的CO2；制氢工业中CO2的脱除再生时间（加热/冷却）时间长，吸附剂产率低膜分离法无机膜脱除天然气中的CO2；制氢工业中CO2的脱除单位体积膜的表面积的提高有机聚合膜脱除天然气中的CO2；制氢工业中CO2的脱除膜降解问题；膜对CO2的选择性1.4 生化法捕集二氧化碳的研究现状 近年来，鉴于碳酸酐酶以CO2为底物的高效催化特性，一种全新的“仿生学”方法已经被应用于加速水相中碳酸盐的形成，以尝试固定CO2。碳酸酐酶作为生物体内一种催化 CO2与 HCO3-之间可逆水合反应的生物催化剂，与软体动物的贝壳、鸟蛋壳、单细胞海藻等生物通过体内矿化作用形成碳酸盐类的过程密切相关，已确认在该酶的作用下可以将CO2转化为碳酸盐，据此从理论上证明该技术切实可行。同时与物理化学捕集技术相比，使用碳酸酐酶进行仿生学固定CO2，通过酶反应生成CaCO3兼具酶催化反应高效专一、污染少和后处理简单的特征，是一种绿色工艺，相信会逐渐受到研究者的关注和推崇。1.4.1 国内生化法捕集二氧化碳的研究现状国内利用生化法捕集二氧化碳大多始于近年。为了进行仿生催化固定二氧化碳的研究，科学工作者们分析总结了自然界中已知的6种CO2固定途径。包括22：（1） 卡尔文循环途径此途径是Calvin等借助CO2实验发现的光合作用碳同化途径，由于该途径中的最初产物是三碳化合物，故称之为C3途径。卡尔文循环不仅是光合作用暗反应的一部分，而且也是蓝细菌、多数光合细菌以及好氧化能自养菌固碳的主要途径。1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶( Ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase / oxygenas，RuBisCO ) 是该途径的关键酶，它使1，5-二磷酸核酮糖( RuBP) 羧化，即与 CO2结合反应，产生2分子3-磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate，PGA)。RuBisCO的活性在很大程度上决定了光合作用的效率。（2） 还原性三羧酸循环途径一些古生菌（热变形菌属、硫化叶菌属）及绿菌属和脱硫菌属中存在还原性TCA循环。此途径于1966年由Evans提出，CO2的固定为逆向的三羧酸循环，多数酶与正向三羧酸循环途径相同，除了依赖于ATP的柠檬酸裂解酶。在该途径中，CO2通过琥珀酰-CoA的还原性羧化作用被固定。（3） 还原乙酰CoA途径还原乙酰CoA途径是非循环式固定CO2的机制，主要存在于乙酸菌、硫酸盐还原菌及产甲烷菌等化能自养菌中。该途径以H2为电子供体，通过两个反应分别把CO2还原成甲基和羧基，再一起形成乙酸。整个途径的关键酶是CO脱氢酶，催化CO2还原为CO。（4） 3-羟基丙酸循环近年在某些古细菌中发现了3-羟基丙酸循环，它由两个偶联的循环过程共同完成CO2的固定。该循环的起始物是乙酰CoA，经丙二酰CoA和3-羟基丙酸等中间物转化为丙酰CoA，此过程同时出现在 两个循环中。研究证明部分温泉古菌（Cenarchaeum symbiosum）的基因组中携带编码类似3-羟基丙酸循环的全部基因。 （5）其他途径此外还有3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环（3-Hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle ）和二羧酸/4-羟基丁酸循环 ( Dicarboxylate/4-hydroxybutyrate cycle)。以上六种自然界中已知的CO2固定途径为生化法捕集二氧化碳提供了研究素材，有学者对这些途径中起关键性作用的酶（称为CO2固定的关键酶）做了具体的研究，经过文献搜集和整理，目前已知参与CO2固定的关键酶主要有RuBisCO、磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEPC）、磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶（PCK）、碳酸酐酶（CA）和CO脱氢酶等。（1）1，5二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCO）自养微生物主要通过卡尔文循环固定CO2，RuBisCO是CO2固定和光呼吸的关键酶，决定光合作用的净效率，当CO2/O2的比率较高时此酶主要催化羧化反应，比率低时则主要催化加氧反应，此时O2是1,5二磷酸核酮糖加氧酶的底物。RuBisCO由8个小亚基(rbcS)和8个大亚基(rbcL)构成，rbcS能调控RuBisCO的活性并影响RuBisCO与CO2/ O2结合的特异性，rbcL主要起催化作用。在水稻中超表达rbcS基因，RuBisCO的表达量增加，酶活增强，从而增强光合作用。尚常花等对编码RuBisCO的小亚基基因及其启动子进行了克隆、转化和表达，探讨微藻中rbcS的遗传改造对光合作用和生长的影响，结果表明提高外源基因rbcS在盐藻 （Dunaliella）中的表达，可优化生物反应器。岳丽宏利用配置烟道气驯化小球藻属微藻ZY21（自含微藻的泥水混合试样中分离），此藻对高浓度CO2有较强的适应性。在CO2体积分数为10% ，25 30、pH4 6 的范围内，小球藻生长稳定，CO2固定率达 0. 397%23。（2）磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶（PCK）PCK是植物基础代谢途径的主要酶，催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）到草酰乙酸的反应。考虑到牛瘤胃中CO2的含量高，从中分离出具有较强固定CO2能力的丁二酸放线杆菌（Actinobacillus succinogenes）。该菌可以秸秆糖为碳源固定CO2，产生三羧酸循环的中间体丁二酸。该菌的PCK活性对环境 pH值敏感，pH值过低或过高均抑制其活性，甚至使其失活。当pH为6. 57. 0 时，酶活较高，Mn2 +与Mg2 +对该酶具有明显激活作用，而Cu2 +则对酶活具有显著抑制作用，PCK对HCO3-的亲和力较弱，发酵 体系需保持高浓度的HCO3-。陈敏资对大连产海带（Laminaria japonica）的PCK活性进行研究，认为该酶是海带体内唯一重要的催化CO2暗固定的酶，正常水温和正常盐度时酶的活性最高，增加NH4-浓度可提高酶的活性24。于丽等以大肠杆菌W 3110菌株构建磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）缺陷株，并在此基础上过量表达枯草杆菌( Bacillus subtilis) 的PCK基因。结果显示，PCK 对底物HCO3-的亲和能力低，过量表达 PCK 可在一定程度上恢复初始菌株厌氧代谢葡萄糖的能力25。由此可见，提高PCK对底物HCO3-的亲和力是提高 CO2固定效率的关键。（3）磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）PEPC是C4光合途径的关键酶，是固碳途径中活性较高的羧化酶。在 Mg2 +或 Mn2 +的存在下，PEPC催化PEP与CO2反应生成草酰乙酸。此酶对CO2的亲和力很高，Km 约为7mol/L，主要分布在 C4植物叶肉细胞的细胞质内，形成 CO2的浓缩机制为维 管束鞘细胞的C3途径提供CO2，发挥“CO2泵”的作用。它在高O2低CO2的叶肉中固定CO2，可被反应产物草酰乙酸抑制，受葡萄糖-6-磷酸（G-6P）活化。部分学者将C4光合关键酶基因导入C3植物或微生物中，在 C3生物中建立C4循环以提高光合能力。将C4光合基因导入 C3植物的研究较多。PEPC除参与光合作用外，还参与氨基酸代谢途径中碳骨架的回补作用。抑制PEPC活性有助于乙酰 CoA 羧化酶催化底物进入脂肪酸途径，因此采用反义技术调控微藻 PEPC 的代谢途径可能是提高其油脂含量的另一有效方法。（4）碳酸酐酶（CA）藻在水体中的光合固碳受制于两大因素: 一是微藻RuBisCO对CO2的亲和力远低于陆生高等植物；二是CO2在水中的扩散速率远慢于空气，因此水中CO2的供应量小。微藻利用CO2的形式为CO2和HCO3-，当外界CO2的供应受限制时，CA胞外酶可使藻细胞以水中的HCO3-为无机碳源，如椭圆小球藻（Chlorella ellipsoidea）和凯氏小球藻（Chlorella Kesslerii）。其实，水体中微藻的光合效率很高，甚至高于 C4植物，原因是胞内具有 CO2浓缩机制（CO2 Concentrating Mechanism，CCM），此机制是以CO2或HCO3-为外源无机碳，通过质膜主动转运HCO3-进入胞液，胞内CA催化 HCO3-变为CO2，或直接通过胞外CA催化细胞表面的HCO3-变为CO2，CO2扩散进入胞内，通过CA的作用保持胞内 CO2稳定流向RuBisCO，从而保证低浓度CO2时仍具较高的光合效率。因此，CA是微藻利用外界无机碳的关键酶之一。基于已知的可用于生化法捕集二氧化碳关键酶的了解和国内科学工作者对其进行的研究现状。本文将在下节，针对本文关注的碳酸酐酶（CA）介绍一下国外研究现状。1.4.2 国外生化法捕集二氧化碳的研究现状CA酶的最早被Meldrum和Roughton发现于1933年。可是直到1944年，Keilin和Mann将CA酶分离纯化后才真正拉开了研究CA酶的历史序幕。他们同时发现，CA酶具有含锌离子的催化活性中心，使得它在固定二氧化碳上有着得天独厚的优势。Berg等人在2007年发现CA中的金属锌离子使水分子脱掉一个质子，形成Zn2+和OH-的化合物，使CA酶成为一个强的亲核试剂。意大利佛罗伦萨大学的 Francesco Abbate、Angela Casini 等人以苯唑拉胺为先导分子，合成了一系列活性强、膜穿透性高的新型碳酸酐酶抑制剂，其中一个化合物（the 2-N,N-diethylaminoethylamide of 5-(4-carboxybenzenesulfonamido-1，3，4-thiadiazole-2-sulfonamide）CAII有较强的抑制作用，并且在动物青光眼治疗试验中显示出非常有效地降低眼内压的作用，因此这类抑制剂具有良好的开发前景。目前国外对于碳酸酐酶的研究很多，但是将其应用于固定CO2大多始于近年。Ge Jijun和Cowan Robert M等研究者设计了一种包含酶的液膜生物反应器来捕获CO2。主要的运输阻力来自液膜层，加入碳酸酐酶后，可减少71%的运输阻力，而且在第一天的操作反应中，挥发性有机物的种类和浓度对碳酸酐酶活性没有影响；交替扫描法研究显示，在中压条件下，原料气可在旁路中成功被利用，从而达到分离回收CO2的目的；反应过程中，CO2/N2的选择性为 1400：1，CO2/O2的选择性为 866：1，CO2的渗透率为1.44 x 10(-7)mol·m-2Pa-1s-1。这些数据表明，这种液膜生物反应器是一种很有前景的技术，美国航空航天局可能将它应用在对机舱、船舱或工厂车间 CO2的控制上。Trachtenberg M.C 报道了用一种中空纤维液膜设备来捕获燃烧后的 CO2，碳酸酐酶被固定在液膜上。这个设备由两套微孔中空纤维膜组成，原料气和尾气分别在一套中空纤维膜中流动，液膜位于两套纤维膜中间的壳层。液膜中CA和Na2CO3 -NaHCO3 缓冲液的浓度分别为3.0 g/L和1.0 M，当CO2原料气的浓度为15%时，CO2的渗透率比质量浓度为20%的二乙醇胺吸收法高 109%26。美国伊利诺斯州地质勘测局发明了一种捕获燃烧后 CO2的新方法，叫做组合真空碳酸盐吸收法( IVCAP )，并且正在申请美国专利。这种方法以 K2CO3为溶剂,以碳酸酐酶为催化剂，促进 CO2吸收，同时也能去除SO2。这种方法的独特之处是：它以来自电厂低压管道释放的废气为动力，为吸收/解吸过程提供能量，从而大大减少能量损失。与一乙醇胺吸收法相比，IVCAP可以降低30%的能量消耗271.5 研究内容、方法及思路1.5.1 研究内容本文主要结合目前国内外碳酸酐酶机理、性质的研究现状，以碳酸酐酶捕集二氧化碳的反应为基础，以研究碳酸酐酶固定化方法为核心，以碳酸酐酶催化反应吸收二氧化碳效果评价为手段。提出一套碳酸酐酶捕集二氧化碳的可行方案，并通过一定的实验手段，检测该方案的效果。同时，通过实验分析改进实验措施，指出今后实验可行的方向。1.5.2 研究方法（1）文献资料法通过多种途径查阅相关资料，了解国内外碳酸酐酶的研究现状，熟悉其他方法固定二氧化碳经验和实例。通过分析文献，确定碳酸酐酶的固定化和吸收捕集二氧化碳的可行方法。（2）实验法实验分成两部分：第一部分为碳酸酐酶的固定化，碳酸酐酶的固定化是确定碳酸酐酶活性和可用性的关键步骤，以相关文献作为参考确定实验目的、拟出实验步骤、进行实验工作。第二部分为经固定化后的碳酸酐酶用于捕集二氧化碳的效果分析，具体评价碳酸酐酶用于捕集二氧化碳的效果，分析实验结果，提出改进方案。1.5.3 研究思路 本文的研究框架如图所示：文献综述碳酸酐酶捕集二氧化碳的理论基础经固定化的碳酸酐酶用于捕集二氧化碳效果的研究碳酸酐酶固定化的研究2 利用碳酸酐酶催化反应捕集二氧化碳的基础理论2.1 碳酸酐酶的基本性质和分类碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase，以下简称CA）也被称为碳酸盐脱水酶或者碳酸盐裂合酶，是一种潜力巨大的生物催化剂，它是Zn2+依赖的金属酶，它通过将CO2转化为HCO3-，并通过矿化作用变成CaCO3的方式来固定大量CO2。其反应历程可以用如下方程式描述：1) 水中的 CO2与水反应生成质子和 HCO3-CO2+H2O HCO3-+H+ (1) (2)2）HCO3-电离为CO32-：HCO3- H-+CO32-3）在Ca2+存在的情况下，CaCO3沉淀生成目前为止，哺乳动物、细菌界和古细菌界都发现了碳酸酐酶的身影28。同种生物中，CA又存在于不同的组织中、承担着不同的生理功能，其中包括骨骼的形成、钙化左右、离子转运、酸碱平衡和CO2的运输等29。碳酸酐酶首先被发现于人类的血红细胞中，随后在哺乳动物体内分离鉴定了16种碳酸酐酶同工酶，分别参与不同的生理过程，包括组织与肺之间 CO2/HCO3-的转运、pH 调节、离子转运、钙化作用、生物合成 （例如: 糖异生作用、脂肪合成与尿素合成）。原核生物中存在的碳酸酐酶预示着该酶在自然界中具有更加重要的作用。人们将碳酸酐酶分为、五个家族，5个家族之间没有显著的序列同源性。显示他们是趋同进化的典型代表。同时，、3个家族的晶体结构揭示这三个家族的成员虽然三、四级结构完全不同，但是活性中心具有高度相似性。所有的碳酸酐酶的活性中心都结合了一个对催化过程很重要的Zn2+30。所有动物来源的碳酸酐酶都属于家族。在人体内分离的16 种碳酸酐酶中有5种定位于细胞膜内，5种定位于细胞膜上，3种定位于线粒体上，还有1种可以分泌到细胞胞外。在高等植物、藻类、真菌以及一些细菌中也相继发现了-CA 的 存在。但是到目前为止，还没有在古细菌中发现CA的存在。家族的第一个成员发现于植物中，随后又在藻类、真菌、古细菌和细菌中找到。家族的碳酸酐酶主要存在于细菌和古细菌中。近来发现的，家族仅存于少量的硅藻中（如表2.1所示）表2.1 不同家族碳酸酐酶家族分布抑制剂组成亚基数目Zn2+配体哺乳动物、植物、海藻原生动物、细菌磺胺类药物高度敏感单体到三聚体3个组氨酸残基植物、藻类、真菌、古生菌磺胺类药物敏感度低二聚体到八聚体2个保守半胱氨酸和组氨酸植物、真菌、细菌、古生菌磺胺类药物高度敏感三聚体3个组氨酸残基硅藻未知二聚体3个组氨酸残基硅藻未知二聚体未知2.2 碳酸酐酶的结构特点不同种属的碳酸酐酶其分子结构存在明显的差异。CA I、II、III在结构上都有一含锌单体，但CA I、II以单体形式存在, 而CA III 则以二硫键相连的二聚体形式存在。用 X 线晶体衍射图测试，人类 CA I和CA II的三维结构几乎相同，二者氨基酸序列约有 60%的同源性。CAIV有260个氨基酸, 通过磷酯酰肌醇甘油键结合在质膜上，可抵抗 SDS的解离作用，与胞浆内CA有30%36%的同源性。人肺的CA IV（36kD）缺少N-连接的寡糖链，而鼠肺的CA IV（39kD）及其它哺乳动物多数具有此链30。CA VI则带有两条复合存在的寡糖链。其中碳酸酐酶II是最具代表性的含锌金属酶，也是最重要的锌酶，能高效地催化 CO2的可逆水合反应。它整个分子近似于球形，其主要的二级结构和活性相关的氨基酸残基都位于酶分子的10条-链中。除了-链结构外，酶分子表面还分布着一些相对较短的-螺旋结构。它的活性中心主要由两部分组成：一是Zn2+与 94，96，119号组氨酸残基中咪唑基侧链上的3个氮原子一起，和CA催化活性的亲核基团OH-中的氧原子，形成一个包含四价金属的多面体。活性区域具有重要的极性残基T199 (苏氨酸199)，它可以从与 Zn2+结合的氢氧化物接受一个氢键，亦可以将氢键提供给 E106 (谷氨酸 106)。His64的作用在于可以提供质子“梭”，将与 Zn2+结合的水转化为与 Zn2+结合的氢氧化物31。二是在上述多面体的邻近处有一个由 Val-121，Leu-141，Val-143，Leu-198，Trp-209 组成的结合有 CO2的疏水袋。其入口处的结构是Val-121和Leu-198，底部是 Val-143。同时在袋子入口处存在 H2O 分子，可被水合反应的底物或苯酚所取代，由此水合反应开始进行或被阻断32。如图2.1-2.3所示。图2.1 碳酸酐酶II的结构示意图33图2.2 碳酸酐酶II活性部位透视图34图2.3 碳酸酐酶II活性部位的氢键网状系统352.3 碳酸酐酶的催化性质碳酸酐酶主要功能是催化CO2的可逆水合反应：H2O + CO2 H2CO3 HCO3-+ H+。不同种属的CA其催化活性不同。CAIII、VI较弱，而CAII、IV较强，它们在催化过程中对pH的依赖性也不同。例如CA I、II只在pH78范围内，催化反应的解离常数与pH无关；而CAIII在 pH 5.08.5 的范围内，解离常数都与 pH 无关。以CAII为例，它是目前已知的催化反应速率最快的酶之一。单纯的CO2水合过程是十分缓慢的，一级反应速率常数仅为5×10-2s-1，但在CAII催化下，速率常数可提高到1.6×106s-1，可见借助碳酸酐酶的催化作用，能有效地促进CO2的水合反应。如表2.2所示。表2.1 有无CA催化CO2水合反应速率常数无CA催化有CA催化CO2水合一级反应速率常数（S-1）5×10-21.6×106研究表明CA II对CO2水合反应的催化过程主要可以分为两个步骤：（1）在生理条件下，与Zn2+相连的H2O去质子化形成EZnOH-，由于氢键系统等结构的存在，使得与Zn2+相连的OH-（EZnOH-）中氧具有很强的亲核性，它能亲核进攻结合于疏水袋中的底物CO2，首先形成EZnHCO3-，EZnHCO3-中的HCO3-被溶剂水分子取代，形成EZnH2O和 HCO3-。（2）EZnH2O通过酶分子中的质子转运体将质子（H+）转运至溶剂中，并还原为具有催化活性的 EZnOH-。在催化过程中 H+向溶剂中转运主要是通过酶分子活性区域 His-64实现的，并且该步骤也是CAII 催化反应的限速步骤。如图2.4所示。图2.4 CAII催化CO2水合反应的机制353 碳酸酐酶在介孔分子筛的吸附固定化及其酶学性质的研究3.1 碳酸酐酶固定化和活性测定方法的简介 酶是一类生物催化剂，能够催化构成细胞代谢的所有反应，生物体内形形色色的化学反应均是在酶催化下进行的。同一般催化剂相比，酶具有以下几个特点：（1）催化效率高；（2）专一性强；（3）反应条件温和；（4）酶的活性可调可控。虽然酶在生物体内能够催化许多化学反应，但其作为工业催化剂仍存在某些缺陷，因为酶由蛋白质组成，其高级结构对所处的