双水相液滴微流强化酶促反应机理研究

Enzymatic catalysis is one of the critical issues in biotransformation processes, where the problems of slow transfer of substrates, feedback inhibition by products, and poor reuse of biocatalysts are still challenges towards the development of biochemical engineering. In this project, droplet microfluidics with aqueous two-phase systems (APTSs) is proposed as novel bioreactors for the intensification of enzymatic catalysis. At first, a stable microdroplet water/water (W/W) interface is obtained, bases on the employment of proper APTSs, conjugate emulsifiers and designed microchannels. Such W/W interfaces with permselective property allow small molecules to transport across, whereas compartmentalize the enzyme molecules in the microdroplets. Then mechanism study on mass transfer enhancement across the fluid all-aqueous interfaces will performed by means of interface construction as well as fluid manipulation. Using urease and penicillinase catalysis as model reactions, transport characteristics of substrates and products in the presence of enzymes are especially demonstrated. Based on the unique interfaces, rapid microtransfort, efficient micromixing and simultaneous reaction-separation are synergistic coupling, with the aim of researching and developing enzyme-catalyzed process intensification on micrometer scale. This project will not only open avenues for green and effective bioreaction/separation processes, but also provides promising methods for process intensification of biochemical engineering and for miniaturization of chemical engineering systems.

酶促反应是生物转化的核心，克服底物扩散缓慢、产物反馈抑制及催化剂回收困难是生物化工过程发展的挑战。本项目拟构建双水相液滴微流平台进行强化酶促反应过程的机理研究：（1）通过设计微流控装置、双水相体系以及制备共聚物表面活性剂，获得一个选择性透过的全水相液滴微流稳定界面，将大分子酶关在液滴微反应器内，而允许小分子物质跨界面定向传递。（2）通过调变流动参数和界面因素，揭示目标溶质跨全水相液滴界面的传质过程规律及强化机制。（3）以脲酶和青霉素酰化酶催化为模型反应，阐明酶存在下的底物/产物传递特性，并依靠特殊相界面，从快速传递，高效混合和反应分离的协同耦合入手，探索提高酶促反应过程整体效率的方法和机理。研究结果将为实现绿色、高效的生物反应分离过程提供新途径，为双水相液滴微流体系促进生物化工过程强化和化工系统小型化奠定理论基础。

酶促反应是生物转化的核心，研究克服反应过程底物扩散缓慢、产物反馈抑制以及生物催化剂分离回收困难的局限，一直是推动生物化工过程发展的关键。双水相液滴微流凭借其与生俱来的生物相容性、分配选择性、隔室化等特点，应用于生物催化领域颇具前景，但其中跨全水相液滴界面的流动-传质规律以及反应分离耦合机理尚未清晰，该领域的探索势必对推动微尺度下的生物催化反应机理研究，为实现绿色、高效和可控的生物化工过程提供重要的理论支撑和应用指导。鉴于此，本项目提出并设计一种双水相液滴微流酶促反应体系，不断供给底物，拿走产物，推动反应平衡向正反应方向移动，探究体系形成、界面稳定以及溶质分配的规律；揭示微尺度下双水相液滴流强化酶促反应-分离耦合过程的机理。参照项目计划书，完成了预定内容，达到了预期目标。完成研究任务要点如下：（1）设计并构建了“选择性透过”特性的全水相液滴微流稳定界面，凭借水包水（W/W）独特相界面将酶固定化于液滴微反应器内，并实现底物的内流供给和产物的外排分离；（2）认识并揭示了该全水相界面的传质规律，特别是有酶/无酶存在下的底物/产物传递行为，探索了调控和强化传质的方法与机制；（3）在微升级至纳升级的区域内，通过界面设计和流动操纵，协同耦合快速传递、高效混合和反应分离，从微尺度上发展了强化酶促反应过程整体效率的新途径。以上研究成果有望在生物催化、微化工、食品、医疗、功能材料、药物控释和分析检测等领域得到广泛应用。在本基金项目的资助下，项目负责人及项目组成员在Chemical Engineering Journal, Green Chemistry, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces等学术期刊发表SCI论文8篇，发表EI论文2篇，中文核心期刊论文6篇；获授权国家发明专利4项；在项目执行期间，参加国内学术会议9次，国际学术会议7次，并作邀请报告；培养硕士研究生8名。