编辑推荐：
在绿色可持续化学领域，固定化酶填充床反应器（PBRs）发展迅速，但分子和系统层面设计策略缺失。研究人员以 3D 打印聚乳酸（PLA）支架为载体，筛选酶源和微环境，构建不同孔径 PBRs。结果显示，两性离子微环境优势明显。该研究为 PBRs 设计提供策略，助力医疗废水处理和青霉素生产。
在化学工业迈向可持续发展的进程中，连续流酶催化技术成为关键力量，它能高效生产医药中间体、食品等高价值化学品，相比传统间歇式混合，连续流可实现过程集成、串联反应和强化，精准控制反应条件，加速生物转化。其中，固定化酶填充床反应器（PBRs）在工业和学术界备受关注。然而，要让这一反应器更好地发挥作用，在系统和分子层面都面临诸多挑战。
从系统层面来看，控制载体的形状、内径和微观孔隙结构，对不同时空尺度的流动模式、传质和传热影响重大。比如，不合适的孔隙结构可能导致底物分布不均，反应效率低下。从分子层面来说，优化固定化酶平台，提高催化活性和操作稳定性，也绝非易事。3D 打印技术虽为 PBRs 发展带来新契机，可精准设计载体内部结构，但在调控酶的取向和微环境方面，复杂的修饰过程仍是难题。
为攻克这些难关，国内研究人员开展了一项极具意义的研究。他们成功制备出具有可控酶取向和微环境的微观多孔 3D 打印聚乳酸（PLA）支架，并用于构建 PBRs，实现青霉素中间体的连续催化。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为相关领域发展提供了新方向。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，采用蚀刻 - 活化法制备微观多孔的乙烯砜基聚乳酸（VS - PLA）支架；接着，制备 4 种组氨酸标记的青霉素 G 酰化酶（PGA）变体，实现其在 VS - PLA 上的位点特异性偶联；之后，利用带电荷末端的聚乙二醇（PEG）链或两性离子聚合物回填剩余的 VS 基团，营造不同微环境；最后，构建一系列不同孔径的 PBRs，并通过流场模拟研究内部流动行为。
制备微孔 VS - PLA
PLA 因良好的机械性能、稳定性以及可回收、可生物降解的特性，成为固定化酶 PBR 的理想载体。但复杂的成孔和活化过程限制了其应用，当前常用模板牺牲或化学蚀刻法制备微孔 PLA 支架。研究人员采用的蚀刻 - 活化法，成功制备出微观多孔 VS - PLA，为后续研究奠定基础。
酶源和微环境筛选
研究人员制备了 4 种 His - 标记的 PGA 变体，将其位点特异性偶联到 VS - PLA 上。用带电荷末端的 PEG 链或两性离子聚合物回填剩余 VS 基团，构建不同微环境。对比发现，聚甲基丙烯酸磺酸甜菜碱微环境下，酶的相对活性、亲和力、储存稳定性以及对热和 pH 的耐受性均优于 PEG 微环境。
填充床反应器构建与性能研究
研究人员构建了基于不同孔径支架的 PBRs，通过流场模拟和平均停留时间分布研究内部流动行为，考察停留时间和流速对连续流时空产率（STY）的影响。结果表明，合适的孔径和流动条件能提高时空产率。此外，通过延长催化实验评估系统稳定性，发现该系统在一定时间内可保持良好催化性能。
研究结论与讨论
该研究成功制备出可调控酶取向和微环境的微孔聚乳酸支架，提出的分子机制有效解释了聚甲基丙烯酸磺酸甜菜碱对固定化青霉素 G 酰化酶的积极作用。同时，阐述了不同孔径支架和流动条件对 PBRs 性能的影响。这一研究成果为固定化酶填充床反应器的多级构建提供了指导策略，推动了医疗废水处理和青霉素生产等领域的发展，在绿色可持续化学领域具有重要的理论和实践意义，为后续相关研究开辟了新路径，有望助力更多高效、环保的生物催化过程的开发。
