固定化脲酶-交联酶聚集体（urease-CLEAs）微通道反应器的制备及其在空间站尿液资源化回收中的应用性能研究

本文创新性地将微通道反应器与固定化脲酶-交联酶聚集体（CLEAs）技术相结合，开发了一种适用于空间站尿液资源化回收的高效生物催化系统。研究通过优化材料选择（PMMA）、沉淀剂（20%丙酮）和交联剂（2.0%戊二醛）条件，使CLEAs-微反应器活性达0.54 U/cm2，其pH/热/储存稳定性及催化效率（101.8 μmol/h）显著优于游离酶体系，为空间站水资源与氮营养的温和回收提供了新技术路径。

　　

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Materials

脲酶（200 U/g）购自中国宇芬化学有限公司。所有溶剂和化学试剂均购自中国北京化学试剂公司，均为分析纯级别。聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）购自中国奥鸿塑料化工有限公司。五种材料的详细信息列于表1。模拟尿液由NaCl 3.2 g/L、KCl等组成。

Selection of suitable material

所有五种有机材料均可用于制备微通道反应器并固定化脲酶-CLEAs。固定化脲酶-CLEAs的活性如图2所示。固定在PMMA上的脲酶-CLEAs显示出最高活性（1.94 U/cm²），而在PET上活性最低（1.04 U/cm²）。这可能是由于PMMA具有无定形结构及丰富的甲基（-CH₃）和酯甲基（CH₃-O-CO-）基团（Wu et al., 2022）。经过聚乙烯亚胺（PEI）浸泡后，PMMA表面携带更多氨基（-NH₂），这些基团增强了PMMA与酶分子间的相互作用力，从而显著提升固定化效率。

Conclusion

本研究成功制备了一种结合微通道与脲酶-CLEAs的新型微反应器，旨在开发一种适用于空间站尿液温和回收水资源与氮营养素的技术。结果表明：在优化微通道材料选择、沉淀剂与交联剂浓度及沉淀/交联时间后，CLEAs-微反应器最高活性达0.54 U/cm²，并展现出优于游离酶体系的pH稳定性、储存稳定性及热稳定性。其催化效率最高达101.8 μmol/h，是游离酶微反应器的2.24倍，为空间站生命支持系统提供了极具潜力的生物技术解决方案。