综述：聚焦填料功能化的酶催化反应蒸馏综述——追溯二十年生物过程强化历程

本综述系统评述了酶催化反应蒸馏（ERD）领域近二十年的研究进展，重点探讨了酶固定化技术、塔器设计及过程建模的创新。文章深入分析了ERD在克服反应平衡限制、提升选择性和过程强化方面的潜力，并指出了酶稳定性、传质限制及工业放大等关键挑战。作者团队（Nicolas Chaussard等）通过对比不同填料（如Katapak-SP?、涂层规整填料等）和功能化方法（如溶胶-凝胶涂层、超声辅助US-ERD），为生物催化与分离过程的集成提供了前瞻性视角，对生化工程领域的科研与工业应用具有重要参考价值。

　　

引言

反应蒸馏（RD）作为一种将反应与分离耦合的过程强化技术，拥有近两百年的发展历史。自19世纪60年代Solvay制碱法首次工业应用以来，RD技术在20世纪80年代甲基叔丁基醚（MTBE）生产中崭露头角，并被公认为过程强化的典范。Eastman Kodak的醋酸甲酯工艺更是将整个化工厂压缩至单一蒸馏塔，年产能达20万吨。目前全球已有超过150套RD工业装置，广泛应用于醚化、加氢、加氢脱硫和脱氢等领域。

酶催化反应蒸馏（ERD）作为RD的创新分支，于2003年由Paiva等人首次提出。该技术将酶催化的高选择性、温和反应条件与RD的平衡突破能力相结合，为生物制造提供了绿色替代方案。例如，在转酯化反应中，通过及时移出产物乙醇，可显著提高转化率并减轻酶抑制。然而，酶的热敏感性（多数酶在30–40°C以上易失活）和操作稳定性仍是ERD面临的核心挑战。

从RD到ERD：概念验证与关键构件

初步概念验证

Paiva等人在2003年使用填充Mucor miehei酶珠的倒梨形玻璃柱，实现了丁醇与丁酸乙酯的转酯化反应，转化率超越传统反应器。该实验揭示了ERD的两大关键需求：酶必须固定化以维持活性，且需在减压条件下（如150 mbar）操作以降低沸点保护酶。酶固定化不仅提升了操作稳定性，还可通过疏水载体增强酶活性。

适用于ERD的RD内构件

填料设计对ERD性能至关重要。早期“茶包”式填料存在压降高、催化剂润湿差等问题；而“夹心”填料（如Katapak-S?）通过在波纹金属片间封装催化剂，改善了液相分布和催化剂润湿性。近年来，活化规整填料（如涂覆Amberlyst 15的金属网）和新型结构（如金属泡沫、3D打印Tetra Splines）进一步提升了传质效率和催化负载能力。例如，3D打印填料可通过计算机辅助设计（CAD）优化结构，实现更佳的流体分布和低压降。

ERD中的酶固定化技术

生物催化剂在ERD柱中的集成

ERD研究几乎全部采用Candida Antarctica Lipase B（CALB），其固定化方式主要包括吸附型Novozym?435珠和溶胶-凝胶包埋法。Novozym?435通过界面活化固定在Lewatit VP OC 1600载体上，具有高活性和耐溶剂性，但存在载体解聚和酶脱落风险。溶胶-凝胶法（如MTMS/TMOS凝胶）将酶封装于硅基聚合物基质中，虽热稳定性佳，但易脆且活性较低（仅为Novozym?435的1/10）。

溶胶-凝胶填料功能化技术

Heils等人于2012年开创了溶胶-凝胶涂层技术，采用浸涂或喷涂方式在Montz A3-500填料表面形成酶-凝胶复合层。喷涂法可实现更均匀的涂层厚度控制，但需拆解填料逐片处理。2016年发展的原位淹没法可直接在塔内进行涂层制备，大幅降低操作成本，但存在涂层分布不均的问题。2024年，Chaussard引入GPTMS底漆预处理，显著提升了凝胶与金属填料（如泡沫、Tetra Splines）的粘附力。此外，聚多巴胺（PDA）改性凝胶有望增强机械韧性，尚未应用于ERD。

涂层对蒸馏性能的影响

催化涂层会降低分离效率。例如，涂层Montz填料的等板高度（HETP）从0.12–0.15 m增至0.19–0.21 m。增厚涂层可提升催化负载，但可能引发内传质限制：当凝胶负载从0.045增至1.155 g_gel/g_packing时，比活性下降56%。涂层还可能导致孔道堵塞和压降升高，需在活性与传质间寻求平衡。

ERD过程的设计与控制

从间歇到连续操作

早期ERD采用间歇模式，如Heils在2012年实现丁醇转化率98%。连续操作虽可提高产率和能效，但需应对更复杂的流体动力学和酶动力学匹配问题。2015年，Wierschem等人通过平衡模型（EQ）模拟和 pilot 试验，在512 cm高的连续柱中实现85.99%的稳态转化率，验证了ERD的连续化可行性。

从实验室到中试放大——建模的必要性

ERD放大面临流体行为改变、径向混合不足等挑战。过程建模（如EQ平衡模型、NEQ非平衡模型）成为优化设计的关键工具。EQ模型通过MESH方程（质量平衡、相平衡、摩尔分数加和、热量平衡）快速预测稳态性能；NEQ模型虽更精确，但需依赖填料的水力学关联式，计算量更大。例如，Chaussard在2024年发现NEQ模型因缺乏泡沫填料的经验关联而精度不足，转而采用EQ模型进行参数分析。

ERD操作参数综述——参数化研究

进料组成、位置、回流比和锅炉热负荷共同决定ERD性能。挥发度较高的组分应从反应段下部进料，以避免产物积累抑制酶活。进料摩尔比（如过量丁酸乙酯）可减轻酶抑制，但可能降低产率。蒸馏比（distillate-to-feed ratio）是重要操作指标，极端值会导致反应物过度蒸出或残留。此外，催化剂负载、反应段高度和塔径也需优化：较大塔径可提高处理量，但需注意液体分布问题。

手性选择性ERD的特殊案例

CALB对手性底物（如(R/S)-2-戊醇）具有高对映选择性。Heils等在2015年利用涂层填料实现(R)-2-戊醇转化率69%，对映体过量（ee）达89%。但高转化率下ee值会下降（如转化率92%时ee<50%），需控制反应时间。进料摩尔比也影响选择性：过量丁酸乙酯（85/15）使ee降至84%。连续手性ERD的模拟显示，结合H-beta沸石催化外消旋化，可进一步提升(R)-产物收率至87.1%。

面向创新ERD系统与工业应用

ERDWC与卧式塔

反应分割壁精馏塔（ERDWC）将反应段与分离段集成，节能15–75%。Egger等在2017年采用Novozym?435填充Katapak-SP，实现己醇转酯化连续运行320小时，活性损失<50%。此外，Au‐Yeung在2013年设计卧式塔，通过十级串联柱实现(R)-产物收率86%和ee>87%，但需后续纯化步骤分离对映体。

超声辅助ERD（US-ERD）——提升反应速率

超声（614 Hz）可增强传质，使酶活性提高50%。Wierschem模拟的工业级US-ERD塔（直径1.39 m）可年产1.25吨丁酸丁酯，超声辅助使塔高降低7%，反应段高度减少12%。尽管US设备增加投资，但酶成本降低使总操作成本（TOC-RM）下降8%，经济可行性提升。

ERD工业化的瓶颈

酶催化剂成本高、耐久性差是主要障碍。溶胶-凝胶占ERD总投资成本（TIC）的29%和操作成本（TOC-RM）的44%，远高于传统RD催化剂（8–23%）。未来需通过改善酶稳定性、开发新型填料、优化控制策略（如模型预测控制MPC）降低成本。拓展ERD至水解、酯化、生物柴油生产等领域，也将增强其工业吸引力。

结论

ERD整合了反应蒸馏的强化效能与酶催化的精准选择性，为绿色化工提供了可行路径。当前研究需聚焦酶固定化技术优化、填料结构创新、精准过程控制及系统集成，以推动其迈向工业应用。