碳酸酐酶(Carbonic Anhydrase，CA)能够将CO₂快速催化转换成为HCO₃^-，是至今发现的最有效的CO₂水合酶催化剂(Gilmour and Perry， 2009).Mirjafari等(2007)研究发现碳酸酐酶的存在使CO₂水合速率显著增加，并可明显提高饱和CO₂溶液与CaCl₂ · 2H₂O反应生成CaCO₃的速率，CaCO₃生成时间可由几分钟缩短至几秒钟之内.

将烟气中的CO₂利用CA酶催化吸收分离出来，可有效促进CO₂的吸收，加快CO₂的捕集速率，是具有前景的CO₂捕集应用技术(Wanjari et al., 2011; Favre et al., 2009).酶在高温、强酸碱和有机溶剂等条件下易失活，限制了其被广泛应用(Russo et al., 2013).固定化技术不仅可使酶易于分离，也利于酶稳定性的提高，且固定化酶具有一定形状和机械强度，可装填于反应器中，便于连续生产，且过程易控制(Ding et al., 2010; 金杰等，2010).

近年来，利用固定化CA模拟生物法捕获CO₂的技术得到重视，国内外学者对固定化CA的制备方法和CO₂的吸收特性展开了研究(潘富军和周作明，2014)，为固定化酶在工业上的应用提供了更有潜力的方法.Bhattacharya等(Sharma and Bhattacharya， 2010)将CA固定在铁屑颗粒上，显示了很高的固定化效率，但固定化材料中酶损耗比较大.Ekrem等(Ozdenir，2009)将CA固定在聚氨酯泡沫上，固定化酶非常稳定，在60 ℃时，固定化酶会失活.Fradette等(Fradette and Ceperkovic， 2010)以MEA为溶剂利用CA捕获燃烧物中的CO₂，并申请了专利.Zhang等(2011)将CA酶固定在玻璃材料和活性炭上，固定化酶对温度以及硫酸盐和氯化物等杂质的耐受性明显提高，促进了K₂CO₃溶液对CO₂的吸收，贮存稳定性也得到了改善.Zhang等(2009)用纳米复合水凝胶固定CA，将固定化酶布置在PVDF真空纤维膜上吸收低浓度CO₂，取得了较好的效果，这给固定化酶的应用提供了更有潜力的方法.高伟芳等(2010)采用不同的固定方法研究CA的固定，制备的固定化酶有较好的耐酸性和稳定性，对固定化酶的应用没有进一步的研究.

目前，在立式反应器利用固定化CA催化吸收CO₂的研究比较少，本实验以海藻酸钠为固定材料，采用包埋-交联法制备固定化CA，由量热法测定酶活力，并进一步研究利用多孔陶瓷在立式反应器中布置固定化酶催化吸收模拟烟气N₂/O₂混合气中的CO₂，考察了气体流量(Q)和固定化酶的载酶量(C_E)对CO₂吸收特性和气体流动特性影响规律，为固定化酶在捕集烟气中CO₂的应用提供基础.

碳酸酐酶是从牛血细胞中提取的CAⅡ，白色粉末状，保存温度2~10 ℃；海藻酸钠(AR)，生化级，用于固定酶；戊二醛(AR)，浓度为25%，一种双官能团交联剂，与酶分子交联形成三维网状结构物质，对酶分子的固定效果好.CO₂气体，纯度为99.9%.实验用水为超纯水设备产生的去离子水，其它试剂都为分析纯.

将3 mL浓度为3.5%的海藻酸钠和1 mL载酶量为0.5 mg · mL^-1的CA酶溶液在30 ℃水浴中充分混匀，混合后海藻酸钠的浓度是2.5%，用5 mL注射器(5号针头)吸取混合液，以50 mm的高度逐滴注入浓度为2%的CaCl₂溶液中，立即形成光滑的凝胶颗粒.滤出凝胶颗粒，放入2%的CaCl₂溶液中，4 ℃条件下静置硬化45 min.再次滤出凝胶颗粒，用蒸馏水充分洗涤至表面无CaCl₂溶液后，把凝胶颗粒放在1%的戊二醛溶液里，25 ℃的条件下化学交联1 h.最后滤出凝胶颗粒，用蒸馏水充分洗涤至表面无戊二醛溶液后，用吸水纸吸干表面水分，贮存于4 ℃冰箱中备用.

碳酸酐酶的酶活力测定方法采用量热法(Zhang Yatao et al., 2009)，酶活力的计算式见式(1)：

碳酸酐酶的固定效果可用固定化酶的酶活力回收率来表征，其计算公式为：

固定化酶的酶活力回收率定义为固定化酶的活力与游离酶活力的比值，载酶量为1 mg的固定化酶由量热法测定酶活力U为1260 u，1 mg游离酶的酶活力测定为2237 u，固定化酶的酶活回收率由式(2)计算为56.3%.

实验制备的固定化酶最适温度为30 ℃和最适pH为7，酶的固定化提高了热稳定性和pH稳定性.

图 1为固定化CA催化吸收模拟烟气中CO₂的实验系统示意图.立式反应器高800 mm，内径50 mm，底部布置有进气口和多孔板.多孔板直径50 mm，均匀分布300个小孔，小孔1.5 mm×1.5 mm.反应器中预先通入250 mL的去离子水，水浴加热到30 ℃并保持，分析纯的CO₂和N₂混合成模拟烟气，CO₂的体积分数为14%，混合气通过进气口和多孔板后破碎成小气泡向上流动进入布置有固定化酶的反应段，梅特勒S220-B pH计在线监测溶液的温度和pH变化，反应器内的气体通过泵吸装置和干燥装置进入型号为FIX550-CO₂-IR-A的CO₂检测仪，在线监测反应器内CO₂的体积分数.

图1(Fig.1)

图1 立式反应容器催化吸收混合气中CO2的实验装置示意图(1.控制阀；2.流量计；3.CO2红外分析仪；4.恒温水浴箱；5.立式反应器；6.固定化酶；7.多孔板；8.饱和CO2溶液箱；9.梅特列pH计；10.去离子水箱；11.水泵) Fig.1 Experimental setup of catalytic absorption of CO2 from mixing-gas in vertical reactor(1. control valve; 2. flow meter; 3. infrared CO2 analyzer; 4. incubator; 5. vertical reactor; 6. immobilized CA，7. perforated plate，8. CO2 saturated water container; 9. mettler pH meter; 10. deionized water container; 11. water pump)

反应段由多孔陶瓷和布置在其中的固定化酶组成，多孔陶瓷直径50 mm，孔径6 mm，18个小孔环形排列，固定化酶均匀布置在多孔陶瓷中的小孔中.多孔陶瓷上下用纱布固定，防止固定化酶颗粒流失.反应终点的确定：反应时间t达到240 s后，pH已基本趋于稳定，30 s内pH下降小于0.02，即认为反应终止.

实验制备的固定化酶最适温度为30 ℃和最适pH为7，在30 ℃条件下进行了固定化酶在立式反应器催化吸收混合气中CO₂的实验，研究了气体流量Q(350~750 mL · min^-1)和载酶量C_E(0~1 mg)操作条件变化时的CO₂吸收特性，并采用反应终止pH值、反应终止CO₂体积分数Φ来表征CO₂吸收效果.

图 2所示为气体流量和载酶量对溶液pH变化的影响，图 2(a)中载酶量C_E为0 mg，(b)、(c)和(d)的载酶量C_E分别为0.25 mg、0.5 mg和1 mg.图 2表明，随着混合气的通入，pH均随反应时间t降低；增加气体流量，pH曲线逐渐变陡；提高载酶量，CO₂吸收速率加快和吸收量增加，在反应开始30 s内，pH下降的速率和幅度最大，固定化酶加快了CO₂的吸收.

图2(Fig.2)

图2 气体流量和载酶量对溶液pH变化的影响 Fig.2 Effect of gas flow and CA loading on the change of solution pH

图 2中(b)、(c)与(a)相比表明，在载酶量小于0.5 mg时，增大气体流量，pH下降幅度增大，CO₂吸收效果提高，这是因为增加气体流量，CO₂分压增大，扩散到固定化酶的CO₂分子增多，CO₂水合反应速率加快，气体流量是影响催化吸收CO₂效果的主要因素；图 2(b)和(c)表明，当气体流量从650 mL · min^-1增加到750 mL · min^-1，pH下降幅度明显减少，增大气体流量对提高CO₂吸收效果减小，这是因为气体流量增加，扩散到酶分子的CO₂增多，CO₂水合反应速率主要取决于CA酶的量，载酶量成为影响催化吸收CO₂效果的主要因素.图 2中(d)与(a)、(b)、(c)相比表明，载酶量为1 mg时，相同流量条件下的pH曲线均有最大的下降速率和幅度，增大气体流量，pH曲线变化幅度减少，增加气体流量对提高吸收CO₂的效果减小.

图 3所示为在气体流量Q为350 mL · min^-1和650 mL · min^-1时，载酶量对溶液pH变化的影响.图 3a和3b表明，在反应过程中的同一时刻，较高载酶量下的pH值总是低于较低载酶量下的pH值，这说明增加载酶量，pH下降的速率和幅度增大，CO₂吸收速率越快，吸收量也越大；当载酶量大于0.75 mg时，增加载酶量，pH下降幅度减少，增加载酶量对提高吸收CO₂的效果减小，在载酶量为1 mg时，固定化酶有最大CO₂吸收率和吸收量.

图3(Fig.3)

图3 载酶量对溶液pH影响 Fig.3 Effect of CA loading on the change of solution pH

图 4所示为气体流量和载酶量对反应终止pH的影响，由图 4可知，气体流量增大，反应终止pH减小，当流量小于650 mL · min^-1时，载酶量对反应终止pH的影响较大，当流量大于650 mL · min^-1时，pH变化较为平缓，载酶量对反应终止pH的影响减小；载酶量增大，反应终止pH减小，当载酶量小于0.75 mg时，气体流量的增加对pH的变化影响大，当载酶量大于0.75 mg时，气体流量的增加对反应终止pH的影响减小.

图4(Fig.4)

图4 气体流量和载酶量对反应终止pH的影响 Fig.4 Effect of gas flow and CA loading on pH of terminal reaction

图 5所示为气体流量和载酶量对反应终止CO₂体积分数Φ的影响，反应器中的CO₂体积分数可用来表征CO₂吸收效率.由图 5可知，随着气体流量的增加，反应终止CO₂体积分数逐渐升高，吸收效率下降，且流量越大，CO₂吸收效率越低；随着载酶量的提高，反应终止CO₂体积分数逐渐降低，吸收效率上升.当气体流量小于450 mL · min^-1时，载酶量对反应终止CO₂体积分数的影响小，随着气体流量的增加，载酶量对反应终止CO₂体积分数影响加大，在流量为650 mL · min^-1时，不同载酶量对CO₂吸收效率的影响最明显，并在载酶量为1 mg时，有最大吸收效率；再增加气体流量，载酶量对反应终止CO₂体积分数的影响减小，对CO₂吸收效率的影响减弱.

图5(Fig.5)

图5 气体流量和载酶量对反应终止CO2体积分数的影响 Fig.5 Effect of gas flow and CA loading on terminal reaction

图 6所示Q为650 mL · min^-1时固定化CA和游离酶吸收CO₂效果对比，由图 6可知，提高载酶量，pH下降的速率和幅度增大，载酶量大于0.75 mg时，pH下降幅度减小，载酶量为1 mg时固定化酶催化吸收CO₂效果显著，再增加载酶量对提高吸收CO₂的效果减小；载酶量大于1 mg时，相比于游离酶1 mg和1.25 mg时，虽然在反应前30 s催化吸收CO₂效果略低，相比整个催化反应，CO₂吸收量和吸收速率接近.在立式反应器加入250 mL去离子水，气体流量为650 mL · min^-1和载酶量为1 mg时，固定化CA催化吸收CO₂效果显著.

图6(Fig.6)

图6 固定化酶和游离酶吸收CO2效果对比 Fig.6 Comparison of catalytic CO2 absorption by immobilized CA and free enzyme

将载酶量为1 mg的固定化酶放在立式反应器中催化吸收混合气中的CO₂，气体流量为650 mL · min^-1，在30 ℃下连续实验6次，固定化酶的操作稳定性如图 7所示.从图中可以看出，经过6次循环后，pH下降的速率和幅度减少，相比于不加酶的空白实验，固定化酶催化吸收CO₂的效果依然显著，说明固定化酶具有较高的操作稳定性，而游离酶于溶液中难以回收，不具有操作稳定性.

图7(Fig.7)

图7 固定化酶的操作稳定性 Fig.7 Operational stability of immobilized CA

固定化酶在50 ℃下烘干后，采用SEM观察微观结构，结果如图 8所示.无CA酶的凝胶表面紧密，直径小于0.5 μm的孔零星分布；固定化后的凝胶表面粗糙，出现一些隆状突起，小孔尺寸变大；催化吸收CO₂后的凝胶表面出现大量形状不规则的小孔，同时一些封闭孔也被打开，空隙结构变得发达，由凝胶固定化酶吸水溶胀和吸收CO₂形成.

图8(Fig.8)

图8 凝胶微观结构SEM对比分析(a.无CA酶；b.固定化后；c.催化吸收CO2后) Fig.8 Comparison of SEM images of gelatum(a.without CA; b.after immobilization; c.after catalytic absorption of CO2)

1)固定化酶加快CO₂的吸收，反应开始30 s内，pH下降的的速率和幅度最大.

2)载酶量小时，气体流量是影响吸收CO₂效果的主要因素；气体流量增大，载酶量成为主要因素.气体流量增大，载酶量对反应终止pH的影响减小；载酶量增大，气体流量对反应终止pH的影响减小.

3)气体流量增大，CO₂吸收效率下降；载酶量增加，CO₂吸收效率上升.流量为650 mL · min^-1时，载酶量对CO₂吸收效率的影响最明显.

4)在立式反应器中，气体流量为650 mL · min^-1和载酶量为1 mg时，固定化酶催化吸收CO₂效果显著.

5)固定化酶具有较高的操作稳定性；SEM显示反应后的固定化酶表面出现大量形状不规则的小孔，空隙结构变得发达.