酶反应——膜分离耦合技术
    由于酶法制备壳寡糖过程采用了酶这种生物催化剂,所以反应过程不能在激烈的反应条件(如高温、高压、高剪切等) 下进行,激烈的处理过程会使反应停止。
传统的反应过程为:预处理—→反应—→分离,其分离方法常导致生物反应终止,生物催化剂(细胞或酶) 被灭活而不能重复使用。在生物反应过程中,虽然反应温和、反应速度快,但由于产物抑制而使终点的产物浓度不高。如果能及时从反应体系中移去反应产物将有效地提高反应效率。
    膜分离能在常温、低压(<0.2 MPa) 的温和条件下实现分离,即利用膜的半透性将生物反应体系中的组分按分子大小实现一定范围的分离。膜装置应用于生物反应过程的分离,将酶和部分反应物分离出来返回反应体系,将目标产物分离出来移出反应体系,可克服传统分离方法存在灭活生物催化剂的缺点,有利于生物反应的高效进行。
    分离膜是一种特殊的、具有选择性透过功能的薄层物质,它能使流体内的一种或几种物质透过,而其它物质不透过,从而起到浓缩和分离纯化的作用。膜分离技术一般分为反渗透、超滤、纳滤、微滤,它们主要区别在于膜孔径的大小。反渗透的孔径最小,一般用于阻截除溶剂外所有的组分,包括溶解物及悬浮物,只允许溶剂通过,常用于水的纯化及脱盐;超滤膜的孔径大于纳滤膜,允许小的分子通过,阻截大(高分子质量) 的溶质及悬浮物;纳滤则介于反渗透与超滤之间;微滤的孔径最大,允许所有的溶质分子通过,截留悬浮物。
    根据以上理论依据，我们设计了降解反应与膜分离技术相耦合方法。这种耦合方式是将生物反应与膜分离分开,生物反应在生物反应器(发酵罐、酶反应器) 中进行,把反应后的混合物从生物反应器移送到膜分离装置进行分离,截留成分送回生物反应器继续反应,生物反应器中补加一定量的反应物(底物或培养基,酶或活细胞) 。透过液供进一步分离。
过程下图。

    这种耦合方式比较灵活机动。生物反应器中的反应条件一般仍采用普通生物反应器的条件,不须作大的改动,而膜分离装置可以根据生物反应体系以及目标产物的性质作出不同的选择。
    由于采用了膜分离,生物反应过程的效率得到明显提高。例如用这样的耦合系统进行酶法水解蛋白质,有两个明显优点:酶可以反复使用;产物的分子大小可以通过选择半透膜得到控制。与之相比,普通间歇式水解还有几个缺点:反应结束后要通过加热或调节pH 使酶失活,以终止反应,避免将酶活带入产品中,因此酶的消耗量较大;终产物对酶有抑制作用,在每批反应到一定时间后,反应速度明显下降;产品不均匀,组分的分子量分布范围很宽,每批次的产品差异较大。
    膜分离与酶降解反应的耦合,即将分离膜和生化反应器耦合在一起,反应产物通过膜分离不断取出,反应底物被截留在反应器中,化学反应是一种平衡反应,不断地带走产物可以提高产率。在本工艺流程中，随着反应的进行，通过膜分离技术使产物不断的收集，可以使生产效率提高。由于酶是一种生物催化剂,具有很强的催化反应效率,价格比较昂贵，因此如何发挥酶的催化效率是很关键的问题。我们将膜技术与反应器耦合,利用膜分离产物,而使生产底物壳聚糖和酶被截留,随着反应的进行不断添加底物壳聚糖,这样一来就提高了酶的利用率。更为重要的是，由于我们使用的酶是以内切方式切断糖苷键的, 也就是说在酶解的过程中可以随机的切断糖苷键。因此酶在降解壳聚糖的同时, 也会将较高聚合度的寡糖（如三糖-十糖）进一步降解为低活性的单糖或二糖。这就会使产率降低,而且还会造成产物的纯度下降。而利用膜分离与酶降解相耦合技术能将较高聚合度的寡糖即时从反应体系中快速分离出去, 从而避免较高聚合度的寡糖的二次降解并得到高产率壳寡糖的目的。综上所述，采用该技术主要是从2个方面保证所生产出的壳寡糖的品质：1保证了反应的充分进行，使所用壳聚糖和复合酶得到充分利用。2保证了产物的高纯度，可以控制好所产的壳寡糖的聚合度。
    本工艺与传统方法比较