右旋糖酐是由蔗糖经肠膜状明串珠菌发酵合成的高分子量葡萄糖聚合物。低分子量右旋糖酐因其抗凝血、抗血栓、抗氧化和抗炎等生物活性，成为生物医学和制药行业的重要原料。以右旋糖酐铁为例，其作为主要的补铁剂，对于分子量有明确的要求，这需要精确控制生产过程中右旋糖酐的分子量及分布。尽管右旋糖酐酶催化水解具有较强的专一性，适用于寡聚右旋糖酐的制备，但现有技术面临酶解过程难以控制、酶难以重复使用、产物收率低且不易于连续化生产等一系列瓶颈，制约了酶法生产寡聚右旋糖酐的工业化应用。
针对上述背景，中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室/生物药制备与递送重点实验室生物分离膜工程团队，在前期研究的基础上，针对工艺的可放大性设计错流酶膜反应器，并聚焦特定分子量寡聚右旋糖酐的规模化生产（图1）。文章通过解析右旋糖酐酶的水解规律，提出通过调控酶解反应的底物/酶配比及停留时间来控制寡聚右旋糖酐的分子量，而不依赖于膜的孔径筛分作用，进而优选完全截留酶的高通量超滤膜，以最大化寡聚右旋糖酐的产率。同时，研究长期运行过程中的酶活损失及膜污染，提出基于该体系的寡聚右旋糖酐分子量自调节机制，确保了反应器的连续高产与稳定运行。最终，通过工业级右旋糖酐底物的酶解及组合膜清洗策略的成功应用，验证了该技术在实际生产中的巨大潜力。
图1 错流过滤酶膜反应器装置示意图
在错流酶膜反应器中，通过配置能够完全截留酶的高通量超滤膜，并控制其底物/酶配比及停留时间与间歇模式相同，即可实现产物分子量的灵活控制及连续化生产（图2）。这主要是由于右旋糖酐酶在混合分子量体系中表现出对较高分子量底物的亲和力，能够优先与补充的大分子底物发生反应。这一特性使得体系内底物/中间产物与酶反应的有效停留时间变得几乎一致，也是该酶膜反应器设计能够连续运行并控制产物分子量的关键。
图2 （a）间歇模式酶解规律，（b）间歇模式与连续模式下产物的平均分子量对比
酶膜反应器的长期稳定性主要受到酶活性损失和膜污染的影响。然而，我们在整个长期运行中观察到产物分子量保持稳定（图 3a）。经过深入探究，我们首次提出了基于该酶膜反应器的产物分子量自调节机制。一方面，酶活性的降低往往会导致产物分子量升高，而膜污染则通过降低渗透通量并延长停留时间，导致分子量降低，两者相互影响，从而保持产物分子量稳定。另一方面，当反应器中产物分子量偏高时会加剧浓差极化，导致停留时间延长，进而降低产物分子量（绿色实线）。相反，当产物分子量偏低时，浓差极化减弱，渗透通量增加并缩短停留时间，从而使产物分子量恢复（棕色虚线）（图 3b）。这一机制使得体系能够自发调节底物/产物平衡和产物分子量，避免在实际生产中因酶活性下降或膜渗透通量减小导致的系统不稳定，进而保证了工艺放大后的稳定性和可操作性。
图3 （a）长期运行中产物分子量的变化，（b）酶膜反应器分子量自调节机制示意图
对于工业级右旋糖酐原料，其超高的分子量及粘稠的半固体状态为酶膜反应器的应用带来了挑战。我们针对这一问题提出了原料预反应体系，并利用右旋糖酐酶对较高分子量底物反应速率更快的特性，成功实现了工业级原料的应用。此外，针对工业级原料膜污染较为严重的问题，我们发现当右旋糖酐及酶在膜面累积后，会达到滤饼层生长与酶解去除之间的动态平衡，最终导致膜通量趋于稳定。最后，我们还优化了膜清洗策略，在不改变膜性能的前提下，实现了98%以上的通量恢复率（图4）。这些结果证明了膜的可重复使用性，并突出了所提出工艺在实际应用中的稳定性。
图4 （a）酶膜反应器酶解工业料液产物分子量变化，（b）渗透通量变化及模型拟合
本研究从错流酶膜反应器的设计及调控切入，深入探究酶膜反应器中分子量的自调节机制及其长期运行的稳定性，为药用右旋糖酐的大规模生产提供经济可行且高效的解决方案。本研究得到广西重点研发计划项目(GuikeAB22080087)和中央引导地方科技发展资金项目(GuikeZY24212013)的支持，预计2025年春季在广西南宁开展示范工程建设。相关研究成果近日以题目为《Unraveling the self-regulation mechanism of molecular weight in cross-flow enzymatic membrane reactors for stable oligodextran production》发表在Journal of Membrane Science（DOI:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.123630，点击文末阅读原文）。
第一作者：王育堃 博士生
中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室在读博士生。本科毕业于南京信息工程大学环境工程专业，硕士毕业于中国石油大学（北京）环境工程专业。博士期间主要研究方向为酶膜反应器设计及其在寡聚右旋糖酐分子量控制上的应用，以第一作者在J. Membr. Sci., Chem. Eng. Sci.期刊发表SCI收录论文2篇。
