使用加氨热弧菌碳酸酐酶的CO2捕获方法与流程

技术领域涉及co2捕获及加氨热弧菌(thermovibrioammonificans)碳酸酐酶(taca)和/或突变体的使用，其用于催化co2的水合反应成为碳酸氢根和氢离子和/或催化解吸反应以产生co2气体。

背景

世界科学界对气候变化的危害日益严峻的警告，加上公众对这一问题的更多的认识和关注，引发了全球监管力度的加剧，旨在减少人为温室气体(ghg)排放量，尤其是二氧化碳排放量。最终，北美和全球co2排放量的大幅削减将需要来自电力生产部门(全球最大的单一co2源)减少。根据国际能源署(iea)的ghg计划，截至2006年，全球共有近5000个化石燃料发电厂生产近110亿吨co2，占全球人为co2排放量的近40％。在发电部门的这些排放中，61％来自燃煤发电厂。尽管政府倡导的长期计划是以可再生能源取代化石燃料，但是由于能源需求的增长，以及短期内对化石产能的巨大依赖，也使得化石基础必须保持可用。因此，执行有效的温室气体减排系统需要减轻该部门产生的co2排放量，碳捕获和封存(ccs)提供了最有名的解决方案之一。

ccs工艺从含co2的气体中去除co2，并涉及生产高度浓缩的co2气流，将其压缩并运送至地质封存(sequestration)地点。该地点可以是贫油田，盐水含水层或任何合适的储存地点。海洋中的封存和矿物碳酸化是在研究阶段封存co2的两种替代方法。捕获的co2也可用于提高石油采收率或用于碳酸化碱性废物流用于封存为矿物固体。

用于co2捕获的常规技术基于使用通过两个主要不同单元循环的水性胺(例如烷醇胺)和碳酸盐溶液：偶联至解吸(或脱离)单元的吸收单元。然而，在来自燃烧的气体中遇到的低co2分压的情况下，这些常规技术产生具有高能量损失的工艺并因此引起高操作支出，如单乙醇胺(mea)的情况或具有高资本支出的方法，对于动力学有限的吸收溶液的情况，导致大的设备，例如采用甲基二乙醇胺(mdea)。在h2生产或气化中常见的来自工艺流程的高压co2分离通常较容易实现，这是因为这些过程中压力较高。

碳酸酐酶是一种已用于co2吸收应用的酶。碳酸酐酶不仅仅是单一的酶形式，而是广泛的一类金属蛋白，其存在遗传上不相关的同种型家族α，β，γ，δ和ε。已使用了碳酸酐酶不同类别，同种型和变体以催化co2的水合反应成为碳酸氢根和氢离子及碳酸氢根脱水反应成为二氧化碳和水，如下：

在最佳条件下，水合反应的催化转换率能达到1x10⁶分子/秒。

然而，在co2捕获操作中使用碳酸酐酶有几个相关挑战。例如，工艺条件下的适时(intime)温度稳定性，耐化学性和碳酸酐酶的活性是影响工艺设计，工艺性能和操作成本的因素。

因此，有需要克服与使用碳酸酐酶用于co2捕获相关的至少一些挑战。

发明概述

在一些实施方案中，提供了一种用于处理含co2的气体的方法，包括：

供应含co2的气体至吸收器；

供应水性吸收溶液至所述吸收器；

使所述含co2的气体与水性吸收溶液在吸收器中接触，以将co2溶解至所述水性吸收溶液中，其中：

所述水性吸收溶液包含浓度为约1m至约4m的一价金属碳酸盐化合物；具有约25℃至约80℃的温度；在进入所述吸收器时具有约9至约11.5的碱性ph；且包含加氨热弧菌(thermovibrioammonificans)碳酸酐酶(taca)或其功能性衍生物，其以约0.05g/l至约4g/l的浓度游离于溶液中，以在吸收器中催化溶解的co2水合反应成为碳酸氢根和氢离子，由此产生富含离子的包含taca和耗尽co2的气体的溶液；且

所述含co2的气体包含约5vol％至约15vol％的co2，以及co和nox化合物；

从所述吸收器去除所述富含离子的溶液和耗尽co2的气体；

加热所述富含离子的溶液以产生具有脱离温度(strippingtemperature)的加热的富含离子的溶液；

供应所述加热的富含离子的溶液至脱离器；

在所述脱离器中将碳酸氢根和氢离子转变为co2气体并产生再生的耗尽离子的溶液，其中：

所述脱离器温度比吸收器温度更高，且为约30℃至约110℃；

所述加热的富含离子的溶液在进入脱离器时具有约8至约11的ph；

所述加热的富含离子的溶液具有约0.05至约1molco2/mol一价阳离子的co2负载；

从所述脱离器释放co2气体；

从所述脱离器释放再生的耗尽离子的溶液；

将所述耗尽离子的溶液的至少一部分冷却以产生冷却的耗尽离子的溶液；和

将所述冷却的再生的耗尽离子的溶液的至少一部分再循环回到吸收器，以形成至少部分的所述水性吸收溶液。

在一些实施方案中，吸收器是填充的反应器。

在一些实施方案中，含co2的气体来源于天然气燃烧。在一些实施方案中，含co2的气体来源于煤/炭燃烧。

在一些实施方案中，一价金属碳酸盐是碳酸钾。在一些实施方案中，碳酸钾以约1m至约2m的浓度添加。在一些实施方案中，碳酸钾以约1.25m至约1.75m的浓度添加。

在一些实施方案中，吸收器中水性吸收溶液的温度是约25℃至约70℃。在一些实施方案中，吸收器中水性吸收溶液的温度是约30℃至约55℃。

在一些实施方案中，吸收器中水性吸收溶液的ph是约9.5至约10.5。

在一些实施方案中，taca或其功能性衍生物与seqidno.2、4或6所示序列具有至少70％同一性。在一些实施方案中，taca或其功能性衍生物与seqidno.2、4或6所示序列具有至少80％同一性。在一些实施方案中，taca或其功能性衍生物与seqidno.2、4或6所示序列具有至少90％同一性。在一些实施方案中，taca或其功能性衍生物与seqidno.2、4或6所示序列具有至少95％同一性。在一些实施方案中，taca或其功能性衍生物与seqidno.2、4或6所示序列具有至少98％同一性。

在一些实施方案中，基本上所有冷却的再生的耗尽离子的溶液都再循环回到吸收器中以形成至少一部分的水性吸收溶液。

在一些实施方案中，该方法进一步包括添加补充taca组分。在一些实施方案中，补充taca组分是定期添加的。在一些实施方案中，补充taca组分是连续添加的。在一些实施方案中，补充taca组分包含一定量的taca，所述量对应于吸收器和脱离器之间循环的taca的失活量。

在一些实施方案中，该方法进一步包括确定taca的失活量。在一些实施方案中，所述确定是基于对水性吸收溶液和/或富含离子的溶液的采样和测量而进行的。在一些实施方案中，所述确定是基于来自先前获得的实验数据的评估和/或计算而进行的。

在一些实施方案中，补充taca组分在进入吸收器之前添加至水性吸收溶液中。

在一些实施方案中，吸收器是填充柱。在一些实施方案中，吸收器是旋转填充床(rotatingpackedbed,rpb)。

在一些实施方案中，提供了用于从含co2的气体吸收co2的方法，包括：

在工业规模工艺条件下使所述含co2的气体接触水性吸收溶液以将co2溶解于水性吸收溶液中；及

提供与seqidno2、4或6具有至少70％同一性的加氨热弧菌碳酸酐酶(taca)或其功能性衍生物，以催化溶解的co2的水合反应成为碳酸氢根和氢离子。

在一些实施方案中，该方法包括提供操作条件从而使所述taca表现出与参考酶相比增强的稳定性和/或活性。

在一些实施方案中，taca提供对应的无酶co2流的至少8.5倍的增强的co2流。

在一些实施方案中，水性吸收溶液包含至少一种吸收化合物。

在一些实施方案中，所述至少一种吸收化合物包括伯胺，仲胺，叔胺，伯烷醇胺，仲烷醇胺，叔烷醇胺，伯氨基酸，仲氨基酸，叔氨基酸，聚亚烷基二醇的二烷基醚，聚乙二醇的二烷基醚或二甲醚，氨基酸或其衍生物，单乙醇胺(mea)，2-氨基-2-甲基-1-丙醇(amp)，2-(2-氨基乙基氨基)乙醇(aee)，2-氨基-2-羟甲基-1,3-丙二醇(tris或ahpd)，n-甲基二乙醇胺(mdea)，二甲基单乙醇胺(dmmea)，二乙基单乙醇胺(demea)，三异丙醇胺(tipa)，三乙醇胺(tea)，dea，dipa，mmea，tia，tbee，hep，ahpd，受阻二胺(hda)，双(叔丁基氨基乙氧基)-乙烷(btee)，乙氧基乙氧基乙醇-叔丁胺(eeetb)，双(叔丁基氨基乙基)醚，1,2-双-(叔丁基氨基乙氧基)乙烷和/或双-(2-异丙基氨基丙基)醚，或其组合。

在一些实施方案中，所述至少一种吸收化合物包括伯胺，仲胺，叔胺，伯烷醇胺，仲烷醇胺，叔烷醇胺，伯氨基酸，仲氨基酸，叔氨基酸或其组合。

在一些实施方案中，所述至少一种吸收化合物包括聚亚烷基二醇的二烷基醚，聚乙二醇的二烷基醚或二甲醚，氨基酸或其衍生物或其组合。

在一些实施方案中，所述至少一种吸收化合物包括哌嗪或其衍生物。

在一些实施方案中，所述哌嗪或其衍生物被至少一个烷醇基团取代。

在一些实施方案中，所述至少一种吸收化合物包括单乙醇胺(mea)，2-氨基-2-甲基-1-丙醇(amp)，2-(2-氨基乙基氨基)乙醇(aee)，2-氨基-2-羟甲基-1,3-丙二醇(tris或ahpd)，n-甲基二乙醇胺(mdea)，二甲基单乙醇胺(dmmea)，二乙基单乙醇胺(demea)，三异丙醇胺(tipa)，三乙醇胺(tea)，dea，dipa，mmea，tia，tbee，hep，ahpd，受阻二胺(hda)，双(叔丁基氨基乙氧基)-乙烷(btee)，乙氧基乙氧基乙醇-叔丁胺(eeetb)，双(叔丁基氨基乙基)醚，1,2-双-(叔丁基氨基乙氧基)乙烷和/或双-(2-异丙基氨基丙基)醚。

在一些实施方案中，所述至少一种吸收化合物包括氨基酸或其衍生物。

在一些实施方案中，氨基酸或其衍生物包括甘氨酸，脯氨酸，精氨酸，组氨酸，赖氨酸，天冬氨酸，谷氨酸，甲硫氨酸，丝氨酸，苏氨酸，谷氨酰胺，半胱氨酸，天冬酰胺，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸，丙氨酸，酪氨酸，色氨酸，苯丙氨酸，牛磺酸，n,环己基1,3-丙二胺，n-仲丁基甘氨酸，n-甲基n-仲丁基甘氨酸，二乙基甘氨酸，二甲基甘氨酸，肌氨酸，甲基牛磺酸，甲基-α-氨基丙酸，n-(β-乙氧基)牛磺酸，n-(β-氨基乙基)牛磺酸，n-甲基丙氨酸，6-氨基己酸，氨基酸的钾盐或钠盐或其组合。

在一些实施方案中，吸收化合物包括碳酸盐化合物。在一些实施方案中，吸收化合物包括碳酸钠，碳酸钾或mdea。在一些实施方案中，吸收化合物包括碳酸钠。在一些实施方案中，吸收化合物包括碳酸钾。在一些实施方案中，吸收溶液的温度是至少10℃。

在一些实施方案中，吸收溶液的温度是至少25℃。在一些实施方案中，所述接触的步骤在约10℃至约98℃的温度进行。在一些实施方案中，所述接触的步骤在约25℃至约80℃的温度进行。在一些实施方案中，所述接触的步骤在约30℃至约70℃的温度进行。在一些实施方案中，所述接触的步骤在约40℃至约50℃的温度进行。

在一些实施方案中，吸收溶液中taca或功能性衍生物的浓度是约0.01g/l至约50g/l，任选地约0.3g/l至约10g/l。

在一些实施方案中，吸收溶液的ph是约8至约11。

在一些实施方案中，所述co2负载是约0.05至约1molco2/mol胺或molco2/mol阳离子。

在一些实施方案中，该方法进一步包括使所述富含离子的溶液解吸以产生再生的吸收溶液和co2气流。

在一些实施方案中，taca或功能性衍生物的至少一部分是吸收溶液和富含离子的溶液的组分，并催化解吸反应。

在一些实施方案中，所述吸收在约10℃至约98℃、任选地约25℃至约80℃、约30℃至约70℃、或约40℃至约50℃、任选地在10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、85℃、90℃、95℃或98℃或其间的任何其他值的温度操作。

在一些实施方案中，所述解吸在约30℃至约110℃，任选地约35℃至约90℃或约40℃至约70℃的温度操作。

在一些实施方案中，提供了用于co2捕获的方法，其包括：

在吸收阶段：

使含co2的气体与水性吸收溶液接触以将co2溶解于所述水性吸收溶液中；

在所述吸收溶液中提供加氨热弧菌碳酸酐酶(taca)或其功能性衍生物以催化溶解的co2的水化反应成为碳酸氢根和氢离子，由此产生包含taca的至少一些的富含离子的溶液和耗尽co2的气体；和/或

在解吸阶段：

提供用于处理富含离子的溶液的条件，其包含taca或功能性衍生物的至少一些，从而将co2气体从所述富含离子的溶液解吸，由此产生再生的吸收溶液和co2气流。

在一些实施方案中，吸收阶段以如下吸收操作参数来操作：

约10℃至约98℃的吸收温度；

吸收溶液中约0.1m至约5m的吸收化合物浓度；

约8至约11的吸收溶液ph；和/或

约0.05至约1molco2/mol胺或molco2/mol阳离子的co2负载。

在一些实施方案中，解吸阶段以如下解吸操作参数来操作：

约30℃至约110℃的解吸温度。

在一些实施方案中，吸收阶段和解吸阶段在总体操作温度区内操作，其中所述taca或功能性衍生物在暴露于总体操作温度区至少1周后显示100％残留活性。

在一些实施方案中，吸收阶段和解吸阶段在总体操作温度区内操作，其中所述taca或功能性衍生物提供与参考酶相比增强的温度稳定性。

在一些实施方案中，提供了用于将co2从包含碳酸氢根和氢离子的溶液解吸的方法，其包括在加氨热弧菌碳酸酐酶(taca)或其功能性衍生物的存在下提供co2的解吸条件，从而催化co2气体从所述溶液解吸，由此产生耗尽离子的溶液和co2气流。

在一些实施方案中，提供了用于从含co2的气体吸收co2的系统，其包括：

吸收单元，其包括：

进气口，用于接收含co2的气体；

进液口，用于接收水性吸收溶液；

反应室，用于将所述含co2的气体与水性吸收溶液接触，以将co2溶解于所述水性吸收溶液中，其中存在加氨热弧菌碳酸酐酶(taca)或其功能性衍生物，用于催化溶解的co2的水合反应成为碳酸氢根和氢离子，由此产生富含离子的溶液和耗尽co2的气体；

出液口，用于释放富含离子的溶液；和

出气口，用于释放耗尽co2的气体。

在一些实施方案中，该系统包括再生阶段，用于再生富含离子的溶液。在一些实施方案中，所述再生阶段包括解吸单元和/或矿化(mineralization)单元。

在一些实施方案中，所述系统包括温度控制器，其用于调节吸收单元的温度以促进所述taca或其功能性衍生物的增强的稳定性。

在一些实施方案中，提供所述操作条件从而使所述taca或其功能性衍生物的组合的稳定性和活性提供随时间的每给定酶利用(utilization)的增强的总体co2捕获。

在一些实施方案中，该系统包括用于向系统提供补充taca的补充装置。在一些实施方案中，所述补充装置包括与系统流体连通的补充线。在一些实施方案中，补充线与向所述吸收单元进料的进液口流体连通，用于将补充taca添加至吸收溶液。

在一些实施方案中，该系统包括测量装置，其经配置以测量系统中taca的失活。在一些实施方案中，所述测量装置经配置以从系统取回样品，确定样品中的taca的样品活性，将所述样品活性与taca的初始活性比较，和确定taca的失活。

在一些实施方案中，该系统包括与测量装置和补充装置偶联的控制器，所述控制器经配置以使所述补充装置添加一定量的补充taca，其基于由测量装置提供的taca失活。

在一些实施方案中，提供了一种酶增强的co2捕获系统，包含：

吸收单元，其包含：

进气口，用于接收含co2的气体；

进液口，用于接收水性吸收溶液；

反应室，用于将所述含co2的气体与水性吸收溶液接触，以将co2溶解于所述水性吸收溶液中；

加氨热弧菌碳酸酐酶(taca)或其功能性衍生物，其存在用于催化溶解的co2的水合反应成为碳酸氢根和氢离子，由此产生富含离子的溶液和耗尽co2的气体；

出液口，用于释放富含离子的溶液；和

出气口，用于释放耗尽co2的气体；

热交换器，其用于加热富含离子的溶液以产生加热的富含离子的溶液；

脱离器单元，其包含：

进液口，用于接收富含离子的溶液；

脱离室，用于允许co2从富含离子的溶液释放而产生co2气流和再生溶液，其中存在taca或其功能性衍生物用于催化脱水反应；

出液口，用于释放所述再生溶液；和

出气口，用于释放所述co2气流；和

循环系统，其用于将至少一部分的再生溶液再循环回到所述吸收单元的进液口，作为至少一部分的水性吸收溶液。

在一些实施方案中，所述酶增强的co2捕获系统进一步包含用于将补充taca提供至系统的补充装置。

在一些实施方案中，所述反应室包含填充材料(packingmaterial)。在一些实施方案中，所述脱离室包含填充材料。

在一些实施方案中，所述taca在溶液中是游离的，以在吸收单元和脱离器单元之间循环流动。在一些实施方案中，所述taca固定于颗粒之上或之中，所述颗粒经大小筛选(sized)、配置并以一定浓度提供，从而与吸收溶液和再生溶液一起流动，使得所述颗粒在吸收单元和脱离器单元之间循环流动。

在一些实施方案中，含co2的气体是沼气(biogas)和/或粗制石油气。

在一些实施方案中，提供了一种商业规模的酶增强的co2捕获设备，其经配置以接收由燃烧装置产生的包含co2、co和nox的燃烧气体，所述设备包含：

进料线，用于提供来自燃烧装置的燃烧气体；

吸收单元，其包含：

进气口，用于接收所述燃烧气体；

进液口，用于接收水性吸收溶液；

反应室，用于使所述燃烧气体与水性吸收溶液接触以将co2溶解于水性吸收溶液中；

加氨热弧菌碳酸酐酶(taca)或其功能性衍生物，其存在用于催化溶解的co2的水合反应成为碳酸氢根和氢离子，由此产生富含离子的溶液和耗尽co2的燃烧气体；

出液口，用于释放所述富含离子的溶液；和

出气口，用于释放所述耗尽co2的燃烧气体；

热交换器，其用于加热所述富含离子的溶液以产生加热的富含离子的溶液；

脱离器单元，其包含：

进液口，用于接收所述富含离子的溶液；

脱离室，用于允许从所述富含离子的溶液释放co2，以产生co2气流和再生溶液，其中存在taca或其功能性衍生物用于催化脱水反应；

出液口，用于释放所述再生溶液；和

出气口，用于释放所述co2气流；和

循环系统，用于将至少一部分的再生溶液再循环回到吸收单元的进液口，作为至少一部分的水性吸收溶液。

在一些实施方案中，所述燃烧装置生成的燃烧气体来自煤炭或天然气燃烧。

在一些实施方案中，所述进料线和吸收单元经经配置使得所述燃烧气体从所述燃烧装置提供至吸收单元，而无需实质的(substantial)预处理以从燃烧气体去除组分。

在一些实施方案中，所述方法、系统和/或设备包括如上文所述的和/或如本申请所述的一个或多个特征。例如，所述方法、系统和/或设备可以包括(一个或多个)单元，一种或多种吸收化合物；操作条件如温度、压力和浓度参数或在吸收和解吸之间采用介于本文所述的某些温度范围的温度；如本文所述的一个或多个taca序列；不同类型的待处理的含co2的气体；等等。

附图简述

图1显示了taca的氨基酸序列seqidno2及其核酸编码序列seqidno1。切割信号肽以下划线示出并可以用甲硫氨酸取代。dna序列获取自ncbi参考序列：nc_014926.1。

图2显示了taca和genbank中最相似的蛋白之间的序列相似性，所述最相似的蛋白通过针对genbank中的已知序列进行蛋白质blast而定位。

图3是多种碳酸酐酶(包括taca)在1.45mkhco3/k2co3ph10(2.9mk⁺)中于多个不同温度温育16小时后的残留活性的图。

图4是多种碳酸酐酶(包括taca)在1.45mkhco3/k2co3ph10(2.9mk⁺)中于60℃温育多个不同的时间后的残留活性的图。

图5是多种碳酸酐酶(包括taca)在1.45mkhco3/k2co3ph10(2.9mk⁺)中于75℃温育多个不同的时间后的残留活性的图。

图6是多种碳酸酐酶(包括taca)在1.45mkhco3/k2co3ph10(2.9mk⁺)中于85℃温育多个不同的时间后的残留活性的图。

图7是多种碳酸酐酶(包括taca)在1.45mkhco3/k2co3ph10(2.9mk⁺)中于98℃温育1小时后的残留活性的图。

图8是taca于1.45mkhco3/k2co3ph10(2.9mk⁺)中在不同的热循环时间后的残留活性的图表。一个循环的温度概貌示于图9中。一个循环持续8分钟并每天重复180次。总计进行28天，总共重复5040个循环。测试了不同的酶浓度。

图9涉及图8中所述的热循环，并显示了co2捕获过程的一个代表性循环中发生的温度波动。

图10是多种碳酸酐酶(包括taca)在20％mdeaα＝0.1(molco2/molmdea)中于60℃温育多个不同的时间后的残留活性的图。

图11是工艺流程图，其阐述了本发明的使用co2捕获系统的一个实施方案。

图12是另一个工艺流程图，其阐述了本发明的使用包含分离单元的co2捕获系统的一个实施方案。

图13显示了编码没有其信号肽的taca的多核苷酸序列seqidno3。编码甲硫氨酸的atg密码子取代了信号肽编码序列。

图14显示了对应于没有其信号肽的taca的多肽序列seqidno4。甲硫氨酸取代了所述信号肽。

图15显示了编码没有其信号肽的taca的多核苷酸序列seqidno5，且其中前5个氨基酸由glu-his-glu序列取代。

图16显示了对应于没有其信号肽的taca的多肽序列seqidno6，且其中前5个氨基酸由glu-his-glu序列取代。

图17显示了对应于多肽序列seqidno6的多肽序列seqidno7，其没有空位(“-”)从而使得残基编号是连续的。

图18是显示taca随时间的残留活性的图，所述taca在温度循环条件下连续暴露于1.45mk2co3ph10溶液。

图19是显示相对co2吸收速率对酶浓度的图，其阐述了向1.45mk2co3溶液以不同浓度添加taca对每日一吨co2捕获单元的co2吸收速率的影响。

图20显示了来自食硫氢菌属菌种(sulfurihydrogenibiumsp)的碳酸酐酶的多肽序列，称为“sspca”(seqidno7)(上方)；以及食硫氢菌属菌种的热稳定性变体碳酸酐酶(sspca)，称为“6m1”(seqidno8)(下方)。

发明详述

本文提供了用于co2捕获的多种方法和技术，其使用taca用于催化，利用taca的稳定性和活性用于co2捕获工艺的操作条件。

taca是一种催化co2和水转变为碳酸氢根和氢离子或反向转变的碳酸酐酶。taca获取自或来源于嗜热细菌加氨热弧菌(thermovibrioammonificans)(ta)(giovannellid,riccij,pérez-rodríguezi,hüglerm,o'brienc,keddisr,groschea,goodwinl,bruced,davenportkw,detterc,hanj,hans,ivanovan,landml,mikhailovan,nolanm,pitlucks,tapiar,woyket,vetrianic.“completegenomesequenceofthermovibrioammonificanshb-1(t),athermophilic,chemolithoautotrophicbacteriumisolatedfromadeep-seahydrothermalvent”standardsingenomicscience20127:82-90.)。从细菌中分离/获得酶的方法是已知的，如免疫沉淀、超速离心或色谱法。有关taca的更多细节和定义可以见于下文的定义部分。ta在60℃至80℃的温度范围生长，最佳ph在5.5。

迄今为止，taca的生物化学研究是有限的。jobh,seojh,chahj,bacterialextremo-α-carbonicanhydrasesfromdeep-seahydrothermalventsaspotentialbiocatalystsforco2sequestration.journalofmolecularcatalysisb:enzymatic.2014年11月；109:p.31-39(下文称“jo等”)和jamesp,isupovmn,sayerc,saneeiv,bergs,liolioum,kotlarhk,littlechildja.thestructureofatetramericα-carbonicanhydrasefromthermovibrioammonificansrevealsacoreformedaroundintermoleculardisulfidesthatcontributetoitsthermostability.actacrystallogrdbiolcrystallogr.2014年10月；70(pt10):2607-18(下文称“james等”)描述了taca相对于其他已知ca酶的初步评估。这些工作在相对温和的条件下(如低浓度缓冲液(ph约8)和低离子强度)测试和评估taca。然而，在实际的工业co2捕获应用中存在相对不同的工艺条件，其可以包括条件如高ph(例如9至11)，热循环(温度在25℃至105℃波动，例如当从吸收循环至脱离时)，非常高的离子强度，剪切力，湍流和促进质量传递(但可具有变性效应)的大型气-液界面。此外，由于多种co2捕获溶剂中含有相对高浓度的碳酸根离子，蛋白质可能面临溶解性问题，如yanjiezhang和pauls.cremer.chemistryofhofmeisteranionsandosmolytes.annurevphyschem.2010.61:63-83(下文称“zhang&cremer”)中所报告的，其描述了碳酸根离子可以是高度有效的蛋白质沉淀剂。

另外，无论是jo等还是james等均未研究野生型taca。jo等在c末端用六个额外的组氨酸标签研究了taca。如james等人描述的taca的3d结构所示，taca的羧基末端官能团被认为是采用四聚体组织。jo等提示taca是二聚体酶，而james等将taca描述为四聚体。此外，james等报道，taca性质可能因其低聚态而大不相同。在james等中，研究的taca酶在其n末端有六个组氨酸的标签加20个残基的分泌信号。n末端区域靠近活性位点，可发生了稳定性和活性的显著变化。

如下文会进一步描述的，已经进行了重要的工作、开发和测试，发现taca和其功能性衍生物可在co2捕获操作的工业过程条件下操作，并且可以提供比文献中报道的更大的温度稳定性。

taca还提供了与其他ca相比增强的酶辅助的co2捕获性能，如食硫氢菌属菌种(ssp)ca。与ta相似地，细菌ssp属于产液菌(aquificales)目。ssp分离自黄石国家公园(usa)中的方解石温泉(calcitehotsprings)，并且与ta相似地，其生长在60℃至80℃的温度范围(ref-ssp以下)。黄石食硫氢菌菌种(sulfurihydrogenibiumyellowstonensesp.nov.)，一种来自黄石国家公园的极度嗜热、兼性异养的硫氧化细菌，以及食硫氢菌属、地下食硫氢菌(sulfurihydrogenibiumsubterraneum)和亚速尔群岛食硫氢菌(sulfurihydrogenibiumazorense)的修订的说明描述于nakagawas,shtaihz,bantaa,beveridgetj,sakoy,reysenbachal.internationaljournalofsystematicandevolutionarymicrobiology,2005nov；55(pt6):2263-8.(pubmedid16280480)中。

特别地，ssp在ph7.5时生长最佳，比ta高出两个数量级。ssp基因组含有编码α类碳酸酐酶的基因，下文称为sspca。文献报道了sspca近期的一些生化表征。然而，基于sspca的那些很难预期或预测taca特性。当比较taca多肽序列与所有报道的蛋白序列时，sspca仅有49％的序列同一性，而374个其他序列具有更高的相似性水平。

据信，sspca和taca由于信号肽的存在而在产生后被分泌出来。在这种情况下，taca和sspca必须面对细菌外存在的条件。由于ssp对比ta的最适生长ph不同，可预期sspca在溶解于co2捕获溶剂中时比taca更稳定，后者在ph范围为8至11时为碱性。但本发明的实施方案提供了结果，其揭示在测试的相关co2捕获溶剂和条件中，taca稳定性令人惊讶地比sspca高得多。

参考图1，示出了taca的氨基酸序列。被切割的信号肽以下划线表示并且可以用甲硫氨酸(seqidno:4)取代。各种taca变体和功能性衍生物也可用于本文所述的co2捕获技术。例如，taca的前五个氨基酸由三个其他氨基酸取代(图16，seqid6)。进行这种变化以提高酶的生产水平并且对taca稳定性没有影响(图3至图6)。各种其他taca变体也可设置在co2捕获系统中。

现参见图11，总体co2捕获系统10的一个例子包括含co2的气体14的来源12。所述来源可为发电厂，炼铝厂，炼油厂或在高压或大气压下的另一种产生co2的操作，或者也可为用于空气分级或空气清洁等一些具体应用的环境空气。将含co2的气体14供应至吸收单元16，所述吸收单元16还进料水性吸收溶液18，用于接触含co2的气体14。在一些实施方案中，水性吸收溶液18包含碳酸酐酶(包括taca或其功能性衍生物)和吸收化合物。碳酸酐酶可在水性吸收溶液18中是游离的，作为溶解的酶或酶的聚集体或颗粒。碳酸酐酶可在水溶性吸收溶液18中存在的颗粒之上或之中，并与其一起流经吸收单元16。碳酸酐酶可使用任何方法相对于颗粒进行固定化，同时保持其至少一些活性。一些固定化技术包括共价键合，包埋(entrapment)，囊封等。碳酸酐酶可相对于支持物固定化，所述支持物在吸收单元16内可为各种结构，如包装材料，以随着水吸收溶液18流经吸收单元16而保留在吸收单元16之内。

含co2的气体14可以是来自多种来源的含co2的流出物，所述来源包括一定比例的co2和其他气体。例如所述气体可包括约0.03％至60％(v/v)的co2，尽管co2浓度可更大。含co2的气体还可为具有多至100％的高co2含量的气体，其可作为起始材料用于从co2气体生产化合物如碳酸氢钠。

吸收单元16(在本文中也称为“吸收器”)可为各种类型的，例如填充反应器(packedreactor)，喷雾反应器，泡罩塔(bubblecolumn)型反应器，旋转填充床(rpb)或其它类型的过程强化(pi)反应器等。可存在一个或多个可串联或并联提供的反应器。在吸收单元16中，taca催化co2的水合反应成为碳酸氢根和氢离子，从而产生耗尽co2的气体20和富含离子的溶液22。

然后将富含离子的溶液22供应至解吸单元26(本文中也称为“脱离器”)以产生co2流28和耗尽离子的溶液30。也可存在taca以催化碳酸氢根离子的脱水反应成为二氧化碳，从而产生耗尽co2的气体20和耗尽离子的溶液30。或者，可将富含离子的溶液22供应至另一种类型的再生步骤，如矿物碳酸化等。应该注意的是，可在供应至解吸单元26之前加热富含离子的溶液22。

现参见图12，系统10还可包括布置在吸收单元16和解吸单元26之间的分离单元32，用于在酶随富含离子的溶液22流动的情况下(例如当酶在溶液中游离时或相对于流动的颗粒固定化时)去除至少一些并且可能全部的taca。分离单元32产生可供应至解吸单元26的耗尽酶的流34和可全部或部分再循环回到吸收单元16的富含酶的流36。分离单元还可包括一个或多个串联或并联的分离器。分离器可为过滤器或其他类型的分离器，这取决于酶的去除特征和酶或颗粒的形式。

该系统还可包括用于制备供解吸单元26的富含离子的溶液22的各种其它处理单元，和/或用于制备供再循环回到吸收单元16中的耗尽离子的溶液30的各种其它处理单元。可存在ph调节单元或各种监控单元。

在一些实施方案中，解吸单元26中提供至少一些taca。taca可在输入的富含离子的溶液中提供和/或分开添加。可对taca进行定制、设计、固定化或以其他方式递送，以经受解吸单元26中的条件。如反应1(反向反应)中所述，taca可催化碳酸氢根离子转化为co2。

仍参见图12，系统还可包括用于监测各种流的特性并调整吸收单元16的操作以实现期望特性的测量装置40。可通过各种方法进行调整，包括例如修改液体和/或气体流速，或调整其他操作条件。在一些实施方案中，测量装置40可监测通过co2捕获系统10循环的taca的活性，并且该信息可用于确定、校准和/或控制系统中补充taca的添加。

在一些实施方案中，吸收单元16可在一定条件下进行操作，从而利用用于催化co2水合反应的taca的活性和/或稳定性。例如，已经发现taca可在包含碳酸钠或碳酸钾的水性吸收溶液中在升高的温度范围内呈现高的残留活性。taca还在较低的环境温度处表现出高活性，以提供水性吸收溶液中的升高的co2流量，所述水性吸收溶液包含碳酸钠，碳酸钾或烷醇胺如mdea。操作条件可包括工作温度和吸收溶液内的至少一个操作吸收化合物。操作条件还可包括ph、co2负载、气体和液体流速以及组成等。

在一些实施方案中，协调操作条件，用于最大限度地利用taca功能进行co2捕获。在一些实施方案中，提供的操作条件用于商业规模的co2捕获操作，如相对较高的ph，高离子强度，高温等，而taca或其功能性衍生物或其变体对于催化循环体系中所需的反应提供高性能。

在一些实施方案中，操作条件可包括温度条件，其取决于co2捕获操作的多种其他参数可提供高于10℃且低于98℃、如25至80℃、30至70℃或40至50℃或如15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、98℃，或其间的任何温度的吸收温度。还应当理解，吸收单元中的温度条件可在一定温度范围内变化，因为吸收单元内的不同位置处的操作温度是不同的。此外，吸收溶液的温度可在吸收和解吸阶段间大体波动，所述吸收和解吸阶段用于一些co2捕获操作。

在一些实施方案中，操作条件可包括压力条件，其取决于co2捕获操作的多种其他参数可提供高于1巴(bar)且低于100巴，如2巴、5巴、10巴、20巴、25巴、30巴、35巴、40巴、45巴、50巴、55巴、60巴、65巴、70巴、75巴、80巴、85巴、90巴、95巴、100巴，或其间的任何压力的吸收压。

在一些实施方案中，操作条件可包括温度条件，其取决于co2捕获操作的多种其他参数可提供高于10℃且低于110℃、如30至110℃、35至90℃或40至70℃或如15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃，或其间的任何温度的解吸温度。还应理解，解吸单元中的温度条件可在一定温度范围内变化，因为解吸单元内的不同位置的操作温度是不同的。此外，吸收溶液的温度可在吸收和解吸阶段间大体波动，所述吸收和解吸阶段可用于一些co2捕获操作。还应注意的是，操作条件可包括吸收单元和解吸单元之间的温度摆动，并且温度摆动可在例如约25℃至约105℃变化，任选地在约30℃至约85℃，或约40℃至约60℃变化。可根据各种操作参数(例如在所述方法中使用的溶剂或吸收化合物的类型)来使用不同的温度摆动。

在一些实施方案中，操作条件可包括压力条件，其取决于co2捕获操作的多种其他参数可提供高于0.05巴且低于50巴、如0.1巴、0.2巴、0.3巴、0.4巴、0.5巴、0.6巴、0.7巴、0.8巴、0.9巴、1巴、2巴、5巴、10巴、15巴、20巴、25巴、30巴、35巴、40巴、45巴、50巴，或其间的任何压力的解吸压力。

在一些实施方案中，操作条件可包括含有吸收化合物的水性吸收溶液，所述吸收化合物在下文进一步讨论。

酶优选地与为所述方法提供co2负载能力的吸收溶液组合使用。溶液可具有允许加速酶催化速率的组合物，所述加速通过捕获在水合反应期间释放的氢离子来进行。使用taca允许加速co2捕获操作，减少所需捕获容器的尺寸和相关资本成本。此外，通过利用这种加速机制，可使用能量上有利的吸收化合物如叔胺和受阻胺，碳酸盐/碳酸氢盐溶液和氨基酸/氨基酸盐来降低相关的工艺能量消耗，其中这些吸收化合物在没有酶催化的情况下通常太慢而无法有效利用。

水性吸收溶液可包含至少一种有助于吸收co2的吸收化合物。吸收化合物可包含碳酸钾，碳酸钠，碳酸铵和/或至少一种胺，其可为伯胺，仲胺，叔胺，伯烷醇胺，仲烷醇胺，叔烷醇胺，和/或具有伯，仲或叔氨基的氨基酸或其组合。吸收化合物的组合包括碳酸盐和其中所述或本文所述的胺和/或氨基酸的至少一种，以产生增强的(promoted)碳酸盐吸收溶液。还应注意，吸收溶液可包含单一吸收化合物，如碳酸钾。此外，吸收溶液可包含主要吸收化合物，如碳酸钾，且还有一种或多种次要化合物(例如可包括胺)。

在一些情况下，吸收化合物可包括单乙醇胺(mea)，2-氨基-2-甲基-1-丙醇(amp)，2-(2-氨基乙基氨基)乙醇(aee)，2-氨基-2-羟甲基-1,3-丙二醇(tris或ahpd)，n-甲基二乙醇胺(mdea)，二甲基单乙醇胺(dmmea)，二乙基单乙醇胺(demea)，三异丙醇胺(tipa)，三乙醇胺(tea)，dea，dipa，mmea，tia，tbee，hep，ahpd，受阻二胺(hda)，双(叔丁基氨基乙氧基)-乙烷(btee)，乙氧基乙氧基乙醇-叔丁胺(eeetb)，双(叔丁基氨基乙基)醚，1,2-双-(叔丁基氨基乙氧基)乙烷和/或双-(2-异丙基氨基丙基)醚，等等。

在一些情况下，吸收化合物可包括哌啶，哌嗪，由至少一个烷醇基取代的哌啶、哌嗪的衍生物，聚亚烷基二醇的二烷基醚，聚乙二醇的二烷基醚或二甲醚，氨基酸包括甘氨酸，脯氨酸，精氨酸，组氨酸，赖氨酸，天冬氨酸，谷氨酸，甲硫氨酸，丝氨酸，苏氨酸，谷氨酰胺，半胱氨酸，天冬酰胺，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸，丙氨酸，酪氨酸，色氨酸，苯丙氨酸，以及衍生物如牛磺酸，n,环己基1,3-丙二胺，n-仲丁基甘氨酸，n-甲基n-仲丁基甘氨酸，二乙基甘氨酸，二甲基甘氨酸，肌氨酸，甲基牛磺酸，甲基-α-氨基丙酸，n-(β-乙氧基)牛磺酸，n-(β-氨基乙基)牛磺酸，n-甲基丙氨酸，6-氨基己酸，氨基酸的钾盐或钠盐或其组合。

用于补充水性吸收溶液的吸收化合物可为示例化合物的至少一种，即碳酸钾、碳酸钠和/或mdea。

在一些情况下，溶液中吸收化合物的浓度可为约0.1m至约10m，取决于多种因素。当吸收化合物是基于胺的时，基于胺的溶液的浓度可为约0.1m至约8m，而当吸收化合物是基于氨基酸的时，基于氨基酸的溶液的浓度可为约0.1m至约6m。当吸收化合物是基于碳酸盐的时，吸收溶液的ph可为约8至约12，取决于例如吸收化合物和溶液的co2负载。

可将taca溶于吸收溶液中。taca或其功能性衍生物的浓度可为约0.1至约50g/l、约0.01至约10g/l或约0.1至约5g/l。当taca不溶解于溶液中而是固定化于可移动颗粒上或固定填充材料上时，固定化taca的量可为相似的，从而提供与上述溶解的taca浓度相似的活性。

如上文所述，taca或其功能性衍生物可以是游离的或溶解于溶剂中、固定化的或截留的，或是以其他方式附着于吸附溶液中的颗粒，或是附着于固定于反应室内的填充材料或其他结构。

在taca或其功能性衍生物相对于支持材料固定化的情况下，其可通过选自吸收、共价键合、包埋，共聚化、交联和囊封，或其组合的固定化技术来完成。

在一些情况下，可将taca或其功能性衍生物固定化至颗粒、小珠或填充物形式的支持物上。这种支持物可为固体或多孔的，其表面上具有或不具有涂层。taca或其功能性衍生物可共价连接至支持物和/或支持物的涂层，或者包埋于支持物或涂层内部。涂层可为多孔材料，其在孔内捕获taca或其功能性衍生物，和/或通过共价键合至支持物的表面来固定taca。支持物材料可由不同于taca或其功能性衍生物的化合物制成。支持物材料可包括尼龙，纤维素，二氧化硅，硅胶，壳聚糖，聚丙烯酰胺，聚氨酯，藻酸盐，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，磁性材料，琼脂糖，二氧化钛，二氧化锆和/或氧化铝，其各自的衍生物和/或其他材料。支持物材料可具有约0.6g/ml至约5g/ml的密度，如高于1g/ml的密度、高于2g/ml的密度、高于3g/ml的密度或约4g/ml的密度。

在一些情况下，taca或其功能性衍生物可为交联的酶聚集体(clea)和/或交联的酶晶体(clec)。

在使用酶taca颗粒(包括clea或clec)的情况下，所述颗粒的粒度可具有处于或低于约17μm，任选地约10μm、约5μm、约4μm、约3μm、约2μm、约1μm、约0.9μm、约0.8μm、约0.7μm、约0.6μm、约0.5μm、约0.4μm、约0.3μm、约0.2μm、约0.1μm、约0.05μm、或约0.025μm的直径。颗粒还可具有不同大小的分布。

与本文所述技术结合使用的taca可为分离的和/或基本上纯的形式。

还提供了碳酸酐酶多肽或其功能衍生物，其在宽的温度范围内是稳定的和活性的。

在一些方面，taca是包含seqidno2、4或6所示序列的多肽或其功能性衍生物；并且可来源于包含编码这种碳酸酐酶的核苷酸序列的表达或克隆载体，或包含这种表达或克隆载体的转基因细胞。

taca或其衍生物可用于多种工艺和情形，例如如下专利参考文献：ca2.291.785；ca2.329.113，ca2.393.016，ca2,443,222，us6,908,507；ep1377531，us7,514,056，us7,596,952；us8,066,965，us8,277,769，us6,946,288，us7,740,689，wo2012/103653，us2013/0203155，ca2,769,771，us2012/0122195，us8,722,391，ca2,554,395，ca2,738,061，wo2014/066999，ca2,886,708，其在此通过提述并入本文。

定义

为了进一步了解本文中使用的一些术语，提供以下定义和讨论。

表述“多肽”是指包含通过肽键或修饰的肽键彼此连接的两个或更多个氨基酸的任何肽或蛋白质。“多肽”是指通常称为肽、寡肽和寡聚体的短链，以及通常被称为蛋白质的更长链。多肽可含有除20个基因编码的氨基酸以外的氨基酸，任选的多肽可含有甘氨酸，脯氨酸，精氨酸，组氨酸，赖氨酸，天冬氨酸，谷氨酸，甲硫氨酸，丝氨酸，苏氨酸，谷氨酰胺，半胱氨酸，天冬酰胺，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸，丙氨酸，酪氨酸，色氨酸，苯丙氨酸，硒代半胱氨酸，硒代甲硫氨酸，吡咯赖氨酸。“多肽”包括通过天然过程修饰的那些(例如加工和其他翻译后修饰)，还可通过化学修饰技术进行修饰。这些修饰在基本文本和更详细的专著中，以及大量研究文献中有充分描述，并且它们是本领域技术人员所熟知的。应当理解，相同类型的修饰可以以相同或不同程度存在于给定多肽中的数个位点。

术语“功能性衍生物”是指具有基本上与原始蛋白/肽/多肽序列的生物学活性相似的功能生物学活性的蛋白/肽/多肽序列。换言之，其是指本文定义的碳酸酐酶的多肽，其基本上保留催化二氧化碳水合反应的能力。如本文定义的碳酸酐酶蛋白/肽的功能性衍生物可含有或不含有翻译后修饰，如共价连接的糖类，如果这种修饰对于具体功能的表现不是必需的。“功能性衍生物”还可包含编码本发明的蛋白/肽/多肽的核酸序列变体。这些变体可能源于遗传密码的简并性或源于突变，取代，添加或缺失。此外，如本文定义的碳酸酐酶可包含标签，如组氨酸标签。术语“功能性衍生物”意在涵盖碳酸酐酶蛋白/肽的“变体”，“突变体”，“片段”或“化学衍生物”。测量碳酸酐酶活性的方法是已知的，例如搅拌式细胞反应器测定法或由chirica等(chirica等europeanjournalofbiochemistry,1997,244,755-60)描述的方法。这些功能性衍生物与seqidno2、4或6所示序列具有至少60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、75％、80％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％99％或99.5％同一性，所述同一性任选地以序列全长或基于序列的部分比对。

如本文所用，术语“多核苷酸片段”是指这样的多核苷酸，所述多核苷酸的序列(例如cdna)是人工构建(例如通过化学合成)或通过将天然产物切割(使用限制内切核酸酶或机械剪切)成多片而构建的主题核酸的分离的部分，或通过pcr，dna聚合酶或本领域已知的任何其它聚合技术合成的核酸的一部分，或通过本领域技术人员已知的重组核酸技术在宿主细胞中表达的核酸的一部分。

本文所用的术语“多肽或其片段”是指肽、寡肽和蛋白质。该术语也不排除多肽的表达后修饰。例如，包括糖基，乙酰基，脂质基团等的共价附接的多肽涵盖在术语多肽中。

用于测定核酸和氨基酸“序列同一性”的技术是本领域已知的。通常，这样的技术包括确定基因的mrna的核苷酸序列和/或确定由此编码的氨基酸序列，并将这些序列与第二个核苷酸或氨基酸序列进行比较。一般而言，“同一性”是指两个多核苷酸或多肽序列分别的确切的核苷酸对核苷酸或氨基酸对氨基酸的对应关系。可通过确定它们的“百分比同一性”来比较两个或更多个序列(多核苷酸或氨基酸)。两个序列(无论是核酸或氨基酸序列)的百分比同一性是两个比对序列之间的精确匹配数除以较短序列的长度乘以100。核酸序列的近似比对由smith和waterman,advancesinappliedmathematics2:482-489(1981)的局部同源性算法提供。该算法可通过dayhoff,atlasofproteinsequencesandstructure,m.o.dayhoff编,5suppl.3:353-358,nationalbiomedicalresearchfoundation,washington,d.c.,usa开发的打分矩阵而应用于氨基酸序列，并通过gribskov,nucl.acidsres.14(6):6745-6763(1986)进行标准化。该算法用于确定序列的百分比同一性的示例性实现由geneticscomputergroup(madison,wis.)提供于"bestfit"实用应用中。该方法的默认参数描述于wisconsinsequenceanalysispackageprogrammanual,第8版(1995)(可获取自geneticscomputergroup,madison,wis.)中。可在本发明的上下文中使用的确立百分比同一性的另一种方法是由爱丁堡大学拥有版权的由johnf.collins和shanes.sturrok开发并由intelligenetics,inc.发行的mpsrch程序包(mountainview,calif.)。从这套程序包可使用smith-waterman算法，其中将默认参数用于评分表(例如缺口开放罚分为12，缺口延伸罚分为1，缺口为6)。从产生的数据“匹配(match)”值反映出“序列同一性”。用于计算序列之间的百分比同一性的其它合适的程序是本领域中已知的，例如，另一个比对程序是blast，以默认参数使用。例如，blastn和blastp可使用以下默认参数：遗传密码＝标准；过滤器＝无；链＝两条均有；截留＝60；预期＝10；matrixblosum62；描述＝50个序列；排序＝highscore；数据库＝非冗余，genbank+embl+ddbj+pdb+genbankcds翻译+瑞士蛋白(swissprotein)+spupdate+pir。

当提及多肽时，对于“基本上相同”，应当理解，本发明的多肽优选(任选地在肽的全长)具有与seqidno2、seqidno4或seqidno6或其功能性衍生物至少约60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、75％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％(或其间的任何其他值)的(同一性)的氨基酸序列。

可以使用如clustal程序的程序来比较氨基酸序列。该程序比较氨基酸序列并通过在二者任一序列中适当插入空格来找到最佳比对。可计算氨基酸的同一性或同源性以获得最佳比对。像blastp这样的程序会比对最长的相似序列，并为匹配赋值。因此，可获得其中发现数个相似度区域的比较，每个具有不同的分数。两种类型的同一性分析均预期在本发明之内。

关于蛋白质或多肽，术语“分离多肽”或“分离和纯化的多肽”有时在本文中使用。该术语主要指通过本发明预期的分离和修饰的多核苷酸分子的表达产生的蛋白。或者，该术语可以指已经与其自然相关的其它蛋白充分分离的蛋白，从而以“基本上纯的”形式存在。

术语“基本上纯的”是指在总蛋白质含量上包含至少50wt％的碳酸酐酶多肽或其衍生物的制备物。更优选地，该制备物包含至少75wt％，最优选90-99wt％的碳酸酐酶多肽或其衍生物。

通过适用于本文所述的碳酸酐酶多肽或其衍生物的方法测量纯度(例如色谱法，琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶电泳，hplc分析等)。

taca多肽或其taca功能性衍生物还可包含氨基酸取代，从而使碳酸酐酶或其taca功能性衍生物保留催化活性(即co2与hco3^-和h⁺的相互转化)。术语“取代的氨基酸”意在包括天然氨基酸和非天然氨基酸。非天然氨基酸包括氨基酸衍生物、类似物和模拟物。如本文所用，氨基酸的“衍生物”是指这样的氨基酸形式，所述氨基酸中化合物上的一个或多个反应基团已经被取代基衍生化。如本文所用，氨基酸的“类似物”是指保留有氨基酸的功能活性所必需的氨基酸的化学结构，但还含有与所述氨基酸不同的某些化学结构的化合物。如本文所用，氨基酸的“模拟物”是指这样的化合物，其模拟所述氨基酸的化学构象。

如本文所用，术语“多核苷酸”通常是指任何这样的多核糖核苷酸或多脱氧核糖核苷酸，其可为未修饰的rna或dna或经修饰的rna或dna。该定义包括但不限于单链和双链dna，其为单链和双链区或单、双和三链区混合的dna，cdna，单链和双链rna，和其为单链和双链区混合的rna，包含可为单链或更通常为双链或三链区的dna和rna的杂交分子，或单链和双链区的混合物。术语“多核苷酸”还包括这样的短核苷酸或片段(通常称为“寡核苷酸”)，其由于发生突变而不是100％相同，但编码相同的氨基酸序列。

当提及多核苷酸时，对于“基本上相同”，其应当理解，本发明的多核苷酸具有编码这样的多肽的核酸序列，所述多肽与seqidno2、seqidno4或seqid6或其功能性衍生物至少约60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、75％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％(或60至99.5％之间的任何其他值)相同。

当提及多核苷酸时，对于“基本上相同”，其应当理解，本发明的多核苷酸具有这样的核酸序列，所述核酸序列与seqidno1、seqidno3或seqid5或其功能性衍生物至少约60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、75％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％(或60至99.5％之间的任何其他值)相同。

当提及本文所述的多核苷酸时，有时使用术语“分离的多核苷酸”。该术语当应用于dna时，是指从其所来源的生物体的天然存在的基因组中与其直接相邻(以5'和3'方向)的序列分离的dna分子。例如，“分离的多核苷酸”可包含插入到载体(例如质粒或病毒载体)中的dna分子，或整合到原核生物或真核生物的基因组dna中的dna分子。“分离的多核苷酸分子”也可包含cdna分子。

如本文所用，术语“载体”是指设计来用于转导/转染一种或多种细胞类型的多核苷酸构建体。载体可为例如设计来用于插入核苷酸的分离、增殖和复制的克隆载体，被设计用于宿主细胞中核苷酸序列转录的表达载体，或设计用于生产重组病毒或病毒样颗粒的病毒载体，或穿梭载体，其包含多于一种类型的载体的属性。许多适用于细胞和细菌的稳定转染的载体是公众可得的(例如质粒，腺病毒，杆状病毒，酵母杆状病毒，植物病毒，腺相关病毒，逆转录病毒，单纯疱疹病毒，α病毒(alphaviruses)，慢病毒)，如同用于构建此类细胞系的方法一样。应当理解，本发明包括任何类型的载体，其包含本发明的任何多核苷酸分子。

术语“转基因细胞”是指遗传工程化细胞。用于遗传工程化细胞的方法是已知的，例如分子克隆和基因打靶。这些方法可包括基于化学的转染、非化学方法、基于颗粒的方法或病毒方法。宿主细胞可为任何类型的细胞，例如瞬时转染或稳定转染的哺乳动物细胞系，分离的原代细胞，昆虫细胞，酵母(酿酒酵母(saccharomycescerevisiae)或毕赤酵母(pichiapastoris))，植物细胞，微生物，或细菌(如大肠杆菌(e.coli))。

“天然存在”或“野生型”的表述是指以自然界中存在的形式的材料。例如，天然存在的或野生型的多肽或多核苷酸序列是存在于生物体中的序列，其从天然来源分离并且没有被人为操作有意修饰。表述“重组”、“工程化”或“非天然存在”：其不是自然界中出现的，其是一种人工构建体。例如细胞，核酸或多肽，是指或是已经以本不见于自然界的方式修饰的，或是与其相同但产生自或衍生自合成材料和/或通过使用重组技术操作而成。

表述“参考序列”是指与另一序列比较的限定序列。在本发明的一个方面，参考序列是seqidno2，优选seqidno4。

表述“参考酶”是已知的酶，例如taca酶或sspca酶。将本发明的酶的活性与参考酶的活性进行比较。

表述“编码序列”是指产生给定蛋白/肽/多肽的氨基酸序列的核酸序列。

术语“非保守取代”是指蛋白序列中在给定位置处与参考序列中的氨基酸不同且不相似的氨基酸。

术语“缺失”是指蛋白序列中给定位置上的一个或几个氨基酸，当与参考序列相比时，其是不存在的。

术语“插入”是指蛋白序列中给定位置上的一个或几个氨基酸，当与参考序列相比时，其是多出来的。

术语“改进的酶特性”是指当与参考酶相比时，一种酶中更好的特性。其可以是对某些变性剂的稳定性增加，热稳定性增加，溶剂稳定性增加，ph稳定性增加，酶活性增加，产物(例如碳酸氢根和/或碳酸根离子)抑制降低，在钠阳离子存在下的改进的稳定性，在钾阳离子存在下的改进的稳定性，改进的溶剂溶解性，亲水性增加，疏水性增加或其组合。

术语“在……存在下的稳定性”是指在存在变性化合物的情况下酶在一段时间内保持活性的能力。通常将其描述为剩余活性随时间的百分比。

术语“热稳定性”是指当暴露于给定温度时，酶在一段时间内保持活性的能力。通常将其描述为剩余活性随时间的百分比。

术语“溶剂稳定性”是指当暴露于给定溶剂时，酶在一段时间内保持活性的能力。通常将其描述为剩余活性随时间的百分比。

术语“ph稳定性”是指当暴露于给定ph(例如较高ph)时，酶在一段时间内保持活性的能力。通常将其描述为剩余活性随时间的百分比。

术语“增加的酶活性”是指在某些给定条件(例如较高的温度，较高的ph(改进的ph活性谱))下，酶在每个时间单位催化比参考酶更多反应(例如co2的水合反应和/或hco3^-离子的脱水反应)的能力。

术语“增加亲水性”是指酶在基于水的吸收溶液中更易溶的特性。

术语“增加疏水性”是指酶在基于水的吸收溶液中更不易溶的特性。

“约”是指相关值(例如温度，浓度，ph等)可在一定范围内变化，其取决于用于评估该值的方法或装置的误差边际。例如，温度误差边际可为±0.5℃至±1℃，ph值误差边际可为±0.1，浓度误差边际可为±20％。

在一些实施方案中，taca可用于co2捕获操作，其中吸收和解吸阶段在一定温度条件下运行，以利用taca的温度和溶剂稳定性。例如，吸收阶段可在40℃至60℃操作，而解吸阶段可在40℃至85℃操作。吸收和解吸阶段也可被配置成使得taca流经每个阶段并且在每个阶段内具有停留时间，所述停留时间进一步利用taca的温度和溶剂稳定性。例如，吸收阶段的停留时间可为1分钟至10分钟，解吸阶段的停留时间可为1分钟至10分钟。此外，提供了溶液co2中的taca浓度，从而促进催化活性以增强co2捕获过程中的残留活性。例如，可以足够高的浓度提供taca，从而通过至少14天的操作保持接近100％的残留活性。

测试表明，taca在一定量的时间后比在60℃至98℃的所有其他测试酶更好。由于taca稳定，因此其在所有温度保持100％的残留活性至少1小时；当以2或4g/l使用时，残留活性比1g/l更高，特别是14天后。进行活性测定，因而酶不会过饱和。

由于已发现taca具有比测试的所有参比碳酸酐酶更高的残留活性，如实施例部分所示，taca可用于co2捕获操作，其效率和性能比其它碳酸酐酶更高。

在一些实施方案中，taca变体可具有促进生产的序列，使得taca可用于补充和再补充酶促增强的co2捕获操作。可提供taca补充频率和量，从而保持高催化作用。

在一些方面，重组taca变体可具有相对于seqidno4的多肽的相同特性的改进特性，其所述特性选自如下一种或多种：在钠离子存在下的改进的稳定性和/或活性和/或溶解性；在钾离子存在下的改进的稳定性和/或活性和/或溶解性；在碳酸根离子存在下的改进的稳定性和/或活性和溶解性；在高ph条件下改进的稳定性和/或活性和/或溶解性；在高温条件下改进的稳定性和/或活性和/或溶解性，和改进的ph-活性谱。

此外，本申请中报道的测试中的taca评估显示了与例如james等评估的其他taca相比增强的稳定性。在james等中，使用温和的hepes/nacl缓冲液，将酶暴露于90℃1小时，导致完全失活。相比之下，本发明的taca酶与james等的酶相比具有结构差异，在酶稳定性方面提供了增强的结果。

通过参考如下实施例将更容易理解本发明的各个方面。这些实施例说明了本发明的广泛适用性，而不意图限制其范围。在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，可以对其进行修改和变化。尽管与本文所述类似或等同的任何方法和材料均可用于本发明的测试实践中，但是描述了优选的方法和材料。

权利要求的范围不应受到实施例和说明书中阐述的方面、情形、实施、实施例或实施方案的限制，而应当给予其与说明书整体相一致的最宽的解释。

本文提及的已发布专利，公开的专利申请和参考文献通过提述并入本文。在不一致的情况下，以本公开为准。

实施例及实验

实施例1：材料、方法及具有seqidno4所示多肽序列的taca的产生

产生了没有信号肽的taca酶：前20个氨基酸由单个甲硫氨酸取代。前20个氨基酸(信号肽)在图1(seqidno2)中加下划线。在co2捕获柱中和通过基于ph指示剂的技术来纯化和表征该酶。所得的编码核苷酸序列示于图13(seqidno3)，编码的taca氨基酸序列如图14所示(seqidno4)。氨基酸残基编号遵循图14(seqidno4)。

co2捕获柱用于在25℃将含有14％v/vco2的气体和由1.45mkhco3/k2co3ph10组成的co2捕获溶剂接触。当存在时，酶以0.2g/l的浓度溶解在溶剂中。溶剂在顶部至底部50厘米高的填充柱内流动。含co2的气体逆流入同一柱。将液体与气体的流速比调节至50g/g。气体分析仪测量柱的入口和出口处气体中的co2浓度。

实施基于ph指示剂的技术，以比较taca与其他碳酸酐酶的稳定性和活性。将taca与如下的其他碳酸酐酶进行比较：

(i)来自食硫氢菌属菌种的称为“sspca”的碳酸酐酶(seqidno7)，其描述于专利申请wo2014066999a1中，且与seqidno4具有49％同一性；和

(ii)食硫氢菌属菌种碳酸酐酶(sspca)的耐热性变体，称为”6m1”(seqidno8)，其描述于专利申请wo2014066999a1(seqidno196)中，且与seqidno4具有50％同一性。

实施例2：taca在填充柱吸收单元中的性能

在吸收填充柱中进行实验。吸收溶液是在ph10处的1.45m碳酸钾水溶液。该吸收溶液与co2浓度为130,000ppm的气相反向地接触。液体流速为500g/分钟，气体流速为10g/分钟，对应于50g/g的l/g。气体和吸收溶液处于室温。该柱具有7.5cm直径和50cm高度。填充材料是聚合的6毫米raschig^tm(拉西)环。taca浓度为0.2g/l。结果显示，当向吸收溶液加入酶时，co2去除速率的co2转移速率从溶液的4.7毫摩尔/秒增加到40毫摩尔/秒。在这些条件下，taca将co2去除率增加为8.5倍。

实施例3：taca的稳定性与sspca和6m1的稳定性的比较

比较了taca、sspca和6m1酶的稳定性。通过在各种温度将酶暴露于包含1.45mkhco3/k2co3(2.9mk⁺)ph10和20％w/vmdeaα＝0.1的吸收溶液经历不同曝露时间来评估稳定性。如图3至10所示，在所有测试条件下，taca显示出最高的稳定性。

如图4所示，在1.45mkhco3/k2co3(2.9mk⁺)ph10中，taca在60℃温育一周后保留其所有活性，而其他测试的酶已经失去其初始活性的超过60％。以相同的方式，taca在75℃温育60小时后显示50％的残留活性水平，而其他酶返回到10％或更少的残留活性水平(图5)。taca还是较高温度处最好的酶(见图3、图6、图7)。

在20％mdeaα＝0.1中，taca在60℃处温育28天后显示出其初始活性的100％(图10)。在相同的时间内，sspca失活，而6m1仍显示出一些活性。

实施例4：在1.45mkhco3/k2co3(2.9mk⁺)ph10中的热循环语境下taca的稳定性与sspca和6m1的稳定性的比较

在工业应用中，酶必须适应温度波动。为了测试本文中酶的稳定性，对taca进行了热循环测试。使酶经历30℃至75℃发生的温度波动。图9示出了持续约8分钟的各个循环形成的温度谱。该循环每天重复180次，持续28天，共计5040次循环。在这些条件下，taca在7-14天后保留约50-100％的残留活性水平。28天后记录到约25-50％的活性水平。

实施例5：获取自加氨热弧菌的碳酸酐酶与genbank中最相似的蛋白之间的氨基酸序列的比较

如图2所示，与获取自加氨热弧菌的碳酸酐酶的最相似的碳酸酐酶来自具有66％同一性的persephonellamarina(海珀尔女神菌)。图2中未显示的sspca排名为第375名最相似的蛋白质。

实施例6：温度循环条件下taca的稳定性

为了确认taca用于co2捕获操作的潜能，在温度循环条件下评估其稳定性，以模拟其所要暴露的工艺条件。暴露于40℃，将含有2g/l的taca酶(seqid6)的co2负载为0.63(ph10)的1.2l的1.45mk2co3溶液连续泵送经过温度为77℃的水浴，其温度升高4分钟。然后将溶液泵送回40℃的储器。40℃的温度是吸收单元中的典型条件，而较高的温度代表在解吸单元中遇到的温度。将溶液暴露于这些温度循环条件，基于每天24小时，每周7天。在特定的暴露时间，取出溶液样品用于活性测量。在1.45mk2co3ph10溶液中于25℃测量taca的co2水合活性，该测定的taca浓度为0.2g/l。taca的残留活性数据可见于图18。结果显示，该酶保持其初始活性的至少80％至少20天。在该酶用于co2捕获单元的工业用途的语境下，这清楚地证明该酶对于盐浓度高于0.5m和碱性ph表征的工业相关操作条件而言是稳固的。这些测试表明，taca在实际工艺条件下具有显著的稳定性，所述实际工艺条件与标准实验室条件和天然条件相比相对严苛。

实施例7：循环过程性能

位于北达科他州大学(universityofnorthdakota)能源与环境研究中心(eerc)的每天1吨co2捕获中试(pilot)单元证明了taca(seqid6)的工业相关性。co2捕获装置包括一个填充柱吸收器和一个填充柱脱离器/解吸器。将taca酶与1.45mk2co3溶液组合使用以从气体流出物中捕获co2。测试了两种类型的气体流出物：一种来自天然气燃烧，另一种来自煤炭燃烧。来自天然气燃烧的烟道气(fluegas)中的co2具有10％(v/v)的浓度，而来自煤炭燃烧的烟道气具有14％(v/v)的浓度。除co2外，烟道气还包含co和nox。来自煤炭燃烧的烟道气中还存在sox。

填充柱吸收器在30℃运行。含有碳酸钾和taca的吸收溶液在吸收器的顶部进料。由于溶液逆向地与烟气接触，其吸收了co2，从而溶液的ph值从10变为9。为了将co2从吸收溶液中分离出来，将负载有co2的溶液送至脱离器，其中用加热介质在85℃的温度将其加热。co2作为浓缩的co2流从溶液中释放出来。吸收溶液，现在是一种缺少co2的溶液，被送回吸收器。

taca酶浓度从0.2至2g/l变化。结果显示在图19中，指示2克/升的小的酶浓度足以在测试条件下使co2捕获性能增加为五倍。该酶在中试单元中使用7天，24小时/天，而没有任何活性降低，即使与气体污染物如nox、co和sox接触时也如此，这证实了taca对于co2捕获操作的工业相关性。