專利名稱：二氧化碳制備甲醇的生物催化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用甲烷氧化細(xì)菌催化二氧化碳還原制備甲醇的生物催化方法。
背景技術(shù)：
二氧化碳是溫室氣體的主要成分，取之不盡，用之不竭。將二氧化碳轉(zhuǎn)化成為甲醇具有重大的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。它不但可以解決溫室氣體二氧化碳造成氣候變暖的問(wèn)題，還可以為人們提供重要的化工原料和潔凈的燃料能源——甲醇，解決人們能源危機(jī)的問(wèn)題。由二氧化碳向甲醇的轉(zhuǎn)化，有非均相催化法、電催化法、光催化法等幾種具有代表性的化學(xué)方法。但這些方法要求的條件往往都很苛刻，如非均相催化法需要高溫高壓，而后兩種方法則需要外加電能或光能，高能耗且轉(zhuǎn)化率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述問(wèn)題而提出一種以甲烷利用菌為催化劑，溫和條件下催化二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇的生物催化方法。
本發(fā)明的目的可由如下措施實(shí)現(xiàn)首先對(duì)甲烷氧化細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)，然后將收獲的細(xì)胞用含有磷酸鹽的緩沖溶液懸浮，充入二氧化碳或者二氧化碳與空氣的混合物啟動(dòng)反應(yīng)，在搖床反應(yīng)器中，控制反應(yīng)溫度為30-40攝氏度、150-200轉(zhuǎn)/分鐘反應(yīng)后得到含有產(chǎn)物甲醇的水溶液。
下式是由甲烷氧化細(xì)菌中天然存在的甲酸脫氫酶、甲醛脫氫酶和甲醇脫氫酶順序催化完成的二氧化碳還原反應(yīng)
在甲烷氧化細(xì)菌中，甲酸脫氫酶、甲醛脫氫酶和甲醇脫氫酶的生理角色是催化甲醇氧化生成二氧化碳。但當(dāng)我們加入高濃度二氧化碳時(shí)，甲烷氧化細(xì)菌中的這三個(gè)脫氫酶也能順序催化二氧化碳的還原生成甲醇。由于長(zhǎng)期的生物進(jìn)化使得這三個(gè)脫氫酶在細(xì)胞內(nèi)的分布非常合理，頭一個(gè)酶的產(chǎn)物剛好是下一個(gè)酶的底物。因此除最終產(chǎn)物甲醇外，未發(fā)現(xiàn)中間產(chǎn)物甲酸和甲醛的生成。
本發(fā)明在甲烷氧化細(xì)菌催化下，實(shí)現(xiàn)了溫和條件的由二氧化碳向甲醇的轉(zhuǎn)化。解決了傳統(tǒng)的二氧化碳制甲醇過(guò)程中高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)、環(huán)境污染嚴(yán)重和高能耗等問(wèn)題。
一種二氧化碳制備甲醇的生物催化方法，其特征在于采用二氧化碳或者二氧化碳與空氣的混合物作為反應(yīng)物，甲烷氧化細(xì)菌細(xì)胞甲基彎菌Methylosimustrichosporium IMV 3011作為催化劑，在搖床反應(yīng)器中，在反應(yīng)介質(zhì)存在下，32-40攝氏度、150-220轉(zhuǎn)/分鐘反應(yīng)得到甲醇。
本發(fā)明采用的甲烷氧化細(xì)菌細(xì)胞選自甲基彎菌Methylosimustrichosporium IMV 3011，反應(yīng)需要的細(xì)胞濃度為2-10毫克/毫升。
本發(fā)明采用的反應(yīng)介質(zhì)為含有50-100毫摩爾/升的磷酸氫二鈉，50-100毫摩爾/升的磷酸二氫鈉，5毫摩爾/升的氯化鎂的磷酸鹽緩沖溶液，ph＝6.5-6.9。
本發(fā)明有如下特點(diǎn)a采用生物催化的方法在溫和的條件下以二氧化碳為底物反應(yīng)得到甲醇；b采用高濃度二氧化碳作為反應(yīng)氣體，通過(guò)甲烷氧化細(xì)菌中天然存在的三個(gè)還原酶催化的逆反應(yīng)實(shí)現(xiàn)二氧化碳的順序還原生成甲醇。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)進(jìn)一步通過(guò)最佳實(shí)施例來(lái)闡述發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式。
實(shí)施例1發(fā)酵培養(yǎng)甲烷氧化細(xì)菌Methylosimus trichosporium IMV 3011，發(fā)酵培養(yǎng)結(jié)束后離心收獲細(xì)胞，將收獲的細(xì)胞與20毫升含有下列成分的反應(yīng)液一起添加到100毫升錐形瓶中，甲烷氧化細(xì)菌Methylosimus trichosporium IMV 3011的細(xì)胞在該反應(yīng)液中的濃度為2-10毫克/毫升濃度為50-100毫摩爾/升的磷酸氫二鈉，濃度為50-100毫摩爾/升的磷酸二氫鈉，
濃度為5毫摩爾/升的氯化鎂，ph＝6.5-6.9。
其中一個(gè)瓶子密封后抽出80毫升空氣，加入80毫升二氧化碳，作為對(duì)照；另一個(gè)瓶子密封后抽出空氣80毫升，加入80毫升氮?dú)猓?2攝氏度，150轉(zhuǎn)/分鐘搖床反應(yīng)；甲醇的檢測(cè)和定量分析在氣相色譜儀上進(jìn)行。每隔1小時(shí)用注射器抽取0.5毫升反應(yīng)液，8000轉(zhuǎn)/分鐘，4分鐘，取上清。色譜條件為SE-54彈性石英毛細(xì)管柱(25m×0.25mm i.d.)，載氣N2，檢測(cè)器氫火焰，分流進(jìn)樣。進(jìn)樣器、檢測(cè)器溫度分別控制在180攝氏度、200攝氏度，柱溫60攝氏度，進(jìn)樣體積1微升，外標(biāo)法定量。結(jié)果如表1所示二氧化碳的體積百分比反應(yīng)時(shí)間0(％) 100(％)2小時(shí) 0.0(微摩爾) 2.8(微摩爾)4小時(shí) 0.0(微摩爾) 3.3(微摩爾)比較發(fā)現(xiàn)，甲醇是由二氧化碳產(chǎn)生。
實(shí)施例2其它同實(shí)施例1，二氧化碳在反應(yīng)氣體中的含量為100％。32攝氏度，150轉(zhuǎn)/分鐘搖床反應(yīng)，每次批式反應(yīng)5-7小時(shí)，反應(yīng)完畢后，離心分離產(chǎn)物，回收細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)行下一批反應(yīng)。每隔1小時(shí)從密封的反應(yīng)瓶中取0.5毫升細(xì)胞液，離心后得上清液，用氣相色譜檢測(cè)產(chǎn)物甲醇，然后比較其產(chǎn)量變化趨勢(shì)。結(jié)果見(jiàn)表2批次/5-7小時(shí) 甲醇產(chǎn)量13.6(微摩爾)24.4(微摩爾)34.2(微摩爾)43.3(微摩爾)53.1(微摩爾)
比較發(fā)現(xiàn)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，甲烷氧化細(xì)菌細(xì)胞催化活性沒(méi)有明顯減少。
實(shí)施例3其它同實(shí)施例1，二氧化碳在反應(yīng)氣體中的濃度改為40％。將細(xì)胞濃度進(jìn)行變化，32攝氏度，150轉(zhuǎn)/分鐘搖床反應(yīng)5-7小時(shí)。反應(yīng)完畢后，離心分離產(chǎn)物，用氣相色譜檢測(cè)產(chǎn)物甲醇。結(jié)果見(jiàn)表3細(xì)胞濃度 甲醇產(chǎn)量2毫克/毫升 2.8(微摩爾)4毫克/毫升 3.9(微摩爾)6毫克/毫升 4.5(微摩爾)8毫克/毫升 4.1(微摩爾)
權(quán)利要求
1.一種二氧化碳制備甲醇的生物催化方法，其特征在于采用二氧化碳或者二氧化碳與空氣的混合物作為反應(yīng)物，甲烷氧化細(xì)菌細(xì)胞甲基彎菌Methylosimustrichosporium IMV 3011作為催化劑，在搖床反應(yīng)器中，在反應(yīng)介質(zhì)存在下，32-40攝氏度、150-220轉(zhuǎn)/分鐘反應(yīng)得到甲醇。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于甲基彎菌Methylosimustrichosporium IMV 3011的細(xì)胞濃度為2-10毫克/毫升。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于反應(yīng)介質(zhì)為含有50-100毫摩爾/升的磷酸氫二鈉，50-100毫摩爾/升的磷酸二氫鈉，5毫摩爾/升的氯化鎂的磷酸鹽緩沖溶液，ph＝6.5-6.9。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用二氧化碳制備甲醇的生物催化方法。采用甲烷氧化細(xì)菌甲基彎菌Methylosimus trichosporium IMV 3011作為催化劑，在反應(yīng)體系中充入二氧化碳或者二氧化碳與空氣的混合物作為反應(yīng)底物，可直接得到產(chǎn)物甲醇。實(shí)現(xiàn)了溫和條件下二氧化碳向甲醇的轉(zhuǎn)化。
文檔編號(hào)C12P7/04GK1580268SQ0314379
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2003年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月6日
發(fā)明者辛嘉英, 崔俊儒, 夏春谷, 李樹本 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所