專利名稱：一種有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)及其制備和在酶催化反應(yīng)中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機(jī)溶劑吸附緩釋體系的制備以及它在酶催化有機(jī)相反應(yīng)如生物柴油的生產(chǎn)中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
有機(jī)相酶催化反應(yīng)作為一種低能耗、低污染、底物專一性強(qiáng)的有機(jī)反應(yīng)在綠色化學(xué)研究日益興起的當(dāng)代獲得了廣泛關(guān)注。有機(jī)相酶催化的關(guān)鍵之一就是提高作為催化劑的酶的穩(wěn)定性——如耐高溫、耐酸堿以及耐受有機(jī)溶劑的能力，從而擴(kuò)大酶的應(yīng)用范圍，提高酶的回收利用效率，這對(duì)于拓寬酶在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用領(lǐng)域，降低酶的使用成本，都有重要意義。為達(dá)到這一目標(biāo)，人們從兩方面進(jìn)行了研究1、開發(fā)新型的酶固定化介質(zhì)酶經(jīng)過固定在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)上后，穩(wěn)定性會(huì)得到很大提高；2、在具體生產(chǎn)的工藝上改進(jìn)改變反應(yīng)物的量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度，以及加入各種添加劑，對(duì)反應(yīng)的產(chǎn)率和酶的穩(wěn)定性進(jìn)行雙重優(yōu)化。
生物柴油是以天然的植物油為原料，經(jīng)過與短鏈醇(如甲醇、乙醇、異正丙醇等)的酯化反應(yīng)生成的脂肪酸短鏈醇的酯(如下式所示)。
它與傳統(tǒng)的柴油相比，具有污染小，可降解、可再生等優(yōu)點(diǎn)。隨著人們能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，生物柴油被認(rèn)為是最有前途的柴油代替燃料。
目前生物柴油的生產(chǎn)均通過化學(xué)法，在高溫壓和強(qiáng)的酸或堿作用下生成，這種方法具有醇必須大大過量、高能耗、廢酸或堿液污染環(huán)境和產(chǎn)物回收困難等缺點(diǎn)，因而酶法生產(chǎn)生物柴油的研究具有重要意義。酶法生產(chǎn)生物柴油的難點(diǎn)在于，作為反應(yīng)物之一的短鏈醇如甲醇等是對(duì)酶具有強(qiáng)滅活作用的有機(jī)溶劑，因而酶的活性在反應(yīng)中受到不可逆的損失，降低了酶的回收使用次數(shù)，提高了生產(chǎn)的成本。所以，提高催化劑的穩(wěn)定性再次成為研究的重點(diǎn)。在生產(chǎn)工藝的改進(jìn)方面，有人提出將所需的甲醇分批加入的方法，以減少對(duì)酶的損害，這種三步甲醇加入法是目前脂肪酶催化生物柴油生產(chǎn)所普遍采用的方法。
雖然三步甲醇加入法比一次性加入全部甲醇有效減少了對(duì)酶的影響，但是加入的甲醇對(duì)于反應(yīng)體系來講仍然是過量的，不溶解的甲醇液滴會(huì)隨著反應(yīng)的振蕩吸附于酶的固定化介質(zhì)上，從而使催化劑失活。因而，開發(fā)一種比三步甲醇加入法更加均勻持久的添加甲醇的方法是必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是公開一種有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)及其制備和在酶催化反應(yīng)中的應(yīng)用，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，拓展酶在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用領(lǐng)域。
申請(qǐng)人針對(duì)酶促有機(jī)反應(yīng)中對(duì)酶有害的有機(jī)物的加入問題，提出了液態(tài)有機(jī)物的新的加入方式，從而最大限度的保護(hù)了催化劑的活性。
發(fā)明人經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)，多孔類固體物質(zhì)和吸附在多孔類固體物質(zhì)中的液態(tài)有機(jī)物在反應(yīng)溶劑中可緩慢均勻地釋放液態(tài)有機(jī)物，因此本發(fā)明首次將多孔類固體物質(zhì)做為液態(tài)有機(jī)物緩釋系統(tǒng)的基質(zhì)，應(yīng)用于生物柴油的酶促生產(chǎn)中以代替液態(tài)有機(jī)物的添加，與傳統(tǒng)的三步液態(tài)有機(jī)物加入法相比大大降低了液態(tài)有機(jī)物對(duì)于催化劑的傷害，提高了酶的回收利用率。
本發(fā)明的有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)由多孔類固體物質(zhì)和吸附在多孔類固體物質(zhì)中的液態(tài)有機(jī)物構(gòu)成；所說的各類多孔類固體物質(zhì)選自硅膠、硅藻土、活性炭或吸附樹脂等；所說的硅膠最好為除過水的顆粒狀，尤其是指孔徑在2-4nm的微孔硅膠；所說的液態(tài)有機(jī)物選自C1～C3的醇、C2～C6的酯或可對(duì)酶蛋白產(chǎn)生強(qiáng)滅活作用的有機(jī)物，優(yōu)選甲醇，吸附量為多孔類固體物質(zhì)的吸附飽和量的70～100％，達(dá)到100％，即為飽和量；本發(fā)明的有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)制備方法步驟如下將多孔類固體物質(zhì)用液態(tài)有機(jī)物浸泡4-10小時(shí)以達(dá)飽和量的70～100％，濾出，表面晾干后即得到液態(tài)有機(jī)物飽和的多孔類固體物質(zhì)緩釋體系。
所說的表面晾干是指在室溫通風(fēng)櫥中吹干，并非高溫烘焙。
有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)可通過酶催化反應(yīng)用于制備生物柴油，具體包括如下步驟將固定化脂肪酶加入有機(jī)溶劑與植物油的混合物，然后加入所說的有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)，20-60℃反應(yīng)12-72小時(shí)，然后從反應(yīng)體系中，收集生物柴油；有機(jī)溶劑與植物油的混合物中，植物油的質(zhì)量含量為10-20％；固定化脂肪酶的加入量為植物油質(zhì)量的0.1-2倍；
植物油和有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)的質(zhì)量比為1∶1-3；有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)的用量不能太少，太少，將導(dǎo)致生物柴油的產(chǎn)率降低；所說的有機(jī)溶劑選自正庚烷、正己烷、環(huán)己烷中的一種；所說的植物油選自大豆油、菜籽油、花生油、葵花油、玉米油或蓖麻油中的一種；所說的固定化脂肪酶為一種來源于真菌或細(xì)菌的固定化脂肪酶，可采用市售產(chǎn)品，如Novozyme公司生產(chǎn)的牌號(hào)為Novo435(來源于CandidaAntarctica sp.)的固定化脂肪酶，或采用一般的吸附法進(jìn)行固定制備的固定化酶；采用本發(fā)明的方法，制備生物柴油，以原料植物油完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物生物柴油為基準(zhǔn)，生物柴油的產(chǎn)率可達(dá)到94％以上。同時(shí)，分離出的固定化脂肪酶，可重復(fù)使用，因此耗價(jià)低廉，利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。


圖1為傳統(tǒng)三步甲醇加入法和加入不同量的甲醇飽和的硅膠緩釋系統(tǒng)兩種方法在固定化脂肪酶生產(chǎn)生物柴油中的產(chǎn)率-時(shí)間圖。
圖2為生產(chǎn)生物柴油的固定化酶的回收利用次數(shù)-產(chǎn)率圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例中，固定化脂肪酶為市售Novo435固定化脂肪酶。
實(shí)施例1制備乙醇硅膠緩釋系統(tǒng)將除過水的3nm的微孔硅膠(顆粒狀)10克用40毫升無水乙醇浸泡7小時(shí)以達(dá)飽和，濾出，表面晾干后即得到甲醇飽和的硅膠緩釋體系。
實(shí)施例2甲醇硅膠緩釋系統(tǒng)和傳統(tǒng)三步甲醇加入法生產(chǎn)生物柴油的產(chǎn)率對(duì)比將除過水的4nm的微孔硅膠(顆粒狀)10克用40毫升無水甲醇浸泡10小時(shí)以達(dá)飽和，濾出，表面晾干后即得到甲醇飽和的硅膠緩釋體系備用。
將1.5克的大豆油溶于7.5毫升正庚烷中，加入0.5克固定化脂肪酶，甲醇的加入分別采用1)傳統(tǒng)三步甲醇加入法，每隔2小時(shí)，加入70微升無水甲醇；2)分別一次性加入甲醇飽和的硅膠緩釋體系0.3克，1.0克，2.0克。
3反應(yīng)在30℃下180rpm振蕩12小時(shí)，所得體系45℃真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)抽去溶劑和甲醇，蒸余物用甲醇將產(chǎn)物從未反應(yīng)原料中抽提出來，再次真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，則可得粗品的生物柴油。
反應(yīng)間隙取樣檢測產(chǎn)物產(chǎn)率，四組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。
其中1為0.3克甲醇飽和的硅膠緩釋體系；2為1.0g克甲醇飽和的硅膠緩釋體系；3為2.0克為甲醇飽和的硅膠緩釋體系；4為傳統(tǒng)三步甲醇加入法，由圖1可見，當(dāng)使用大于等于1.0克甲醇緩釋系統(tǒng)，生物柴油的產(chǎn)率(94％)，高于傳統(tǒng)三步甲醇加入法。
實(shí)施例3乙酸甲酯硅膠緩釋系統(tǒng)生產(chǎn)生物柴油將除過水的2nm的硅膠(顆粒狀)10克用40毫升無水乙酸甲酯浸泡4小時(shí)以達(dá)飽和，濾出，表面晾干后即得到乙酸甲酯飽和的硅膠緩釋體系。
將1.5克的芝麻油溶于7.5毫升環(huán)己烷中，加入0.5克固定化脂肪酶，一次性加入乙酸甲酯飽和的硅膠緩釋體系2.0克。4反應(yīng)在30℃下180rpm振蕩24小時(shí)，所得體系40-50℃真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)抽去溶劑和乙酸甲酯，蒸余物用甲醇將產(chǎn)物從未反應(yīng)原料中抽提出來，再次真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，則可得粗品的生物柴油。取樣檢測產(chǎn)物產(chǎn)率，可達(dá)90％。
實(shí)施例4正丙醇硅膠緩釋系統(tǒng)和傳統(tǒng)三步正丙醇加入法生產(chǎn)生物柴油的酶回收活力對(duì)比將除過水的2nm的活性炭(顆粒狀)10克用40毫升無水正丙醇浸泡4小時(shí)以達(dá)飽和，濾出，表面晾干后即得到正丙醇飽和的硅膠緩釋體系。
將1.5克的花生油溶于7.5毫升正己烷中，加入0.5克固定化脂肪酶，正丙醇的加入分別采用1)傳統(tǒng)三步加入法，每隔2小時(shí)，加入140微升無水正丙醇；2)一次性加入正丙醇飽和的硅膠緩釋體系2.0克。5反應(yīng)在30℃下180rpm振蕩12小時(shí)，所得體系40℃真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)抽去溶劑和正丙醇，蒸余物用甲醇將產(chǎn)物從未反應(yīng)原料中抽提出來，再次真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，則可得粗品的生物柴油。結(jié)束反應(yīng)后將固定化酶用溶劑洗滌、真空抽干溶劑后再用于下一輪的催化反應(yīng)，每次反應(yīng)結(jié)束后取樣檢測產(chǎn)物產(chǎn)率，結(jié)果如圖2；其中5為傳統(tǒng)三步正丙醇加入法，6為一次性加入正丙醇飽和的硅膠緩釋體系。
經(jīng)比較可看出，傳統(tǒng)三步正丙醇加入法下，回收的固定化酶活性下降極快，第一次回收就只有原產(chǎn)率的30％以下，而本發(fā)明的方法則使回收的固定化酶一直保持高活性，經(jīng)6次回收未見降低。
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)，其特征在于，由多孔類固體物質(zhì)和吸附在多孔類固體物質(zhì)中的液態(tài)有機(jī)物構(gòu)成；所說的各類多孔類固體物質(zhì)選自硅膠、硅藻土、活性炭或吸附樹脂；所說的液態(tài)有機(jī)物選自C1～C3的醇、C2～C6的酯或可對(duì)酶蛋白產(chǎn)生強(qiáng)滅活作用的有機(jī)物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)，其特征在于，液態(tài)有機(jī)物甲醇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)，其特征在于，所說的硅膠為除過水的顆粒狀，孔徑在2-4nm的微孔硅膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)，其特征在于，液態(tài)有機(jī)物吸附量為多孔類固體物質(zhì)的吸附飽和量的70～100％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述的有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)的制備方法，其特征在于，包括如下步驟將多孔類固體物質(zhì)用液態(tài)有機(jī)物浸泡4-10小時(shí)以達(dá)飽和量的70～100％，濾出，表面晾干后即得到液態(tài)有機(jī)物飽和的多孔類固體物質(zhì)緩釋體系。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述的有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于，用于通過酶催化反應(yīng)制備生物柴油。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于，包括如下步驟將固定化脂肪酶加入有機(jī)溶劑與植物油的混合物，然后加入所說的有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)，20-60℃反應(yīng)12-72小時(shí)，然后從反應(yīng)體系中收集生物柴油，植物油和有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)的質(zhì)量比為1∶1-3。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于，有機(jī)溶劑與植物油的混合物中，植物油的質(zhì)量含量為10-20％，固定化脂肪酶的加入量為植物油質(zhì)量的0.1-2倍，所說的有機(jī)溶劑選自正庚烷、正己烷、環(huán)己烷中的一種；植物油選自大豆油、菜籽油、花生油、葵花油、玉米油、蓖麻油中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)的制備及其在酶催化反應(yīng)中的應(yīng)用。本發(fā)明的有機(jī)溶劑緩釋系統(tǒng)由多孔類固體物質(zhì)和吸附在多孔類固體物質(zhì)中的液態(tài)有機(jī)物構(gòu)成；將液態(tài)有機(jī)物飽和的孔類固體物質(zhì)和植物油在固定化脂肪酶和溶劑存在的情況下，30℃反應(yīng)12小時(shí)，產(chǎn)物生物柴油的產(chǎn)率在90％以上，同時(shí)回收后的固定化的脂肪酶保持高的催化活力。
文檔編號(hào)C12P7/64GK1793355SQ20051011103
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者魏東芝, 羅宇, 馬昱澍 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)