專利名稱：一種有機溶劑緩釋系統(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)明涉及一種有機溶劑吸附緩釋體系的制備以及它在酶催化有機相反應(yīng)如生物柴油的生產(chǎn)中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
有機相酶催化反應(yīng)作為一種低能耗、低污染、底物專一性強的有機反應(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溶劑的能力，從而擴大酶的應(yīng)用范圍，提高酶的回收利用效率，這對于拓寬酶在工業(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。為達到這一目標(biāo)，人們從兩方面進行了研究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)定性會得到很大提高；2、在具體生產(chǎn)的工藝上改進改變反應(yīng)物的量、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度，以及加入各種添加劑，對反應(yīng)的產(chǎn)率和酶的穩(wěn)定性進行雙重優(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。隨著人們能源危機和環(huán)境保護意識的增強，生物柴油被認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，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)生物柴油的難點在于，作為反應(yīng)物之一的短鏈醇如甲醇等是對酶具有強滅活作用的有機溶劑，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。在生產(chǎn)工藝的改進方面，有人提出將所需的甲醇分批加入的方法，以減少對酶的損害，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酶的影響，但是加入的甲醇對于反應(yīng)體系來講仍然是過量的，不溶解的甲醇液滴會隨著反應(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。
申請人針對酶促有機反應(yīng)中對酶有害的有機物的加入問題，提出了液態(tài)有機物的新的加入方式，從而最大限度的保護了催化劑的活性。
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)有機物在反應(yīng)溶劑中可緩慢均勻地釋放液態(tài)有機物，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)有機物的添加，與傳統(tǒng)的三步液態(tài)有機物加入法相比大大降低了液態(tài)有機物對于催化劑的傷害，提高了酶的回收利用率。
本發(fā)明的有機溶劑緩釋系統(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)有機物選自C1～C3的醇、C2～C6的酯或可對酶蛋白產(chǎn)生強滅活作用的有機物，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％，達到100％，即為飽和量；本發(fā)明的有機溶劑緩釋系統(tǒng)制備方法步驟如下將多孔類固體物質(zhì)用液態(tài)有機物浸泡4-10小時以達飽和量的70～100％，濾出，表面晾干后即得到液態(tài)有機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溶劑與植物油的混合物，然后加入所說的有機溶劑緩釋系統(tǒng)，20-60℃反應(yīng)12-72小時，然后從反應(yīng)體系中，收集生物柴油；有機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；
植物油和有機溶劑緩釋系統(tǒng)的質(zhì)量比為1∶1-3；有機溶劑緩釋系統(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)的牌號為Novo435(來源于CandidaAntarctica sp.)的固定化脂肪酶，或采用一般的吸附法進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，生物柴油的產(chǎn)率可達到94％以上。同時，分離出的固定化脂肪酶，可重復(fù)使用，因此耗價低廉，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。
具體實施例方式
實施例中，固定化脂肪酶為市售Novo435固定化脂肪酶。
實施例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小時以達飽和，濾出，表面晾干后即得到甲醇飽和的硅膠緩釋體系。
實施例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小時以達飽和，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，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，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，四組實驗結(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小時以達飽和，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，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90％。
實施例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小時以達飽和，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，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，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)有機物選自C1～C3的醇、C2～C6的酯或可對酶蛋白產(chǎn)生強滅活作用的有機物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機溶劑緩釋系統(tǒng)，其特征在于，液態(tài)有機物甲醇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機溶劑緩釋系統(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所述的有機溶劑緩釋系統(tǒng)，其特征在于，液態(tài)有機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任一項所述的有機溶劑緩釋系統(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)有機物浸泡4-10小時以達飽和量的70～100％，濾出，表面晾干后即得到液態(tài)有機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任一項所述的有機溶劑緩釋系統(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溶劑與植物油的混合物，然后加入所說的有機溶劑緩釋系統(tǒng)，20-60℃反應(yīng)12-72小時，然后從反應(yīng)體系中收集生物柴油，植物油和有機溶劑緩釋系統(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)有機物構(gòu)成；將液態(tài)有機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，產(chǎn)物生物柴油的產(chǎn)率在90％以上，同時回收后的固定化的脂肪酶保持高的催化活力。
文檔編號C12P7/64GK1793355SQ20051011103
公開日2006年6月28日 申請日期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 申請人:華東理工大學(xué)