【酶催化】連續(xù)化合成及催化劑的連續(xù)分離與回收

研究背景

乙酸異戊酯是一種重要的工業(yè)原料，因其具有強烈的香蕉味，又名“香蕉油”。可用做香料，廣泛用于食品、醫(yī)藥及化妝品等。還可以作為溶劑用于噴漆、硝酸纖維及氯丁橡膠等的工業(yè)生產(chǎn)，是一種有著廣泛用途的化工產(chǎn)品。

乙酸異戊酯的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式是濃硫酸催化的乙酸和異戊醇的酯化反應，該工藝有不少缺點，高能耗、高污染、收率低等。

隨著科技的進步，生物催化作為一種環(huán)境友好的催化體系正在逐漸替代傳統(tǒng)的金屬及有機催化劑的使用。天然來源與化學合成相比，酶催化合成乙酸異戊酯有著巨大的優(yōu)勢。

利用脂肪酶的兩親性質(zhì)所*的界面催化作用，可以實現(xiàn)在液液非均相體系中進行的乙酸異戊酯的合成。其帶來的好處是能夠增加底物和產(chǎn)物的濃度及酯化反應平衡的轉變，同時增加所需產(chǎn)物的選擇性。

實驗內(nèi)容

微通道反應器作為一種新的研發(fā)及生產(chǎn)方式正在逐步被業(yè)內(nèi)接受。其能夠增加傳質(zhì)傳熱效率以及良好的過程控制，已經(jīng)在化學合成領域成功實現(xiàn)從實驗室到生產(chǎn)的工業(yè)化放大。由康寧開發(fā)的連續(xù)流反應器有著一系列心形結構組成，能夠為多相體系提供和維持精細分散體，在酶催化的兩相及多相反應中有著重要的作用。

康寧歐洲技術中心科學家Daniela Lavric 博士和斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學課題組成功示范了“微反應+酶催化+膜分離”集成的體系，可用于乙酸異戊酯的連續(xù)酶催化合成和分離。

1. 低通量下流體在模塊中的流體流動

研究人員首先驗證了念珠菌脂肪酶B（以下簡稱CaLB）的存在，對兩相物料混合效果的影響（圖1）。正庚烷和含有酶的水相具有較低的界面張力，這取決于CaLB的兩親性質(zhì)。

圖1.康寧LF模塊中有無CaLB存在下兩相物料混合效果對比（a. 體系中無CaLB存在下物料混合情況，氣泡較大不均一 b. 在CaLB存在下兩相物料混合后能夠產(chǎn)生更小和更多的均勻液滴）

圖2. PTFE管出口處液滴與康寧低流量反應器（LFR）模塊中的液滴比較無明顯區(qū)別，證明了物料在康寧LF模塊中保持穩(wěn)定的出色的混合效果。

2. 應用康寧一體化低流量反應器（LFR）進行的酶催化的酯化反應
 

研究人員用乙酸酐和異戊醇在酶催化下，對不同溫度下的停留時間對反應收率的影響進行了考察。異戊醇和乙酸酐的酯化反應是分兩步進行的，第yi步反應快速且放熱，產(chǎn)生乙酸異戊酯和乙酸，產(chǎn)生的乙酸可以和剩余的異戊醇繼續(xù)反應，生成乙酸異戊酯和水。第二步反應慢得多，因此，圖3 a）中乙酸異戊酯產(chǎn)量的快速增加是由于第yi步的反應。 同時增加體系的總流量可以增大生產(chǎn)能力。在60℃下在8.6分鐘條件下，獲得59%的zui高產(chǎn)率。
 

圖3. a）乙酸異戊酯的收率 b）體積生產(chǎn)率，在不同溫度和條件下得到的，兩相體積比為1:1。
 

同時應該注意的是，酶作為一種生物催化劑在高溫時可能會破壞酶三級結構，導致催化劑失活。

研究人員同時應用了其他兩種微反應器進行實驗發(fā)現(xiàn)，在相同溫度下保證形成乳液的混合速度下的底物及酶濃度比康寧低24和15倍，應用康寧微反應器能夠獲得更高的體積生產(chǎn)率及生物催化效率（圖3b）。

康寧低流量（LFR）反應體系同時集成了膜分離系統(tǒng)，這有助于進行酶回收再利用。通過對回收的酶進行再利用，可實現(xiàn)生產(chǎn)成本的降低。利用疏水性的PTFE膜可以將反應物料分為水相（含有酶）和有機相（含有產(chǎn)物），通過如下圖的裝置所示，可以將分離出來的酶在下一個循環(huán)中再利用。

圖4.集成了膜分離系統(tǒng)的康寧LFR一體化解決方案

研究人員同時對回收酶的可再利用次數(shù)進行了研究。從下圖可以看出，zui初的4次連續(xù)運行中酯化收率保持在zui初收率的90%以上，在第五次循環(huán)后酯化收率降至初產(chǎn)量的77%。

圖5.酶循環(huán)次數(shù)對酯化收率的影響

循環(huán)利用的水相中含有酶和反應生成的乙酸，在第yi次循環(huán)后pH值從zui初的8降至4，并在第五次循環(huán)結束時降至3.8。

圖6.不同pH值下酶催化的酯化收率

在額外進行的實驗中單獨考察了各種pH值的緩沖液對CaLB催化活性的影響，實驗結果顯示當將緩沖液的pH從8改為6時酶催化活性降低了13%，這可能是隨著循環(huán)次數(shù)的增加酯化收率下降的原因。

實驗小結

本研究結果證實了康寧AFR在非均相系統(tǒng)中進行的生物轉化能夠獲得較高的效率，與實驗室規(guī)模的混合反應器及其他微反應器相比，康寧LFR系統(tǒng)的產(chǎn)率是迄今為止報告的zui高值。

康寧一體化設備集成的膜分離系統(tǒng)，能夠進行酶的回收再利用。實驗顯示了在4次酶的循環(huán)再利用時酶催化效率不會有明顯的損失。

由于水相和酶的回收再利用，該解決方案具有較高的環(huán)保可行性及成本經(jīng)濟性。

該研究為擴大規(guī)模及建立更大規(guī)模的連續(xù)流反應提高了可能性。研究人員還在對工藝參數(shù)進行進一步的優(yōu)化。

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