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关于叔戊醇体系酶促大豆油制备生物柴油(一)

2016-02-22 10:46:51点击:
  酶的活性很低,反应速度慢,产物产率低[10]。
  因而寻找一种新型反应介质是十分必要的。最近,叔丁醇作为酶促生物柴油的反应介质引起了广泛的关注[13-14],这主要是因为:①叔丁醇具有 3 个甲基,支链程度高,因而酶在这种有机溶剂中可以保持催化活性;②叔丁醇可以同时溶解甲醇和甘油,使整个反应体系处于均相,从而可以减少甲醇及甘油对酶活性的负面影响。与叔丁醇相比,叔戊醇不但具有以上相同的特点,而且叔戊醇的极性。小于叔丁醇。因而从疏水酶学的角度分析,叔戊醇可以更大程度地保持或提高酶的活性,然而到目前为止,以叔戊醇作为反应介质制备生物柴油的研究报道较少。  本文作者提出以叔戊醇为反应介质,以大豆油为反应底物,探讨脂肪酶催化制备生物柴油,并以转化率为指标,说明了叔戊醇作为反应介质的独特优势;同时优化了过程参数,从而使该新工艺酶法制备生物柴油经济可行。1 实验部分1.1 主要试剂及仪器南极假丝酵母脂肪酶。丹麦。公司);大豆油,市售;其它试剂均为分析纯,国产市售。HZQ-F160A 高低温恒温振荡培养箱(上海-恒科学仪器有限公司);岛津-2010 气相色谱仪,日本岛津仪器有限公司;台式离心机,上海安亭科学仪器厂。
  1.2 实验方法1.2.1 酶促酯交换反应将大豆油、甲醇及有机溶剂以一定比例混合,置入 25 mL 具塞锥形三角瓶中,均匀混合后加入适量的脂肪酶,置于恒温摇床,一定温度下密闭振荡反应。定时取出一定量反应液,离心后取上清液用于色谱分析。1.2.2 酶的稳定性每批次反应结束后,过滤分离脂肪酶和反应液,脂肪酶经叔戊醇冲洗后加入到新鲜反应底物中进行下一批次的酶催化反应,反应条件与第一批次相同。
  1.2.3 分析与检测油脂完全甲酯化方法依据。大豆油平均分子量(M)的测定由皂化值(SV)和酸值(AV)计算得到,测定依据为。反应混合物中的脂肪酸甲酯含量采用气相色谱测定。毛细管柱。检测器。
  将取出的 100 μL 反应液离心分层,取上清液 5 μL,用 295 μL 叔戊醇溶液。取 1 μL样品进样。以氮气作载气,进样温度和检测器温度分别为 260 ℃和 280 ℃。
  升温程序为:柱初温160 ℃,维持 0.5 min,后以 25 ℃/min 的升温速率升至 240 ℃,再保持 20 min。生物柴油产率=测得的脂肪酸甲酯含量/理论上油脂甲酯化应得脂肪酸甲酯含量100%2 结果与讨论2.1 不同反应介质对转酯反应的影响研究表明,不同有机溶剂的极性可以改变酶的催化活性。为了研究溶剂极性对脂肪酶。的影响,实验选择了丙酮、叔丁醇、叔戊醇和正己烷 4 种溶剂进行考察。
  以 lg P(P 值是溶剂在正辛醇和水中的分配系数比,lg P 越大,溶剂的疏水性越强)来表示有机溶剂的极性。反应条件:醇油摩尔比为 3,反应介质与大豆油体积比为 1,2%脂肪酶(质量分数);摇床转速为 180 r/min,反应温度 40 ℃反应 5 h。
  结果如表 1 所示。表 1 不同反应介质中催化转酯反应的影响反应介质 lg P 产率/%丙酮。叔丁醇。叔戊醇 1.5 78±1.7正己烷 3.5 81±2.1由表 1 可知,随着 lg P 值的增加,产率提高。这可能是由于随着 lg P 的增大,溶剂疏水性增强,降低了其对酶分子必须水的争夺,从而减少了溶剂对酶失活的影响。从表 1 分析可知酶促大豆油制备生物柴油在叔戊醇、正己烷中进行反应的产率相对较高,都比较适合作为此反应的介质。
  然而酶催化不能工业化的主要原因在于脂肪酶的价格比较昂贵,在连续生产中不能及时回收再利用。因此选择反应介质不仅要考察酶的催化活性,同时也要考察酶在批式反应中的稳定性,从而综合考虑,确定最优反应介质。因此本实验比较了酶在叔戊醇和正己烷中进行批式反应活性和稳定性。
  232化 工 进 展 2009 年第 28 卷2.2 酶的稳定性实验考察了Novozym 435脂肪酶在叔戊醇与正己烷中催化大豆油转化生物柴油的批式反应的稳定性。反应条件:醇油摩尔比为 3,反应介质与大豆油体积比为 1,2%脂肪酶(质量分数,下同);摇床转速为 180 r/min,反应温度 40 ℃,每批次反应进行 15 h。从图 1 中可见,脂肪酶在叔戊醇中显示出了良好的活性和稳定性。
  在反应条件下进行 160批次后,产率保持在 95%以上。分析发现转酯反应生成的副产物甘油并没有吸附在酶的表面,而是几乎全部溶解于反应介质中。叔戊醇对甘油良好的溶解性可能是酶在这种溶剂反应的过程中保持活性及稳定性的原因。
  另外,也可能是由于叔戊醇的空间位阻大,对酶活的负面影响不明显。而反应在正己烷中进行,酶的稳定性急剧降低,反应进行 20 批次后产率低于 10%。这是因为随着反应的进行,副产物甘油不能及时溶解在正己烷中因而吸附在酶的表面,降低了酶的活性。
  因此综合考虑,选择叔戊醇为最佳反应介质。反应批次率产%/正己烷叔戊醇图 1 酶在不同介质中的催化转酯反应的稳定性2.3 叔戊醇添加量对转酯反应的影响叔戊醇本身对脂肪酶的活性没有影响,又能促进甲醇和副产物甘油在反应体系的溶解,使整个反应体系均相化。作为反应介质,叔戊醇用量对转酯反应也有明显的影响。
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