CN105861581A - 一种生物催化合成环氧油酸的方法 - Google Patents

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万晓红
聂开立
张欣
王萌
王芳
谭天伟
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    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/64—Fats; Fatty oils; Ester-type waxes; Higher fatty acids, i.e. having at least seven carbon atoms in an unbroken chain bound to a carboxyl group; Oxidised oils or fats
    • C12P7/6409—Fatty acids

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Abstract

本发明提供了一种合成环氧油酸的新方法。它是以油酸为原料，以Yarrowia Lipolytica脂肪酶(商品名Candida sp.99‑125脂肪酶)为催化剂，催化合成环氧油酸。经过8‑24小时的反应后生成环氧油酸的环氧值可达4.5％‑5.5％(理论环氧值为5.5％)，此时转化率为80％‑95％，经低温结晶分离后，环氧油酸纯度可达95％以上。本方法所用Yarrowia Lipolytica脂肪酶市场售价低，与其他方法相比较，本工艺具有反应条件温和，过程操作方便，产物易于分离，对环境无污染，生产成本低等优点，具有较大的应用前景。

Description

一种生物催化合成环氧油酸的方法
技术领域
本发明涉及生物催化及材料应用领域，是一种利用生物催化的过程来生产环氧油酸的方法。
背景技术
环氧油酸作为油酸的一种衍生物，具有非常广泛的引用前景，环氧油酸中含有的三元氧环基团不仅具有增塑作用，而且还可以使聚氯乙烯链上活泼的氯原子稳定，可以吸收降解的氯化氢，阻止PVC材料的继续分解。另外环氧油酸上的羧基可以与一些短链醇或者金属盐反应，生成环氧油酸酯或者环氧油酸的金属盐，环氧脂肪酸甲酯可直接作为增塑剂添加到塑料中使用，因其中含有的酯基和环氧基团，添加到材料中使用后会表现出相容性好、迁移性小、挥发性性低等特性，他可以替代一些传统的领苯二甲酸酯类增塑剂，从而可以应用到食品、医疗等塑料器械中去。而环氧脂肪酸金属盐则可作为一种稳定剂添加到材料中使用，具有更好的协同作用。除此之外三元氧环还可以作为一个中间体与其他物质进行开环聚合反应，生成聚酯、聚氨酯、环氧树脂等，具有非常广阔的应用空间。
目前，国内外合成环氧油酸主要使用化学法，采用浓硫酸等强酸作为催化剂，以甲酸或者乙酸等无机酸为氧载体，因而易发生一些有毒的副反应，产物不易分离，且对环境会造成一定程度的污染，操作过程也比较繁琐。近年来，脂肪酶催化脂肪酸或脂肪酸甲酯以及植物油进行环氧化反应的报道越来越多，脂肪酶催化环氧化反应条件温和，绿色环保，操作过程便捷，且副产物少，反应选择性强。而在脂肪酶的选择中，诺维信公司生产的435脂肪酶应用的最多，CeciiaOrellana-Coca等人以油酸为底物，以Novozym 435为催化剂，同时加入过氧化氢溶液和短链醇进行酯化和环氧化反应，经过24h反应后可知，当短链醇为正辛醇、正己醇、正丁醇时，反应酯化率较高，均在75％以上，当加入的短链醇为异丙醇时，反应产物的环氧值最高为5.25％。Bashar Mudhaffar Abdullah等以亚油酸为底物，探究脂肪酶Novozym 435在催化多不饱和脂肪酸进行环氧化反应时的选择性，通过对反应工艺的优化以及对反应条件的控制最后得到单环氧亚油酸的转化率为82.14％。刘瑞丽等人以Novozym 435为催化剂催化红花油进行环氧 化反应，在反应7h后可得到环氧值为7.25％的环氧红花油。Novozym 435在催化环氧化反应时确实表现出了很高的效率，但是Novozym 435价格昂贵，造成生产成本较高，因而该方法基本不具有大规模生产的可能性。
本发明采用酶催化的方法合成环氧油酸，通过对反应条件的优化，提高了油酸的转化率，减少了反应过程中副产物的产生，降低了对环境的污染，是一种绿色环保的方法。实验中所使用的脂肪酶为Yarrowia Lipolytica脂肪酶，成本较低，为其以后进行工业化生产提供了参考。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用Yarrowia Lipolytica脂肪酶催化合成环氧油酸的方法。
本发明所提供的是一种环氧油酸合成的方法，将原料油酸加入到反应器中，预热至30℃-45℃。按照油酸质量，加入一定比例的催化剂，过氧化氢溶液采用流加的方式加入。反应共进行8-24小时，反应采用恒温或变温体系，在有溶剂或无溶剂体系中进行，反应结束后得到环氧油酸的转化率可达80％-95％。
反应中所使用的反应器采用搅拌式反应器或固定床式反应器，搅拌式反应器反应过程中搅拌转速为100-400rpm的转速，固定床式反应器反应过程中油酸流速为5-10ml/h。
反应中的催化剂Yarrowia Lipolytica脂肪酶采用游离酶或固定化酶，脂肪酶固定化的方法可为交联、吸附、包埋等，或直接采用市售的Candidasp 99-125脂肪酶制剂。
所述方法中采用无溶剂或有溶剂体系，所使用的溶剂包括正己烷、甲苯、叔丁醇、石油醚、丙酮、乙腈等。
反应过程中反应温度为恒温或变温过程，恒温过程中温度范围为30-45℃；变温过程中温度范围为0-6h为30-35℃，6-8h为35-40℃，8h以后为40-45℃。
反应所使用的过氧化氢溶液质量分数为30％-50％。
反应所使用的过氧化氢用量与油酸中双键摩尔比0.5:1-3:1，按照一次、多次或者连续加入的方式加入反应器中。
本发明的优势在于：采用生物催化的方法合成环氧油酸，反应条件温和，过程易于操作，产物容易分离，对环境无污染，且相比于其他方法，脂肪酶成本较 低，有利于该工艺的工业放大实施。
具体实施方式
下述实施实例中的方法，如无特殊说明，均为常规方法。下面的实施可以使本专业的技术人员更理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
实例1：采用100ml三口烧瓶作为反应器，加入40g碘值为92mgI2/100g样品的工业油酸，预热至30℃，保持温度30℃一段时间后，将活力为18000U/g的固定化脂肪酶12g加入三口烧瓶中，过氧化氢溶液分10次加入，每1小时加入1.43ml，反应过程中维持水浴温度30℃，搅拌转速300rpm，反应10个小时后停止搅拌，结束反应，离心除去脂肪酶，水洗除去未反应的过氧化氢，此时测得环氧油酸的环氧值为4.41％，转化率为80.1％。
实例2：采用100ml三口烧瓶为反应器，加入30g碘值为79mgI2/100g样品的工业油酸，预热至30℃，保持温度30℃一段时间后，将活力为18000U/g的固定化脂肪酶12g加入三口烧瓶中，过氧化氢溶液分16次加入，每30min加入0.57ml，反应过程中维持水浴温度30℃，搅拌转速300rpm，反应8个小时后停止搅拌，结束反应，离心除去脂肪酶，水洗除去未反应的过氧化氢，此时测得环氧油酸的环氧值为3.84％，转化率为81.35％。
实例3：反应在500ml三口烧瓶中进行，加入200g碘值为92mgI2/100g样品的工业油酸，预热至30℃，保持温度30℃一段时间后，将活力为18000U/g的固定化脂肪酶80g加入三口烧瓶中，过氧化氢溶液采用注射泵连续添加，反应过程中0-6h维持水浴温度30℃，6-8h维持水浴温度35℃，8-12h维持水浴温度40℃，搅拌转速350rpm，反应12个小时后停止搅拌，结束反应，离心除去脂肪酶，水洗除去未反应的过氧化氢，此时测得环氧油酸的环氧值为5.11％，转化率为93.2％。
实例4：采用500ml三口烧瓶为反应器，加入100g碘值为82mgI2/100g样品的工业油酸，预热至35℃，保持温度35℃一段时间后，将活力为23400U/g的脂肪酶粉20g加入三口烧瓶中，过氧化氢溶液分12次加入，每1小时加入2.65ml，反应过程中维持水浴温度35℃，搅拌转速300rpm，反应12个小时后停止搅拌，结束反应，离心除去脂肪酶，水洗除去未反应的过氧化氢，此时测得环氧油酸的环氧值为4.16％，转化率为84.9％。
实例5：采用100ml三口烧瓶为反应器，加入20g碘值为92mgI2/100g样品 的工业油酸，预热至40℃，保持温度40℃一段时间后，将活力为23400U/g的脂肪酶粉4g加入三口烧瓶中，过氧化氢溶液分16次加入，每1小时加入0.59ml，反应过程中维持水浴温度40℃，搅拌转速300rpm，反应16个小时后停止搅拌，结束反应，离心除去脂肪酶，水洗除去未反应的过氧化氢，此时测得环氧油酸的环氧值为4.45％，转化率为80.9％。
实例6：采用100ml三口烧瓶为反应器，加入40g碘值为88mgI2/100g样品的工业油酸，预热至40℃，保持温度40℃一段时间后，将活力为18000U/g的固定化脂肪酶16g加入三口烧瓶中，过氧化氢溶液分8次加入，每1小时加入1.68ml，反应过程中维持水浴温度40℃，搅拌转速350rpm，反应8个小时后停止搅拌，结束反应，离心除去脂肪酶，水洗除去未反应的过氧化氢，此时测得环氧油酸的环氧值为4.59％，转化率为87.4％。
实例7：实验室反应中采用三口烧瓶为反应器，加入40g碘值为92mgI2/100g样品的工业油酸，预热至30℃，保持温度30℃一段时间后，将活力为18000U/g的固定化脂肪酶12g加入三口烧瓶中，过氧化氢溶液分12次加入，每1小时加入1.19ml，反应过程中维持水浴温度30℃，搅拌转速300rpm，反应12个小时后停止搅拌，结束反应，离心除去脂肪酶，水洗除去未反应的过氧化氢，此时测得环氧油酸的环氧值为4.96％，转化率为90.2％。

Claims (11)

1.一种利用Yarrowia Lipolytica脂肪酶催化合成环氧油酸的方法，主要过程如下：
将原料油酸加入到反应器中，预热至30℃-45℃。按照油酸质量，加入一定比例的催化剂，过氧化氢溶液采用流加的方式加入。反应共进行8-24小时，采用恒温或变温体系，在有溶剂或无溶剂体系中进行，反应结束后得到环氧油酸的环氧值可达4.5％-5.5％，此时转化率为80％-95％。
2.根据权利要求1所述工艺，其特征在于反应器采用搅拌式反应器或固定床式反应器，搅拌式反应器反应过程中搅拌转速为100-400rpm的转速，固定床式反应器反应过程中油酸流速为5-10ml/h。
3.根据权利要求1所述工艺，其特征在于Yarrowia Lipolytica脂肪酶采用游离酶或固定化酶，脂肪酶固定化的方法可为交联、吸附、包埋等，或直接采用市售的Candidasp 99-125脂肪酶制剂。
4.根据权利要求1所述工艺，其特征在于脂肪酶酶用量为油酸重量的5％-20％。
5.根据权利要求1所述工艺，其特征在于反应体系可有溶剂或无溶剂，所使用的溶剂包括正己烷、甲苯、叔丁醇、石油醚、丙酮、乙腈等。
6.根据权利要求1所述工艺，其特征在于反应过程为恒温过程或变温过程。
7.根据权利要求1所述工艺，其特征在于若反应过程为恒温过程，恒温过程中温度范围为30-45℃。
8.根据权利要求1所述工艺，其特征在于若反应过程为变温过程，变温过程中温度范围为在0-6h为30-35℃，6-8h为35-40℃，8h以后为40-45℃。
9.根据权利要求1所述工艺，其特征在于反应所使用的过氧化氢溶液的质量分数为30％-50％。
10.根据权利要求1所述工艺，其特征在于反应中过氧化氢用量与油酸中双键摩尔比0.5:1-3:1，按照一次、多次或连续加入的方式加入反应器中。
11.根据权利要求1所述工艺，其特征在于反应时间为8-24h。
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Non-Patent Citations (1)

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