CN107115889A - 一种反应精馏用酶催化填料及其涂布方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种反应精馏用酶催化填料及其涂布方法和应用。所述的酶催化填料由以下方法制得，包括以下步骤：将填料浸没在含有生物酶的溶胶中20～30秒，取出后干燥10～20秒；然后再次浸没入溶胶中20～30秒，再次取出后干燥10～20秒；重复浸没‑干燥步骤8～15次；最后将填料干燥至重量不变，即得到附着有生物酶涂层的酶催化填料；所述的溶胶的组成为组分A和组分B；所述的A组分包括含氧硅烷混合物和溶剂；所述的B组分包括催化剂、交联剂、酶溶液和去离子水。本发明实现了生物酶固定化技术与反应精馏技术的集成，具有新颖性与经济性。

Description

一种反应精馏用酶催化填料及其涂布方法和应用
技术领域
本发明涉及一种生物酶涂层的制备及其涂布于填料表面的方法，具体为用于反应精馏的填料表面均匀涂布用溶胶-凝胶法固定的南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)涂层，属于固定化酶技术与反应精馏相结合领域。
背景技术
酶作为生物催化剂，具有催化能力强、效率高，反应条件温和、对环境无污染等优点，具有常规的化学催化剂所无法比拟的优势。南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)是一种脂肪酶，它对非水溶性和水溶性物质都有很强的催化活性，其在酯化、水解、转酯等反应中显示了较其它脂肪酶更为出色的催化性能。
酶的固定化是通过化学或物理的处理方法，使原来水溶性的酶与固态非水溶性支持物相结合或被载体包埋。固定化方法主要有四大类：共价结合法、离子交换法、吸附法(超滤膜吸附法)、包埋法。其中溶胶-凝胶材料具有优良的光学性能、热性能、化学惰性、生物相容性以及制备条件温和等优点。
反应精馏(Reaction Distillation简称RD)，即将反应与精馏两个原本独立的化工操作单元，相结合到同一个装置的化工过程。在反应精馏过程中，反应与分离相互影响。分离过程可以将生成物及时从反应区域移除，大大提高了转化率和选择性，强化了反应过程；而反应过程同时又强化了分离过程。因此反应精馏技术具有选择性强、投资少、能耗低等优点，因而广泛应用于工业生产。
将生物酶催化与反应精馏过程的结合，避免了传统催化剂在生产和使用过程中的环境污染问题，是对反应精馏技术的重大技术革新。若反应精馏中使用游离酶，有如下几个限制因素：1，游离酶的活性和稳定性易受温度pH等条件的严重影响；2，游离酶无法进行回收利用，造成了浪费与经济损失。3，游离酶与生成物的混合不利于后续步骤的分离。
发明内容
本发明的主要目的是针对当前技术中存在的不足，提供一种最优的生物酶涂层的制备方法和一种反应精馏用填料表面涂布方法，是酶固定化技术与反应精馏的结合。采用溶胶-凝胶方法固定的酶均匀涂布在填料表面后，此填料可填充到反应精馏塔中使用，这样具有生物酶涂层的填料就可以起到催化与分离的双重效果。此方案是首次将生物酶作为催化剂引入到反应精馏过程的有效途径。本发明操作简便，条件温和，工业应用价值高。
本发明的技术方案如下：
一种反应精馏用酶催化填料，所述的酶催化填料由以下方法制得，包括以下步骤：
将填料浸没在含有生物酶的溶胶中20～30秒，取出后干燥10～20秒；然后再次浸没入溶胶中20～30秒，再次取出后干燥10～20秒；重复浸没-干燥步骤8～15次；最后将填料干燥至重量不变，即得到附着有生物酶涂层的酶催化填料；
所述的溶胶的组成为组分A和组分B；所述的A组分包括含氧硅烷混合物和溶剂；所述的B组分包括催化剂、交联剂、蛋白溶液和去离子水；
所述的含氧硅烷混合物为质量分数为6～9％的四甲氧基硅烷(TMOS)和质量分数27～30％的甲基三氧甲基硅烷(MTMS)；
所述的溶剂为甲醇，质量分数为31～35％；
所述的催化剂为氟化钠，质量分数为4～5％；
所述的交联剂为聚乙二醇，质量分数为1～2％；
所述的去离子水质量分数为10～13％；
所述的酶溶液为南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)溶液，质量分数为6～21％；南极假丝酵母脂肪酶B溶液的蛋白含量为10.9mg/ml；
所用化学试剂皆为分析纯，所说各物质的质量分数均指其占溶胶总质量的的百分数。
所述的含有生物酶的溶胶的制备方法，该方法包括以下步骤：
按照上述比例，将组分A中的物质放入容器中，然后冰水浴搅拌3～5分钟；另将组分B中的催化剂、去离子水、CALB溶液和交联剂加入到反应器中，搅拌后后倒入组分A；混合后在400～500r/min的速率下进行搅拌，反应3～5分钟即可得到含有生物酶的溶胶。
所述的反应精馏用酶催化填料的应用，可应用于酯交换催化精馏反应。
所述的酯交换催化精馏反应优选为应用于乙酸乙酯和正丁醇的酯交换反应精馏。
本发明的有益效果为：
本发明介绍了一种生物酶涂层的制备和涂布方法，利用溶胶-凝胶原理，将生物酶溶胶均匀涂布在填料表面，进而实现生物酶固定化技术与反应精馏技术的结合，具有新颖性与经济性。
此发明相对于传统的反应精馏，优点有：1，生物酶和填料相结合的反应精馏塔，省去了催化剂筐，降低了填料塔塔压降。2，与塔釜添加催化剂的传统操作方法相比，生物酶和填料的结合可以起到催化剂的重复使用与回收的作用。3，将生物酶固定到填料上，酶不易失活，稳定性好，催化效率高。本发明操作简便，条件温和，有明显的经济型和新颖性。目前尚未有相关文献与专利报道。
使用过程中，将此涂层填料装填在内径50mm，塔高960mm的精馏塔内，反应物为乙酸乙酯和丁醇，每次反应9小时，第一次反应后涂层质量损失约为20％，重复此过程三次，这三次实验涂层几乎再无质量损失(第一次质量损失是由于实验中涂层表面的松散物质被冲刷掉)。且实验结果显示，正丁醇转化率可达到99％以上，说明填料涂层的稳定性和活性很高。
附图说明
图1为实施例1中固定生物酶的凝胶表面扫描电镜图
图2为实施例1中涂布生物酶凝胶的填料表面扫描电镜图
具体实施方式
本发明中所述的南极假丝酵母脂肪酶B为市售公知材料。
实施例1：
A溶液的配制：分别取四甲氧基硅烷(TMOS)0.35g、甲基三氧甲基硅烷1.4g、甲醇1.6g混合，于冰水浴内搅拌3分钟。
B溶液的配制：分别取0.225g氟化钠、聚乙二醇(400)0.075g、CALB酶溶液0.8g(蛋白含量为10.9mg/ml)，、去离子水0.55g进行混合，室温下搅拌4分钟。
将B溶液引流至A溶液中，在冰水浴内搅拌3分钟后移至室温。
将此溶胶分等分为两份，一份用磷酸缓冲液(PH＝7.5)冲洗三次后干燥得到凝胶，如附图1所示。另一份将CY-500型填料浸入到溶胶内20s后取出，室温下放置20s后再次浸入溶胶内，重复此步骤12次，直至溶胶溶液固化成凝胶。常温下将涂布凝胶的填料干燥48小时直至重量不变，然后在低温条件下储存，其扫描电镜图如附图2所示，填料涂层的比表面积为93m2/g，孔隙容积为0.2cm3/g。
经过对比图1和图2可发现，固定在填料表面的凝胶与直接干燥凝胶相比，表面更加平整，比表面积更大，因而更有利于催化反应的进行。
测试上述制得的填料表面涂层中所含CALB酶的活力：用乙酸乙酯和丁醇的酯交换反应测量酶活性。乙酸乙酯和丁醇摩尔比为1:1，反应温度为60℃，转速为400r/min。反应后所测样品在和乙腈混合后在离心机离心1.5min。然后用气相色谱进行分析。定义每分钟催化消耗1μmol丁醇所需的酶量为一个活力单位(U)。测定值为110U/mg。结果显示填料表面涂层所含酶的活性高。
实施例2：
A溶液的配制：分别取四甲氧基硅烷(TMOS)0.4g、甲基三氧甲基硅烷1.45g、甲醇1.7g混合，于冰水浴内搅拌3分钟。
B溶液的配制：分别取0.25g氟化钠、聚乙二醇(400)0.075g、CALB酶溶液0.525g(蛋白含量为10.9mg/ml)、去离子水0.6g进行混合，室温下搅拌4分钟。
将B溶液引流至A溶液中，在冰水浴内搅拌3分钟后移至室温。
将CY-500型填料浸入到溶胶内20s后取出，室温下放置20s后再次浸入溶胶内。重复此步骤13次。常温下将此填料干燥48小时直至重量不变，然后在低温条件下储存。
测试上述制得的填料表面涂层中所含CALB酶的活力：用乙酸乙酯和丁醇的酯交换反应测量酶活性。乙酸乙酯和丁醇摩尔比为1:1，反应温度为60℃，转速为400r/min。反应后所测样品和乙腈混合后在离心机离心1.5min。然后用气相色谱进行分析。定义每分钟催化消耗1μmol丁醇所需的酶量为一个活力单位(U)。测定值为125U/mg。结果显示填料表面涂层所含酶的活性高。
将此填料分别存放于2℃、20℃、60℃条件下存放，50天后测其酶活性。酶活性分别为：121U/mg、116U/mg、70U/mg。此实验表明含填料表面涂层稳定性很好。
实施例3：
A溶液的配制：分别取四甲氧基硅烷(TMOS)0.9g、甲基三氧甲基硅烷2.7g、甲醇3.1g混合，于冰水浴内搅拌3分钟。
B溶液的配制：分别取0.4g氟化钠、聚乙二醇(400)0.2g、CALB酶溶液1.4g(蛋白含量为10.9mg/ml)、去离子水1.3g进行混合，室温下搅拌4分钟。
将B溶液引流至A溶液中，在冰水浴内搅拌3分钟后移至室温。
将CY-500型填料浸入到溶胶内20s后取出，室温下放置20s后再次浸入溶胶内。重复此步骤10次。常温下将此填料干燥48小时直至重量不变，然后在低温条件下储存。
测试上述制得的填料表面涂层中所含CALB酶的活力：用乙酸乙酯和丁醇的酯交换反应测量酶活性。乙酸乙酯和丁醇摩尔比为1:1，反应温度为60℃，转速为400r/min。反应后所测样品和乙腈混合后在离心机离心1.5min。然后用气相色谱进行分析。定义每分钟催化消耗1μmol丁醇所需的酶量为一个活力单位(U)。测定值为120U/mg。结果显示填料表面涂层所含酶的活性高。
将此实施例3的填料共12块填充到塔内径50mm，塔高960mm的玻璃精馏塔内进行反应精馏，反应物为乙酸乙酯和丁醇，摩尔比为7:3，塔内压力10kPa，塔釜温度65℃。12块填料共负载凝胶38.6g，反应6.5小时后达到平衡，经分析丁醇转化率可达到99％以上，负载凝胶质量损失约为20％。重复此实验三次，每次反应9小时(在不更换填料的情况下，重复三次实验，每次9小时,每次结束后对涂层质量和塔釜含氮量进行分析)，后三次负载的凝胶几乎再无质量损失。对塔釜进行含氮量分析可知，所负载的凝胶平均酶损失量为3％。
上述以乙酸乙酯和正丁醇为例的酯交换反应精馏，可使丁醇的转化率达到99％以上，体现了此催化填料的高效性。使用此催化填料进行三次重复实验，丁醇转化率稳定在99％以上，且凝胶质量和酶质量稳定不易损失，说明此催化填料稳定性很好，具有工业推广的价值。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (4)

1.一种反应精馏用酶催化填料，其特征为所述的酶催化填料由以下方法制得，包括以下步骤：
将填料浸没在含有生物酶的溶胶中20～30秒，取出后干燥10～20秒；然后再次浸没入溶胶中20～30秒，再次取出后干燥10～20秒；重复浸没-干燥步骤8～15次；最后将填料干燥至重量不变，即得到附着有生物酶涂层的酶催化填料；
所述的溶胶的组成为组分A和组分B；所述的A组分包括含氧硅烷混合物和溶剂；所述的B组分包括催化剂、交联剂、酶溶液和去离子水；
所述的含氧硅烷混合物为质量分数为6～9％的四甲氧基硅烷(TMOS)和质量分数27～30％的甲基三氧甲基硅烷(MTMS)；
所述的溶剂为甲醇，质量分数为31～35％；
所述的催化剂为氟化钠，质量分数为4～5％；
所述的交联剂为聚乙二醇，质量分数为1～2％；
所述的去离子水质量分数为10～13％；
所述的酶溶液为南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)溶液，质量分数为6～21％；南极假丝酵母脂肪酶B溶液的蛋白含量为10.9mg/ml；
所述的各物质的质量分数均指其占溶胶总质量的百分数。
2.如权利要求1所述的含有生物酶的溶胶的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：
按照上述比例，将组分A中的物质放入容器中，然后冰水浴搅拌3～5分钟；另将组分B中的催化剂、去离子水、CALB溶液和交联剂加入到反应器中，搅拌后倒入组分A；在400～500r/min的速率下进行搅拌，反应3～5分钟，即得到含有生物酶的溶胶。
3.如权利要求1所述的反应精馏用酶催化填料的应用，其特征为可应用于酯交换催化精馏反应。
4.如权利要求3所述的反应精馏用酶催化填料的应用，其特征为所述的酯交换催化精馏反应优选为乙酸乙酯和正丁醇的酯交换反应精馏。
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