CN1240845C

CN1240845C - 一种高转化率的生物催化合成己酸乙酯的工艺方法

Info

Publication number: CN1240845C
Application number: CN 03116567
Authority: CN
Inventors: 童海宝; 肖禄生; 蔡扬; 陈慧芳; 徐大刚
Original assignee: Shanghai Research Institute of Chemical Industry SRICI
Current assignee: Shanghai Research Institute of Chemical Industry SRICI
Priority date: 2003-04-23
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2023-04-23
Also published as: CN1539980A

Abstract

本发明涉及一种高转化率的生物催化合成己酸乙酯的工艺方法，该方法采用己酸和乙醇为原料，在生物催化剂脂肪酶的作用下发生酯化反应，得到己酸乙酯产品；在反应过程中，反应产生的水分不断地通过选择性水透过膜被吸水性盐或水合盐吸收，使反应持续地朝酯化合成方向进行，直至反应物接近完全转化。与现有技术相比，本发明既可以吸收反应的生成水，又可以使反应体系保持微水环境，技术上保证了高效地合成己酸乙酯，反应体系的酯转化率最终可高达99.7%。

Description

一种高转化率的生物催化合成己酸乙酯的工艺方法

技术领域

本发明涉及用生物催化剂脂肪酶高效地催化己酸和乙醇合成己酸乙酯的新工艺。

背景技术

己酸乙酯是具有强烈酒香风味的酯类化合物，广泛应用于食品工业，特别是制酒业。己酸乙酯是浓香型曲酒的主体香味成分，其含量的高低直接影响酒的品质。

长期以来，己酸乙酯基本上都是采用化学法合成，如用硫酸或对甲苯磺酸作催化剂，由己酸和乙醇在加热条件下直接酯化得到。该方法的优点是催化剂活性高，价廉易得。但硫酸除了催化酯合反应外，还会引起其它一系列难以控制的副反应，使后处理麻烦，产品品质不高。而且，以酸为催化剂还会腐蚀设备，增加生产成本，生产中产生的三废也不容忽视。

除了酸外，也有以钛酸四异丙酯硫酸锆、水合硫酸铁、硫酸高沛、钨磷杂多酸、或固体超强酸等为催化剂催化合成己酸乙酯的替代方法，但这些方法由于催化剂的成本、活性以及能耗等诸方面原因而难于取代酸催化法。

化学合成的己酸乙酯直接成本较低，在价格上具有优势，但产品的品质及其生产过程对环境造成的危害是一直难以解决的问题，特别是在强调生活质量和环境保护的今天。

酶法合成己酸乙酯则被认为很有希望取代化学合成法，酶法合成己酸乙酯的优点在于反应条件温和，能耗低，对环境的危害小，酶的反应速率和转化率均比较高，特别重要的是酶法合成的己酸乙酯产品纯度高，品质好，是美国联邦法规承认的天然产品。而且，在白酒勾兑试验中也表明，酶法合成的己酸乙酯具有协调持久的自然香，而化学法合成的己酸乙酯产生的是浮香效果，无法满足自然香的要求。

近几年，已有一些酶法合成己酸乙酯的专利和报道，如有报道以正庚烷为溶剂，用米根霉脂肪酶，圆柱形假丝酵母脂肪酶或猪胰脂肪酶催化己酸和乙醇酯合转化率为在85-95％之间，生成的己酸乙酯浓度为34.6g/l。又如有报道用解脂假丝酵母脂肪酶也得到相类似的结果，己酸乙酯的转化率为85％。另外，在超临界二氧化碳中，用固定在硅胶载体上的圆柱形假丝酵母脂肪酶催化合成的己酸乙酯转化率也可达到为80％左右。

其它还有一些类似的生物合成己酸乙酯方法，这些方法共同的缺点都是由于不能有效除去反应不断生成的水分，因而酯转化率不高，而且导致后提取困难。

脂肪酶在有机相中的催化性能同反应体系的水分含量有很大关系。首先，脂肪酶需要微量的水分才能表现出催化活力，但过量的水分会破坏酶分子的刚性结构，使脂肪酶很快失活；而且，脂肪酶催化酯合成反应所用的有机溶剂一般是非极性的溶剂，如正己烷，正庚烷等，这些溶剂对水的溶解能力很低，酯合成反应产生的水分很快会使有机溶剂饱和而形成游离水，这些游离水不仅会破坏脂肪酶的稳定性，还会附着在脂肪酶上，使之聚集成团，增加传质阻力，降低反应速率。另外，酯化反应为可逆反应，反应随着酯和水的生成逐渐停留在平衡点上，反应积累水会使反应朝酯水解的方向进行而不再合成酯。水是限制酯转化率的主要因素之一。因此，合成己酸乙酯的关键技术之一便是要采用有效的除水方法，除去反应生成的水分，保持反应体系的微水环境。

虽然在己酸乙酯的生物合成中，关于如何控制反应体系微水环境的研究还很少，但在另外一些用脂肪酶催化其它酯的合成反应中，实验过的除水方法包括有使用吸水剂分子筛，渗透蒸发，真空干燥，喷雾干燥，和溶剂带水等多种方法。

这些方法能不同程度地除去酯合反应产生的水分，使酯化率升高。如分子筛能够选择性地吸收反应体系的水分，有利于底物转化。但分子筛的吸水能力太强且无法控制，会过度地吸去反应体系的水分，使脂肪酶失去保证活性的必须水分，而且分子筛的水容量很小，难以再生，不太可能用于工业规模的酯合成反应中。

采用膜渗透蒸发结合冷冻干燥也能除去水分，如在油酸乙酯的的合成中，采用这种方法后转化率能由61.1％升到92％。采用带冷凝器的真空泵除水结合底物循环利用也能使酯转化率达到90％左右。这些方法便于连续操作，也容易放大，但需要低压泵和冷凝器，得有大量资金购买设备和维持设备运转，产品的生产成本较高。

若要酯合成反应进行得更高效更完全，则要采用更有效的除水方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种既可以吸收反应的生成水，又可以使反应体系保持微水环境的高转化率的生物催化合成己酸乙酯的工艺方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高转化率的生物催化合成己酸乙酯的工艺方法，该方法采用己酸和乙醇为原料，在生物催化剂的作用下发生酯化反应，得到已酸乙酯产品；其特征在于，所述的酯化反应包括以下三个部分：

(1)溶解有反应物已酸和乙醇的有机溶剂，该有机溶剂中还混合有催化己酸和乙醇合成己酸乙酯的生物催化剂脂肪酶；

(2)起吸收水分作用的吸水性盐或水合盐；

(3)将吸水性盐或水合盐与反应溶剂隔离开的选择性水透过膜；

反应产生的水分不断地通过选择性水透过膜被吸水性盐或水合盐吸收，使反应持续地朝酯化合成方向进行，直至反应物接近完全转化。

所述的脂肪酶为能够催化脂或酯水解，或者催化脂或酯合成的酶；该脂肪酶可以是微生物来源包括皱褶假丝酵母、解脂假丝酵母，或者是动物性来源包括猪胰脂肪酶，或者是植物性来源包括游离酶、固定化酶。

所述的溶剂为能够溶解己酸和乙醇的液态物质，该溶剂的辛醇/水分配系数(LogP)在-2～8之间。

所述的溶剂选自正己烷、正庚烷、环己烷中的一种或几种的混合物，该溶剂的辛醇/水分配系数(LogP)在3～5之间较佳。

所述的己酸和乙醇的浓度在0.01mol/l至1.5mol/l之间。

所述的选择性水透过膜可以是由醋酸纤维素基质材料、或者由改性的醋酸纤维素基质材料、或者由聚砜基质材料、或者由聚呋喃甲醇基质材料构成，该选择性水透过膜可以是单一膜，或者是由两种或两种以上基质材料构成的复合膜。

所述的吸水性盐或水合盐能将水活度控制在0.1至0.98之间，并且该盐难以通过选择性水透过膜。

所述的吸水性盐或水合盐包括NaCl，MgCl₂·aH₂O，Na₂SO₄·bH₂O，Na₂HPO₄·CH₂O，NaI·dH₂O，其中a＝0～6，b＝0～10，C＝0～12，d＝0～2。

所述的酯化反应的反应温度为10℃～90℃。

所述的酯化反应的反应温度较佳为25℃～40℃。

与现有技术相比，本发明采用吸水性盐或水合盐来控制水活度的方法运用在己酸乙酯的酶法合成中，很好地控制了反应体系微水环境，并设计了合理的反应工艺，采用膜结构将吸水性盐或水合盐同反应溶剂系统隔离，技术上保证了高效地合成己酸乙酯，反应体系的酯转化率最终可以达到99.7％。

附图说明

图1为本发明的工艺方法的反应器的结构示意图。

具体实施方式

本发明所采用的方法是用脂肪酶在微水环境的有机相中合成己酸乙酯，其中用盐或水合盐控制有机相的微水状态，并用膜结构将有机相和盐或水合盐隔开。

反应底物己酸和乙醇溶解在有机溶剂中，根据反应体系的要求可以选择不同的有机溶剂。但为达到较高的反应速率和酯转化率，有机溶剂的LogP(辛醇/水分配系数)值一般在3-5之间比较适合，如正己烷、正庚烷、环己烷等溶剂或其混合物。己酸和乙醇的浓度一般在0.05mol/l到1.5mol/l之间，如果所用的酶的活性不易被己酸或乙醇抑制，则底物的浓度也可以适当高些。己酸和乙醇的浓度比为1∶1.0～1.2。

反应所用的催化剂脂肪酶的来源非常广泛，不管是动物、植物、真菌还是细菌等都能产生脂肪酶，经适当地分离纯化后，这些脂肪酶都可能成为合适的催化剂，虽然不同来源的脂肪酶对底物的选择性不尽相同，催化合成己酸乙酯的能力也有所差别。

反应时，将酶加入到溶有底物的有机溶剂中，在适当的条件下便可催化己酸和乙醇合成己酸乙酯。为了使酶具有最佳催化活性，可以对酶进行适当的修饰或固定化。在本发明所阐述的方法中，用固定化酶具有更好的效果。

很多盐或其水合物都维持在比较稳定的水活度，如NaCl、六水合MgCl₂、带0到10个结晶水的Na₂SO₄、带7到12个结晶水的Na₂HPO₄、带7到10个结晶水的Na₂CO₃、带2到7个结晶水的Na₂HPO₄、带0到3个结晶水的NaAc、带0到2个结晶水的Na₂HPO₄、带0到2个结晶水的NaI。

在己酸乙酯合成过程中，反应生成的水分很快超过有机溶剂所能溶解的水，反应体系的水活度也升高到1。将反应溶剂同这些盐或水合盐接触，根据热力学原理，水会由水活度高的—相进入水活度低的一相，直至两相的水活度相同。因此，可以用盐或其溶液达到控制反应体系水活度，除去酯合反应产生的水的目的。

本发明采用膜材料实现盐或水合盐同反应溶剂的隔离。要使除水物质同反应溶剂系统完全分开，所选用膜的特性非常关键。这种膜应具有这样的性质：对水自由通透，但盐类物质则难以透过，底物己酸和乙醇也不易通过。反渗析膜等致密膜基本上能满足这些要求。如醋酸纤维素膜和改性醋酸纤维素膜水透过性很好，而盐分基本上被截留，而且制备工艺成熟，价廉易得，强度和抗腐蚀能力都很好。其它类似性质的膜也包括聚砜材料的、聚呋喃甲醇材料等等单一材质膜或复合膜。

根据生产需要选择合适的反应器，用上述的膜材料将反应器分成两部分，往其中一部分加入溶解有底物己酸和乙醇的有机溶剂，再加入适量的脂肪酶；往另一部分加入盐或水合盐。在适宜温度下(一般为25-40摄氏度)反应。当反应完全，底物转化率接近100％后，(过滤)分离出反应液，再往反应器中补加新鲜有机溶剂和底物己酸和乙醇，进行下一批次反应。如果盐或水合盐被水饱和，则将之取出，经加热干燥后重复利用。反应后的溶剂经减压蒸馏后得到产品己酸乙酯，有机溶剂经回收后可重复利用。

实施例1

反应器的结构如图1所示，该反应器包括玻璃瓶1、磨口玻璃塞2、选择性水透过膜3、反应物料(己酸、乙醇、脂肪酶)4、吸水性盐或水合盐5。

往100ml的磨口玻璃瓶中加入30ml溶有0.15mol/l己酸和0.10mol/l乙醇的正己烷溶液。所用的己酸为化学纯，无水乙醇为分析纯，正己烷为分析纯，使用前都不经脱水处理。再加入0.3克吸附在聚苯乙烯大孔吸附树脂上的固定化脂肪酶。

选择性水透过膜选用醋酸纤维素管状膜，该醋酸纤维素管状膜厚度在0.005mm～1.5mm之间，往醋酸纤维素管状膜中加入1g MgCl₂，再加适量水使MgCl₂带有0～6个结晶水，将膜的开口封住，固定在瓶塞的下部，另一端浸在反应溶剂中。

在摄氏25度中，100转每分钟振荡的水浴中反应24小时后，测定己酸的转化率为99.7％。

实施例2

反应器的结构如图1所示，往100ml的磨口玻璃瓶中加入30ml溶有0.30mol/l己酸和0.35mol/l乙醇的正己烷溶液。所用的己酸为化学纯，无水乙醇为分析纯，正己烷为分析纯，使用前都不经脱水处理。再加入0.3克吸附在聚苯乙烯大孔吸附树脂上的固定化脂肪酶。

往改性醋酸纤维素管状膜中加入1g MgCl₂，再加适量水使MgCl₂带有0～6个结晶水，将膜的开口封住，固定在瓶塞的下部，另一端浸在反应溶剂中。

在摄氏10度中，100转每分钟振荡的水浴中反应24小时后，测定己酸的转化率为99.7％。

实施例3

反应器的结构如图1所示，往100ml的磨口玻璃瓶中加入30ml溶有0.01mol/l己酸和0.02mol/l乙醇的正庚烷溶液。所用的己酸为化学纯，无水乙醇为分析纯，正己烷为分析纯，使用前都不经脱水处理。再加入0.3克吸附在聚苯乙烯大孔吸附树脂上的固定化脂肪酶。

往聚砜管状膜中加入1g MgCl₂，再加适量水使MgCl₂带有0～6个结晶水，将膜的开口封住，固定在瓶塞的下部，另一端浸在反应溶剂中。

在摄氏30度中，100转每分钟振荡的水浴中反应24小时后，测定己酸的转化率为99.6％。

实施例4

反应器的结构如图1所示，往100ml的磨口玻璃瓶中加入30ml溶有0.50mol/l己酸和0.60mol/l乙醇的正己烷溶液。所用的己酸为化学纯，无水乙醇为分析纯，正己烷为分析纯，使用前都不经脱水处理。再加入0.3克吸附在聚苯乙烯大孔吸附树脂上的固定化脂肪酶。

往聚砜管状膜中加入1g NaCl，再加适量水使NaCl成为水溶液，将膜的开口封住，固定在瓶塞的下部，另一端浸在反应溶剂中。

在摄氏35度中，100转每分钟振荡的水浴中反应24小时后，测定己酸的转化率为99.6％。

实施例5

反应器的结构如图1所示，往100ml的磨口玻璃瓶中加入30ml溶有1.0mol/l己酸和1.1mol/l乙醇的正己烷溶液。所用的己酸为化学纯，无水乙醇为分析纯，正己烷为分析纯，使用前都不经脱水处理。再加入0.3克吸附在聚苯乙烯大孔吸附树脂上的固定化脂肪酶。

往醋酸纤维素管状膜中加入1g MgCl₂，再加适量水使MgCl₂带有0～6个结晶水，将膜的开口封住，固定在瓶塞的下部，另一端浸在反应溶剂中。

在摄氏30度中，100转每分钟振荡的水浴中反应24小时后，测定己酸的转化率为99.7％。

实施例6

反应器的结构如图1所示，往100ml的磨口玻璃瓶中加入30ml溶有1.40mol/l己酸和1.50mol/l乙醇的环己烷溶液。所用的己酸为化学纯，无水乙醇为分析纯，正己烷为分析纯，使用前都不经脱水处理。再加入0.3克吸附在聚苯乙烯大孔吸附树脂上的固定化脂肪酶。

往聚砜管状膜中加入1g Na₂SO₄的水合盐，再加适量水使Na₂SO₄带有0～10个结晶水，将膜的开口封住，固定在瓶塞的下部，另一端浸在反应溶剂中。

在摄氏90度中，100转每分钟振荡的水浴中反应24小时后，测定己酸的转化率为99.5％。

以上实施例所选用的脂肪酶来源于微生物、动物性、植物性均可，所选用的有机溶剂的辛醇/水分配系数均在在-2～8之间，所选用的吸水性盐或水合盐均能将水活度控制在0.1至0.98之间。

Claims

1.一种高转化率的生物催化合成己酸乙酯的工艺方法，该方法采用己酸和乙醇为原料，在生物催化剂的作用下发生酯化反应，得到己酸乙酯产品；其特征在于，所述的酯化反应包括以下三个部分：

(2)起吸收水分作用的吸水性盐或水合盐；

反应产生的水分不断地通过选择性水透过膜被吸水性盐或水合盐吸收，使反应持续地朝酯化合成方向进行，直至反应物接近完全转化；

所述的溶剂为能够溶解己酸和乙醇的液态物质，该溶剂的辛醇/水分配系数在-2～8之间；

所述的己酸和乙醇的浓度分别在0.01mol/l至1.5mol/l之间；

所述的吸水性盐或水合盐是NaCl，MgCl₂·aH₂O，Na₂SO₄·bH₂O或Na₂HPO₄·CH₂O，NaI·dH₂O，其中a＝0～6，b＝0～10，C＝0～12，d＝0～2，

所述的酯化反应的反应温度为10℃～90℃。

2.根据权利要求1所述的一种高转化率的生物催化合成己酸乙酯的工艺方法，其特征在于，所述的脂肪酶为能够催化脂或酯合成的酶；该脂肪酶是微生物来源，或者是动物性来源，或者是植物性来源。

3.根据权利要求1所述的一种高转化率的生物催化合成己酸乙酯的工艺方法，其特征在于，所述的溶剂选自正己烷、正庚烷、环己烷中的一种或几种的混合物，该溶剂的辛醇/水分配系数在3～5之间。

4.根据权利要求1所述的一种高转化率的生物催化合成己酸乙酯的工艺方法，其特征在于，所述的选择性水透过膜是由醋酸纤维素基质材料、或者由改性的醋酸纤维素基质材料、或者由聚砜基质材料构成，该选择性水透过膜是单一膜，或者是由两种或两种以上基质材料构成的复合膜。

5.根据权利要求1所述的一种高转化率的生物催化合成己酸乙酯的工艺方法，其特征在于，所述的酯化反应的反应温度为25℃～40℃。