【酶催化】连续化合成及催化剂的连续分离与回收

研究背景

乙酸异戊酯是一种重要的工业原料，因其具有强烈的香蕉味，又名“香蕉油”?？捎米鱿懔?，广泛用于食品、医药及化妆品等?；箍梢宰魑芗劣糜谂缙?、硝酸纤维及氯丁橡胶等的工业生产，是一种有着广泛用途的化工产品。

乙酸异戊酯的传统生产方式是浓硫酸催化的乙酸和异戊醇的酯化反应，该工艺有不少缺点，高能耗、高污染、收率低等。

随着科技的进步，生物催化作为一种环境友好的催化体系正在逐渐替代传统的金属及有机催化剂的使用。天然来源与化学合成相比，酶催化合成乙酸异戊酯有着巨大的优势。

利用脂肪酶的两亲性质所*的界面催化作用，可以实现在液液非均相体系中进行的乙酸异戊酯的合成。其带来的好处是能够增加底物和产物的浓度及酯化反应平衡的转变，同时增加所需产物的选择性。

实验内容

微通道反应器作为一种新的研发及生产方式正在逐步被业内接受。其能够增加传质传热效率以及良好的过程控制，已经在化学合成领域成功实现从实验室到生产的工业化放大。由康宁开发的连续流反应器有着一系列心形结构组成，能够为多相体系提供和维持精细分散体，在酶催化的两相及多相反应中有着重要的作用。

康宁欧洲技术中心科学家Daniela Lavric 博士和斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学课题组成功示范了“微反应+酶催化+膜分离”集成的体系，可用于乙酸异戊酯的连续酶催化合成和分离。

1. 低通量下流体在?？橹械牧魈辶鞫?/p>

研究人员首先验证了念珠菌脂肪酶B（以下简称CaLB）的存在，对两相物料混合效果的影响（图1）。正庚烷和含有酶的水相具有较低的界面张力，这取决于CaLB的两亲性质。

图1.康宁LF?？橹杏形轈aLB存在下两相物料混合效果对比（a. 体系中无CaLB存在下物料混合情况，气泡较大不均一 b. 在CaLB存在下两相物料混合后能够产生更小和更多的均匀液滴）

图2. PTFE管出口处液滴与康宁低流量反应器（LFR）?？橹械囊旱伪冉衔廾飨郧?，证明了物料在康宁LF?？橹斜３治榷ǖ某錾幕旌闲Ч?。

2. 应用康宁一体化低流量反应器（LFR）进行的酶催化的酯化反应
 

研究人员用乙酸酐和异戊醇在酶催化下，对不同温度下的停留时间对反应收率的影响进行了考察。异戊醇和乙酸酐的酯化反应是分两步进行的，第yi步反应快速且放热，产生乙酸异戊酯和乙酸，产生的乙酸可以和剩余的异戊醇继续反应，生成乙酸异戊酯和水。第二步反应慢得多，因此，图3 a）中乙酸异戊酯产量的快速增加是由于第yi步的反应。 同时增加体系的总流量可以增大生产能力。在60℃下在8.6分钟条件下，获得59%的zui高产率。
 

图3. a）乙酸异戊酯的收率 b）体积生产率，在不同温度和条件下得到的，两相体积比为1:1。
 

同时应该注意的是，酶作为一种生物催化剂在高温时可能会破坏酶三级结构，导致催化剂失活。

研究人员同时应用了其他两种微反应器进行实验发现，在相同温度下保证形成乳液的混合速度下的底物及酶浓度比康宁低24和15倍，应用康宁微反应器能够获得更高的体积生产率及生物催化效率（图3b）。

康宁低流量（LFR）反应体系同时集成了膜分离系统，这有助于进行酶回收再利用。通过对回收的酶进行再利用，可实现生产成本的降低。利用疏水性的PTFE膜可以将反应物料分为水相（含有酶）和有机相（含有产物），通过如下图的装置所示，可以将分离出来的酶在下一个循环中再利用。

图4.集成了膜分离系统的康宁LFR一体化解决方案

研究人员同时对回收酶的可再利用次数进行了研究。从下图可以看出，zui初的4次连续运行中酯化收率保持在zui初收率的90%以上，在第五次循环后酯化收率降至初产量的77%。

图5.酶循环次数对酯化收率的影响

循环利用的水相中含有酶和反应生成的乙酸，在第yi次循环后pH值从zui初的8降至4，并在第五次循环结束时降至3.8。

图6.不同pH值下酶催化的酯化收率

在额外进行的实验中单独考察了各种pH值的缓冲液对CaLB催化活性的影响，实验结果显示当将缓冲液的pH从8改为6时酶催化活性降低了13%，这可能是随着循环次数的增加酯化收率下降的原因。

实验小结

本研究结果证实了康宁AFR在非均相系统中进行的生物转化能够获得较高的效率，与实验室规模的混合反应器及其他微反应器相比，康宁LFR系统的产率是迄今为止报告的zui高值。

康宁一体化设备集成的膜分离系统，能够进行酶的回收再利用。实验显示了在4次酶的循环再利用时酶催化效率不会有明显的损失。

由于水相和酶的回收再利用，该解决方案具有较高的环?？尚行约俺杀揪眯?。

该研究为扩大规模及建立更大规模的连续流反应提高了可能性。研究人员还在对工艺参数进行进一步的优化。

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