包衣微晶酶制備工藝及其催化合成生物柴油研究.pdf

1、微生物脂肪酶催化酯交換反應(yīng)制備生物柴油具有反應(yīng)條件溫和、底物醇用量少及污染小等優(yōu)點(diǎn),但游離脂肪酶價(jià)格昂貴,穩(wěn)定性較差,反應(yīng)后無法回收再利用,以其為催化劑制備生物柴油成本較高。因此,新型生物催化劑及催化工藝的開發(fā)及利用成為目前研究的熱點(diǎn)。本文采用高效、快速且簡便的包衣微晶酶法(Protein-Coated Micro-Crystals,簡稱PCMCs)固定洋蔥假單胞菌脂肪酶(Pseudomonas cepicia lipase,簡稱PS脂

2、肪酶),提高脂肪酶催化性能,并將固定化酶(PS-PCMCs)運(yùn)用于以烏桕梓油為底物的生物柴油制備中,主要結(jié)果如下:
　　(1)本研究通過單因素實(shí)驗(yàn)及響應(yīng)面法優(yōu)化得到PS-PCMCs的最優(yōu)制備條件為:62.3mg PS酶溶于200μL磷酸鹽緩沖液(pH=7,50mmol/L)中,再向其中加入405μL飽和K2SO4溶液后混勻,隨后將混合溶液逐滴加入到6.270mL丙酮中,并保持震蕩狀態(tài)(150rpm),然后離心5min,4800×g

3、,移去上清液,再使用2mL丙酮沖洗沉淀一次,將所得沉淀真空干燥后既得PS-PCMCs。此PS-PCMCs催化545mg大豆油與146μL乙醇在40℃及200rpm條件下反應(yīng)12h制備生物柴油,其得率可達(dá)91.27％(相應(yīng)固定化率為87.22％),而同等條件下PS游離酶催化反應(yīng)的得率僅為48.72％。
　　(2)對PS-PCMCs的理化性質(zhì)進(jìn)行研究表明:PS-PCMCs的最適反應(yīng)溫度達(dá)60℃,其生物柴油得率為99.83％,而PS游離

4、酶最適反應(yīng)溫度為50 oC,其生物柴油得率為56.64％;經(jīng)熱處理(25-70℃)1 h后的PS-PCMCs于60℃催化反應(yīng)得到的生物柴油得率均在92.52-99.64％范圍內(nèi),顯示出良好的熱穩(wěn)定性,而PS游離酶的催化活性隨處理溫度的升高而顯著降低。此外,PS-PCMCs經(jīng)疏水性不同的有機(jī)溶劑處理3h后,催化活性仍較高,如經(jīng)甲醇處理后其生物柴油得率仍有67.71％(PS游離酶基本失活),經(jīng)四氫呋喃、叔丁醇、正己烷、正庚烷及異辛烷處理后,

5、其生物柴油得率仍可穩(wěn)定在92.84-97.41％范圍內(nèi),說明PS-PCMCs的有機(jī)溶劑耐受性較好。當(dāng)以PS-PCMCs催化不同油源制備生物柴油時,多數(shù)油源的生物柴油得率均高于83％,特別當(dāng)以酸值較大(17.80 mg-KOH/g-油)的烏桕梓油為反應(yīng)底物時,未經(jīng)任何優(yōu)化其得率高達(dá)91.08％,說明PS-PCMCs底物適應(yīng)性廣泛,工業(yè)化應(yīng)用前景較好。經(jīng)掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscopy,簡稱SEM)

6、檢測發(fā)現(xiàn)PS-PCMCs的物理形態(tài)與K2SO4晶體及PS游離酶極為不同,這從側(cè)面揭示了包衣微晶酶的形成過程。圓二色譜儀(Circular Dichroism,簡稱CD)檢測得出PS-PCMCs蛋白質(zhì)的α-螺旋含量較PS游離酶減少;相反,其無規(guī)卷曲含量較游離酶增加,這種二級結(jié)構(gòu)變化可能是固定化酶活性增強(qiáng)的原因之一。
　　(3)本文采用以最優(yōu)條件制備的PS-PCMCs催化烏桕梓油與乙醇合成生物柴油,實(shí)驗(yàn)得最優(yōu)制備條件如下:烏桕梓油量為

7、588 mg,加酶量為20％,醇油摩爾比為4:1,正己烷與油體積比為1:1,不含水,反應(yīng)溫度為55℃,轉(zhuǎn)速200rpm,反應(yīng)12h后其生物柴油得率高達(dá)98.50％。同時,在此基礎(chǔ)上對固定化酶的操作穩(wěn)定性進(jìn)行了考察,結(jié)果表明:批次反應(yīng)后,PS-PCMCs若不經(jīng)任何處理,其催化活性下降較快。若在催化下一批次反應(yīng)前使用丙酮處理固定化酶,則經(jīng)8批次反應(yīng)后,其生物柴油得率達(dá)69.92％。經(jīng)正己烷處理的PS-PCMCs催化8批次反應(yīng)后,其生物柴油得