包衣微晶酶制备工艺及其催化合成生物柴油研究

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微生物脂肪酶催化酯交换反应制备生物柴油具有反应条件温和、底物醇用量少及污染小等优点,但游离脂肪酶价格昂贵,稳定性较差,反应后无法回收再利用,以其为催化剂制备生物柴油成本较高。因此,新型生物催化剂及催化工艺的开发及利用成为目前研究的热点。本文采用高效、快速且简便的包衣微晶酶法(Protein-Coated Micro-Crystals,简称PCMCs)固定洋葱假单胞菌脂肪酶(Pseudomonas cepicialipase,简称PS脂肪酶),提高脂肪酶催化性能,并将固定化酶(PS-PCMCs)运用于以乌桕梓油为底物的生物柴油制备中,主要结果如下:(1)本研究通过单因素实验及响应面法优化得到PS-PCMCs的最优制备条件为:62.3mg PS酶溶于200μL磷酸盐缓冲液(pH=7,50mmol/L)中,再向其中加入405μL饱和K2SO4溶液后混匀,随后将混合溶液逐滴加入到6.270mL丙酮中,并保持震荡状态(150rpm),然后离心5min,4800×g,移去上清液,再使用2mL丙酮冲洗沉淀一次,将所得沉淀真空干燥后既得PS-PCMCs。此PS-PCMCs催化545mg大豆油与146μL乙醇在40oC及200rpm条件下反应12h制备生物柴油,其得率可达91.27%(相应固定化率为87.22%),而同等条件下PS游离酶催化反应的得率仅为48.72%。(2)对PS-PCMCs的理化性质进行研究表明:PS-PCMCs的最适反应温度达60oC,其生物柴油得率为99.83%,而PS游离酶最适反应温度为50oC,其生物柴油得率为56.64%;经热处理(25-70oC)1h后的PS-PCMCs于60oC催化反应得到的生物柴油得率均在92.52-99.64%范围内,显示出良好的热稳定性,而PS游离酶的催化活性随处理温度的升高而显著降低。此外,PS-PCMCs经疏水性不同的有机溶剂处理3h后,催化活性仍较高,如经甲醇处理后其生物柴油得率仍有67.71%(PS游离酶基本失活),经四氢呋喃、叔丁醇、正己烷、正庚烷及异辛烷处理后,其生物柴油得率仍可稳定在92.84-97.41%范围内,说明PS-PCMCs的有机溶剂耐受性较好。当以PS-PCMCs催化不同油源制备生物柴油时,多数油源的生物柴油得率均高于83%,特别当以酸值较大(17.80mg-KOH/g-油)的乌桕梓油为反应底物时,未经任何优化其得率高达91.08%,说明PS-PCMCs底物适应性广泛,工业化应用前景较好。经扫描式电子显微镜(Scanning electron microscopy,简称SEM)检测发现PS-PCMCs的物理形态与K2SO4晶体及PS游离酶极为不同,这从侧面揭示了包衣微晶酶的形成过程。圆二色谱仪(Circular Dichroism,简称CD)检测得出PS-PCMCs蛋白质的α-螺旋含量较PS游离酶减少;相反,其无规卷曲含量较游离酶增加,这种二级结构变化可能是固定化酶活性增强的原因之一。(3)本文采用以最优条件制备的PS-PCMCs催化乌桕梓油与乙醇合成生物柴油,实验得最优制备条件如下:乌桕梓油量为588mg,加酶量为20%,醇油摩尔比为4:1,正己烷与油体积比为1:1,不含水,反应温度为55oC,转速200rpm,反应12h后其生物柴油得率高达98.50%。同时,在此基础上对固定化酶的操作稳定性进行了考察,结果表明:批次反应后,PS-PCMCs若不经任何处理,其催化活性下降较快。若在催化下一批次反应前使用丙酮处理固定化酶,则经8批次反应后,其生物柴油得率达69.92%。经正己烷处理的PS-PCMCs催化8批次反应后,其生物柴油得率仍可达82.29%,显示出较好的操作稳定性。
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