载酶Pickering乳液催化体系的构建与性能研究

发布时间：2017-12-23 13:33

本文关键词：载酶Pickering乳液催化体系的构建与性能研究　出处：《中国农业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：酶能够在温和条件下精确、高选择性地催化复杂的化学反应,但是由于绝大多数有机底物不溶于水,极大限制了水溶性生物酶的使用。利用表面活性剂分子形成微乳液,可以极大地提高亲水性酶和疏水性底物的接触。但是,高浓度表面活性剂的存在为产物的分离以及酶的回收利用带来了极大地不便。相对而言,以固体颗粒为稳定剂的Pickering乳液(PE)体系,不仅能保证水油两相之间的充分接触,还能便利地实现产物和催化剂的分离回收,被认为是一种很有潜力的两相反应体系。首先,本论文以双亲性的中空碳微球(CMs)为固体颗粒稳定剂,成功制备了水包油型的PE体系,发现乳滴的粒径大小和分布与固体颗粒浓度、油水比和均质速度有关。在此基础上,将其用于脂肪酶的水解和酯化反应,发现99%以上的酶分布于油水界面处,极大提高了酶的利用率,并且表现出高的催化效率与稳定性。当界面面积为43.9 m2/L,界面酶浓度为0.57×10-2 g/m2时,CRL脂肪酶的催化活力最大4.65 μmol/mg min。对于酯化反应而言,CRL-PE体系催化性能主要受固体颗粒的性质、有机溶剂的极性以及反应底物性质的影响。固体颗粒主要通过影响PE乳滴的大小、脂肪酶在PE体系中的分布以及分散液的表面张力来影响CRL-PE体系的催化性能；有机溶剂的非极性越强、反应底物分子的碳链越长,CRL-PE体系的催化效率越高。在最适反应条件下水解反应和酯化反应的产率均能达到99%以上。此外,在水包油的CRL-PE体系中,CRL能长时间保持高的催化活性且不受高浓度底物的抑制,以纯反应底物作为乳液内相时,CRL-PE体系在循环使用12次(x12 h)后,其催化活力仍能达到原始活力的81%以上。其次,利用CMs与PE乳滴结构的天然相似性,模拟油包水型PE体系,成功将CRL脂肪酶封装固定于双亲性中空碳微球空腔内部,并用于有机相中的酯化和转酯化催化反应。研究表明CMs的保水性是影响脂肪酶催化效率的关键因素：对于转酯化反应而言,CMs的保水性对脂肪酶催化活性影响较大,在含水率最大的CM-180-I(4.37%)中,脂肪酶的催化效率最高,30 min的产率能达到40%；对于酯化反应而言,CMs的含水量在1.2%-4.4%范围内对脂肪酶催化活性影响不明显,这与其去水的反应机理有关。最后,结合PE技术和固定化酶技术,成功的采用两步酶法实现了生物柴油的高效制备。在第一步的水解反应中,以CRL为催化剂、PE体系为反应介质,6.75 g菜籽油在30℃下反应3h就能被完全水解为脂肪酸,其催化剂用量为2.2 mg CRL/g菜籽油；在第二步的酯化反应中,以固定化脂肪酶(TLL-CMs)为催化剂、无溶剂体系为反应介质,当1LL-CMs用量为250 mg(约95.8μL液体TLL)时,40℃下反应45 min就能将1g脂肪酸和甲醇完全转化为生物柴油。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q814.9;TE667

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