一种高效催化制备生物柴油用新型纤维生物基固定化全细胞催化剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种能够高效催化制备生物柴油的新型纤维生物基材料固定化全细胞催化剂及其制备方法, 所述的全细胞催化剂通过如下步骤制备：产脂肪酶真菌孢子悬浮液的制备；固定化载体的预处理；固定化全细胞生物催化剂的制备；固定化全细胞生物催化剂的交联处理。本方法的固定化全细胞生物催化剂具有制备方法简单、固定效果好和成本低等优点，采用本方法固定化全细胞生物催化剂催化植物油甲酯化催化制备生物柴油，催化剂重复使用6次，脂肪酸甲酯得率稳定在82%以上，且反应条件温和，甲醇添加量低，原料适用性广，使得该工艺更具有经济竞争性。

说明书

技术领域

本专利涉及脂肪酶固定化技术和生物柴油等领域，具体涉及利用一种基于新型纤维生物基材料为载体固定产脂肪酶真菌制备全细胞催化剂及其在催化制备生物柴油方面的应用。

背景技术

生物柴油又称脂肪酸甲酯或乙酯，是以油料作物、野生油料作物和工程微藻类的水生油料植物，以及动物油脂、废弃餐饮油等为原料通过与甲醇或乙醇的转酯化反应制成的甲酯或乙酯燃料，具有减少尾气含硫物质污染，无需改良现有发动机，减少温室效应等优点。

生物柴油的生产方法有物理法、化学法和生物法三种。物理法主要有直接混合法和微乳化法，由于物理法生产的生物柴油在使用过程中会产生严重的碳沉积和凝胶而损害发动机，所以基本不被采用。化学法由于具有设备简单、生产成本低、得率高、反应时间短的优点，而广泛使用，但是其生产过程中具有对原料要求高，耗能大，腐蚀设备，环境污染严重等缺点。

与传统的化学法相比，生物酶催化法具有原料要求低，反应条件温和，污染小等优点，但是脂肪酶价格昂贵，提取、分离、纯化工艺复杂，在成本上限制了其发展。为了克服生物酶催化法的缺点，在其基础上发展出酶的固定化技术，以便于脂肪酶的回收与重复利用。其中细胞固定化是指利用物理或化学手段将游离细胞定位于限定的空间区域，使其保持活性并可反复使用的一种技术，通过对细胞的固定从而达到对胞内酶的固定。细胞的固定化技术能通过减少酶的提取、分离、纯化过程以及提高酶的重复利用性从而降低生产成本，对于促进生物柴油的发展具有充分的优越性。

生物柴油的实现推动产生了一系列生物酶催化法的产生，如何制备新型的生物酶催化制，进一步降低工艺成本，且提高生物柴油的转化率，已经成为该领域研究的热点。

发明内容

    为解决上述问题，本发明提供一种能够高效催化制备生物柴油的新型纤维生物基材料固定化全细胞催化剂及其制备方法，该工艺简单且成本低的脂肪酶固定化技术，能够制备出活性高、重复利用性好的全细胞生物催化剂，催化植物油甲酯化生产生物柴油。

本发明的技术方案为：

一种基于新型纤维生物基材料固定化的全细胞催化剂，所述的全细胞催化剂是以经过预处理的天然纤维类物质为固定化载体，将真菌孢子接种于添加有固定化载体的发酵培养基中，菌丝贴附于固定化载体生长，再经过过滤洗涤即得到固定化全细胞催化剂。

其具体制备步骤如下：

(1) 产脂肪酶真菌孢子悬浮液的制备：将真菌菌丝接种于培养基中，放入培养箱培养，用灭菌后的去离子水洗出孢子，制备真菌孢子悬浮液；

(2) 固定化载体的预处理，包括剪切、洗涤和灭菌处理；

(3) 固定化全细胞生物催化剂的制备：将真菌孢子悬浮液中的真菌孢子接种于添加有经预处理后的固定化载体的产脂肪酶液体培养基中，于摇床培养，过滤得到长有菌丝的载体；

(4) 固定化全细胞生物催化剂的交联处理：将长有菌丝的载体浸泡于戊二醛磷酸缓冲溶液中进行交联，交联后取出，洗涤，于磷酸缓冲液中浸泡，洗涤，即得基于新型纤维生物基材料固定化的全细胞催化剂。

优选的，所采用的产脂肪酶真菌为米根霉。

优选的，所述的天然纤维类物质为丝瓜络。

步骤（1）中，真菌菌丝接种的培养基为PDA斜面或平板培养基，其配方为：马铃薯20%，葡萄糖2%，琼脂2%，自然pH。

步骤（3）中，产脂肪酶液体培养基的配方为：多聚蛋白胨7%，NaNO₃ 0.1%，KH₂PO₄ 0.1%，MgSO₄·7H₂O0.05%，橄榄油3%，自然pH。

步骤（2）中，固定化载体丝瓜络的预处理为：将丝瓜络剪成棱长为5-7 mm的立方体，用蒸馏水浸泡洗涤数次，在21℃ 下高压蒸汽灭菌20 min，再更换蒸馏水重复灭菌1-2次，取出后干燥备用。

步骤（3）中，所述的产脂肪酶液体培养基添加有1.75-3.00 g经预处理后的固定化载体；摇床培养的条件为：25-35℃，150-200 rpm摇床培养48-96 h。

步骤（4）中，于戊二醛磷酸缓冲溶液进行交联的条件为：戊二醛磷酸缓冲溶液为0.1 mol/L，pH 6.8，于25℃ 交联1 h；在磷酸缓冲液中浸泡的条件为：磷酸缓冲液为0.1 mol/L，pH 6.8，于4℃浸泡5 min。

固定化全细胞生物催化剂催化植物油甲酯化生产生物柴油的方法为：将植物油置于三角摇瓶中，加入0-30%（占油重）磷酸缓冲液（0.1 M，pH 6.8）或蒸馏水做反应溶剂，催化剂用量为2-10% (细胞占油重)，按醇油摩尔比0.5-1.5:1每6-24 h添加一次甲醇，添加1-5次，于25-35℃，150-200 rpm反应6-72 h。通过上述方法即得生物柴油——脂肪酸甲酯。

有益效果：

1. 本发明的全细胞催化剂的制备方法工艺简单、成本低：

(a) 本发明的新型纤维生物基材料固定化全细胞催化剂以天然纤维类物质为固定化载体，在催化剂制备过程中，对固定化载体的预处理方法简单，如采用纤维类丝瓜络为固定化载体，仅需对丝瓜络进行剪切、洗涤和灭菌处理过程，且不需要去除纤维类物质上的油脂，比现有技术中的材料处理要求更少，处理更方便。 

(b) 菌丝固定方法简单，本发明将产脂肪酶真菌孢子接种于添加有天然纤维类固定化载体的发酵培养基中，菌丝自发贴附于载体生长，经过过滤洗涤即得到固定化全细胞催化剂，无需其他试剂如环己烷、正庚烷或正己烷的添加与处理，比现有技术中操作更方便。

(c) 本发明通过利用经预处理的天然纤维类物质为载体固定产脂肪酶真菌菌丝从而达到对胞内脂肪酶的固定，工艺成本低，相对于现有技术中的直接固定脂肪酶的方法，避免了繁琐的脂肪酶分离及纯化过程，大大降低了工艺上的成本消耗。

2. 本发明制得的全细胞催化剂菌丝固定效果好：

天然纤维类物质具有较大的长径比和比表面积，并且表面含有丰富的羟基，所以其相对于传统的化工高分子材料如聚氨酯树脂，和硅质沉积岩材料如硅藻土，具有更好的生物亲和性。天然纤维类物质如丝瓜络，本身的成分是木质纤维素，导致具有更高的细胞固载量。因此与传统固定化载体材料相比，天然纤维类物质细胞固载量更高，见下表：

                                                    

3.发明制得的全细胞催化剂重复使用性能好：

通过对比试验，将现有技术中的一种脂肪酶直接固定在固定化载体的方法与本发明的方法进行比较，实验结果如下：

脂肪酶直接固定在固定化载体丝瓜络在水解橄榄油水解，重复使用第二次的酶活回收率分别为：70%、76%、81%、71%、70%、74%和72%；

而本发明中的催化大豆油制备生物柴油的实验，催化剂重复使用六次，生物柴油得率分别为89%、92%、87%、85%、85%和84%。

本发明制得的全细胞催化剂体现了良好的固定化效果和催化稳定性，研究发现，将脂肪酶直接固定在载体上，在反应过程中由于催化剂之间的物理碰撞导致一定脂肪酶脱附，从而导致酶活的损失；而本发明制备的固定化全细胞催化剂，通过固定细胞以达到对胞内脂肪酶的固定，菌丝缠绕丝瓜络载体生长，固定效果更加牢固，催化植物油制备生物柴油的过程中未发现菌丝的脱落。

4.用本发明制得的全细胞催化剂制备生物柴油时甲醇消耗量少，因而制备生物柴油的转化率高：

在现有技术中，李治林等以聚氨酯泡沫为载体制备的米根霉全细胞催化剂用来催化大豆油制备生物柴油，当醇油摩尔比达到6:1时，甲酯得率为94%，当醇油摩尔比为3:1时，甲酯得率仅为61%。而本发明以天然纤维类物质丝瓜络为载体制备的米根霉全细胞催化剂用来分别催化大豆油、麻风树籽油和橡胶籽油制备生物柴油，当醇油为3:1时，甲酯得率分别为92%、90%和89%。

由于甲酯化反应主要发生在反应体系中的水油界面上，而丝瓜络载体表面具有丰富的羟基，以便通过与水分子形成氢键从而结合更多的水分子，在催化剂周围产生更多的水油界面，利于甲酯化反应的进行。

综上所述，用本发明的生物酶催化制备生物柴油原料易得，生产工艺简单，对环境友好，脂肪酶固定方法简单，成本低廉，减少了脂肪酶的分离、提取、纯化过程，催化剂的重复利用性好，在工艺上降低了生物柴油的生产成本。

附图说明

图1：空固定化载体的内部结构扫描电镜图。

图2：固定化全细胞催化剂内部结构扫描电镜图。

 图3：固定化全细胞催化剂连续催化制备生物柴油。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体的说明。

实施例1：产脂肪酶真菌孢子悬浮液的制备。

将米根霉真菌菌丝接种于PDA斜面或平板培养基中，放入25-37℃的培养箱培养2-3天，待其长出孢子，用灭菌后的去离子水洗出孢子制备孢子悬浮液，置入4℃冰箱中保存待用。PDA斜面或平板培养基配方：马铃薯20%，葡萄糖2%，琼脂2%，自然pH。

实施例2：固定化载体的预处理。

将丝瓜络剪成棱长为5-7 mm的立方体，用蒸馏水浸泡洗涤数次，121℃ 下高压蒸汽灭菌20 min，再更换蒸馏水重复灭菌1-2次，取出后干燥备用。

实施例3：固定化全细胞生物催化剂的制备。

将孢子悬浮液中的米根霉真菌孢子接种于添加有2.25 g经预处理后的固定化载体的100 mL产脂肪酶液体培养基中，于28℃，180 rpm摇床培养72 h，过滤得到长有菌丝的载体，用蒸馏水冲洗数次，室温或低温冷冻干燥1天，计算得到固定化细胞干重3.50 g，载体上细胞固载量为1.56 g (细胞)/g (载体)，置入4℃冰箱中保存待用。产脂肪酶液体培养基配方：多聚蛋白胨7%，NaNO₃ 0.1%，KH₂PO₄ 0.1%，MgSO₄·7H₂O0.05%，橄榄油3%，自然pH。

实施例4：固定化全细胞生物催化剂的交联处理。

将催化剂浸泡于0.1% 戊二醛磷酸缓冲溶液中（0.1 M，pH 6.8），于25℃ 交联1 h。交联后取出催化剂，用蒸馏水浸泡洗涤数次，浸泡于磷酸缓冲液中（0.1 M，pH 6.8），于4℃浸泡5 min，再用蒸馏水冲洗数次，室温或低温冷冻干燥1-3天，置入4℃冰箱中保存待用。

实施例5：固定化全细胞催化剂催化大豆油制备生物柴油。

    在50 mL具塞三角瓶中，加入9.65 g大豆油、8% 未交联全细胞催化剂（细胞占油重）、10%（占油重）磷酸缓冲液（0.1 M，pH 6.8）作为反应溶剂体系，每24h按醇油摩尔比1:1添加甲醇，添加3次，于35℃、180 rpm摇床转速下反应72 h，生物柴油得率为92%。

实施例6：固定化全细胞催化剂催化麻风树籽油制备生物柴油。

在50 mL具塞三角瓶中，加入9.65 g麻疯树籽油、10% 未交联全细胞催化剂（细胞占油重）、10%（占油重）磷酸缓冲液（0.1 M，pH 6.8）作为反应溶剂体系，每24h按醇油摩尔比1:1添加甲醇，添加3次，于35℃、180 rpm摇床转速下反应72 h，生物柴油得率为90%。

实施例7：固定化全细胞催化剂催化橡胶籽油制备生物柴油。

在50 mL具塞三角瓶中，加入9.65 g橡胶籽油、8% 未交联全细胞催化剂（细胞占油重）、5%（占油重）磷酸缓冲液（0.1 M，pH 6.8）作为反应溶剂体系，每24h按醇油摩尔比1:1添加甲醇，添加3次，于35℃、180 rpm摇床转速下反应72 h，生物柴油得率为89%。

实施例8：固定化全细胞催化剂的重复使用性能测试。

在50 mL具塞三角瓶中，加入9.65 g大豆油、8% 经交联全细胞催化剂（细胞占油重）、10%（占油重）磷酸缓冲液（0.1 M，pH 6.8）作为反应溶剂体系，每24 h按醇油摩尔比1:1添加甲醇，添加3次，于35℃、180 rpm摇床转速下反应72 h，重复使用6次，生物柴油得率分别为89%、92%、87%、85%、85%、84%，试验结果见图3。