研究背景

乙酸異戊酯是一種重要的工業原料，因其具有強烈的香蕉味，又名“香蕉油”?？捎米鱿懔?，廣泛用于食品、醫藥及化妝品等。還可以作為溶劑用于噴漆、硝酸纖維及氯丁橡膠等的工業生產，是一種有著廣泛用途的化工產品。

乙酸異戊酯的傳統生產方式是濃硫酸催化的乙酸和異戊醇的酯化反應，該工藝有不少缺點，高能耗、高污染、收率低等。

隨著科技的進步，生物催化作為一種環境友好的催化體系正在逐漸替代傳統的金屬及有機催化劑的使用。天然來源與化學合成相比，酶催化合成乙酸異戊酯有著巨大的優勢。

利用脂肪酶的兩親性質所*的界面催化作用，可以實現在液液非均相體系中進行的乙酸異戊酯的合成。其帶來的好處是能夠增加底物和產物的濃度及酯化反應平衡的轉變，同時增加所需產物的選擇性。

實驗內容

微通道反應器作為一種新的研發及生產方式正在逐步被業內接受。其能夠增加傳質傳熱效率以及良好的過程控制，已經在化學合成領域成功實現從實驗室到生產的工業化放大。由康寧開發的連續流反應器有著一系列心形結構組成，能夠為多相體系提供和維持精細分散體，在酶催化的兩相及多相反應中有著重要的作用。

康寧歐洲技術中心科學家Daniela Lavric 博士和斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學課題組成功示范了“微反應+酶催化+膜分離”集成的體系，可用于乙酸異戊酯的連續酶催化合成和分離。

1. 低通量下流體在模塊中的流體流動

研究人員首先驗證了念珠菌脂肪酶B（以下簡稱CaLB）的存在，對兩相物料混合效果的影響（圖1）。正庚烷和含有酶的水相具有較低的界面張力，這取決于CaLB的兩親性質。

圖1.康寧LF模塊中有無CaLB存在下兩相物料混合效果對比（a. 體系中無CaLB存在下物料混合情況，氣泡較大不均一 b. 在CaLB存在下兩相物料混合后能夠產生更小和更多的均勻液滴）

圖2. PTFE管出口處液滴與康寧低流量反應器（LFR）模塊中的液滴比較無明顯區別，證明了物料在康寧LF模塊中保持穩定的出色的混合效果。

2. 應用康寧一體化低流量反應器（LFR）進行的酶催化的酯化反應
 

研究人員用乙酸酐和異戊醇在酶催化下，對不同溫度下的停留時間對反應收率的影響進行了考察。異戊醇和乙酸酐的酯化反應是分兩步進行的，第yi步反應快速且放熱，產生乙酸異戊酯和乙酸，產生的乙酸可以和剩余的異戊醇繼續反應，生成乙酸異戊酯和水。第二步反應慢得多，因此，圖3 a）中乙酸異戊酯產量的快速增加是由于第yi步的反應。 同時增加體系的總流量可以增大生產能力。在60℃下在8.6分鐘條件下，獲得59%的zui高產率。
 

圖3. a）乙酸異戊酯的收率 b）體積生產率，在不同溫度和條件下得到的，兩相體積比為1:1。
 

同時應該注意的是，酶作為一種生物催化劑在高溫時可能會破壞酶三級結構，導致催化劑失活。

研究人員同時應用了其他兩種微反應器進行實驗發現，在相同溫度下保證形成乳液的混合速度下的底物及酶濃度比康寧低24和15倍，應用康寧微反應器能夠獲得更高的體積生產率及生物催化效率（圖3b）。

康寧低流量（LFR）反應體系同時集成了膜分離系統，這有助于進行酶回收再利用。通過對回收的酶進行再利用，可實現生產成本的降低。利用疏水性的PTFE膜可以將反應物料分為水相（含有酶）和有機相（含有產物），通過如下圖的裝置所示，可以將分離出來的酶在下一個循環中再利用。

圖4.集成了膜分離系統的康寧LFR一體化解決方案

研究人員同時對回收酶的可再利用次數進行了研究。從下圖可以看出，zui初的4次連續運行中酯化收率保持在zui初收率的90%以上，在第五次循環后酯化收率降至初產量的77%。

圖5.酶循環次數對酯化收率的影響

循環利用的水相中含有酶和反應生成的乙酸，在第yi次循環后pH值從zui初的8降至4，并在第五次循環結束時降至3.8。

圖6.不同pH值下酶催化的酯化收率

在額外進行的實驗中單獨考察了各種pH值的緩沖液對CaLB催化活性的影響，實驗結果顯示當將緩沖液的pH從8改為6時酶催化活性降低了13%，這可能是隨著循環次數的增加酯化收率下降的原因。

實驗小結

本研究結果證實了康寧AFR在非均相系統中進行的生物轉化能夠獲得較高的效率，與實驗室規模的混合反應器及其他微反應器相比，康寧LFR系統的產率是迄今為止報告的zui高值。

康寧一體化設備集成的膜分離系統，能夠進行酶的回收再利用。實驗顯示了在4次酶的循環再利用時酶催化效率不會有明顯的損失。

由于水相和酶的回收再利用，該解決方案具有較高的環保可行性及成本經濟性。

該研究為擴大規模及建立更大規模的連續流反應提高了可能性。研究人員還在對工藝參數進行進一步的優化。

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