卤醇脱卤酶的固定化及其在合成环氧氯丙烷中的应用

作     者：顾恺 

作者单位：浙江工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑裕国;邹树平

授予年度：2016年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：卤醇脱卤酶 环氧氯丙烷 1,3-二氯-2-丙醇 多点共价固定化 填充床反应器 

摘      要：环氧氯丙烷(ECH)是一种重要的有机化工和精细化工原料,其中具有光学活性的环氧氯丙烷也是一种重要的的C手性药物合成中间体,在医药、农药和精细化工等领域有极为广泛的应用。目前生物柴油副产物甘油的大量增加,甘油价格大幅度降低,将甘油转化为手性ECH工艺已成为甘油高值化利用的重要方向之一。卤醇脱卤酶是化学-酶法转化甘油合成手性ECH的关键酶。为进一步提高卤醇脱卤酶的操作稳定性和重复使用性、减少催化剂生产成本、提高产物回收率,本论文采用多点共价固定化法对卤醇脱卤酶进行了固定化,对固定化工艺参数进行优化,研究了固定化酶的酶学性质及其在填充床式反应器中的应用,主要研究结果如下:首先,对卤醇脱卤酶的固定化制备进行了研究。对不同树脂载体进行了筛选,确定最佳固定化载体为ES-103B环氧树脂。其最佳固定化工艺为:在25℃下,吸附缓冲液为0.1 M,pH 7.0磷酸钠缓冲液,加入酶液使其浓度为0.5 mg/mL,25℃固定10 h。取出固定化酶重新置于共价缓冲液(0.1 M,pH 9.0磷酸钠缓冲液)中,30℃保温24 h。在优化条件下,酶活回收率为72.4%,固定化效率为94.5%,固定化酶比酶活可达528 U/g。其次,对固定化卤醇脱卤酶的酶学性质进行了表征。结果表明,固定化酶最适反应温度为70℃,最适pH为9.0。在40℃,50℃,60℃温度下的半衰期分别为68.6 day、25.8 day、1.3 day。在pH 8.0-10.0保温7天后仍保留90%左右的酶活。在4℃贮藏30天仍保留85%以上的酶活。在底物浓度40 mM下,催化过程的最佳固定化酶量为40 g/L以及催化反应所需的时间为40 min。其在反应釜反应器中的操作稳定性,经过15批反应后还有相对初始95%左右的收率。最后,对固定化卤醇脱卤酶在填充床反应器中催化过程进行了研究。确定了最优的反应条件为:填充床高径比(H/D)为2.7,固定化卤醇脱卤酶填充量为60 g/L,底物流速为8 mL/min,反应温度为40℃,反应时间为40 min。连续反应50批后产物收率仍保持相对第一批收率的90%以上。为了减少产物对酶的抑制作用,在填充床反应装置中耦联HZD-9大孔树脂吸附柱,通过催化产物的原位吸附,产物ECH的时空产率从4.20g/L/h提高到7.38 g/L/h。对固定化卤醇脱卤酶突变体(P175S/W249P)立体选择性催化1,3-DCP生成(S)-ECH条件进行了研究。确定固定化酶最适反应温度为65℃,最适pH为9.0。考察了在催化过程中控制反应pH对催化效果的影响,当反应pH在8.5-9.0时,底物浓度从40 mM提高到80 mM。考察了固定化酶在反应釜反应器中的操作稳定性表明,反应25批次后,(S)-ECH的收率相比初始收率仍有80%以上。