一种生物催化合成己酸乙酯的连续生产工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种生物催化合成己酸乙酯的连续生产工艺，该工艺采用己酸乙醇为原料，在生物催化剂的作用下发生酯化反应，合成己酸乙酯产品，所述的酯化反应由两个或两个以上的反应器串联组成，在连续操作条件下，溶有己酸和乙醇的反应溶剂不断地流经脂肪酶固定床合成己酸乙酯，反应产生的水透过选择性水透过膜被饱和盐溶液吸收，饱和盐溶液吸收产生的水被稀释后经过重新饱和再循环使用，从而使反应持续朝酯化合成方向进行，直至反应物接近完全转化。与现有技术相比，本发明专利技术具有操作简单、生产效率高等优点。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用生物催化剂脂肪酶高效地催化己酸和乙醇合成己酸乙酯的连续生产新工艺。
技术介绍
己酸乙酯是具有强烈酒香风味的酯类化合物，广泛应用于食品工业，特别是制酒业。己酸乙酯是浓香型曲酒的主体香味成分，其含量的高低直接影响酒的品质。长期以来，己酸乙酯基本上都是采用化学法合成，如用硫酸或对甲苯磺酸作催化剂，由己酸和乙醇在加热条件下直接酯化得到。该方法的优点是催化剂活性高，价廉易得。但硫酸除了催化酯合反应外，还会引起其它一系列难以控制的副反应，使后处理麻烦，产品品质不高。而且，以酸为催化剂还会腐蚀设备，增加生产成本，生产中产生的三废也不容忽视。除了酸外，也有以钛酸四异丙酯硫酸锆、水合硫酸铁、硫酸高沛、钨磷杂多酸、或固体超强酸等为催化剂催化合成己酸乙酯的替代方法，但这些方法由于催化剂的成本、活性以及能耗等诸方面原因而难于取代酸催化法。化学合成的己酸乙酯直接成本较低，在价格上具有优势，但产品的品质及其生产过程对环境造成的危害是一直难以解决的问题，特别是在强调生活质量和环境保护的今天。酶法合成己酸乙酯则被认为很有希望取代化学合成法，酶法合成己酸乙酯的优点在于反应条件温和，能耗低，对环境的危害小，酶的反应速率和转化率均比较高，特别重要的是酶法合成的己酸乙酯产品纯度高，品质好，是美国联邦法规承认的天然产品。而且，在白酒勾兑试验中也表明，酶法合成的己酸乙酯具有协调持久的自然香，而化学法合成的己酸乙酯产生的是浮香效果，无法满足自然香的要求。近几年，已有一些酶法合成己酸乙酯的专利和报道，如有报道称以正庚烷为溶剂，用米根霉脂肪酶，圆柱形假丝酵母脂肪酶或猪胰脂肪酶催化己酸和乙醇酯合转化率为在85-95％之间，生成的己酸乙酯浓度为34.6g/l。又如有报道称用解脂假丝酵母脂肪酶也得到相类似的结果，己酸乙酯的转化率为85％。另外，在超临界二氧化碳中，用固定在硅胶载体上的圆柱形假丝酵母脂肪酶催化合成的己酸乙酯转化率也可达到为80％左右。其它还有一些类似的生物合成己酸乙酯方法，这些方法共同的缺点都是由于不能有效除去反应不断生成的水分，因而酯转化率不高，而且导致后提取困难。脂肪酶在有机相中的催化性能同反应体系的水分含量有很大关系。首先，脂肪酶需要微量的水分才能表现出催化活力，但过量的水分会破坏酶分子的刚性结构，使脂肪酶很快失活；而且，脂肪酶催化酯合成反应所用的有机溶剂一般是非极性的溶剂，如正己烷，正庚烷等，这些溶剂对水的溶解能力很低，酯合成反应产生的水分很快会使有机溶剂饱和而形成游离水，这些游离水不仅会破坏脂肪酶的稳定性，还会附着在脂肪酶上，使之聚集成团，增加传质阻力，降低反应速率。另外，酯化反应为可逆反应，反应随着酯和水的生成逐渐停留在平衡点上，反应积累水会使反应朝酯水解的方向进行而不再合成酯。水是限制酯转化率的主要因素之一。因此，合成己酸乙酯的关键技术之一便是要采用有效的除水方法，除去反应生成的水分，保持反应体系的微水环境。虽然在己酸乙酯的生物合成中，关于如何控制反应体系微水环境的研究还很少，但在另外一些用脂肪酶催化其它酯的合成反应中，实验过的除水方法包括有使用吸水剂分子筛，渗透蒸发，真空干燥，喷雾干燥，和溶剂带水等多种方法。这些方法能不同程度地除去酯合反应产生的水分，使酯化率升高。如分子筛能够选择性地吸收反应体系的水分，有利于底物转化。但分子筛的吸水能力太强且无法控制，会过度地吸去反应体系的水分，使脂肪酶失去保证活性的必须水分，而且分子筛的水容量很小，难以再生，不太可能用于工业规模的酯合成反应中。采用膜渗透蒸发结合冷冻干燥也能除去水分，如在油酸乙酯的的合成中，采用这种方法后转化率能由61.1％升到92％。采用带冷凝器的真空泵除水结合底物循环利用也能使酯转化率达到90％左右。这些方法便于连续操作，也容易放大，但需要低压泵和冷凝器，得有大量资金购买设备和维持设备运转，产品的生产成本较高。若要酯合成反应进行得更高效更完全，则要采用更有效的除水方法。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简单、生产效率高的生物催化合成己酸乙酯的连续生产工艺。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现一种生物催化合成己酸乙酯的连续生产工艺，该工艺采用己酸乙醇为原料，在生物催化剂的作用下发生酯化反应，合成己酸乙酯产品；其特征在于，所述的酯化反应由两个或两个以上的反应器串联组成，其中每个反应器包括以下三个部分(1)填充有催化己酸和乙醇合成己酸乙酯的生物催化剂脂肪酶的固定床，以及流经该固定床的溶解有己酸和乙醇的有机溶剂；(2)吸水性饱和盐溶液；(3)将饱和盐溶液与反应溶剂隔离开的选择性水透过膜；在连续操作条件下，溶有己酸和乙醇的反应溶剂不断地流经脂肪酶固定床合成己酸乙酯，反应产生的水透过选择性水透过膜被饱和盐溶液吸收，饱和盐溶液吸收产生的水被稀释后经过重新饱和再循环使用，从而使反应体系维持在稳定的水活度，反应持续朝酯化合成方向进行，直至反应物接近完全转化；所述的两个或两个以上的反应器串联时，前面的反应器维持在脂肪酶具有高催化活性的水活度，以提高己酸乙酯生成速率，缩短反应周期，后面的反应器维持在较低水活度，使反应物转化完全。所述的脂肪酶为能够催化脂或酯水解，或者催化脂或酯合成的酶；该脂肪酶可以是微生物来源包括皱褶假丝酵母、解脂假丝酵母，或者是动物性来源包括猪胰脂肪酶，或者是植物性来源包括游离酶、固定化酶。所述的溶剂为能够溶解己酸和乙醇的液态物质，该溶剂的辛醇/水分配系数(LogP)在-2～8之间。所述的溶剂选自正己烷、正庚烷、环己烷中的一种或几种的混合物，该溶剂的辛醇/水分配系数(LogP)在3～5之间较佳。所述的己酸和乙醇的浓度在0.01mol/l至1.5mol/l之间。所述的选择性水透过膜可以是由醋酸纤维素基质材料、或者由改性的醋酸纤维素基质材料、或者由聚砜基质材料、或者由聚呋喃甲醇基质材料构成，该选择性水透过膜可以是单一膜，或者是由两种或两种以上基质材料构成的复合膜。所述的饱和盐溶液能将水活度控制在0.1～0.98之间，并且该饱和盐溶液难以通过选择性水透过膜。所述的饱和盐溶液包括选自LiCl、CH3COOK、MgCl2、K2CO3、Mg(NO3)2、KI、NaCl、KCl、KNO3或K2SO4的饱和溶液。所述的酯化反应的反应温度为10℃～90℃。所述的酯化反应的反应温度较佳为25℃～40℃。本专利技术采用某些盐的饱和溶液来使反应体系维持在稳定的水活度，以除去酯合成反应生成的水，如LiCl，CH3COOK，MgCl2，K2CO3，Mg(NO3)2，KI，NaCl，KCl，KNO3，K2SO4的饱和溶液在20摄氏度时水活度分别为0.11，0.23，0.33，0.43，0.54，0.7，0.75，0.85，0.95，0.98。饱和盐溶液比固态盐或水合盐的优越之处在于是液体，能够用循环泵不断地循环再生，更适合连续操作。研究表明，在不同的水活度下，脂肪酶的催化活性相差很大，多数脂肪酶在水活度中等偏高的环境中活性最高；本专利技术所用的一种固定在聚苯乙烯大孔吸附树脂上的脂肪酶，在水活度为0.74时酯合成能力是在水活度为0.57时的1.5到2倍，水活度为0.15时的3到4倍，但酯转化率却是在水活度低的时候更有利，水活度越低，水含量越少，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物催化合成己酸乙酯的连续生产工艺，该工艺采用己酸乙醇为原料，在生物催化剂的作用下发生酯化反应，合成己酸乙酯产品；其特征在于，所述的酯化反应由两个或两个以上的反应器串联组成，其中每个反应器包括以下三个部分：（１）填充有催化己酸和乙醇合成己酸乙酯的生物催化剂脂肪酶的固定床，以及流经该固定床的溶解有己酸和乙醇的有机溶剂；（２）吸水性饱和盐溶液；（３）将饱和盐溶液与反应溶剂隔离开的选择性水透过膜；在连续操作条件下，溶有己酸和乙醇的反应溶剂不断地流经脂肪酶固定床合成己酸乙酯，反应产生的水透过选择性水透过膜被饱和盐溶液吸收，饱和盐溶液吸收产生的水被稀释后经过重新饱和再循环使用，从而使反应体系维持在稳定的水活度，反应持续朝酯化合成方向进行，直至反应物接近完全转化；所述的两个或两个以上的反应器串联时，前面的反应器维持在脂肪酶具有高催化活性的水活度，以提高己酸乙酯生成速率，缩短反应周期，后面的反应器维持在较低水活度，使反应物转化完全。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：童海宝，肖禄生，蔡扬，徐大刚，
申请(专利权)人：上海化工研究院，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]