基本信息
- 项目名称：
- 基于溶剂工程的脂肪酶构效关系与酶法制备生物柴油新技术
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 创新性地开发了基于溶剂工程的酶法制备生物柴油新工艺；把酶法生物柴油与高值化技术有效耦联，将生物柴油加工成高性能精细化学品。利用不同脂肪酶具有的不同活性特征及动力学特性，发挥不同脂肪酶的组合优势，大大地降低酶的使用成本。而高值化耦联得到的高性能精细化学品也大幅度提高生物柴油附加值。从而有望研发一种通用的，低成本的，高产值的生物柴油生产工艺。该工艺对于解决能源及环保问题有着至关重要的作用
- 详细介绍：
- 近年来，人类正面临着能源危机和环境污染等重大问题，生物柴油作为一种清洁可再生的替代液体燃料已引起世界各国的高度重视。生物酶法合成生物柴油有望解决传统化学法过程中出现的诸如酸碱废液排放所造成的“二次污染”、高能耗以及产品不易回收等技术难题。而目前，酶法生物柴油最大的问题在于成本太高，效益低。 本作品创新性地开发了基于溶剂工程的酶法制备生物柴油新工艺；把酶法生物柴油与高值化技术有效耦联，将生物柴油加工成高性能精细化学品。利用不同脂肪酶具有的不同活性特征及动力学特性，发挥不同脂肪酶的组合优势，大大地降低酶的使用成本。而高值化耦联得到的高性能精细化学品也大幅度提高生物柴油附加值。从而有望研发一种通用的，低成本的，高产值的生物柴油生产工艺。该工艺对于解决能源及环保问题有着至关重要的作用，更对我国促进科技进步和构建和谐社会有着积极地推动作用，也具有极大地社会效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品设计目的：1.在成功完成单一酶法工艺的产业化示范基础上，开发出具有广泛油源适应性的高效复合酶法制备生物柴油新工艺，大幅缩短看反应时间，减少了酶的用量，提高了生物柴油的转化效率，大幅降低了生产成本。同时，通过溶剂体系的改变，进一步提高复合酶的催化效率和操作稳定性，为实现复合酶法新工艺的工程化奠定技术基础。2.针对目前生物柴油综合经济效益低的现状，开展利用生物柴油中不饱和脂肪酸甲酯制备高附加值的聚酰胺尼龙和聚氨酯工程材料等精细化学品。同时，与复合酶法生物柴油工艺有效耦合与技术集成，实现多产品一体化连续生产。 二、基本思路：1.利用生物酶催化法制备生物柴油，开发出具有广泛油源适应性的高效复合酶法制备生物柴油新工艺。2.利用生物柴油中不饱和脂肪酸甲酯制备高附加值的精细化学品。 三、作品创新点：1.基于溶剂工程的复合酶法制备生物柴油新工艺，降低酶使用成本； 2.将酶法生物柴油与高值化技术有效耦联，将生物柴油加工成高性能精细化学品。 四、技术关键：1.研究非水介质中脂肪酶的构效关系。2.开发基于溶剂工程的复合酶法制备生物柴油新工艺，降低酶使用成本，提高生物柴油转化率和生产效率。3.将生物柴油进一步加工成高附价值的精细化学品，延长产业链，提高生物柴油的综合经济效益。 五、主要技术指标：1.实现复合酶法新工艺与高值化技术有效集成，联产出合格的生物柴油、聚酰胺树脂、聚氨酯工程材料等产品；2.生物柴油转化率大于98％，酶寿命大于3000h，生物柴油综合经济效益增值3倍以上。
科学性、先进性
- 一、作品的科学性： 1.研究显示，脂肪酶结构暴露了一个溶剂易于接近的活性位点高开放构象。这种结构特征表明，可通过改变其二级结构，大幅度地移动“盖子”，使活性位点暴露出来。因此，从酶蛋白构象变化上，可以揭示非水相反应介质中脂肪酶催化特性的变化机理，从而阐明非水介质中脂肪酶结构变化特点与构效关系这一关键基础科学问题，对于拓展和诠释脂肪酶催化制备工艺具有重要的学术理论价值； 2.将生物法和化学法进行有效组合，将酶法生物柴油与高值化技术有效耦联，大幅度提高生物柴油综合经济效益。 二、作品的先进性: 1.基于生物信息学，首次研究了脂肪酶在离子液体和有机溶剂混合介质中的构效关系，开创了一种脂肪酶非水相催化反应的新型介质。结果表明，脂肪酶在这种新型的反应介质中催化效率大大提高。 2.本作品融入 “介质工程”新技术和运用圆二色谱分析技术，阐明脂肪酶在有机溶剂、离子液体及其混合介质等非水相体系中的构象变化规律及其存在特点，从酶蛋白构象变化上探明“介质工程”对酶催化特性的影响机制，诠释其构效关系。
获奖情况及鉴定结果
- 1.项目研究了非水介质中脂肪酶的构效关系，研究结果以论文形式于2010年12月发表于Bioresource Technology（鉴定结果:SCI收录论文，影响因子4.253）； 2.项目研究的固定化酶工艺获得了国家专利； 3.项目获得了2011年省挑战杯特等奖； 4.项目成员获得2010年省大学生优秀科研成果一等奖； 5.项目得到了中科院水生生物研究所“百人计划”研究员王强,中科院生物物理所所长徐涛和教育部长江学者特聘教授黄云辉的推荐； 6.项目作了国内查新，未见与项目相同的文献和专利报道。
作品所处阶段
- 实验室阶段，且正在研究将高值化应用于实际生产。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物，样品，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、作品的技术特点和优势： 1.基于溶剂工程的高效复合酶法制备生物柴油新工艺； 2.将酶法生物柴油与高值化技术有效耦联，将生物柴油加工成高性能精细化学品，大幅度提高生物柴油附加值，实现多产品一体化连续生产。 二、作品适应范围： 油脂深加工和生物柴油领域。 三、推广前景和技术性说明： 1.实现复合酶法新工艺与高值化技术有效集成之后，可进一步研究工艺放大技术； 2.利用溶剂工程手段提高酶催化活力与复合酶协同催化，建设基于溶剂工程的复合酶法生物柴油制备及高值化耦合技术小试生产线一条。 四、市场分析和经济效益预测： 1.联产出合格的生物柴油、聚酰胺树脂、聚氨酯工程材料等产品； 2.预期生物柴油综合经济效益增值3倍以上。
同类课题研究水平概述
- 近年来，人类正面临着能源危机和环境污染等重大问题，生物柴油作为一种清洁可再生的替代液体燃料已引起世界各国的高度重视。而生物酶法合成生物柴油有望解决传统化学法过程中出现的诸如酸碱废液排放所造成的“二次污染”、高能耗以及产品不易回收等技术难题。因此，脂肪酶作为酶法合成生物柴油的优良催化剂倍受关注。脂肪酶是一类由生物细胞产生的具有特殊三维空间构象的蛋白质，其广泛应用于生物能源、食品、医药、制革和有机合成等领域。但是，脂肪酶的催化活性和稳定性往往与酶的种类、纯度、存在形式以及反应介质等诸多因素有关。利用介质工程调控脂肪酶的催化反应最早可追溯到1984年《Science》上发表的一篇论文，文章指出在仅含微量水的有机介质中脂肪酶成功催化合成了酯、肽、手性醇等诸多有机化合物。自此，大量涌现出脂肪酶在有机溶剂、离子液体以及刚刚兴起的超临界流体等非水介质中催化反应方面的文献报道，但多数集中在单一有机溶剂、离子液体和超临界流体介质等，对于混合非水介质报道较少。研究显示，非水介质中，大多数脂肪酶在保持较高催化活性的前提下，其操作稳定性比水相介质中要高得多，推测原因可能是由于脂肪酶在非水相介质中酶蛋白构象发生了变化所致。而前期我们初步研究得出，脂肪酶在离子液体[BMIM][PF6]体系中的催化活力及稳定性明显强于无溶剂和叔丁醇体系。而且，与传统的有机溶剂不同，离子液体没有可观测蒸汽压，具有很好的热稳定性，可以溶解多种混合物，还可以与多种有机溶剂组成两相体系。但是，离子液体与酶的带电基团之间的交互作用，以致与酶的活性中心或外围结合改变酶的构象，从而影响催化能力；以及脂肪酶的构象和催化特性在离子液体-有机溶剂混合介质中的内在关联等等，这些基础问题的研究仍旧欠缺。截止目前，仍不清楚离子液体以及离子液体-有机溶剂混合介质中脂肪酶的构效关系。因此，选择以传统有机溶剂、离子液体以及它们的两相混合介质为非水反应体系，研究脂肪酶在上述非水介质中的构象变化与催化特性，对于酶催化反应体系拓宽以及在生物催化领域中的应用均具有重要的理论意义。目前，酶法生物柴油最大的问题在于成本高，效益低。针对这一问题，我们提出将生物柴油加工成聚酰胺树脂、聚氨酯工程材料等高附加值产品，实现多产品一体化生产，将酶法生物柴油与高值化技术有效耦联，大幅度提高生物柴油综合经济效益。而这一方面尚未见相关文献报道。
