利用固定在疏水性树脂上的脂肪酶的酶促转酯/酯化处理系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开的主题涉及用于生产脂肪酸烷基酯的处理系统和方法，所述脂肪酸烷基酯 用于例如生物燃料、食品、化妆品、药物和清洁剂工业中。
[0002] 现有技术
[0003]下文列举了被认为作为【背景技术】与本公开的主题相关的参考文献：
[0004] -W0 2011/107977
[0005]-共同未决的国际专利申请PCT/IL2011/000699
[0006] -Ricca，E.等人，Asia-Pac. J. Chem. Eng. 2009 ;4:365-368
[0007] -Hilterhaus，L.等人，Organic Process Res. Develop. 2008, 12:618-625
[0008] -Sotoft，L. F.等人，Bioresource Technol. 2010, 101:5266-5274
[0009] -Hama, S.等人，Biochem. Eng. J. 2011，55:66-71
[0010] 本文承认上述参考文献不应被推断为意为它们以任何方式与本公开的主题的专 利性相关。
【背景技术】
[0011] 生物燃料（生物柴油）的酶生产通常在多相系统中实施，并且为复杂的方法。该 反应是转酯/酯化反应，例如，如在申请人的W011/107977和共同未决的国际专利申请PCT/ IL2011/000699中所公开的，其中脂肪酸源（例如油）和醇或醇供体在脂肪酶（或磷脂酶） 制剂，具体在固定化脂肪酶/磷脂酶制剂的存在下反应。
[0012] 已由大量技术描述酶的固定化，所述大量技术基本上旨在减少酶在整个酶方法中 的成本分担；促进酶从产物的回收；以及使方法能够连续操作。上述W0 11/107977和共同 未决的PCT/IL2011/000699还公开了用于固定脂肪酶/磷脂酶的技术。通常地，固定化技 术采用酶对固相支持体诸如二氧化硅和不溶性聚合物的物理吸附；在离子交换树脂上的吸 附，酶对固相支持体材料诸如环氧化的无机或聚合支持体的共价结合，酶在生长聚合物中 的截留，酶在膜反应器或半渗透凝胶或交联酶晶体（CLECS)或聚集体（CLEAS)中的限制。因 为固定化酶是昂贵的，并且在使用它们的所有生产方法中均为成本影响参数，所以主要问 题是生产将稳定、同时有效以便在大量的反应循环中使用的固定化酶制剂。
[0013] 脂肪酶和磷脂酶对于亲水性底物，特别是短链醇和短链脂肪酸（c4以下）展示出 低耐受性。已经在许多调查研宄中观察到短链醇和短链脂肪酸诸如分别甲醇和乙酸，造 成使必需的水分子从那些酶的四级结构分离，导致其变性和因此导致其催化活性的损失。 此缺点已禁止了脂肪酶用于使用油甘油三酯和甲醇作为底物来生产商业量的脂肪酸甲酯 ("生物柴油"）的应用。
[0014] 在上述脂肪酸源与游离醇的转酯/酯化反应中，形成的甘油和水副产物通常在生 物催化剂上和/或其附近积聚，阻隔底物自由接近固定化酶的活性位点。当使用相同批次 的生物催化剂时，这些生物催化剂通常在几个循环之后失去其催化性能。特殊固定化酶制 剂在许多生产循环内展示出良好的稳定性，使活性持久化。这样的酶制剂的实例尤其公开 在申请人的 WO 2008/084470、TO 2008/139455 和 TO2009/069116 中。
[0015] 进行催化反应的条件可不利地影响固定化酶制剂的稳定性和效率。重要的是具有 在反应条件下保持稳定性和活性的酶制剂。
[0016] 考虑确定反应速率、重新使用酶的可能性等的因素一一其中的一些已在上文中描 述，反应器的选择是重要的。为了获取高产率和维持固定化酶制剂的稳定性，申请人的W0 2011/107977和共同未决的PCT/IL2011/000699公开了搅拌槽反应器（STR)。
[0017] 大多数使用固定化酶的生物柴油生产研宄已经报告了分批地或以连续模式操作 的搅拌槽反应器（STR)的用途。在槽反应器中机械地搅拌固定化酶，所述槽反应器包含保 留酶以用于多次使用的筛网。已经发现这样的系统适于实现反应器中固定化酶的分散；然 而，由于高剪切力，树脂-固定化酶可能易受损耗，导致酶活性的损失。极少调查研宄已研 宄了固定化酶还在填充床反应器（PBR)中的用途。周期地从PBR移出在转酯/酯化反应中 形成的甘油副产物以防止阻塞系统。已经在实验室规模下使用这样的系统，但没有在可在 PBR上形成高压降的大规模或工业规模下使用，所述高压降可导致抑制PBR的连续操作。
[0018] 为了改善底物的质量转移并也避免系统中的压降，不同的工作研宄已经使用助溶 剂。
[0019] 包括流化床反应器（FBR)、泡罩塔反应器（BCR)和膨胀床反应器（EBR)的其它类型 的反应器尚未被评估，也没有被建议用于借助于固定化酶生产生物柴油，并且在任何情况 下，由于与其相关联的问题，包括例如产物流中的低转化率和催化活性的损失，这样的反应 器惯例地被认为不适于此目的（Sotoft等人，2010,如上）。
【发明内容】
[0020] 本文公开的是使用醇转酯/酯化脂肪酸源以形成脂肪酸烷基酯的处理系统，其包 括配置为使反应介质在固定化脂肪酶制剂的存在下反应的反应容器，所述反应介质包括脂 肪酸源以及醇和醇供体中的至少一种，其中固定化脂肪酶制剂包括固定在疏水性多孔支持 体上的至少一种脂肪酶，并且其中所述处理系统被配置为在至少部分与重力相对的方向上 使反应介质穿过所述固定化脂肪酶制剂。
[0021] 在公开的主题的至少一个实施方式中，处理系统可被配置为提供所述固定化脂肪 酶制剂的膨胀床或流化床。
[0022] 在公开的主题的上述或其它实施方式中，公开的处理系统中的所述反应容器可包 括容器入口端和容器出口端，并且所述容器入口端可以在低于所述容器出口端的位置。进 一步地，所述反应容器可包括用于搅拌反应容器内的反应介质和所述固定化脂肪酶制剂的 搅拌系统。仍进一步地，所述反应容器可至少在操作所述处理系统生产所述脂肪酸烷基酯 期间包括固定化脂肪酶制剂。还进一步地，所述反应容器可至少在操作所述处理系统生产 所述脂肪酸烷基酯期间包括脂肪酸源以及醇和醇供体中的至少一种。
[0023] 在本公开的主题的上述或其它实施方式中，公开的处理系统中的所述反应介质可 至少在操作所述处理系统生产所述脂肪酸烷基酯期间包括含水碱性缓冲溶液和水中的至 少一种，所述水是游离水和与一种或多种多元醇混合的水中的至少一种。进一步地，所述反 应介质包括混合物，所述处理系统包括经由所述容器入口端与所述反应容器选择性流体连 通的预反应容器，所述预反应容器被配置为至少在操作所述处理系统生产所述脂肪酸烷基 酯期间预混合至少脂肪酸源以及醇和醇供体中的至少一种以形成所述混合物，并且选择性 地将所述混合物递送至所述反应容器。
[0024] 在本公开的主题的上述或其它实施方式中，所述处理系统进一步包括脂肪酸源的 供应，其与所述预反应容器选择性流体连通并被配置为至少在所述处理系统的所述操作期 间将脂肪酸源选择性地递送至所述预反应容器；和醇源，其与所述预反应容器选择性流体 连通并被配置为至少在所述处理系统的所述操作期间将醇和醇供体中的至少一种选择性 地递送至所述预反应容器。
[0025] 在本公开的主题的上述或其它实施方式中，所述处理系统进一步任选地包括含水 缓冲剂源和水源中的至少一种，其与所述预反应容器选择性流体连通并被配置为至少在所 述处理系统的所述操作期间将含水碱性缓冲溶液和游离或与一种多元醇/多种多元醇混 合的水中的至少一种选择性地递送至所述预反应容器，以包括在所述反应混合物中。所述 处理系统可被配置为至少在所述处理系统的所述操作期间以连续方式或以离散批次将脂 肪酸源以及醇和醇供体中的至少一种的一种或多种选择性地递送至所述预反应容器。进一 步地，所述处理系统可被配置为至少在所述处理系统的所述操作期间以连续方式或以离散 批次将含水碱性缓冲溶液和游离或与一种多元醇/多种多元醇混合的水中的至少一种选 择性地递送至所述预反应容器。公开的处理系统的实施方式中的所述预反应容器可被配置 为至少在所述处理系统的所述操作期间以连续方式或以离散批次将所述混合物选择性地 递送至所述反应容器。
[0026] 在本公开的主题的上述或其它实施方式中，公开的处理系统可被配置为将以下的 至少一种：脂肪酸源；和/或醇和醇供体中的至少一种；和/或含水碱性缓冲溶液和游离或 与一种多元醇/多种多元醇混合的水中的至少一种，选择性地且直接地递送至所述反应容 器。
[0027]在本公开的主题的上述或其它实施方式中，所述反应容器可包括热调节处理系 统，其配置为将所述反应容器中的反应介质维持在选定的温度范围内。
[0028] 在本公开的主题的上述或其它实施方式中，所述处理系统可进一步包括保留装 置，其配置为至少在所述处理系统的操作期间将固定化脂肪酶制剂保留在所述反应容器 内。所述保留装置可在所述反应容器出口和所述反应容器入口中的一个或两个处。
[0029] 在本公开的主题的上述或其它实施方式中，所述处理系统进一步包括与所述反应 容器选择性流体连通的产物分离容器，所述处理系统被配置为将包括反应产物的反应混合 物从所述反应容器选择性地递送至所述产物分离容器，并且其中所述产物分离容器被配置 为将某一产率的脂肪酸烷基酯选择性地从递送至所述产物分离容器的反应混合物中分离。 所述产物分离容器可包括离心机、聚结器和重力分离处理系统中的一个。
[0030] 在本公开的主题的上述或其它实施方式中，在所述处理系统中，所述反应容器可 被配置为至少在所述处理系统的所述操作期间以连续方式或以离散批次将所述反应产物 选择性地递送至所述产物分离容器。
[0031] 在公开的主题的上述或其它实施方式中，处理系统可被配置为从所述产物分离容 器选择性地分配所述产率的脂肪酸烷基酯。进一步地，所述处理系统可被配置为以连续方 式或以离散批次从所述产物分离容器递送所述产率的脂肪酸烷基酯。还进一步地，所述处 理系统可被配置为从递送至所述产物分离容器的反应混合物增加脂肪酸烷基酯的所述产 率。仍进一步地，所述处理系统被配置为将所述产率的脂肪酸烷基酯选择性地再发送至所 述反应容器以进一步从随后递送至所述产物分离容器的反应混合物增加脂肪酸烷基酯的 所述产率。所述处理系统还可被配置为将所述产率的脂肪酸烷基酯选择性地再发送至辅助 反应器组件，其中所述辅助反应器组件包括辅助反应器容器和辅助产物分离容器，其中所 述进一步增加产率的脂肪酸烷基酯随后经由所述辅助产物分离容器被选择性地递送。
[0032]在本公开的主题的上述或其它实施方式中，公开的处理系统中的所述辅助反应容 器可被配置为在固定化脂肪酶制剂的存在下使所述产率的脂肪酸烷基酯反应，其中固定化 脂肪酶制剂包括固定在疏水性多孔支持体上的至少一种脂肪酶，并且其中所述处理系统被 配置为在至少部分与重力相对的方向上使反应介质穿过所述辅助反应容器中的所述固定 化脂肪酶制剂。
[0033]在本公开的主题的上述或其它实施方式中，所述处理系统可被配置为将包括所述 反应产物的反应混合物选择性地输出和再发送回所述反应容器，用于在其中进一步处理以 提尚所述脂肪酸烷基醋的广率。
[0034]在本公开的主题的上述或其它实施方式中，所述处理系统可被配置为将包括所述 反应产物的反应混合物选择性地输出和再发送回所述反应容器，并且被配置为随后将包括 反应产物的改变的反应混合物选择性地输出和递送至所述产物分离容器，并且其中所述产 物分离容器被配置为将某一产率的脂肪酸烷基酯选择性地从递送至所述产物分离容器的 反应混合物中分离。进一步地，所述处理系统可被配置为在至少部分与重力相对的方向上 再发送反应混合物通过所述反应容器。公开的处理可被配置为将由所述辅助反应容器提供 的反应混合物选择性地输出和再发送回所述辅助反应容器，以提高所述脂肪酸烷基酯的产 量。所述处理系统可被配置为将由所述辅助反应容器提供的包括所述反应产物的反应混合 物选择性地输出和再发送回所述辅助反应容器，并且被配置为随后将包括反应产物的改变 的反应混合物从所述辅助反应容器选择性地输出和递送至所述辅助产物分离容器，并且其 中所述辅助产物分离容器被配置为将某一产率的脂肪酸烷基酯选择性地从递送至所述产 物分离容器的反应混合物中分离。
[0035]在本公开的主题的上述或其它实施方式中，所述处理系统可被配置为在至少部分 与重力相对的方向上使反应产物穿过所述辅助反应容器。
[0036]在本公开的主题的上述或其它实施方式中，所述处理系统可包括以任意期望组合 或排列的下列特征中的一个或多个：
[0037] A.反应容器至少在操作所述处理系统生产所述脂肪酸烷基酯期间可包括固定化 脂肪酶制剂。
[0038] B.另外地或替代特征A地，反应容器至少在操作所述处理系统生产所述脂肪酸烷 基酯期间可包括脂肪酸源以及醇和醇供体中的至少一种。
[0039] C.另外地或替代特征A或B地，所述反应介质包括混合物，所述处理系统进一步包 括与所述反应容器选择性流体连通的预反应容器，所述预反应容器被配置为至少预混合脂 肪酸源和醇与醇供体中的至少一种以形成所述混合物，并且被配置为至少在操作所述处理 系统生产所述脂肪酸烷基酯期间将所述混合物选择性地递送至所述反应容器。处理系统可 任选地进一步包括脂肪酸源和醇源，所述脂肪酸源与所述预反应容器选择性流体连通，并 且被配置为至少在所述处理系统的所述操作期间将脂肪酸源选择性地递送至所述预反应 容器；所述醇源与所述预反应容器选择性流体连通，并且被配置为至少在所述处理系统的 所述操作期间将醇和醇供体中的至少一种选择性地递送至所述预反应容器。处理系统可任 选地进一步包括缓冲剂源，其与所述预反应容器选择性流体连通，并且被配置为至少在所 述处理系统的所述操作期间将含水碱性缓冲溶液和水（或如本文所定义的水溶液）中的至 少一种选择性地递送至所述预反应容器，以包括在所述混合物中。
[0040] D.另外地或替代特征A至C地，处理系统可被配置为至少在所述处理系统的所述 操作期间，各自以连续方式或以离散批次将一种或多种脂肪酸源和/或醇和醇供体中的至 少一种和/或含水碱性缓冲溶液和水（或如本文所定义的水溶液）中的至少一种选择性地 递送至所述预反应容器。
[0041] E.另外地或替代特征A至D地，预反应容器可被配置为至少在所述处理系统的所 述操作期间，以连续方式和/或以离散批次将所述混合物选择性地递送至所述反应容器。
[0042] F.另外地或替代特征A至E地，处理系统可被配置为将至少一种脂肪酸源；醇和 醇供体中的至少一种；以及含水碱性缓冲溶液和水（或如本文所定义的水溶液）中的至少 一种选择性地且直接地递送至所述反应容器。
[0043] G.另外地或替代特征A至F地，反应容器可包括热调节处理系统，其被配置为将所 述反应容器中的反应介质维持在选定的温度范围内。
[0044] H.另外地或替代特征A至G地，处理系统可任选地进一步包括保留装置，其被配置 为至少在所述处理系统的操作期间将固定化脂肪酶制剂保留在所述反应容器内。
[0045] I.另外地或替代特征A至H地，所述处理系统进一步包括与所述反应容器选择性 流体连通的产物分离容器，所述处理系统被配置为将包括反应产物的反应混合物从所述反 应容器选择性地递送至所述产物分离容器，并且其中所述产物分离容器被配置为将某一产 率的脂肪酸烷基酯选择性地从递送至所述产物分离容器的反应混合物中分离。例如，所述 产物分离容器可以是离心机、聚结器和重力分离处理系统中的一个。
[0046] J.另外地或替代特征A至I地，反应容器被配置为至少在所述处理系统的所述操 作期间以连续方式和/或以离散批次将所述反应混合物选择性地递送至所述产物分离容 器。
[0047] K.另外地或替代特征I至J地，处理系统被配置为从所述产物分离容器选择性地 递送所述产率的脂肪酸烷基酯。例如，处理系统被配置为以连续方式和/或以离散批次从 所述产物分离容器选择性地递送所述产率的脂肪酸烷基酯。
[0048] L.另外地或替代特征A至K地，处理系统被配置为从递送至所述产物分离容器的 反应混合物增加脂肪酸烷基酯的所述产率。在具有此特征的处理系统的一个配置中，处理 系统被配置为将所述产率的脂肪酸烷基酯选择性地再