酶在环保领域的应用

Contents脂肪酶脂肪酶 脂肪酶在环保领域的应用脂肪酶在环保领域的应用 研究与应用现状研究与应用现状 123v 脂肪酶脂肪酶是一种具有多种催化能力的酶，可以催化是一种具有多种催化能力的酶，可以催化三酰甘油酯三酰甘油酯及其他及其他一些一些水不溶性酯类水不溶性酯类的水解（如磷脂酶、溶血磷脂酶、胆固醇酯酶、的水解（如磷脂酶、溶血磷脂酶、胆固醇酯酶、酰肽水解酶活性等），形成酰肽水解酶活性等），形成脂肪酸、甘油二酯、甘油单酯、甘油脂肪酸、甘油二酯、甘油单酯、甘油。具有优良的底物特异性，立体选择性和有机溶剂稳定性具有优良的底物特异性，立体选择性和有机溶剂稳定性v 而研究表明，脂肪酶除了能够催化而研究表明，脂肪酶除了能够催化甘油酯类化合物的水解甘油酯类化合物的水解和合成之和合成之外，还可以用于外，还可以用于催化酯交换反应催化酯交换反应、生物表面活性剂的合成、多肽合、生物表面活性剂的合成、多肽合成、成、聚合物的合成聚合物的合成和药物的合成等。尤其是利用某些脂肪酶的立体和药物的合成等。尤其是利用某些脂肪酶的立体专一性，催化旋光异构体的拆分和手性药物的合成成为酶工程领域专一性，催化旋光异构体的拆分和手性药物的合成成为酶工程领域研究的新热点。研究的新热点。脂肪酶是一种特殊的酯键水解酶，只作用于脂肪酶是一种特殊的酯键水解酶，只作用于异相系统异相系统（油水界面）（油水界面）。而其不同活性的发挥依赖于反应体系的特点，如在油水界面促进。而其不同活性的发挥依赖于反应体系的特点，如在油水界面促进酯水解，而在有机相中可以酶促合成和酯交换。酯水解，而在有机相中可以酶促合成和酯交换。1.1 脂肪酶催化的反应脂肪酶催化的反应1.2 脂肪酶来源脂肪酶来源动物动物 ：胰脏和脂肪组织，肠液中含有胰脏和脂肪组织，肠液中含有少量脂肪酶。肉食动物的胃液中含有少量脂肪酶。肉食动物的胃液中含有少量的丁酸甘油酯酶。少量的丁酸甘油酯酶。植物植物 ：油料作物的种子油料作物的种子，如麻子、小，如麻子、小麦胚芽、米糠等。麦胚芽、米糠等。微生物微生物 ：真菌（曲霉、青霉、毛霉、真菌（曲霉、青霉、毛霉、米根霉、酵母等）；细菌（假单胞菌米根霉、酵母等）；细菌（假单胞菌等）等）。123广泛存在于：广泛存在于：1.3 微生物脂肪酶微生物脂肪酶v 微生物脂肪酶微生物脂肪酶是一种重要的工业酶类。与动植物脂肪酶是一种重要的工业酶类。与动植物脂肪酶相比，微生物脂肪酶有相比，微生物脂肪酶有更广的作用更广的作用PH范围和温度范围范围和温度范围及及便于进行工业生产和获取高纯度制剂便于进行工业生产和获取高纯度制剂。尤其因在油脂化。尤其因在油脂化工和有机合成工业中，酶催化反应有工和有机合成工业中，酶催化反应有条件温和、耗能低条件温和、耗能低、原料要求低、成品质量高、原料要求低、成品质量高等优点而得到广泛应用。动等优点而得到广泛应用。动植物中脂肪酶含量、种类有限，工业主要利用微生物进植物中脂肪酶含量、种类有限，工业主要利用微生物进行发酵生产。行发酵生产。v 经国内外多年的深入研究，能应用于工业生产脂肪酶的微经国内外多年的深入研究，能应用于工业生产脂肪酶的微生物种类不断增加。目前脂肪酶生产菌种已遍及细菌、酵生物种类不断增加。目前脂肪酶生产菌种已遍及细菌、酵母及霉菌各大类中。近期公布的母及霉菌各大类中。近期公布的36种不同来源的商业化脂种不同来源的商业化脂肪酶中，有肪酶中，有19种来源于种来源于真菌真菌，8种来源于种来源于细菌细菌。v 同时随着生物技术的不断发展（酶固定化技术、界面酶学同时随着生物技术的不断发展（酶固定化技术、界面酶学和非水解酶学研究的突破性进展），逐步扩展了微生物脂和非水解酶学研究的突破性进展），逐步扩展了微生物脂肪酶应用领域。微生物脂肪酶的多功能性不仅对传统的工肪酶应用领域。微生物脂肪酶的多功能性不仅对传统的工业领域具有重要的影响，而且在许多新的工业领域，如业领域具有重要的影响，而且在许多新的工业领域，如环环保领域保领域也得到了广泛的应用。也得到了广泛的应用。v 每年由于各种原因每年由于各种原因排入海中的废油脂达排入海中的废油脂达200万万t，如不及时，如不及时处理，不仅会造成鱼类的大量死亡，而且废油脂中的有害处理，不仅会造成鱼类的大量死亡，而且废油脂中的有害物质也会通过食物链进入人体。物质也会通过食物链进入人体。v 餐饮业废油脂餐饮业废油脂是现代餐饮业的副产品，由于经过多次反复是现代餐饮业的副产品，由于经过多次反复高温煎炸，其中不仅游离脂肪酸含量高，而且含有上百种高温煎炸，其中不仅游离脂肪酸含量高，而且含有上百种醛、酮和聚合物等氧化产物。这些废油脂除部分用于生产醛、酮和聚合物等氧化产物。这些废油脂除部分用于生产低附加值的肥皂外，大部分非法进入饮食业，极大地威胁低附加值的肥皂外，大部分非法进入饮食业，极大地威胁着人的身体健康。着人的身体健康。v 有调查数据显示，有调查数据显示，中国人一年大约要吃掉近中国人一年大约要吃掉近300万吨万吨“地地沟油沟油”。其污染所造成的环境压力不言而喻。如何处理这其污染所造成的环境压力不言而喻。如何处理这些垃圾成为当务之急。而从长远来看，研究开发些垃圾成为当务之急。而从长远来看，研究开发可降解材料迫在眉急。如果在这些废弃塑料中有可降解材料迫在眉急。如果在这些废弃塑料中有30为为可降解塑料可降解塑料，那么我们的环境将会得到大，那么我们的环境将会得到大大的改善。大的改善。庞大的塑料垃圾庞大的塑料垃圾塑料包装材料塑料包装材料 5000万吨万吨 其中超过其中超过1/3为一次性发泡材料为一次性发泡材料30%土地利用地膜土地利用地膜+农业育苗钵及保鲜膜农业育苗钵及保鲜膜约约1000万吨万吨其他废弃塑料其他废弃塑料约约1000万吨万吨 v 微生物脂肪酶生物技术微生物脂肪酶生物技术应用于应用于被污染环境的修复以及废物被污染环境的修复以及废物处理处理是一个新兴的领域。由于大多数低温脂肪酶都有着比是一个新兴的领域。由于大多数低温脂肪酶都有着比较低的最适酶活反应温度（接近自然环境温度），因此它较低的最适酶活反应温度（接近自然环境温度），因此它们在环境修复领域有极大用武之地。脂肪酶不仅可用于去们在环境修复领域有极大用武之地。脂肪酶不仅可用于去除低温状态下工业废物中的油脂（如石油开采和炼制过程除低温状态下工业废物中的油脂（如石油开采和炼制过程中产生的油泄漏，脂类加工所产生的含脂废物和饮食业产中产生的油泄漏，脂类加工所产生的含脂废物和饮食业产生的含油脂废物等），还可以处理大量的城市和生活含脂生的含油脂废物等），还可以处理大量的城市和生活含脂废水和废物。用低温脂肪酶处理这些含脂废弃物时，所需废水和废物。用低温脂肪酶处理这些含脂废弃物时，所需附加的附加的热能低，且安全、高效，不会造成二次污染热能低，且安全、高效，不会造成二次污染，对环，对环境保护有非常积极的意义。境保护有非常积极的意义。v 生物降解塑料生物降解塑料在可降解塑料中最具发展前途。世界上的生在可降解塑料中最具发展前途。世界上的生物降解塑料主要是采用物降解塑料主要是采用脂肪族聚酯或脂肪族聚酯混合淀粉脂肪族聚酯或脂肪族聚酯混合淀粉制造的。制造的。v 传统的脂肪族聚酯合成方法反应温度通常传统的脂肪族聚酯合成方法反应温度通常190，并且，并且其金属催化剂很难除去，限制了其应用领域。而其金属催化剂很难除去，限制了其应用领域。而酶催化法酶催化法具有具有高选择性、反应条件温和、催化剂无毒害等优点高选择性、反应条件温和、催化剂无毒害等优点，成，成为一种新型的环境友好绿色化学技术，为生物可降解聚合为一种新型的环境友好绿色化学技术，为生物可降解聚合物的合成开辟了一条全新的道路。物的合成开辟了一条全新的道路。目前已经可以利用脂肪酶的有机介质催化合成目前已经可以利用脂肪酶的有机介质催化合成聚酯类物质聚酯类物质、聚糖脂类物质、聚糖脂类物质，利用蛋白酶或脂肪酶合成多，利用蛋白酶或脂肪酶合成多肽类或聚酰肽类或聚酰胺类物质胺类物质。v 脂肪族聚酯主要包括以石油为原料合成的聚己（脂肪族聚酯主要包括以石油为原料合成的聚己（PCL）、）、聚丁烯（聚丁烯（PBS）及共聚体，还有以可再生资源为原料生产）及共聚体，还有以可再生资源为原料生产的聚乳酸、由微生物生产的聚羟基酪酸（的聚乳酸、由微生物生产的聚羟基酪酸（PHB）等。）等。2.1 脂肪酶在消除白色污染的应用脂肪酶在消除白色污染的应用v 这些这些聚酯类物质聚酯类物质一般都是微生物内源性物质，可利用微生一般都是微生物内源性物质，可利用微生物发酵生产，由此形成的塑料和地膜物发酵生产，由此形成的塑料和地膜可以被微生物或相应可以被微生物或相应的酶降解的酶降解，成为水和二氧化碳，因此不会对环境产生危害，成为水和二氧化碳，因此不会对环境产生危害。同时因其有同时因其有高熔点、高弹性、不含有毒物质高熔点、高弹性、不含有毒物质等优点而在等优点而在许多领域有广泛应用。许多领域有广泛应用。v 单纯的脂肪族聚酯（如聚已内酯单纯的脂肪族聚酯（如聚已内酯PCL）虽然具有较好的生）虽然具有较好的生物降解性，并且与其它广泛使用的塑料树脂具有良好的相物降解性，并且与其它广泛使用的塑料树脂具有良好的相容性，但耐热性和物理强度差。脂肪族聚酯与聚酰胺的共容性，但耐热性和物理强度差。脂肪族聚酯与聚酰胺的共聚体（聚体（CPAE）这种材料是为了改善脂肪族聚酯的这种物）这种材料是为了改善脂肪族聚酯的这种物性而开发的，在熔点和拉力强度等特性上较以往有了改善性而开发的，在熔点和拉力强度等特性上较以往有了改善，是新一代可降解性塑料。，是新一代可降解性塑料。v 我国生物降解塑料主要应用在农业、食品包装、降解发泡我国生物降解塑料主要应用在农业、食品包装、降解发泡网和一次性快餐盒等方面。网和一次性快餐盒等方面。脂肪酶催化脂肪族聚酯合成脂肪酶催化脂肪族聚酯合成2.2 脂肪酶在净化污水方面的应用脂肪酶在净化污水方面的应用v 废水中的有毒物质十分复杂，有的废水（尤其是工业和油废水中的有毒物质十分复杂，有的废水（尤其是工业和油泄漏造成的废水）常含有脂肪泄漏造成的废水）常含有脂肪，可用，可用脂肪酶水解脂肪酶水解以达到净以达到净化的目的。化的目的。v 用脂肪酶及其他酶类处理废水有以下优点：可以处理难以用脂肪酶及其他酶类处理废水有以下优点：可以处理难以生物降解的化合物；高浓度和低浓度废水都适用；操作时生物降解的化合物；高浓度和低浓度废水都适用；操作时PH、温度、盐度范围都很广泛；不因物质的聚集而减慢处、温度、盐度范围都很广泛；不因物质的聚集而减慢处理速度；处理过程控制简单；不造成二次污染等。理速度；处理过程控制简单；不造成二次污染等。v 而运用固定化酶技术可以提高处理效率，并且利于回收再而运用固定化酶技术可以提高处理效率，并且利于回收再利用。利用。2.3 脂肪酶在处理费油污染方面的应用脂肪酶在处理费油污染方面的应用一方面，人们用含有脂肪酶及其它成分的复合制剂处理一方面，人们用含有脂肪酶及其它成分的复合制剂处理海中的石油，可以将石油降解成适合微生物的营养成分海中的石油，可以将石油降解成适合微生物的营养成分，为浮在油表面的细菌提供优良的养料，使得分解石油，为浮在油表面的细菌提供优良的养料，使得分解石油的细菌迅速繁殖，以达到快速降解石油的目的。的细菌迅速繁殖，以达到快速降解石油的目的。另一方面，利用游离脂肪酸含量较高的另一方面，利用游离脂肪酸含量较高的废油脂制备生物废油脂制备生物柴油柴油是近年的研究热点。是近年的研究热点。生物柴油通常是指脂肪酸甲脂（生物柴油通常是指脂肪酸甲脂（FAME），即以菜籽油、），即以菜籽油、棕榈油、麻疯树油等可食用或不可食用的植物油和动物油棕榈油、麻疯树油等可食用或不可食用的植物油和动物油脂为原料，在催化剂的作用下与脂为原料，在催化剂的作用下与甲醇甲醇发生发生酯交换反应酯交换反应而生而生成的成的混合脂肪酸甲酯混合脂肪酸甲酯的总称。的总称。生物柴油可降解、可再生，生物柴油可降解、可再生，是典型的绿色能源，是典型的绿色能源，是替代是替代石化柴油的理想燃料之一。石化柴油的理想燃料之一。为扶持生物柴油的发展，我国为扶持生物柴油的发展，我国相继出台一系列政策。在这些政策的刺激下，生物柴油产相继出台一系列政策。在这些政策的刺激下，生物柴油产业也渐渐受到了重视。业也渐渐受到了重视。而目前生产生物柴油的主要问题是成本过高，而目前生产生物柴油的主要问题是成本过高，生物柴油制生物柴油制备成本大约备成本大约80是原料成本，是原料成本，因此因此采用廉价原料是生物采用廉价原料是生物柴油实用化的关键。柴油实用化的关键。为此，为此，以废弃油脂为原料生产生物柴油，以废弃油脂为原料生产生物柴油，可可使废油脂变使废油脂变成一种有用的工业资源成一种有用的工业资源，打开了废油脂回收再利用的打开了废油脂回收再利用的“瓶瓶颈颈”，从而切断其重新流入食用领域的途径，从而切断其重新流入食用领域的途径，有效保障有效保障人们身体健康人们身体健康，同时，同时，也将也将使城市环境大为改善。使城市环境大为改善。利用利用生物酶法制备生物柴油生物酶法制备生物柴油有反应条件温和、设备要求低有反应条件温和、设备要求低、醇用量少、产品的分离纯化简单以及无污染物排放等优、醇用量少、产品的分离纯化简单以及无污染物排放等优点，是一种颇具竞争力的催化剂，日益受到人们的重视。点，是一种颇具竞争力的催化剂，日益受到人们的重视。用于催化合成生物柴油的脂肪酶主要是用于催化合成生物柴油的脂肪酶主要是真菌类脂肪酶真菌类脂肪酶，这这类酶生产较为方便，类酶生产较为方便，与动物脂肪酶相比具有更高的活性。与动物脂肪酶相比具有更高的活性。v 由废油脂转化生成生物柴油工艺流程由废油脂转化生成生物柴油工艺流程v 目前酶法催化存在问题主要是：目前酶法催化存在问题主要是：脂肪酶对甲醇及乙醇的转脂肪酶对甲醇及乙醇的转化率低化率低，一般仅为，一般仅为40%60%。这是由于目前脂肪酶对。这是由于目前脂肪酶对长链脂肪醇的酯化或转酯化有效，长链脂肪醇的酯化或转酯化有效，而对短链脂肪醇如甲醇而对短链脂肪醇如甲醇或乙醇等转化效率低。而且由于或乙醇等转化效率低。而且由于短链醇对酶的毒性短链醇对酶的毒性直接导直接导致了酶的使用寿命短，不能在大工业生产中反复使用。此致了酶的使用寿命短，不能在大工业生产中反复使用。此外，外，甘油对固定化酶有毒性甘油对固定化酶有毒性，固定化酶使用寿命较短。固定化酶使用寿命较短。v 脂肪酶酶法制备生物柴油虽然有其优越性，但还存在许多脂肪酶酶法制备生物柴油虽然有其优越性，但还存在许多的问题。酶催化废食用油生产生物柴油还不能实现工业化的问题。酶催化废食用油生产生物柴油还不能实现工业化生产。生产。v 我国在这方面的研究尚不太多。通过大量筛选脂肪酶产生我国在这方面的研究尚不太多。通过大量筛选脂肪酶产生菌，利用脂肪酶在非水相催化领域的优势，寻找能够催化菌，利用脂肪酶在非水相催化领域的优势，寻找能够催化脂肪酸高效酯化的脂肪酶，进行生物柴油的生产条件的探脂肪酸高效酯化的脂肪酶，进行生物柴油的生产条件的探索性研究，索性研究，是目前要解决的问题。是目前要解决的问题。v 解决上述问题主要通过：解决上述问题主要通过：v 提高脂肪酸甲（乙）酯产率提高脂肪酸甲（乙）酯产率（例如选择适当的脂肪酶、合（例如选择适当的脂肪酶、合适的反应体系、分步加入甲醇法等）。适的反应体系、分步加入甲醇法等）。v 降低原料成本和降低脂肪酶生产成本降低原料成本和降低脂肪酶生产成本（通过诱变，尤其是（通过诱变，尤其是定向诱变以及从分子水平改造菌种以筛选脂肪酶高产菌）定向诱变以及从分子水平改造菌种以筛选脂肪酶高产菌）。v 吴虹等人研究了关于无溶剂系统中，固定化脂肪酶吴虹等人研究了关于无溶剂系统中，固定化脂肪酶Novozym435催化餐饮催化餐饮业废油脂转酯生产生物柴油。反应副产物甘油可吸附在固定化酶载体表面，同业废油脂转酯生产生物柴油。反应副产物甘油可吸附在固定化酶载体表面，同时采用丙酮洗涤除去甘油可提高酶的稳定性，大大削减了甘油对脂肪酶的抑制时采用丙酮洗涤除去甘油可提高酶的稳定性，大大削减了甘油对脂肪酶的抑制作用。反应作用。反应30h后产物中的脂肪酸甲酯含量为后产物中的脂肪酸甲酯含量为88.16%。连续反应连续反应300h后后，酶活性基本没有下降。，酶活性基本没有下降。v 有研究显示以不同大孔树脂吸附法固定化假丝酵母有研究显示以不同大孔树脂吸附法固定化假丝酵母99-125 脂肪酶，在微水脂肪酶，在微水有机相中的应用表明非极性树脂有机相中的应用表明非极性树脂NKA是最佳的固定化载体。单批转化率最高是最佳的固定化载体。单批转化率最高达到达到97.13%，连续反应，连续反应19批以后转化率仍保持为批以后转化率仍保持为70.12%。3 研究与应用现状研究与应用现状脂肪酶在环保及其他领域中的应用有其优越性。然而目前脂肪酶在环保及其他领域中的应用有其优越性。然而目前由于由于商业酶成本较高商业酶成本较高，而国内研究开发脂肪酶还属于，而国内研究开发脂肪酶还属于起步起步阶段阶段，大大，大大限制了脂肪酶的广泛应用限制了脂肪酶的广泛应用。v 当前的脂肪酶并不能满足所有的工业需求，因此从当前的脂肪酶并不能满足所有的工业需求，因此从特殊生特殊生境中发掘新型微生物脂肪酶境中发掘新型微生物脂肪酶，是近年来脂肪酶催化领域的，是近年来脂肪酶催化领域的热点。同时热点。同时提高脂肪酶生产菌性能提高脂肪酶生产菌性能，通过，通过酶的修饰及固定酶的修饰及固定化化等技术提高脂肪酶活性和利用率，研究开发等技术提高脂肪酶活性和利用率，研究开发脂肪酶生产脂肪酶生产菌新品种菌新品种，也是目前国内外研究的主要方向和打破脂肪酶，也是目前国内外研究的主要方向和打破脂肪酶应用局限的主要途径。应用局限的主要途径。我国在我国在基因工程、蛋白质工程等方面已开展了改造酶、开基因工程、蛋白质工程等方面已开展了改造酶、开发新酶的研究发新酶的研究，生物传感器的研究也取得了一定进展。利，生物传感器的研究也取得了一定进展。利用酶制作的生物传感器在环境监测中的应用越来越广泛，用酶制作的生物传感器在环境监测中的应用越来越广泛，酶在废物处理及资源化的过程中正发挥着重要作用，利用酶在废物处理及资源化的过程中正发挥着重要作用，利用基因工程和蛋白质工程扩展酶的代谢途径，是治理难降解基因工程和蛋白质工程扩展酶的代谢途径，是治理难降解有毒污染物的重要方法。酶工程技术将在环境保护方面起有毒污染物的重要方法。酶工程技术将在环境保护方面起到越来越重要的作用。到越来越重要的作用。THANK YOU