【科研动态】我院闫云君教授团队在生物柴油液态酶技术工艺上取得了新突破

　　

2022年08月27日，我院闫云君教授团队投稿至国际权威期刊Journal of Cleaner Production题为“A Novel Strategy for Biodiesel Production by Combination of Liquid Lipase, Deep Eutectic Solvent and Ultrasonic-assistance in Scaled-up Reactor: Optimization and Kinetics”的研究论文被接收并正式出版，这是本团队继7月份之后，连续第二篇高水平论文。

当前，由于石化能源的不可持续性及其使用对环境造成的严重污染，清洁能源已成为人类可持续发展目标的战略选择。其中，生物柴油因其可再生、可降解、无毒、绿色清洁、性能与石化柴油相近等特点，被认为是一种理想的石化燃料替代品，受到国际社会的广泛关注。我国《“十四五”生物经济发展规划》中明确提出发展绿色低碳的生物质能，确保生态和能源安全。目前，生物柴油的制备方法主要包括化学工艺和酶法工艺。与化学工艺相比，酶法生物柴油生产工艺能耗低、反应条件温和且环境友好，但尚存在反应时间过长、生物柴油得率不高、体系内反应机制不明确等不足，制约着酶法工艺的规模化应用。

本研究瞄准酶法工艺的上述不足，首次将深共晶溶液、超声技术与液态脂肪酶（Yarrowia lipolyticalipase2）催化体系相结合，开发出一种绿色、高效的生物柴油合成工艺。研究中所用液态脂肪酶由该课题组自主研发的工程菌发酵所得，其在10 L发酵罐中连续高密度发酵，最高酶活力可达6,4000 U/mL，蛋白产量达7.9 g/L，已有效降低了酶的使用成本。与固定化酶相比，液态酶催化不仅工艺简单，还可大幅降低酶分离纯化及固定化的成本，同时可避免因固定化载体后续处理造成的环境污染问题。作为一种新型离子液体，本研究所使用的氯化胆碱-葡萄糖型深共晶溶液合成简单、环境友好，可在不改变液态酶反应体系状态的前提下，有效改善反应体系中甲醇、甘油等物质对脂肪酶的负面作用，且成本远低于传统离子液体。超声反应釜的使用，显著改善了放大后体系内部的物料混溶效果，降低了酶和底物之间的传质阻力，提升了酶催化反应效率。在1.5L反应体系规模下，将摇瓶中原本需要24小时以上的反应时间缩短至6小时，生物柴油得率则可高达99%以上。同时，针对液态酶体系内复杂的反应过程，通过过程动态精细检测和模拟计算，对其反应动力学进行了深入研究，基本阐明了反应体系的动态变化规律性（图1），明晰了反应体系内复杂的物质转化过程。在此基础上，利用建立的动力学模型对反应体系进行了参数优化，以获取规模放大后体系内的最佳初始反应条件（图2）。基于此策略构建的动力学模型，可用于反应体系放大后的参数调试和规模化生产工艺优化。本研究克服了当前酶法生物柴油生产工艺反应时间过长、生物柴油得率不高、体系内反应机制不明确等主要问题，并基本弄清了液态酶反应体系内部的动态反应机制。

闫云君教授课题组长期致力于脂肪酶资源的发开及应用研究，尤其是在酶法生物柴油的生产工艺上取得了多项先进成果，发掘了大量脂肪酶资源，在脂肪酶工程领域实现了上游基因工程至下游生产环节的全链条突破。本研究在此基础上进一步完善和提升了酶法生物柴油制备技术工艺，推动了我国绿色能源的发展。

图1. 24 h（左图）和6h（右图）不同反应体系条件下，液态脂肪酶催化生物柴油合成体系的动力学模拟值与实验值的拟合结果

图2. 使用动力学模型对初始含水量（a）及甲醇添加量（b）的预测值与实验值对比

华中科技大学生命科学与技术学院闫云君教授为论文的通讯作者，贺珧珈博士为论文的第一作者。本研究得到国家自然科学基金、华中科技大学自主创新基金的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.133740