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    本發明係有關於一種核殼磁性複合物，包括：一磁性核體；一外殼體，其包含一保護層以及一多孔層，其中，該保護層係包覆於該磁性核體表面，該多孔層係為該外殼體之最外層；以及一疏水性官能基，其係接枝於該外殼體。此外，該核殼磁性複合物可結合脂解酵素做為轉酯化之催化劑。本發明亦關於一種生質柴油之生產方法。
    公开号:TW201323087A
    申请号:TW100144420
    申请日:2011-12-02
    公开日:2013-06-16
    发明作者:Jo-Shu Chang；Dang-Thuan Tran；Chien-Chang Huang；Ching-Ling Chen
    申请人:Univ Nat Cheng Kung；
    IPC主号:Y02E50-00
    专利说明:
    核殼磁性複合物及其於生產生質柴油之應用
    本發明係關於一種核殼磁性複合物以及其應用，尤指一種適用於結合脂解酵素(lipases)以生產生質柴油之核殼磁性複合物、以及使用該核殼磁性複合物固定化脂解酵素生產生質柴油之方法。
    目前，工業規模等級對於各種粗材料的加工，通常使用酵素做為催化劑。不過，這類使用酵素之加工若要具有成本效益，則只有在酵素可以回收並可多次重複使用。為了達到回收再利用，上述酵素需要能自加工溶液中分離，一般則會將酵素接附於可過濾或分離的載體。
    工業上常用酵素通常為兩性分子，亦即同時存在疏水性與親水性，而脂解酵素與磷酸脂解酵素(phospholipases)則屬上述酵素。這類酵素分散於乳液時，則移動並累積於水相與油相之間的界面，其中疏水部分則嵌入油相，而親水部分則嵌入水相。
    於上述酵素中，脂解酵素(lipases)因其具有修飾三酸甘油酯與脂質結構或組成之能力而常被使用，其可催化不同類型的三酸甘油酯轉化，諸如水解作用(hydrolysis)、酯化作用(esterification)、以及轉酯化作用(transesterification)，其中水解作用可應用於將油脂轉化成游離酸，轉酯化作用可應用於將植物油或動物油轉變成生質柴油。
    不過，對於生產生質柴油之轉酯化反應，目前尚有許多限制，例如反應溶液中的含水量與甲醇含量皆不能過高。當含水量過高時，脂解酵素會開始進行催化油脂水解反應，同時甲醇濃度也因稀釋效應而降低，因而使得轉酯化效率下降。除此之外，當甲醇濃度過高時，脂解酵素又可能因此受到毒害而失去活性。故為了避免甲醇含量過高，反應過程中需要分次添加甲醇，增加製程的複雜性。
    據此，若可以發展出一種結合眾多脂解酵素之複合物，其對於含水量與甲醇含量具有更高的耐受性，且可快速分離回收並可多次重複使用，將更有助於提升相關製程的產率與效率。
    本發明之主要目的係在提供一種核殼磁性複合物，其中採用磁性核體，外殼體包覆於該磁性核體，且外殼體表面為中孔性(mesoporous)，如此便具有更高的表面積而可讓酵素結合；再者，外殼體表面接枝有疏水性官能基，此疏水性官能基係做為橋接酵素的官能基，除了讓疏水性較高的酵素更有效的接上外殼體之外，亦可使酵素接合力增強，如此能讓已經接合酵素的核殼磁性複合物可以回收重複多次使用。
    為達成上述目的，本發明之一態樣提供一種核殼磁性複合物，包括：一磁性核體；一外殼體，其包含一保護層(protective layer)以及一多孔層(porous layer)，其中，該保護層係包覆於該磁性核體表面，該多孔層係為該外殼體之最外層；以及一疏水性官能基，其係接枝於該外殼體。
    本發明採用市面上可以輕易取得的商業磁性顆粒做為上述磁性核體，利用本領域習用溶膠凝膠法(sol-gel)於磁性核體表面披覆一層緻密的保護層，接著再形成一多孔層覆蓋保護層表面，最後將疏水性官能基接枝於多孔層。據此，利用疏水性官能基的疏水性吸引酵素疏水性區域，因此酵素能有效地被固定於外殼體表面，同時暴露出活性區域達到催化作用。
    於本發明一較佳具體實施例中，該核殼磁性複合物更包括：一脂解酵素(lipase)，其中，該疏水性官能基係連接該脂解酵素以及該外殼體。該脂解酵素的來源，沒有特別限制，可使用市面上可購得的商用脂解酵素或者細菌、真菌、動物體內之脂解酵素，例如來自綠膿桿菌(Pseudomonas)、念珠菌(Candida)、伯克霍爾德菌(Burkholderia)、米麴菌(Aspergillus)、根黴(Rhizopus)、豬胰臟(porcine pancrea)等。此外，本發明核殼磁性複合物表面可結合的酵素，並非僅限於脂解酵素，類似酵素或者表面具有疏水性區域的酵素皆適合。
    上述本發明核殼磁性複合物之磁性核體，主要由四氧化三鐵(Fe3O4)所構成，因此於使用後，使用者可以利用強力磁鐵輕鬆回收重複使用。此外，該保護層沒有特殊限定，較佳可為一緻密二氧化矽層，其可以保護磁性核體於催化反應過程中受損，而降低回收率；或者產生不良物質，而減少反應效率。另一方面，該多孔層同樣沒有特殊限定，較佳可為一不定形(amorphous)二氧化矽層，此種不定型二氧化矽層屬於中孔性(mesoporous)，亦即其孔洞的呎吋大約落於2 nm至50 nm的範圍，因此可讓外殼體表面具有較高的表面積。舉例而言，尚未結合酵素之核殼磁性複合物，其表面積大約於150 m2/g至250 m2/g之範圍，孔洞體積大約於0.15 m3/g至0.25 m3/g之範圍。
    於本發明核殼磁性複合物中，該疏水性官能基需要包含6個至30個左右的長鏈碳，長鏈碳中兩碳原子之間的鍵結可為單鍵、雙鍵或三鍵，長鏈碳中亦可穿插氮原子而形成一級、二級或三級胺基或銨基(ammonium)，或者穿插其他如氧、硫等原子構成其他官能基。由於此疏水性官能基接枝於本發明外殼體表面，因此若酵素具有疏水性區域時，則容易與疏水性官能基上疏水性較高的長鏈碳相互吸引，或者酵素上氮、氧原子與疏水性官能基形成氫鍵；若酵素帶有負電荷時，亦可因銨基帶有正電而相互吸引。
    舉例而言，該疏水性官能基可包含C10-30烷銨基(C10-30 alkyl ammonium)以及連接該C10-30烷銨基之矽氧基(siloxanyl)，且經由該矽氧基而鍵結於該不定形二氧化矽層。較佳而言，該疏水性官能基可包含C14-24烷銨基。此情況下，該疏水性官能基之長鏈碳，可藉由凡得瓦力(van de Waals force)與酵素的疏水性區域相互結合；該疏水性官能基上帶有正電荷的銨基，可藉由正負離子的吸引力，與酵素上之負電荷形成離子鍵，而與酵素相互結合；或者，該疏水性官能基經由與酵素形成氫鍵而相互結合。據此，不一定必須使用共價鍵的方式，才可以使酵素結合於疏水性官能基。
    於本發明一較佳具體實施例中，利用[3-(三甲氧矽基)丙基]十八烷基二甲銨氯化物([3-(trimethoxysiliy)propyl]octadecyl dimethyl ammonium chloride)處理核殼磁性複合物之外殼體表面，則可使三甲氧矽基上的甲基脫去並以氧原子與二氧化矽的矽原子鍵結。
    本發明之另一目的係在提供一種生質柴油之生產方法，其中使用表面固定有脂解酵素之核殼磁性複合物做為催化劑，其於水分與甲醇含量相對較高的環境下仍保持良好的催化活性，故不需要去除游離酸與水分等步驟，也不需要採取分次添加甲醇的策略，同時此催化劑也可以利用磁鐵回收重覆使用，因此可簡化其製程。
    為達成上述目的，本發明之另一態樣提供一種生質柴油之生產方法，包括以下步驟：於油/醇之莫耳比為1/3以下以及含水率為10%(以油、水總重為分母)以上，使用一催化劑，進行轉酯化反應生產生質柴油，其中，該催化劑即本發明上述結合有脂解酵素之核殼磁性複合物。
    本發明上述生質柴油之生產方法可以更包括以下步驟：以磁鐵回收該催化劑。由於該催化劑具有磁性核體，且酵素與核殼磁性複合物具有良好的結合力，因此可以利用磁鐵迅速回收而重複使用。
    於本發明上述生質柴油之生產方法中，該醇的種類沒有特別限制，較佳為低碳數的醇類，例如C1-6烷基醇，像甲醇、乙醇等。以甲醇為反應物時，油/醇之莫耳比可由1/14.5至1/3之間依需求進行調整。該催化劑之添加量範圍，主要依反應物(即油、醇)的含量而定，舉例可為油脂含量之5重量百分比至30重量百分比。該含水率可因應不同來源之油品，含水率在10%至47%(以油、水總重為分母)間皆能獲得良好之生質柴油產率。該轉酯化反應之反應溫度範圍，較佳可為25℃至60℃，此溫度範圍下可以確保催化反應下的轉化率保持在70%以上。
    綜上所述，本發明使用外殼體包覆磁性核體，且外殼體表面為多孔結構並鍵結有疏水性官能基，因此與酵素之間的具有較強的結合力。除此之外，當本發明核殼磁性複合物亦結合脂解酵素而構成催化劑時，可應用於油酯的水解，將其轉化成游離酸，以做為化工原料之外；亦可直接進行轉酯化，將油脂轉化成脂肪酸甲酯，可做為生質柴油或其他化工原料。再者，此種催化劑對於水與甲醇有相當高的耐受度，同樣更能於反應之後以磁力將其快速分離回收，以利於重複使用。
    以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
    實施例
    核殼磁性複合物之製造方法
    以市售的商業磁性顆粒Fe3O4做為磁性載體的核心。使用四乙氧基矽烷(tetra ethyl orthosilicate，TEOS)做為二氧化矽的來源，於溶膠凝膠法中，將四乙氧基矽烷水解而於磁性顆粒表面覆蓋一層緻密二氧化矽保護層。於本實施例中，二氧化矽的來源與其形成方法不限上述，本發明所屬領域中具有通常知識者可以清楚了解，該緻密二氧化矽保護層亦可使用其他方法形成以及來自其他來源。
    接著，在界面活性劑與氨水存在的環境下，進行多孔性二氧化矽層的塗佈。於本實施例中，採用十六基三甲基銨溴化物(hexadecyl trimethyl ammonium bromide，HTAB)做為陽離子性界面活性劑，其所形成的多孔性二氧化矽層為中孔性(mesoporous)，表面積經測定為202 m2/g，孔洞體積經測定為0.2 m3/g。不過，本發明所屬領域中具有通常知識者可以清楚了解，該多孔性二氧化矽層亦可使用其他方法形成。
    接著，再使用二甲基十八烷基[3-(三甲氧基矽基)丙基]氯化銨(Dimethyloctadecyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride)做為疏水性官能基的來源，於多孔性二氧化矽層架接疏水化官能基。於本實施例中，疏水性官能基的來源與其形成方法不限上述，本發明所屬領域中具有通常知識者可以清楚了解，該疏水性官能基亦可使用其他方法形成以及來自其他來源。
    脂解酵素之固定化
    將上述製得之核殼磁性複合物，懸浮於含有脂解酵素之溶液內，待磁性載體充分捕捉脂解酵素而完成固定化之後，以強力磁鐵收集固定有脂解酵素之核殼磁性複合物，接著進行冷凍乾燥，以利保存。
    比較例
    同上述實施例的方式製造核殼磁性複合物，但此核殼磁性複合物表面未接枝有疏水性官能基。後續，如上述實施例所述，進行脂解酵素之固定化。
    試驗例一　不同反應溫度之轉酯化反應
    使用上述實施例製得之固定有脂解酵素的核殼磁性複合物做為催化劑。在催化劑使用量為11 wt%、高等級橄欖油/甲醇之莫耳比為1/4、含水率為10 wt%、轉速為600 rpm、以及反應時間為30小時的條件下，測試不同反應溫度對生質柴油產率之影響。
    所產得的生質柴油，以氣相層析儀(Shimadzu GC-14B搭配管柱Agilent DB-17ht)進行分析，升溫程式之設定為初始管柱溫度於150℃下停留2分鐘，接著以10℃之升溫速率將溫度升高至250℃，接著於250℃下停留5分鐘。
    生質柴油轉化率的計算，是以氫氧化鈉進行轉酯化所生成之生質柴油為100%，計算公式如下：
    結果如圖1所示，其中顯示在反應溫度為40℃時有最高的生質柴油產率(92±1.9%)，同時本技術中的脂解酵素可運作之溫度範圍很廣，從25至60℃皆能保持70%以上之生質柴油產率。
    試驗例二　重複使用測試
    同樣，使用上述實施例製得之固定有脂解酵素的核殼磁性複合物做為催化劑。
    測試時所使用之反應溫度為25℃與40℃，相對應之反應時間分別為30與40小時，其他共同條件分別為12.5 wt%的催化劑使用量、1/3的高等級橄欖油/甲醇莫耳比、2.2 wt%之含水率與500 rpm的轉速。
    圖2係使用實施例製得之固定有脂解酵素的核殼磁性複合物做為催化劑，其中顯示於25℃、30小時之條件下時，生質柴油產率由72.3%慢慢減少至50.3%；於40℃、40小時之條件下時，生質柴油產率則由92.3%慢慢減少至70.8%。
    由上述結果可知，本發明固定有脂解酵素的核殼磁性複合物，除了具有良好的催化轉酯化能力之外，使用壽命上之表現亦相當亮眼。
    試驗例三　油脂來源之通用性測試
    同樣，使用上述實施例製得之固定有脂解酵素的核殼磁性複合物做為催化劑，並以高等級橄欖油、市售大豆油與葵花油做為油脂來源。此外，實驗時亦進行催化劑對於水與甲醇之耐受度測試。
    所使用的反應條件為6.67 wt%之催化劑使用量、1/9.5-1/14.5之油醇莫耳比、31 wt%-47 wt%之含水量、600 rpm之轉速、40℃-50℃之反應溫度與40小時之反應時間。結果如下表一所示。
    表一顯示本發明固定有脂解酵素的核殼磁性複合物，對於不同的油脂種類，從高等級的橄欖油至市售食用油，皆有優異的催化轉酯化能力，此表示其通用性很高。此外，在含水率高達46.8 wt%、油醇莫耳比高達1/14.5的狀況下，生質柴油產率仍高達90%以上，顯示本發明固定有脂解酵素的核殼磁性複合物具有優異的水與甲醇耐受度。
    試驗例四　重複使用比較測試
    同樣，使用上述實施例與比較例製得之固定有脂解酵素的核殼磁性複合物做為催化劑。
    測試時所使用之反應溫度為25℃，反應時間為30小時，其他共同條件分別為11 wt%的催化劑使用量、1/4的高等級橄欖油/甲醇莫耳比、10 wt%之含水率與600 rpm的轉速。結果如下表二所示，其中顯示脂肪酸甲酯(fatty acid methyl esters，FAMEs)的轉換率。
    如表二所示，相較於沒有使用疏水性官能基橋接脂解酵素與核殼磁性複合物之比較例，本發明實施例之核殼磁性複合物具有良好重複利用性。
    綜上所述，為使得脂解酵素能快速地自轉酯化反應之產物中分離而可回收再利用，本發明因此發展出核殼磁性複合物，其中以雙層結構之外殼體包覆磁性殼體，該外殼體具有一緻密層以及一多孔層，緻密層用於保護該磁性殼體，多孔層用以增加表面積，再加上於多孔層上接枝疏水性官能基，因此可以增加酵素的結合力與結合率。而且，結合有脂解酵素的核殼磁性複合物可做為生質柴油轉酯化反應的催化劑，即使於醇/油莫耳比高達9.5至14.5、含水率高達31%至47%、以及反應溫度為40℃至50℃的條件下，生質柴油之產率仍可高達90%至95%，此表示結合有脂解酵素的核殼磁性複合物除了具有良好的催化能力之外，對於水分與甲醇之耐受性都相當高，因此當以劣質油品(如廢食用油)與含水量高之微藻油脂等做為生質柴油原料時，將不需要去除游離酸與水分等步驟，即可進行生質柴油之合成，且在轉酯化反應時亦不需採取分段添加甲醇的策略，可簡化其製程。除此之外，更能於反應之後以磁力將其快速分離回收，以利於重複使用。
    上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
    圖1顯示本發明試驗例一中不同反應溫度之轉酯化反應結果。
    圖2係本發明試驗例二中重複使用測試結果。
    权利要求:
    Claims (13)
    [1] 一種核殼磁性複合物，包括：一磁性核體；一外殼體，其包含一保護層(protective layer)以及一多孔層(porous layer)，其中，該保護層係包覆於該磁性核體表面，該多孔層係為該外殼體之最外層；以及一疏水性官能基，其係接枝於該外殼體。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之核殼磁性複合物，其中，該保護層係為一緻密二氧化矽層。
    [3] 如申請專利範圍第2項所述之核殼磁性複合物，其中，該多孔層係為一不定形(amorphous)二氧化矽層。
    [4] 如申請專利範圍第3項所述之核殼磁性複合物，其中，該疏水性官能基係包含C10-30烷銨基(C10-30 alkyl ammonium)以及連接該C10-30烷銨基之矽氧基(siloxanyl)，且該矽氧基係鍵結於該不定形二氧化矽層。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之核殼磁性複合物，其中，該疏水性官能基係利用[3-(三甲氧矽基)丙基]十八烷基二甲銨氯化物([3-(trimethoxysiliy)propyl]octadecyl dimethyl ammonium chloride)處理該外殼體表面所形成。
    [6] 如申請專利範圍第1項所述之核殼磁性複合物，其中，該磁性核體主要由四氧化三鐵(Fe3O4)所構成。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述之核殼磁性複合物，其中，該多孔層係為中孔性(mesoporous)。
    [8] 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述之核殼磁性複合物，更包括：一脂解酵素(lipase)，其中，該疏水性官能基係連接該脂解酵素以及該外殼體。
    [9] 一種生質柴油之生產方法，包括以下步驟：於油/醇之莫耳比為1/14.5至1/3以及含水率為10%至47%，使用一催化劑，進行轉酯化反應生產生質柴油，其中，該催化劑係如申請專利範圍第8項所述之核殼磁性複合物。
    [10] 如申請專利範圍第9項所述之生質柴油之生產方法，其中，該醇係為C1-6烷基醇。
    [11] 如申請專利範圍第9項所述之生質柴油之生產方法，其中，該催化劑之添加量範圍係為5重量百分比至30重量百分比。
    [12] 如申請專利範圍第9項所述之生質柴油之生產方法，其中，該轉酯化反應之反應溫度範圍係為25℃至60℃。
    [13] 如申請專利範圍第9項所述之生質柴油之生產方法，更包括以下步驟：以磁鐵回收該催化劑。
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