生物催化甲烷製備甲醇的方法
2023-07-08 02:50:01 1
專利名稱：生物催化甲烷製備甲醇的方法
技術領域：
本發明涉及一種生物催化甲烷製備甲醇的方法，更具體地講，本發明涉及一種由甲烷氧化細菌生物催化甲烷制甲醇的方法。
背景技術：
甲烷選擇氧化生成甲醇或其它物質，是引起研究者們極大興趣的課題之一。甲烷可以用作有效的燃料和化工原料，並且儲量豐富。若能有效利用，不僅可以減緩當今的能源危機，而且可減少環境汙染，與當今的環保主題相符。到目前為止，還沒有一種化學催化劑可一步直接氧化甲烷生成甲醇，這些催化反應不僅需要多步反應，而且要900℃高溫，能量不合算，反應的選擇性和轉化率都很低。有的反應(Periana，R.A，Taube，D.J.et al.Science 1993，25953)雖可在180℃下得到約43％收率，但它的汞催化體系對環境所造成的汙染不容忽視。而生物催化具有反應條件溫和、選擇性強等特點，因而近年來許多公司和學術研究機構(Heme Proteins；Eichhorn，G.L.，Eds.；ElsevierNew York，1988，7Springer，B.A.；Sligar，S.G.；Olson，J.S.et al.Chem.Rew.1994，94699 Iron-Sulfur Proteins；Spiro，T.G.，Ed.；Wiley and SonsNewYork，1982，4)致力於生物催化甲烷制甲醇過程的研究。來源於甲烷氧化細菌(Methanotrophic bacteria)的甲烷單加氧酶(Methane monooxygenase，MMO)就是其中之一的生物催化劑，可在常溫、常壓下，將甲烷一步氧化為甲醇，反應如下
但生物催化反應也為甲烷氧化制甲醇設置了一個難題甲烷作為甲烷利用細菌的能源和碳源，被氧化為甲醇後，在細胞中會被繼續氧化，最後生成CO2和H2O。若想累積甲醇，必須抑制它的繼續氧化。目前，在這方面已取得初步進展。利用金屬螯合劑(EDTA，鄰二氮雜菲，雙吡啶等)可部分抑制甲烷氧化細菌M.trichosporium11131的甲醇繼續氧化(P.K.Mehta，S.Mishra，T.K Ghose.，Biotech，Appl Biochem.，1989，11328)。但是阻斷劑會不可避免地破壞細胞的生理結構降低了其活性和穩定性，並且這種損傷是不可恢復的。
發明內容
本發明的目的在於解決上述問題而提出一種生物催化甲烷製備甲醇的方法。
本發明的目的可由如下措施實現本發明以二氧化碳通過末端產物抑制甲烷氧化細菌細胞中甲醇深度氧化而造成甲醇的積累，同時部分甲醇繼續深度氧化產生還原當量以供反應連續進行而不影響甲烷氧化細菌的生理活性，並且明顯提高了操作穩定性的方法。
本發明首先對甲基單孢菌Methylomonas sp.GYJ3進行培養，然後將收穫的細胞用含有磷酸鹽的緩衝溶液懸浮，在膜反應器中充入含有甲烷、二氧化碳和氧氣的混合氣體啟動反應，32-40℃、0-1.2MPa反應後得到含有產物甲醇的水溶液。
下式是由甲烷氧化細菌中甲烷單加氧酶催化完成的甲烷羥基化反應。
(注NADH2，還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸；NAD+，氧化型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸；PQQ，氧化型吡咯並喹啉醌；PQQH2，還原型吡咯並喹啉醌；)但是反應不會停留在甲醇這一步，而是在甲醇脫氫酶、甲醛脫氫酶和甲酸脫氫酶的作用下繼續深度氧化生成二氧化碳。要想得到甲醇，必須抑制其深度氧化。利用金屬螯合劑(EDTA，鄰二氮雜菲，雙吡啶等)可部分抑制甲烷氧化細菌M.trichosporium11131甲醇脫氫酶活性(P.K.Mehta，S.Mishra，T.K Ghose.，Biotech，Appl Biochem.，1989，11328)。但是阻斷劑會不可避免地破壞細胞的生理結構降低了其活性和穩定性，並且這種損傷是不可恢復的。由於還原型輔酶NADH的不斷消耗和抑制劑的毒副作用導致細胞很快失活。
本發明將甲烷與二氧化碳按一定比例混合，實現了甲烷部分氧化成甲醇同時部分甲醇深度氧化產生輔酶NADH，解決了甲烷氧化細菌催化甲烷製備甲醇的需要添加外源性電子給體的關鍵性問題。
一種生物催化甲烷製備甲醇的方法，其特徵在於採用甲烷氧化細菌細胞甲基單孢菌Methylomonas sp.GYJ3細胞作為催化劑，在膜反應器中充入含有甲烷、二氧化碳和氧氣的混合氣體啟動反應，在反應介質的存在下，32-40℃、0-1.2MPa反應後得到甲醇的水溶液。
本發明的甲基單孢菌Methylomonas sp.GYJ3細胞的濃度為5-40毫克/毫升。
本發明採用的二氧化碳、甲烷、氧氣的體積比為1∶0.5∶0.3-1∶1.5∶2.0。
本發明採用的反應介質為含有0-200毫摩爾/升的磷酸氫二鈉，0-200毫摩爾/升的磷酸二氫鈉，2-8毫摩爾/升的氯化鎂的磷酸鹽緩衝溶液，pH＝6.5-7.5。
本發明有如下特點i.採用生物催化的方法在溫和的條件下以甲烷為底物、二氧化碳為末端產物抑制劑反應得到甲醇；ii.採用一定比例的二氧化碳甲烷氧氣混合氣體同時反應，實現了輔酶NADH的原位再生，使反應得以連續進行，解決了甲烷間歇式再生導致反應無法連續進行的問題。
iii.採用甲烷作為外源性電子給體，與甲酸鈉等相比，反應成本更低廉，而且不用間斷反應，更符合將來工業化的要求。
iv.採用膜反應器作為反應容器，利用一定壓力，直接得到含有甲醇的水溶液。
具體實施例方式
現進一步通過最佳實施例來闡述發明的實現方式。
實施例1培養甲基單孢菌Methylomonas sp.GYJ3，收穫後離心，將其添加到20毫升含有下列成分的反應液的100mL錐形瓶中，甲基單孢菌Methylomonas sp.GYJ3的細胞在該反應液中的濃度為(5-40)毫克/毫升濃度為0-200毫摩爾/升的磷酸氫二鈉，濃度為0-200毫摩爾/升的磷酸二氫鈉，
濃度為2-8毫摩爾/升的氯化鎂，pH＝6.5-7.5。
其中一個瓶子密封后抽出60mL空氣，加入20mL甲烷和20mL氧氣，用氮氣平衡剩餘的氣相，作為對照；一個瓶子密封后抽出空氣60mL，加入18mL甲烷、24mL二氧化碳和18mL氧氣；一個瓶子加入濃度為2毫摩爾/升的乙二胺四乙酸(EDTA)，密封后抽出60mL空氣，加入20mL甲烷和20mL氧氣，用氮氣平衡剩餘的氣相；32℃，150r/min搖床反應；甲醇的檢測和定量分析在氣相色譜儀上進行。每隔2h用注射器抽取0.5mL反應液，8000r/min，4min，取上清。色譜條件為SE-54彈性石英毛細管柱(25m×0.25mm i.d.)，載氣N2，檢測器FID，分流進樣。進樣器、檢測器溫度分別控制在180℃、200℃，柱溫120℃，進樣體積1μL，外標法定量。結果如表1所示 比較發現，反應體系中不添加任何抑制劑時沒有甲醇積累。反應體系中含有一定量二氧化碳時有甲醇積累，並且甲醇積累隨時間增加而增加；反應體系中添加EDTA時有甲醇積累，並且甲醇積累隨時間增加而降低。
實施例2其它同實施例1，32℃，0.6Mpa，將甲烷、氧氣、二氧化碳按體積比3∶3∶4混合充入膜反應器反應，每次批式反應5-7h，反應完畢後回收細胞繼續進行下一批反應。每批從膜反應器中取0.5mL溶液，用氣相色譜檢測產物甲醇，然後比較其產量變化趨勢。結果見表2
比較發現反應體系中含有一定量二氧化碳時有甲醇積累，並且甲醇積累量維持在一個高而穩定的水平；用乙二胺四乙酸(EDTA)作為阻斷劑可以造成甲醇積累，但是細胞的操作穩定性迅速下降；造成這一結果的原因是細胞內還原當量還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸(NADH2)的迅速消耗，並且這一消耗在此反應體系中是不可恢復的。
權利要求
1.一種生物催化甲烷製備甲醇的方法，其特徵在於採用甲烷氧化細菌細胞甲基單孢菌Methylomonas sp.GYJ3細胞作為催化劑，在膜反應器中充入含有甲烷、二氧化碳和氧氣的混合氣體啟動反應，在反應介質的存在下，32-40℃、0-1.2MPa反應後得到甲醇的水溶液。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於甲基單孢菌Methylomonas sp.GYJ3細胞的濃度為5-40毫克/毫升。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於二氧化碳、甲烷、氧氣的體積比為1∶0.5∶0.3-1∶1.5∶2.0。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於反應介質為含有0-200毫摩爾/升的磷酸氫二鈉，0-200毫摩爾/升的磷酸二氫鈉，2-8毫摩爾/升的氯化鎂的磷酸鹽緩衝溶液，pH＝6.5-7.5。
全文摘要
本發明公開了一種生物催化甲烷製備甲醇的方法。該方法採用甲烷氧化細菌細胞作為催化劑，在膜反應器中充入含有甲烷、二氧化碳和氧氣的混合氣體啟動反應，32－40℃、0－1.2MPa反應後得到甲醇的水溶液。它解決了使用化學抑制劑造成的體系中輔酶NADH的消耗而導致的細胞活性降低，間歇式再生或添加其它外源電子給體所造成反應無法連續進行的問題，實現了輔酶NADH在反應體系中的原位再生。
文檔編號C12P7/02GK1580269SQ0314379
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月6日 優先權日2003年8月6日
發明者崔俊儒, 辛嘉英, 夏春谷, 李樹本 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所