通过电诱导的磁性微通道反应器中磁性全细胞生物催化剂的混沌运动来提高生物柴油的产量

《Bioresource Technology》：Improved biodiesel production through the chaotic motion of magnetic whole-cell biocatalysts in an electrical-induced magnetic microchannel reactor

本研究的微通道反应器在直流和交流磁场诱导下利用链格孢菌磁性完整细胞生物催化剂催化大豆油甲酯化反应，优化磁场强度（32 mT）、微通道尺寸（直径800 nm，长度60 cm）、进料流速（0.23 mL/min）和催化剂负载（0.2%），实现45.68%的FAME产率和5.61×10? μmol/g_Biocatalyst·min?1的转酯化速率，无催化剂流失，连续运行稳定性良好，三级串联产率达94%。

　　本研究探讨了磁性整细胞生物催化剂（MWCBs）在微通道反应器中的应用，特别是以*Candida catenulata*的细胞内脂酶为来源，进行大豆油的甲醇解反应。实验在直流诱导磁场（DC-IMF）和交流诱导磁场（AC-IMF）两种条件下进行，结果显示在两种磁场系统下，MWCBs的主动混合均提升了微反应器的性能，实现了更高的脂肪酸甲酯产率（Y_EFME）和酯交换速率（R）。然而，直流磁场相比交流磁场表现出更高的效率。研究还评估了不同磁场强度及其方向、微通道的几何特性（长度和直径）、以及操作因素（进料流速和MWCB负载）对酯交换性能和生物催化剂颗粒洗出的影响。在最优条件下，即磁场强度为32 mT，微通道直径为800 nm，长度为60 cm，进料流速为0.23 mL/min，MWCB负载为0.2%wv?1时，未出现任何生物催化剂洗出，此时Y_EFME达到了45.68%，R为5.61×10? μmol g_Biocatalyst?1 min?1。在这些条件下，微反应器被用于连续生产测试，结果显示其具有良好的可持续性，能够保持原始Y_EFME的87%。由三个微通道组成的串联系统在直流磁场条件下实现了高达94%的FAME产率。

生物柴油是一种由脂肪酸甲酯（FAMEs）组成的混合物，作为可再生能源来源，相比石油柴油具有非毒性、可生物降解、较少污染物排放和更安全的处理等优势。生物柴油通常通过催化剂的存在下，对脂质材料如植物油进行酯交换反应来生产。在过去几十年中，酶促酯交换因其温和的反应条件、对环境的兼容性以及更简单的下游处理而受到更多关注。然而，酶法生物柴油生产的主要缺点包括高生产成本、生物催化剂失活以及较长的生产时间。传统上，搅拌罐、填充床和膜反应器是用于化学催化剂生物柴油生产的主要系统，需要约1到3小时的反应时间才能获得超过90%的生产产率。而微通道反应器作为一种创新策略，可以加速酯交换反应，从而将反应时间缩短至不到一小时。微通道反应器的水力直径通常在10到1000微米之间，被推荐用于提高生物柴油反应物的两相性质的分散性。这种狭窄的通道提供了高表面积与体积比，约为10000到50000平方米每立方米，这比传统的实验室容器和生产容器分别高10到50倍和100到500倍。因此，有效减少反应物的扩散长度可以提高质量传递效率，从而增强生物柴油的生产速率。已有大量文献报道了微通道反应器在酶促生物柴油合成中的应用，这些研究涵盖了自由形式或固定形式的脂酶分子的催化活性。例如，通过使用自由形式的*Thermomyces lanuginosus*脂酶（Lipolase L100）在含有*t*-丁醇作为溶剂的微通道反应器中，进行食用向日葵油的甲醇解反应，得到了97.70%的FAME产率，而同样的效率在传统的搅拌罐反应器中需要1.5小时。此外，在无溶剂甲醇解反应中，使用Lipolase L100作为催化剂，对食用向日葵油和烹饪油进行处理，分别在微通道反应器中获得了79%和95%的FAME产率，而传统批次反应器则需要几个小时才能达到同样的结果。Habibi等人（Habibi et al., 2016）对比了在无溶剂系统中，使用自由形式的*Candida rugosa*脂酶进行菜籽油的酶促甲醇解反应，分别在摇瓶和毛细管通道反应器中进行，发现毛细管通道反应器的甲醇解产率比摇瓶实验提高了四倍，达到了91.8%的FAME产率。这些研究表明，使用微反应器系统进行生物柴油生产可以提高转化率，缩短反应时间，并提升产物纯度，因为可以在微观尺度上精确控制反应效率。酯交换反应是一个可逆反应，如果产物不被及时移除，就有可能重新转化为原料。因此，通过减少微反应器中的停留时间可以有效解决这一问题。此外，微反应器的应用有助于实现工艺的强化，即设备和装置的小型化，这是工艺强化的目标之一。

另一方面，酶的固定在生物催化剂的稳定性、减少反应物的抑制作用、提高对底物的选择性以及简化从反应混合物中回收生物催化剂颗粒方面具有优势。在微通道反应器系统中，酶的固定主要通过三种方式进行：I. 将固定酶颗粒填充到微通道反应器的通道中；II. 在多孔基质上进行原位固定；例如，Mugo等人（Mugo and Ayton, 2013）在聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-共-乙烯基乙二醇）单体中固定了Lipolase L100，并将其用于700微米内径的微通道中进行蓖麻油的乙醇解反应。他们发现，在10微升每分钟的流速下，FAME产率可达97%；III. 将酶沉积在反应器表面，如Bi等人（Bi et al., 2017）在聚四氟乙烯（PTFE）制成的微通道表面固定了*Candida antarctica*脂酶B，通过逐层固定方法，在沉积八层聚乙烯亚胺/脂酶后，获得了约350到400微克的酶负载。他们利用该系统进行大豆油的甲醇解反应，53分钟后FAME产率约为95.2%，而传统批次反应器则需要数小时才能达到同样的结果。由于在第三种固定酶系统中，酶分子被固定在微反应器的壁上，因此一些研究人员建议使用微混合工具来提高微反应器的性能。根据工作原理，微混合器可以分为被动型和主动型。通常，被动型混合可以通过微通道中特别设计的结构实现，如扩张区或螺旋插入工具。然而，使用被动型微混合器会增加微通道系统的压力降。为了实现主动型微混合，需要外部能量如机械搅拌、热能、磁能和电动能作用于流体。一般来说，磁能在微流体应用中受到广泛关注，因为它具有简单性、非接触式操作以及不会产生诱导热等优势，适用于多种生物过程。先前的研究表明，磁力在主动混合中可以提供对固定酶颗粒运动的良好控制，从而提高微反应器系统的混合效率。事实上，通过应用外部磁场，磁性催化剂颗粒会成为偶极子并朝向磁场方向。因此，通过生成二次流诱导磁性颗粒的混沌运动，可以提高混合效率（Suzuki and Ho, 2002）。

近年来，一些研究将磁性整细胞生物催化剂（MWCBs）作为一种经济有效的绿色技术引入生物柴油生产。MWCBs的开发对于降低生物柴油生产成本具有重要意义，因为可以消除酶生产过程中下游的分离和纯化步骤。例如，Zhao等人（Zhao et al., 2024）通过将重组*Escherichia coli*细胞（含MAS1脂酶）固定在Fe?O?–壳聚糖磁性微球中，构建了MWCBs，并用于废弃食用油的生物柴油生产，获得了在32°C下48小时内的89.19%的FAME产率。此外，Tohfegar和Habibi（Tohfegar and Habibi, 2023）开发了基于*Candida catenulata*细胞的稳定MWCBs，这些细胞被固定在Fe?O?@PEI上，用于大豆油的酯交换反应，37°C下3小时后获得了78.4%的FAME转化率。该MWCB系统在10次循环后仍能保持原始活性的87.5%。然而，关于在磁性移动反应器中对MWCB系统进行研究的报道仍然较少。Chen等人（Chen et al., 2017）使用了*Pseudomonas mendocina*细胞的MWCBs，这些细胞被固定在磁性微球中，用于废弃食用油的生物柴油生产，在磁性流化床反应器（MFBR）中，35°C下48小时后获得了91.8%的FAME产率。此外，基于*Bacillus subtilis*细胞的MWCBs，这些细胞被封装在氧化铁-聚乙烯醇复合珠中，被用于磁性流化床反应器中进行废弃油炸油的甲醇解反应，48小时后获得了89.0±0.6%的FAME产率（Liu et al., 2022）。

由于在我们之前的研究中（Tohfegar and Habibi, 2023）发现*C. catenulata*的MWCBs具有较高的稳定性和显著的催化活性，因此本研究重点探讨了在直流和交流诱导磁场条件下，将这些MWCBs应用于微通道反应器进行生物柴油合成的可行性。据我们所知，尚未有关于在电感应磁场下使用MWCB系统进行生物柴油生产的微通道反应器的研究。因此，本研究评估了微通道的长度和直径作为主要的几何特性，以及操作因素如进料流速和MWCB负载对酯交换速率和生物催化剂颗粒洗出的影响。同时，对微通道反应器的稳定性进行了连续实验测试，并评估了停留时间对酯交换过程的影响。

在实验中，我们发现不同磁场强度和方向对微反应器的性能产生了显著影响。在直流磁场下，MWCB颗粒能够更有效地保持在微通道中，减少了洗出的可能性，尤其是在磁场方向与微通道方向垂直的情况下。相比之下，交流磁场对MWCB颗粒的固定效果较差，可能导致部分颗粒在反应过程中被洗出。此外，微通道的几何特性，如长度和直径，也对反应效率产生了影响。较长的微通道能够提供更大的反应体积，从而提高FAME产率，但同时也会增加压力降和停留时间。而较短的微通道虽然减少了停留时间，但可能影响反应物的充分混合。因此，需要在微通道的长度和直径之间找到一个最佳平衡点，以实现高效和稳定的酯交换反应。实验还表明，进料流速和MWCB负载对反应效率和产物产率具有重要影响。较高的进料流速可以加快反应过程，但可能导致反应物的不充分混合。而较高的MWCB负载虽然提高了催化活性，但也增加了系统的复杂性和压力降。因此，需要根据具体条件优化这些参数，以达到最佳的反应效果。

此外，连续实验的结果表明，微通道反应器在特定条件下具有良好的可持续性。在最优条件下，微反应器能够保持原始Y_EFME的87%，显示出其在连续生产中的稳定性。这种稳定性对于工业应用至关重要，因为需要确保在长时间运行中不会出现催化剂活性的显著下降。同时，停留时间的长短也对酯交换过程的进行产生了影响。较长的停留时间可能导致反应物的过度混合，从而降低产物纯度。而较短的停留时间则可能影响反应的完全进行。因此，需要在停留时间与反应效率之间找到一个合适的平衡点，以确保产物的高纯度和高产率。

本研究的结果表明，使用*C. catenulata*的MWCBs在直流和交流诱导磁场条件下进行生物柴油生产具有巨大潜力。在两种磁场系统中，直流磁场对生物催化剂颗粒的固定效果更为显著，尤其是在磁场方向与微通道方向垂直的情况下，能够有效防止颗粒的洗出。这种控制机制有助于提高反应效率，减少催化剂的损失，并确保产物的高纯度。此外，实验还表明，通过优化微通道的几何特性、操作因素以及磁场参数，可以进一步提高生物柴油的生产效率和产物产率。这些发现为未来在微通道反应器中应用磁性生物催化剂提供了重要的理论依据和实践指导。同时，也揭示了磁性生物催化剂在微反应器系统中的优势，如高稳定性、高催化活性以及易于回收等特性。这些特性使得磁性生物催化剂成为一种有前景的绿色技术，能够有效替代传统化学催化剂，实现更高效、更环保的生物柴油生产。