《Molecular Catalysis》：Sustainable biodiesel production from non-edible feed stocks: A review on enzymatic transesterification
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阿梅亚·拉梅什·多雷（Ameya Ramesh Dhore）|阿米特·库马尔·拉贾克（Amit Kumar Rajak）|帕拉维·米什拉（Pallavi Mishra）|莫妮卡·亚达夫（Monika Yadav）|皮奥特·普鲁斯（Piotr Prus）|瓦伊巴夫·斯里瓦斯塔瓦（V
阿梅亚·拉梅什·多雷（Ameya Ramesh Dhore）|阿米特·库马尔·拉贾克（Amit Kumar Rajak）|帕拉维·米什拉（Pallavi Mishra）|莫妮卡·亚达夫（Monika Yadav）|皮奥特·普鲁斯（Piotr Prus）|瓦伊巴夫·斯里瓦斯塔瓦（Vaibhav Srivastava）|阿什法克·艾哈迈德·乔杜里（Ashfaque Ahmed Chowdhury）|M.S.L. 卡鲁纳（M.S.L. Karuna）|普拉卡什·库马尔·萨兰吉（Prakash Kumar Sarangi）
印度化学技术研究所（CSIR）油脂、脂质科学与技术系，海得拉巴500007，特伦甘纳邦，印度
摘要
酶法酯交换已成为生物柴油生产中传统化学方法的一种良性、环保且技术先进的替代方案。这一转变是由对可持续和环保能源转换技术的日益增长的需求所推动的。脂肪酶催化的过程具有多种优势，包括广泛的底物特异性、对高浓度游离脂肪酸和水分的耐受性，以及能够在温和的反应条件下进行操作。这些特点有助于降低能耗并减少副产物的产生。本文批判性地审视了酶法酯交换的最新进展，特别关注了非食用油原料的利用及其背后的反应机制。还讨论了关键工艺参数（如醇的类型、温度、溶剂系统、摩尔比和水活度）对反应效率和产率的影响。此外，还分析了酶固定化技术的发展，包括使用蛋白质工程载体、纳米材料辅助系统以及酶-化学混合方法，在催化剂稳定性、可重复使用性和整体工艺效率方面的表现。从技术和环境的角度评估了下游处理方面，如生物柴油的质量、甘油回收和酶的回收。与传统化学催化方法相比，酶法具有更低的环境影响和更好的可持续性，尽管在大规模应用和经济可行性方面仍存在挑战。最后，本文指出了当前的知识空白、技术限制和未来的研究方向，强调了酶法酯交换作为推动循环生物经济和加速可持续生物柴油生产的关键使能技术的潜力。
部分摘录
酶法酯交换概述
酶法酯交换已从一项研究兴趣发展成为一种有前景且环保的生物柴油生产技术。20世纪70年代末期的早期研究和80年代初期的关键发现表明，脂肪酶可以在温和条件下催化酯交换反应，这明显优于传统的酸催化和碱催化方法[1]。然而，最初的应用受到反应速率低和酶被短链物质失活的限制
蓖麻（Ricinus communis. L）籽油
利用非食用油生产生物柴油引起了广泛关注，因为它们是化石燃料的绿色可持续替代品。由于非食用原料不会影响食品分配网络，因此可以避免食品与燃料之间的冲突。蓖麻油（由Ricinus communis制成）含有高达45%的油脂，易于获取，并且能够在贫瘠土壤上生长，因此在非食用油中具有特殊潜力
全球非食用油资源的可获得性
非食用油资源是高效生产生物柴油的重要原料，因为它们在全球范围内广泛分布且具有优良的农艺特性（如表1所示）。这些油的主要来源是能够在偏远或退化地区种植的耐逆植物品种，从而降低了与农产品的竞争，并保护了耕地。东南亚、非洲和南亚等地
与传统的化学催化剂相比，生物催化剂（尤其是脂肪酶）在酯交换方面表现出高效和环保的特点。酶法酯交换过程中，反应条件温和，能够提供较高的底物浓度，产生的肥皂较少，并且可以接受含有较高水分和游离脂肪酸的原料。强固定的脂肪酶提高了可重复使用性和功能稳定性
反应环境和介质的选择
改进酶法酯交换技术旨在提高生物柴油的总产量以及酶的稳定性和效率。通过结合不同的脂肪酶，可以利用它们的互补作用来提高转化率和扩大底物范围（如图3所示）。虽然通过后处理程序可以实现酶的回收和再生，但酶的预处理技术（如化学修饰）也至关重要
在酶法酯交换中，醇的类型和数量是影响转化效率和酶稳定性的重要因素。短链醇（如甲醇和乙醇）因其良好的反应性而被广泛使用；然而，甲醇常常会导致酶因蛋白质变性而在界面处失活。乙醇的抑制作用较小，因此在生物过程中更受欢迎
连续批次和间歇批次反应器常用于酶法酯交换过程，因为它们操作方便且适应性强。批次系统可以精确控制反应条件（如温度和原料比例），适用于动力学研究和低成本生物柴油生产。然而，批次过程中过高的醇浓度可能会抑制酶的活性。连续批次系统通过添加醇来克服这一限制
当酶催化酯交换时，产品的生成受反应环境、酶的特异性以及原料组成的影响，直接影响生物柴油的数量和质量（见表5）。依赖脂肪酶的机制可以在温和条件下选择性地转化甘油三酯，生成游离脂肪酸的烷基酯（FAAE），从而减少不良反应和副产物的产生
与碱或酸催化的传统方法相比，酶催化的酯交换在能源消耗和工艺性能方面具有多种优势。脂肪酶催化的系统在适中的空气压力和温度下运行，大大降低了能源消耗，而化学催化通常需要高温和富含游离脂肪酸的原料的复杂处理[100]。酶催化途径具有高度选择性
酶法酯交换的最新进展得益于蛋白质的发展和新型高效生物催化剂的创造（见表6）。引导进化、理性设计和定点突变等方法使得脂肪酶能够根据需要定制，提高其对酒精的热稳定性和催化效率。此外，宏基因组学方法加深了对强效脂肪酶的理解
尽管取得了巨大进展，酶法酯交换仍面临许多技术挑战和商业障碍，阻碍了其广泛商业化。昂贵的酶、较短的操作寿命、对酒精的抑制敏感性以及热失活等问题仍然是主要的技术障碍[114]。无溶剂系统中的传质限制和不可食用油原料的波动也影响了工艺的优化。
根据
酶法酯交换与循环生物经济的概念高度契合，通过促进资源保护和废物增值来实现环境的可持续发展（如图6所示）。利用脂肪酶生物催化剂可以在温和条件下高效转化不可食用油、煎炸油废料和农业工业废料为生物柴油，从而减少能源消耗和化学废物的产生[119]。
酶法酯交换是一种技术先进且生态可持续的生物柴油生产方法，特别适合转化不可食用和低质量的脂质材料。脂肪酶催化的系统在温和的环境条件下运行，能够有效选择底物，耐受高浓度的游离脂肪酸和水分，并产生少量的肥皂，这些优点共同简化了生产过程
阿梅亚·拉梅什·多雷（Ameya Ramesh Dhore）：撰写——初稿，验证。阿米特·库马尔·拉贾克（Amit Kumar Rajak）：研究，数据分析。帕拉维·米什拉（Pallavi Mishra）：撰写——审阅与编辑，可视化，验证。莫妮卡·亚达夫（Monika Yadav）：撰写——审阅与编辑，研究。皮奥特·普鲁斯（Piotr Prus）：撰写——审阅与编辑。瓦伊巴夫·斯里瓦斯塔瓦（Vaibhav Srivastava）：撰写——审阅与编辑，数据分析。阿什法克·艾哈迈德·乔杜里（Ashfaque Ahmed Chowdhury）：撰写——审阅与编辑，研究。M.S.L. 卡鲁纳（M.S.L. Karuna）：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。
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