用于制备碳酸二甲酯的生物酶催化剂及其制备方法[0002]碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate，DMC)，DMC常温时是一种无色透明、略有气味、微甜的液体，难溶于水，但可以与醇、醚、酮等几乎所有的有机溶剂混溶。DMC毒性很低，在1992年就被欧洲列为无毒产品，是一种符合现代清洁工艺要求的环保型化工原料，因此DMC的合成技术受到了国内外化工界的广泛重视(J.H.Clements, Ind.Eng.Chem.Res.,42(2003):663 ；S.Fukuoka et al., Green Chem.5 (2003):497 ；J.Bayarydon et al.,Angew.Chem.1nt.Ed.,46(2007):5971)。[0003]DMC最初的生产方法为光气法，于1918年开发成功，但是光气的毒性和腐蚀性限制了这一方法的应用，特别是随着环保受全世界重视程度的日益提高，光气法已被淘汰。自20世纪80年代开始，对于DMC生产工艺的研究开始受到普遍的关注，据Michael A.Pacheco和ChristopherL.Marshall的统计，有关DMC生产工艺的专利自1980~1996年就超过了200项。20世纪80年代初，意大利的EniChem公司实现了以CuCl为催化剂的由甲醇氧化羰基化合成DMC工艺的商业化，这是第一个实现工业化的非光气合成DMC的工艺，也是应用最广的工艺，此工艺的缺陷在于高转化率时催化剂的失活现象严重，因此其单程转化率仅为20%。在20世纪90年代，DMC合成工艺的研究得到了迅速的发展，日本的Ube对EniChem公司甲醇氧化羰基化合成DMC的工艺进行了改进，选择NO为催化剂，这样避免了催化剂的失活，使转化率几乎达到了 100%，此工艺已实现了工业化，但该工艺以CO为原料，CO是一种有毒的气体，因此CO引起的安全问题限制该工艺的应用；美国Texaco公司开发了先由环氧乙烷与二氧化碳反应生成碳`酸乙烯酯，再与甲醇经过酯交换生产DMC的工艺，此工艺联产乙二醇，于1992年实现了工业化，此工艺被认为产率较低、生产成本较高，只有当DMC年产量高于55kt时其投资和成本才可以与其他方法竞争；此外还有一种新兴的工艺，即尿素醇解反应，若与尿素生产联合进行可降低成本，此工艺有望实现工业化。[0004]近年来，合成DMC的研究受到国内外研究者的广泛关注，合成路线正朝着简单化、无毒化和无污染化的方向发展。目前合成DMC的绿色方法主要有C02和甲醇直接合成法、酯交换法和尿素醇解法。其中，以碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯为原料，通过和甲醇酯交换来制备碳酸二甲酯和二醇的经济效应和工业需求日益增大，引起各国科学家广泛的关注。美国专利US430703公开了一种碳酸二烷基酯的制备方法，该专利中公开了使用铊化合物作为酯交换反应的催化剂，在相对低温、低催化剂浓度下，可获得高的反应速率，并强有力地抑制了副反应的发生。例如在150°0，1.92父10-411101碳酸铊存在下，反应301^11后，碳酸乙烯酯(甲醇:碳酸乙烯酯=5: I)的转化率达70%，生成DMC的选择性达90%。通过蒸馏除去DMC和甲醇的共沸物(约70%甲醇)后，残留物在同一条件下继续和甲醇反应，可获得80 %的转化率，其副产物仍很少，这一反应也可在装有铊催化剂的固定床反应器中进行。美国专利US4661609公开一种联产乙烯乙二醇和碳酸二甲酯的方法，该专利中公开了钛和锆的可溶性盐或其络合物作为酯交换反应的均相催化剂，反应温度在20°C -200°C,甲醇和碳酸乙烯酯的配比较小。例如130°C高氯酸锆作催化剂，甲醇和碳酸乙烯酯摩尔比为4.7时，碳酸乙烯醋的转化率为89%。DMC的选择性以碳酸乙烯酯计为80%，以甲醇计为76%，乙二醇的选择性均在95%以上。碱土金属硅酸盐如Na2Si03，KHSi03，Li2Si03等负载在硅胶上作为反应的催化剂，在80°C~125°C，0.7Mpa，LHSV = 1.0, CH30H/EC (mol) = 4时，其活性顺序为:Na2Si03 > KHSi03 > Li2Si03，其中水玻璃负载在硅胶上作为催化剂时，碳酸乙烯酯的转化率约为30%。不过此类物质的催化寿命不长，随反应时间的延长，催化活性逐渐下降(刘宗键，蔡晔，酯交换法合成DMC的催化剂研究，化工生产与技术，1998，5 (4)，13-15)。[0005]甲醇直接合成法、酯交换法和尿素醇解法合成DMC都存在催化剂活性或选择性不高、产率低等缺点，因此寻找更加合适的催化剂及载体、提高催化剂的活性和选择性是生产DMC的技术关键和研究热点。[0006]酶作为一种生物催化剂，近年来己被人们广泛应用于食品生产与检测、环保技术、生物技术、生物医药等领域。目前研究和应用最广泛的脂肪酶(Lipase，EC 3.1.1.3)是一类能催化油脂和短链醇进行转酯化反应生成脂肪酸甲酯的生物催化剂，脂肪酶所介导的反应具有反应条件温和、醇用量小、产品易收集纯化、无污染物排放等优点。以离子液体和脂肪酶为主要成分组成的生物酶催化剂在制备碳酸二甲酯上的应用还未见报道。
[0007]本发明主要解决的技术问题是提供一种用于制备碳酸二甲酯的生物酶催化剂及其制备方法，所述生物酶催化剂不仅催化效率高，而且能循环使用，对环境友好。
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:提供一种用于制备碳酸二甲酯的生物酶催化剂，所述生物酶催化剂包括离子液体和脂肪酶，其中，每毫升离子液体中含有
0.003克~0.75克脂肪酶。
[0009]优选地，每毫升离子液体中含有0.01克~0.3克脂肪酶。
[0010]最优选地，每毫升离子液体中含有0.01克脂肪酶。
[0011]其中，所述脂肪酶来源于动物、植物或微生物。
[0012]优选地，所述脂肪酶为青霉脂肪酶。
[0013]最优选地，所述脂肪酶为扩展青霉脂肪酶。
[0014]优选地，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的一种。
[0015]生物酶催化剂还可以包括甲醇，在由反应物甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯制备碳酸二甲酯的反应中，甲醇的含量根据反应物甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比而定。
[0016]生物酶催化剂还可以包括水，在由反应物甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯制备碳酸二甲酯的反应中，水的含量根据反应物碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯的质量而定。
[0017]为解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案是:提供一种用于制备碳酸二甲酯的生物酶催化剂的制备方法，即在离子液体加入脂肪酶，混合均匀后得到所述生物酶催化剂，其中，每毫升离子液体中加入0.003克~0.75克脂肪酶。[0018]优选地，每毫升离子液体中加入0.01克~0.3克脂肪酶。
[0019]最优选地，每毫升离子液体中加入0.01克脂肪酶。
[0020]其中，加入的脂肪酶来源于动物、植物或微生物。
[0021]优选地，加入的脂肪酶为青霉脂肪酶。
[0022]最优选地，加入的脂肪酶为扩展青霉脂肪酶。
[0023]优选地，所述离子液体选用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的一种。
[0024]本发明的有益效果是:区别于现有用于制备碳酸二甲酯的催化剂催化效率低、污染环境的情况，本发明使用以离子液体和脂肪酶为主要成分组成的生物酶催化剂，离子液体通过与脂肪酶的相互作用稳定脂肪酶的酶活，在催化酯化反应制备碳酸二甲酯的过程中催化效率高，且所述生物酶催化剂能循环使用，对环境友好。



[0025]图1为本发明生物酶催化剂中每毫升离子液体中脂肪酶的含量与转化率的关系示意图。

[0026]下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0027]在容器中加入离子液体，然后加入脂肪酶，混合均匀后得到生物酶催化剂，其中，每毫升离子液体中加入0.003克~0.75克。离子液体选用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的一种。脂肪酶可以来源于动物、植物或微生物，本发明中选用青霉脂肪酶，尤其是扩展青霉脂肪酶。
[0028]生物酶催化剂用于制备碳酯二甲酯时，生物酶催化剂的加入量是根据反应物的摩尔比而确定。
[0029]生物酶催化剂还可以包括甲醇，在由甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯制备碳酸二甲酯的反应中，甲醇既是构成生物酶催化剂的组分之一，又是反应物。当生物酶催化剂中包括甲醇时，生物酶催化剂中甲醇的含量根据反应物甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比而定。
[0030]生物酶催化剂还可以包括水，当该生物酶催化剂用于催化甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯制备碳酸二甲酯的反应中， 生物酶催化剂中水的含量根据反应物碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯的质量而定。
[0031]实施例1
[0032]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.003克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为25%。
[0033]实施例2
[0034]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.01克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为92%。
[0035]实施例3
[0036]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.03克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为85%。
[0037]实施例4
[0038]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.06克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为69%。
[0039]实施例5
[0040]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.12克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为66%。
[0041]实施例6
[0042]在 反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.18克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为61%。
[0043]实施例7
[0044]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.24克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为60%。
[0045]实施例8
[0046]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.3克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为59%。
[0047]实施例9
[0048]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.36克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为55%。
[0049]实施例10
[0050]在反应装置中依次 加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.45克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为55%。
[0051]实施例11
[0052]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.54克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为41%。
[0053]实施例12
[0054]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.6克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为30.5%。[0055]实施例13
[0056]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化剂，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.66克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为28%。
[0057]实施例14
[0058]在反应装置中依次加入反应物甲醇和碳酸丙烯酯，甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比16: 1，然后加入生物酶催化利，再加入水，水含量1% (基于酯重，w/w)，搅拌进行转酯反应，反应温度55°C，反应时间72h，反应压力为0.1Mpa0生物酶催化剂中的离子液体为1_乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，离子液体2ml/g (基于酯重，v/w);生物酶催化剂中脂肪酶为扩展青霉脂肪酶，每毫升离子液体中加入0.75克扩展青霉脂肪酶。取反应液用于碳酸二甲酯含量分析，由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率为24.5%。
[0059]以上各实施例中，在反应后，通过分馏除去过量的甲醇及得到产物碳酸二甲酯，剩下的生物酶催化剂可重复使用，催化活性不会降低。
[0060]以上各实施例中，碳酸二甲酯含量分析方法为:取50yL反应液离心分层，取上层液样IOyL,用290 μ L环己烷溶解，摇匀，再加入300 μ L十二烷(2mg/ml)作为内标；取I μ L样品进样，由气相色谱测定反应物中的碳酸二甲酯量。转化率用山东鲁南化工仪器厂的SP-6890型气相色谱仪测定，色谱柱为SE-54型。具体的测试条件为:柱室采用程序升温:10(TC维持6分钟，升温速度 40°C /分钟，到20(TC维持15分钟，气化室320°C，检测室320°C。由测定的碳酯二甲酯量计算出碳酸丙烯酯的转化率，计算方法如下:
[0061]
碳酯二甲酯的质量 转化率=....................—.........................................................................χ 100% 碳酯二甲酯的质量+剩余碳酸丙烯酯的质量
[0062]碳酸二甲酯、剩余碳酸丙烯酸的质量通过气相色谱峰面积计算得到(内标法，十二烷作为内标)。
[0063]请参见图1，本发明生物酶催化剂中每毫升离子液体中脂肪酶的含量与转化率的关系示意图，由图1可知，当每毫升离子液体中的酶量为0.01克时，碳酸丙烯酯的转化率最高，高达92%;当每毫升离子液体中的酶量超过0.01克时，随着酶量的增加，碳酸丙烯酯转化率逐渐降低；当每毫升离子液体中的酶量达0.3克时，碳酸丙烯酯的转化率仍达59% ；此后，随着酶量的增加，碳酸丙烯酯的转化率迅速下降，当每毫升离子液体中的酶量为0.75克时，碳酸丙烯酯的转化率降至24.5%。因此，每毫升离子液体中的脂肪酶量为0.01克~
0.3克是本发明的优选方案，每毫升离子液体中的脂肪酶量为0.01克是本发明最优选方案。
[0064]本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围。此外，应当理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落 于本申请所附权利要求书所限定的范围。