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CN111349665B - 一种酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法 - Google Patents

一种酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法,属于油脂化工技术领域。首先采用固定化甘油三酯脂肪酶在甲醇远过量的情况下催化高酸价油脂甲酯化,反应平衡后,回收甘油三酯脂肪酶、甲醇和油相产物;随后,采用固定化偏甘油酯脂肪酶继续催化上述油相产物甲酯化,可快速将上述产物中未反应的偏甘油酯转化为脂肪酸甲酯,反应平衡后,收集固定化酶、甲醇和终产物。该方法操作简单,成本低廉,脂肪酸甲酯生成速率和产量大大提升;且所用甘油三酯脂肪酶和固定化偏甘油酯脂肪酶可多次回收利用,具有良好的经济效益。

Description

一种酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法
技术领域
本发明属于油脂化工技术领域,具体涉及一种酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法。
背景技术
众所周知,化石燃料的大量使用导致大气中二氧化碳积累的增加,进而导致全球气温急剧上升,因此迫切需要寻找清洁、环保和可再生的能源,以最大程度地减少对化石燃料的依赖。生物柴油因其优良的环保特性、较高的安全性和可再生性等成为化石燃料的良好代替。目前,生物柴油生产成本的很大一部分来自原材料成本,而高酸价油脂如高酸价餐饮废油、高酸价米糠油、高酸价小麦胚芽油和脱臭馏出物等因其价格便宜使其成为生产生物柴油的良好原料。
目前,工业上采用高酸价油脂制备生物柴油时,通常先采用物理蒸馏的方式降低高酸价油脂的酸价,随后采用碱催化剂催化脱酸后的高酸价油脂转酯化制备生物柴油。此方法耗能大、生产成本高、污染严重且工艺繁琐。因此,长期以来探索环保且经济可行的高酸价油脂制备生物柴油的方法一直是研究的热点。
酶法催化高酸价油脂制备生物柴油因其反应条件温和、安全和环保等优点近年来引起了广泛关注。目前,采用脂肪酶催化高酸价油脂制备生物柴油时,为了避免反应副产物甘油和水对反应带来的负面效应,常常需要添加极性有机溶剂来提高高酸价油脂的转化率和生物柴油的产量,不仅增加了反应过程的复杂性,而且极性有机溶剂的使用降低了脂肪酶活性;此外,采用脂肪酶在溶剂体系中催化高酸价油脂制备生物柴油时,反应达到平衡时需要6h甚至更长时间,且反应达到平衡时产物中脂肪酸甲酯含量通常低于90%。因此,针对目前酶法催化高酸价油脂制备生物柴油时所面临的反应速率低和生物柴油产量低的问题,开发酶法转化新技术实现高酸价油脂快速转化制备高产量生物柴油具有重要意义。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法,大幅提高了脂肪酸甲酯的生成速率和产量,且操作简单,成本低,具有良好的经济效益。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法,包括以下步骤:包括以下步骤:
步骤1:采用固定化甘油三酯脂肪酶在过量甲醇存在条件下催化高酸价油脂进行甲酯化反应,反应平衡后,经过滤、减压蒸馏,得到油相产物;
步骤2:采用固定化偏甘油酯脂肪酶继续催化步骤1得到的油相产物进行甲酯化反应,反应平衡后,经过滤、减压蒸馏,得到生物柴油。
优选地,步骤1中,固定化甘油三酯脂肪酶为Lipozyme 435或Novozym435。
优选地,步骤1中,甲醇的质量为底物总质量的1.4~2.1倍,甘油三酯脂肪酶的质量为底物总质量的5~10%。
优选地,步骤1中,反应温度为30~50℃,反应时间为0.5~2h。
优选地,步骤2中,固定化偏甘油酯脂肪酶为固定化Lipase SMG1或固定化LipaseG“Amano”50。
优选地,固定化偏甘油酯脂肪酶的制备方法为:采用丙烯酸十八烷酯ECR8806树脂作为固定化载体,按照偏甘油酯脂肪酶与固定化载体比例为30mg/g树脂,在30℃下以200rpm的转速搅拌8h或采用环氧树脂ECR8285作为固定化载体,按照偏甘油酯脂肪酶与固定化载体比例为20mg/g树脂,在30℃下以200rpm的转速搅拌2h。
优选地,步骤2中,甲醇的质量为底物总质量的4.5~6.5%,固定化偏甘油酯脂肪酶的质量为底物总质量的2~4%。
优选地,步骤2中,反应温度为25~45℃,反应时间为2~4h。
优选地,高酸价油脂的酸价为20~140mg KOH/g。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明公开的酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法,首先采用固定化甘油三酯脂肪酶在甲醇远过量的情况下催化高酸价油脂甲酯化,反应平衡后,回收甘油三酯脂肪酶、甲醇和油相产物;在甲醇过量的条件下,由于所用甘油三酯脂肪酶位置特异性的改变,脂肪酸甲酯生成速率大大提升,反应平衡后产物中仅含极少(<1%)甘油三酯和部分偏甘油酯;随后,采用固定化偏甘油酯脂肪酶继续催化上述油相产物甲酯化,可快速将上述产物中未反应的偏甘油酯转化为脂肪酸甲酯,反应平衡后,收集固定化酶、甲醇和终产物。该方法操作简单,成本低廉,脂肪酸甲酯生成速率和产量大大提升;且所用甘油三酯脂肪酶和固定化偏甘油酯脂肪酶可多次回收利用,具有良好的经济效益。
进一步地,固定化甘油三酯脂肪酶采用Lipozyme 435或Novozym 435,可更有效地促进高酸价油脂转化生成脂肪酸甲酯且可尽可能高的降低高酸价油脂中的甘油三酯含量。
进一步地,步骤1中甲醇的质量为底物总质量的1.4~2.1倍,甘油三酯脂肪酶的质量为底物总质量的5~10%,可更有利于高酸价油脂转化生成脂肪酸甲酯且可尽可能高的保持甘油三酯脂肪酶的操作稳定性,并维持较低的生产成本。
进一步地,步骤1中反应温度为30~50℃,反应时间为0.5~2h,可有效促进高酸价油脂转化生成脂肪酸甲酯且可有效避免甘油三酯脂肪酶高温钝化失活。
进一步地,固定化偏甘油酯脂肪酶为固定化Lipase SMG1或固定化Lipase G“Amano”50可更高效、彻底地催化残留偏甘油酯转化生成脂肪酸甲酯。
进一步地,步骤2中甲醇的质量为底物总质量的4.5~6.5%,固定化偏甘油酯脂肪酶的质量为底物总质量的2~4%,可更有利于残留偏甘油酯转化生成脂肪酸甲酯且可尽可能高的保持固定化偏甘油酯脂肪酶的操作稳定性,并维持较低的生产成本。
进一步地,步骤2中反应温度为25~45℃,反应时间为2~4h,可有效促进残留偏甘油酯转化生成脂肪酸甲酯且可有效避免固定化偏甘油酯脂肪酶高温钝化失活。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
高酸价油脂通常为高酸价餐饮废油、高酸价米糠油、高酸价小麦胚芽油和脱臭馏出物等的一种或多种的混合物,其酸价一般为20~140mg KOH/g。
实施例1
准确称取1Kg高酸价餐饮废油(44.56mg KOH/g),加入1.75Kg甲醇,搅拌混合均匀后,将底物温度加热到50℃,随后加入275g Novozym 435,反应开始计时。反应0.5h后,过滤回收固定化酶,减压回收甲醇,得油相产物,此时产物中甘油三酯含量为0.26%,脂肪酸含量为0.34%,甘油二酯含量为6.25%,甘油单酯含量为20.25%,脂肪酸甲酯含量为72.9%。继续以上述油相产物为底物加入45g甲醇,搅拌混合均匀后,将底物温度加热到40℃。随后加入30g固定化Lipase G“Amano”50,反应3h后,收集固定化酶、甲醇和终产物,分析显示产物中脂肪酸甲酯含量为99.45%,且两步反应中所回收固定化酶连续使用20个批次,酶活力没有显著降低。
实施例2
准确称取1Kg高酸价餐饮废油(118.45mg KOH/g),加入2.1Kg甲醇,搅拌混合均匀后,将底物温度加热到40℃,随后加入250g Lipozyme 435,反应开始计时。反应1h后,过滤回收固定化酶,减压回收甲醇,得油相产物,此时产物中甘油三酯含量为0.14%,脂肪酸含量为0.67%,甘油二酯含量为6.66%,甘油单酯含量为15.31%,脂肪酸甲酯含量为77.22%。继续以上述油相产物为底物加入50g甲醇,搅拌混合均匀后,将底物温度加热到30℃。随后加入30g固定化Lipase SMG1(参照文献J.Mol.Catal.B-Enzym.,2012,77:87-91描述的方法制备Lipase SMG1,按本发明描述的方法制备固定化Lipase SMG1),反应3h后,收集固定化酶、甲醇和终产物,分析显示产物中脂肪酸甲酯含量为99.42%,且两步反应中所回收固定化酶连续使用20个批次,酶活力没有显著降低。
实施例3
准确称取1Kg高酸价米糠油(81.23mg KOH/g),加入1.75Kg甲醇,搅拌混合均匀后,将底物温度加热到30℃,随后加入220g Novozym 435,反应开始计时。反应1h后,过滤回收固定化酶,减压回收甲醇,得油相产物,此时产物中甘油三酯含量为0.51%,脂肪酸含量为0.55%,甘油二酯含量为5.68%,甘油单酯含量为17.64%,脂肪酸甲酯含量为75.62%。继续以上述油相产物为底物加入60g甲醇,搅拌混合均匀后,将底物温度加热到25℃。随后加入40g固定化Lipase SMG1(参照文献J.Mol.Catal.B-Enzym.,2012,77:87-91描述的方法制备Lipase SMG1,按本发明描述的方法制备固定化Lipase SMG1),反应4h后,收集固定化酶、甲醇和终产物,分析显示产物中脂肪酸甲酯含量为99.13%,且两步反应中所回收固定化酶连续使用20个批次,酶活力没有显著降低。
实施例4
准确称取1Kg大豆油脱臭馏出物(134.56mg KOH/g),加入1.4Kg甲醇,搅拌混合均匀后,将底物温度加热到30℃,随后加入144g Lipozyme 435,反应开始计时。反应2h后,过滤回收固定化酶,减压回收甲醇,得油相产物,此时产物中甘油三酯含量为0.15%,脂肪酸含量为0.87%,甘油二酯含量为5.44%,甘油单酯含量为14.89%,脂肪酸甲酯含量为78.65%。继续以上述油相产物为底物加入65g甲醇,搅拌混合均匀后,将底物温度加热到45℃。随后加入20g固定化Lipase G“Amano”50,反应3h后,收集固定化酶、甲醇和终产物,分析显示产物中脂肪酸甲酯含量为99.5%,且两步反应中所回收固定化酶连续使用20个批次,酶活力没有显著降低。
实施例5
准确称取1Kg高酸价小麦胚芽油(50.22mg KOH/g),加入1.75Kg甲醇,搅拌混合均匀后,将底物温度加热到50℃,随后加入137.5g Lipozyme 435,反应开始计时。反应1h后,过滤回收固定化酶,减压回收甲醇,得油相产物,此时产物中甘油三酯含量为0.18%,脂肪酸含量为0.27%,甘油二酯含量为6.31%,甘油单酯含量为18.48%,脂肪酸甲酯含量为74.76%。继续以上述油相产物为底物加入60g甲醇,搅拌混合均匀后,将底物温度加热到45℃。随后加入40g固定化Lipase G“Amano”50,反应2h后,收集固定化酶、甲醇和终产物,分析显示产物中脂肪酸甲酯含量为99.55%,且两步反应中所回收固定化酶连续使用20个批次,酶活力没有显著降低。
对比例1
准确称取1Kg高酸价餐饮废油(44.56mg KOH/g),加入330g甲醇(醇油摩尔比为9:1,高酸价餐饮废油的摩尔数用甘油三酯摩尔当量数表示),搅拌混合均匀后,将底物温度加热到50℃,随后加入133g Novozym 435,反应开始计时。反应12h后,过滤回收固定化酶,减压回收甲醇,得油相产物,此时产物中脂肪酸甲酯含量为45.33%。和实施例1相比,对比例1所采用的醇油摩尔比显著低(9:1vs 50:1),在加酶量(占底物总质量的10%)和反应温度相同的情况下,即使反应时间大幅延长(0.5h到12h),产物中脂肪酸甲酯含量仍显著低于实施例1中在甲醇远过量情况下所获得的脂肪酸甲酯含量(45.33%vs 72.9%)。
对比例2
准确称取1Kg高酸价餐饮废油(44.56mg KOH/g),加入1.75Kg甲醇,搅拌混合均匀后,将底物温度加热到50℃,随后加入275g Novozym 435,反应开始计时。反应12h后,过滤回收固定化酶,减压回收甲醇,得油相产物,此时产物中脂肪酸甲酯含量为81.57%。和实施例1相比,对比例2仅采用甘油三酯脂肪酶在甲醇远过量情况下催化高酸价餐饮废油制备生物柴油,即使反应时间大幅延长(0.5h到12h),产物中脂肪酸甲酯含量仍显著低于实施例1中甘油三酯脂肪酶偶联固定化偏甘油酯脂肪酶催化高酸价餐饮废油所制备得到的产物中的脂肪酸甲酯含量(81.57%vs 99.45%)。

Claims (4)

1.一种酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:采用固定化甘油三酯脂肪酶在过量甲醇存在条件下催化高酸价油脂进行甲酯化反应,反应温度为30~50℃,反应时间为0.5~2h;反应平衡后,经过滤、减压蒸馏,得到油相产物;固定化甘油三酯脂肪酶为Lipozyme 435或Novozym 435;甲醇的质量为底物总质量的1.4~2.1倍,甘油三酯脂肪酶的质量为底物总质量的5~10%;
步骤2:采用固定化偏甘油酯脂肪酶继续催化步骤1得到的油相产物进行甲酯化反应,反应温度为25~45℃,反应时间为2~4h;反应平衡后,经过滤、减压蒸馏,得到生物柴油;固定化偏甘油酯脂肪酶为固定化Lipase SMG1或固定化Lipase G“Amano”50。
2.根据权利要求1所述的酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,固定化偏甘油酯脂肪酶的制备方法为:采用丙烯酸十八烷酯ECR8806树脂作为固定化载体,按照偏甘油酯脂肪酶与固定化载体比例为30 mg/g树脂,在30℃下以200 rpm的转速搅拌8 h或采用环氧树脂ECR8285作为固定化载体,按照偏甘油酯脂肪酶与固定化载体比例为20 mg/g树脂,在30℃下以200 rpm的转速搅拌2 h。
3.根据权利要求1所述的酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,步骤2中,甲醇的质量为底物总质量的4.5~6.5%,固定化偏甘油酯脂肪酶的质量为底物总质量的2~4%。
4.根据权利要求1所述的酶法催化高酸价油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,高酸价油脂的酸价为20~140mg KOH/g。
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