CN100375781C - 一种生产生物柴油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固定化脂肪酶法在非水相体系催化醇解动植物油脂生产生物柴油的方法，该生产方法包括海藻酸钠、高岭土、戊二醛、明胶、乳糖组成的共固定剂对脂肪酶的固定化，球形固定化酶以自然状态堆积在填充床酶柱反应器中，在生物柴油作为溶剂的条件下醇解动植物油脂，生产生物柴油。本发明所述的生产方法反应条件温和，能耗低，并且可以连续化生产，大大降低了生产成本，同时本发明使用生物催化剂，反应特异性强，副产物少，所制得的生物柴油具有色泽浅、品质高的特点。

Description

一种生产生物柴油的方法
技术领域
本发涉及生产生物柴油的方法，尤其是一种固定化脂肪酶法在非水相体系催化醇解动植物油脂为生物柴油的方法。
背景技术
柴油是许多大型车辆如卡车及内燃机车及发电机等的主要动力燃料，其具有动力大，价格便宜的优点，我国柴油需求量很大，柴油的需求增长率已达6％以上，远高于汽油的增长率(3.2％)。
柴油应用的主要问题是燃烧效率较低，对空气污染严重。为解决燃油的尾气污染问题及日益恶化的环境压力，人们开始研究采用其他能源如燃料酒精燃料代替汽油，目前燃料酒精在北美州，如美国、加拿大等和南美如巴西、阿根廷等已占有相当比例，装备有燃料酒精发动机的汽车已投放市场。但燃料酒精仅作为汽油的代替物，而且发动机需要更换。对大多数需要柴油为燃料的大动力车辆而言，燃料酒精并不适合。而且柴油造成的尾气污染比汽油大的多，因此很有必要开发柴油的代用品-生物柴油。
我国有丰富的植物油脂及动物油脂资源，我国每年豆油年产量达6000万吨，而且饭店产生大量的地沟油和煎炸油，食品加工行业也产生大量的下脚料。如果加以很好利用，可以解决令人头疼的"地沟油″等环境污染问题，提供绿色燃料。
目前生物柴油全部是用化学法生产，即用动物、植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇在碱性催化剂下，在高温(230℃-250℃)下，转酯化生成甲酯或乙酯。但化学法合成生物柴油有以下缺点：工艺复杂，醇必须过量，后续必须有相应的醇回收装置；能耗高，色泽深，由于脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容易变质，酯化产物难于回收，成本高；生成过程有废碱液排放。
为解决上述问题，人们开始研究用生物酶法合成生物柴油，即动植物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量小，无污染物排放等优点。但目前由于低碳醇对酶有毒性，致使酶法转化率很低，而且酶失活严重，酶及酶固定化成本较高，以上种种问题使酶法生产生物柴油仍不能工业化。
本发明的方法即是针对酶法制备生物柴油面临的问题，以生物柴油代替昂贵的正已烷、石油醚等传统溶剂，并应用了新型、廉价的固定化方法对酶进行固定化，可有效降低酶法制备生物柴油的成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低、生产率高的利用海藻酸钠固定化酶生产生物柴油的方法，该方法能利用固定化脂肪酶催化转化废动植物油生产生物柴油。
为达上述目的，本发明所述的生产方法包括如下步骤：
A.脂肪酶的固定化：将海藻酸钠溶液、高岭土溶液、戊二醛溶液、明胶溶液、乳糖溶液混合，再将混合液置于磁力搅拌器上，加入适量脂肪酶，搅拌使混合均匀，然后放入30℃-50℃恒温摇床中，100-300r/min下振荡1-2h，然后滴入到15-30g/L的氯化钙溶液中，形成球形颗粒，固化，抽滤得到固定化酶；
B.固定化酶醇解动植物油脂：将固定化酶以自然状态堆积于第一、二和三级反应器内；将动植物油脂与甲醇按摩尔比为1∶1的比例混合，并加入与油脂重量比为4∶1-5∶1的生物柴油作为溶剂和油脂重量15％-25％的水组成底物混合物，该底物混合物置于底物混合罐中并进行磁力搅拌加热，以使甲醇与动植物油混合均匀；底物混合均匀后经计量泵抽取进入第一级反应器中在固定化酶催化下进行反应，从第一级反应器出来的反应液经甘油分离器分离甘油后和摩尔比1∶1的甲醇混合后进入第二级反应器进行反应，从第二级反应器出来的反应液经甘油分离并和摩尔比1∶1的甲醇混合后进入第三级反应器进行反应，最后反应产物经甘油分离后可制得生物柴油。
本发明所述的制备方法的步骤A中，固定化脂肪酶时，海藻酸钠溶液的浓度为20-40g/L，高岭土溶液的浓度为10-30g/L，戊二醛溶液的重量百分含量为2.5-8％，明胶溶液的浓度为10-20g/L，乳糖溶液的浓度为5-20g/L；其优选的浓度为海藻酸钠溶液的浓度为30g/L，高岭土溶液的浓度为20g/L，戊二醛溶液的重量百分含量为5％，明胶溶液的浓度为10g/L，乳糖溶液的浓度为5g/L，各溶液体积比最优的为300∶300∶5∶5∶3 。
本发明所述的生物柴油的制备方法步骤A中所述的固化温度为3-5℃，固定时间为4-6h。
氯化钙(CaCl2)溶液的浓度范围为15-30g/L，优选的浓度为20g/L。
本发明方法适用于各种类型的脂肪酶，脂肪酶与海藻酸钠的质量比为1∶1-1∶4，优选为3∶5。
与现有技术中制备生物柴油相比，本发明具有以下所述优点：
(1)用海藻酸钠做载体制作的固定化酶弹性好，对温度、PH值变化得耐受性比较强，不易溶解于水，机械强度高，酶活稳定，半衰期较长。海藻酸钠本身是无毒的，并且价格低廉、材料易得，因此用作固定化酶的载体时非常安全，且固定化方法比较简单，固定化时的条件比较温和，对酶活性影响甚少。
(2)由海藻酸钠、高岭土、戊二醛、明胶、乳糖组成的共固定剂，有效地改善了固定化载体的亲水和疏水特性，为酶和底物之间的作用提供了良好的微环境，从而大大提高了酶的催化活性。
(3)以生物柴油代替昂贵的正已烷、石油醚作溶剂，可以有效降低酶法制备生物柴油的成本。
(4)本方法所用反应器为填充床酶柱反应器，球形固定化酶以自然状态堆积于反应器内，反应结束后，固定化酶也易于与反应液和吸水剂分离，有利于回收复用和连续化生产。
概括地说，与传统的化学合成法相比，本发明反应条件温和，能耗低，并且可以连续化生产，大大降低了生产成本。同时本发明使用生物催化剂，反应特异性强，副产物少，所制得的生物柴油具有色泽浅、品质高的特点。
附图说明
图1为本发明方法的装置示意图。
附图标记说明：1为甲醇储罐；2为底物混合罐；3为计量泵；4为混合器；5，6，7分别是第一、二、三级反应器；8，9，10是甘油分离器；11是甘油收集器。
具体实施方式
如图1所示，反应器5及6，7内装填有球形的海藻酸钠固定化酶，该固定化酶为经海藻酸钠溶液、高岭土溶液、戊二醛溶液、明胶溶液、乳糖溶液混合中加入与海藻酸钠的质量比为1∶1-1∶4的脂肪酶，经搅拌混合均匀后放入恒温摇床中振荡，然后逐滴滴入到15-30g/L的氯化钙溶液中，通常，在100ml氯化钙溶液中滴入含有0.5克的脂肪酶的该混合物，形成球形颗粒，3-5℃固定4-6h小时后制得。所用脂肪酶为深圳市绿微康生物工程有限公司生产的碱性脂肪酶或其它碱性脂肪酶。
将动植物油脂在底物混合罐2内与甲醇、生物柴油和水等混合均匀后经计量泵3进入第一级反应器5中与反应器内装填有球形的海藻酸钠固定化酶催化作用下反应，从第一级反应器出来的反应液经甘油分离器8分离甘油后，再经计量泵进入混合器4，在混合器4内和甲醇混合后进入第二级反应器6反应。甲醇由甲醇储罐1经计量泵打入混合器。从反应器6出来的反应液同样经甘油分离后和甲醇混合进入最后一级反应器7内反应。从反应器7出来的产物经甘油分离后，即可制得生物柴油。从甘油分离器8，9，10分离出来的甘油进入甘油收集器11。
用于实现本发明的装置包括：
3个填充床固定化酶柱反应器5，6和7，该反应器为套管式水浴控温，使得反应温度稳定在40-50℃之间。
2个甲醇储罐1，用于向反应器6、7的混合器4内打入定量的甲醇，实现分级流加甲醇，以降低低碳醇对固定化酶的毒性。
1个底物混合罐2，用于将原料油、反应物、溶剂等进行混合，混合罐2进行恒温搅拌加热，以使甲醇和原料油等充分混合。
2个混合器4，用于将分级填加的甲醇和反应液混合。
3个甘油分离器8，9，10，用于反应过程中的甘油分离，以减少甘油对酶的毒性，同时将作为反应产物的甘油分离，可以促进反应向生成生物柴油的方向移动，有利于提高转化率。
1个甘油收集器11，用于收集甘油分离器8，9，10分离出的甘油。
实施例1：
将0.5g脂肪酶加入到含0.3g海藻酸钠(0.046mo1/L)与0.6g高岭土(20g/L)的30ml溶液中，加入0.5ml明胶(10g/L)、0.5ml乳糖(10g/L)和0.3ml 5％的戊二醛溶液，搅拌10分钟，混合均匀，42℃条件下，振荡1h，然后注入25g/L的100ml CaCl2溶液中4℃固化4h。以自然状态堆积于第一、二和三级反应器内；
将动植物油脂与甲醇按摩尔比为1∶1的比例混合，并加入与油脂重量比为5∶1的生物柴油作为溶剂和油脂重量20％6的水组成底物混合物，将该底物混合物置于底物混合罐中进行磁力搅拌并加热，以使甲醇与动、植物油脂混合均匀；底物混合均匀后经油泵抽取进入第一级反应器中在固定化酶催化下进行反应，从第一级反应器出来的反应液经甘油分离并和摩尔比1∶1的甲醇在混合器中混合后进入第二级反应器6中进行反应，从第二级反应器6出来的反应液经甘油分离并和摩尔比1∶1的甲醇在混合器中混合后进入第三级反应器7进行反应，最后反应产物经甘油分离器10分离后即可制得生物柴油。所生产的生物柴油具有色泽浅、品质高的特点，其性质分析见表1。
表1.本实施例所生产的生物柴油分析结果
    项目名称 分析数据 单位
    密度(15℃)     0.8798     g/cm3
    粘度(40℃)     4.639     mm2/s
  闪点(闭口杯)     >160     ℃
    冷滤点     1     ℃
    S含量     4     ppm
    残碳值     <0.05     mass％
    十六烷值     75.2
    水含量     290     ppm
铜片腐蚀(50℃，3h)     1     级
    总酸值     0.07   mgKOH/g
    甲醇含量     0.05     mass％
    甲酯含量     99.68     mass％
    单甘酯含量     未检出     mass％
    二甘酯含量     未检出     mass％
    三甘酯含量     未检出     mass％
    游离甘油含量     未检出     mass％
    总甘油含量     未检出     mass％
    P含量     4.1     ppm
    热值     36.95     kJ/g
实施例2：
将0.5g酶加入到含0.6g海藻酸钠(0.046mol/L)与0.6g高岭土(20g/L)的30ml溶液中，加入0.5ml明胶(10g/L)、0.5ml乳糖(10g/L)和0.3ml 5％的戊二醛溶液，搅拌10分钟，混合均匀，于40℃条件下，振荡1h，然后注入20g/L的100mlCaCl2溶液中4℃固化4h，过滤，以自然状态堆积于第一、二和三级反应器中。
将动植物油脂与甲醇按摩尔比为1∶1的比例混合，并加入与油脂重量比为5∶1的生物柴油作为溶剂和油脂重量20％的水组成底物混合物，将该底物混合物置于底物混合罐中并进行磁力搅拌加热，以使甲醇与动植物油脂混合均匀；底物混合物混合均匀后经油泵抽取进入第一级反应器中在固定化酶催化下进行反应，其余步骤同实施例1制备生物柴油。所生产的生物柴油性质分析见表2。
表2.本实施例所生产的生物柴油分析结果
    项目名称 分析数据 单位
    密度(15℃)     0.8816     g/cm3
    粘度(40℃)     4.647     mm2/s
  闪点(闭口杯)     >160     ℃
    冷滤点     1     ℃
    S含量     4     ppm
    残碳值     <0.04     mass％
    十六烷值     75.2
    水含量     290     ppm
铜片腐蚀(50℃，3h)     1     级
    总酸值     0.07   mgKOH/g
    甲醇含量     0.05     masss％
    甲酯含量     99.68     mass％
    单甘酯含量     未检出     mass％
    二甘酯含量     未检出     mass％
    三甘酯含量     未检出     mass％
  游离甘油含量     未检出     mass％
    总甘油含量     未检出     mass％
    P含量     4.1     ppm
    热值     36.95     1kJ/g
实施例3：
将0.5g酶加入到含0.9g海藻酸钠(0.046mol/L)与0.6g高岭土(20g/L)的30ml溶液中，加入0.5ml明胶(10g/L)、0.5ml乳糖(5g/L)和0.3ml 5％的戊二醛溶液，搅拌10分钟，混合均匀，于42℃条件下，振荡1h，然后注入20g/L的100mlCaCl2溶液中4℃固化4h，以自然状态堆积于第一、二和三级反应器内。
将动植物油脂与甲醇按摩尔比为1∶1的比例混合，并加入与油脂重量比为4∶1的生物柴油作为溶剂和油脂重20％的水组成底物混合物，将该底物混合物置于底物混合罐中并进行磁力搅拌加热，以使甲醇与动植物油脂混合均匀；底物混合物混合均匀后经油泵抽取进入第一级反应器中在固定化酶催化下进行反应，其余步骤同实施例1制备生物柴油。所生产的生物柴油性质分析见表3。
表3.本实施例所生产的生物柴油分析结果
    项目名称 分析数据 单位
    密度(15℃)     0.8818     g/cm3
    粘度(40℃)     4.645     mm2/s
  闪点(闭口杯)     >160     ℃
    冷滤点     1     ℃
    S含量     4     ppm
    残碳值     <0.04     mass％
    十六烷值     75.2
    水含量     290     ppm
铜片腐蚀(50℃，3h)     1     级
    总酸值     0.07   mgKOH/g
    甲醇含量     0.05     mass％
    甲酯含量     99.68     mass％
    单甘酯含量     未检出     mass％
    二甘酯含量     未检出     mass％
    三甘酯含量     未检出     mass％
    游离甘油含量     未检出     mass％
    总甘油含量     未检出     mass％
    P含量     4.1     ppm
    热值     36.83     kJ/g
实施例4：
将0.5g酶加入到含1.2g海藻酸钠(0.046mo1/L)与0.6g高岭土(20g/L)的30ml溶液中，加入0.5ml明胶(10g/L)、0.5ml乳糖(5g/L)和0.3ml(5％)的戊二醛溶液，搅拌10分钟，混合均匀，于42℃条件下，振荡1h，然后注入20g/L的100ml CaCl2溶液中4℃固化4h，以自然状态堆积于第一、二和三级反应器内。
将动植物油脂与甲醇按摩尔比为1∶1的比例混合，并加入与油脂重量比为4∶1的生物柴油作为溶剂和油脂25％的水组成底物混合物，将该底物混合物置于底物混合罐中并进行磁力搅拌加热，以使甲醇与动植物油脂混合均匀；底物混合物混合均匀后经油泵抽取进入第一级反应器中在固定化酶催化下进行反应，其余步骤同实施例1制备生物柴油。所生产的生物柴油性质分析见表4。
表4.本实施例所生产的生物柴油分析结果
    项目名称 分析数据 单位
    密度(15℃)     0.8816     g/cm3
    粘度(40℃)     4.639     mm2/s
  闪点(闭口杯)     >160     ℃
    冷滤点     1     ℃
    S含量     4     ppm
    残碳值     <0.04     mass％
    十六烷值     75.2
    水含量     290     ppm
铜片腐蚀(50℃，3h)     1     级
    总酸值     0.07   mgKOH/g
    甲醇含量     0.05     mass％
    甲酯含量     99.68     mass％
    单甘酯含量     未检出     mass％
    二甘酯含量     未检出     mass％
    三甘酯含量     未检出     mass％
    游离甘油含量     未检出     mass％
    总甘油含量     未检出     mass％
    P含量     4.2     ppm
    热值     37.25     kJ/g

Claims (4)

1.一种生产生物柴油的方法：其特征是包括以下步骤：
A.脂肪酶的固定化：将海藻酸钠溶液、高岭土溶液、戊二醛溶液、明胶溶液、乳糖溶液混合，再将混合液置于磁力搅拌器上，加入与海藻酸钠质量比为1∶1-1∶4的脂肪酶，搅拌，混合均匀，然后放入30-50℃恒温摇床中，100-300r/min下振荡1-2h，然后滴入到氯化钙溶液中，形成球形颗粒，固化，抽滤得到固定化酶；
B.固定化酶醇解动植物油脂：将固定化酶以自然状态堆积于第一、二和三级反应器内；将动植物油脂与甲醇按摩尔比为1∶1的比例混合，并加入与油脂重量比为4∶1-5∶1的生物柴油作为溶剂和油脂重量15-25％的水组成底物混合物，将该底物混合物置于底物混合罐中并进行磁力搅拌加热，以使甲醇与动植物油脂混合均匀；底物混合均匀后经计量泵抽取进入第一级反应器中在固定化酶催化下进行反应，从第一级反应器出来的反应液经甘油分离器分离甘油后和甲醇按摩尔比1∶1混合后进入第二级反应器进行反应，从第二级反应器出来的反应液经甘油分离并和甲醇按摩尔比1∶1混合后进入第三级反应器进行反应，最后反应产物经甘油分离后可制得生物柴油，
其中，步骤A中海藻酸钠溶液的浓度为20-40g/L，高岭土溶液的浓度为10-30g/L，戊二醛溶液的重量百分含量为2.5-8％，明胶溶液的浓度为10-20g/L，乳糖溶液的浓度为5-20g/L，前述各溶液体积比依次为：300∶300∶5∶5∶3；所述的氯化钙的浓度为15-30g/L；步骤A中所述固化温度为3-5℃，固定时间为4-6小时。
2.根据权利要求1所述的生产生物柴油的方法，其特征是步骤A中海藻酸钠溶液的浓度为30g/L，高岭土溶液的浓度为20g/L，戊二醛溶液的重量百分含量为5％，明胶溶液的浓度为10g/L，乳糖溶液的浓度为5g/L，前述各溶液体积比依次为：300∶300∶5∶5∶3。
3.根据权利要求1所述的生产生物柴油的方法，其特征是步骤A中所述的氯化钙的浓度为20g/L。
4.根据权利要求1所述的生产生物柴油的方法，其特征是步骤A中加入的脂肪酶与海藻酸钠的质量比为3∶5。
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