CN109666711A - 一种生物柴油及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种生物柴油的制备方法，所述方法包括将假丝酵母脂肪酶与混合离子液体、废油脂以及甲醇混合反应的步骤，其中，甲醇和废油脂的摩尔比为5‑7:1，每克废油脂中假丝酵母脂肪酶的添加量为80‑100U，废油脂和混合离子液体的质量比为10:0.7‑1.5，混合离子液体为含水9wt％‑20wt％的亲水性离子液体。本发明提供的生物柴油的制备方法，采用亲水性离子液体和水的混合离子液体作为溶剂，提高了废油脂转化率，降低生物柴油的酸值，减少了萃取溶剂的消耗，避免有机试剂对环境的污染，分离所得产品各项技术指标均达到生物柴油标准，可直接作为工业产品使用。

Description

一种生物柴油及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物化工领域，具体涉及一种生物柴油及其制备方法。
背景技术
生物柴油(Biodiesel)是指以油料作物、动物油脂、餐饮垃圾油以及野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂等为原料油，通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的可再生性柴油燃料。生物柴油是生物质能的一种，是优质的石化柴油替代能源。与石化柴油相比生物柴油在性质上具有可再生、绿色环保、安全、燃烧性能优良等很多优势，在柴油消费比例急剧增加的今天，生物柴油的使用对缓解石油进口压力，保障国家能源安全，降低环境污染等具有重要意义。
离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐。它具有低蒸气压，不易燃，热稳定性高等优点，是名符其实的“绿色”溶剂。以离子液体为酶催化合成生物柴油的溶剂，可有效解决如甲醇等有机溶剂对脂肪酶的毒性。
离子液体可以根据在水中的溶解性不同分为疏水性离子液体(如[bmim])PF6和[emim]PF6)和亲水性离子液体(如[bmim]BF4和[emim]BF4)。研究表明，使用疏水性离子液体为溶剂的酶催化油脂的转化率远高于亲水性离子液体，并推测这可能由于疏水性离子液体保护了脂肪酶不因甲醇的毒性而失活，从而维持了酶的催化活性，而亲水性离子液体与甲醇的溶解性较好。
然而，使用疏水性离子液体存在以下问题：在回收时需要大量的有机溶剂萃取后，再减压蒸馏，操作繁琐并且对萃取溶剂的消耗量较大；疏水性离子液体多为中性，对如地沟油、泔水油、酸化油、餐饮废油等废油脂中大量存在的游离脂肪酸并不能起到转化作用或转化率非常低，而亲水性离子液体可以有效转化游离的脂肪酸，更适用于酸值较高的废弃油脂的催化转化。因此，如何使亲水性离子液体作为酶催化废弃油脂合成生物柴油的溶剂时，能够扬长避短，减少甲醇对脂肪酶的毒性，简化萃取步骤，提高废油脂的转化率，降低生物柴油的酸值，成为本技术领域的新问题。
公告号为CN103013677B的中国发明专利公开了一种生物柴油的制备方法，该方案将原料油脂在脂肪酶水溶液的存在下与一元醇反应后再分离出油相，继续补加甲醇和离子液体反应。但该方案步骤较为复杂，每一步的分离萃取都会有较大的损失，因此仅提供了产物的纯度，而未提及产物收率，同时未解决消耗大量溶剂萃取的问题。
发明内容
为了解决上述问题，一方面，本发明提供了一种生物柴油的制备方法，包括将假丝酵母脂肪酶与离子液体、废油脂以及甲醇混合反应的步骤；其中，甲醇和废油脂的摩尔比为5-7:1，每克废油脂中假丝酵母脂肪酶的添加量为80-100U，废油脂和混合离子液体的质量比为10:0.7-1.5，所述离子液体为含水9wt％-20wt％的亲水性离子液体。优选的，假丝酵母脂肪酶的酶活力为200-1000U/g。
进一步地，每克废油脂中假丝酵母脂肪酶的添加量为100U，废油脂和混合离子液体的质量比为10:1，所述混合离子液体为含水12wt％-18wt％的亲水性离子液体，假丝酵母脂肪酶的酶活力为600-800U/g。
进一步地，亲水性离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([emim]BF4)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([bmim]BF4)、1-乙基-3-甲基咪唑硝酸盐([emim]NO3)、溴化1-乙基-3-甲基咪唑([emim]Br)中的一种，优选1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([emim]BF4)。
进一步地，所述假丝酵母脂肪酶与混合离子液体、废油脂以及甲醇混合反应的条件为：在28-35℃、180-240rpm的搅拌速率下反应20-26h。
进一步地，上述方法还包括采用吸附交联法固定假丝酵母脂肪酶的步骤，具体包括：以硅胶为吸附载体、戊二醛为交联剂，在磷酸缓冲液中搅拌吸附8-10h，离心后过滤洗涤，并低温保存。
进一步地，上述方法还包括：将反应结束后的溶液离心分离，取上层相并用6-10倍体积的水萃取再次分层，将再次分层后的油相蒸馏干燥得生物柴油，液相减压蒸馏回收甲醇和离子液体。
在一种实施方式中，将反应结束后的溶液离心分离，下层相过滤后蒸馏干燥可得甘油，洗涤干燥可回收脂肪酶。
在一种实施方式中，上述生物柴油的制备方法，具体如下：向纯度大于98％的亲水性离子液体中，加入适量蒸馏水，制得含水量为9wt％-20wt％的亲水性离子液体。将适量配比的混合离子液体和废油脂倒入反应釜中，再加入固定化的假丝酵母脂肪酶，充分搅拌，最后向反应体系中匀速加入甲醇，控制滴加速率使得甲醇在15小时内加完，控制反应的温度为28-35℃，搅拌速率为180-240rpm，混合反应20-26h。反应结束后的体系离心过滤并静置分层，洗涤干燥可回收假丝酵母99-125脂肪酶，滤液下层相过滤后蒸馏干燥可得甘油，滤液上层相用6-10倍体积的水萃取后再次分层，将再次分层后的油相蒸馏干燥得生物柴油，液相减压蒸馏回收甲醇和离子液体。
在另一种实施方式中，甲醇的添加可以分3-7次进行，每两次之间间隔1-3小时。
进一步地，假丝酵母脂肪酶来源于假丝酵母脂肪酶液、假丝酵母脂肪酶粉和/或分泌假丝酵母脂肪酶的微生物。
优选的，假丝酵母脂肪酶可以是褶皱假丝酵母脂肪酶(candida rugosa lipase，CRL)、假丝酵母99-125脂肪酶(candida sp.99-125)、南极假丝酵母脂肪酶(candidaantarctica lipase，CAL)、解脂假丝酵母脂肪酶(candida lipafytica lipase)中的一种或几种；分泌假丝酵母脂肪酶的微生物可以是酵母、霉菌、细菌、真菌等。
进一步地，废油脂选自地沟油、泔水油、酸化油、餐饮废油中的一种或多种；优选地，所述废油脂的酸值为80-120mg KOH/g。
进一步地，上述方法还包括对废油脂进行预处理的步骤，所述预处理包括脱胶、脱色和/或加碱中和。优选地，采用水化脱胶法对废油脂进行脱胶，采用白土或活性炭对废油脂进行脱色，加适量NaOH中和后过滤，预处理后的废油脂酸价低于5mg KOH/g。
另一方面，本发明还提供了一种生物柴油，使用上述方法制备获得；优选的，所述生物柴油的酸值小于0.5mg KOH/g。
通过本发明提供的生物柴油及其制备方法能够带来如下有益效果：
1、本发明提供的生物柴油的制备方法，采用亲水性离子液体和水的混合离子液体作为溶剂，减弱了甲醇对脂肪酶的毒性，提高了对废油脂中游离的脂肪酸的酯化和转化率，适用于酸值较高的废油脂中使用。
2、本发明提供的生物柴油的制备方法，除废油脂外的原料如甲醇、脂肪酶、离子液体等均可回收，使用水即可萃取获得生物柴油，大大减少了萃取溶剂的消耗，简化了操作步骤，降低成本，避免有机试剂对环境的污染。
3、本发明提供的生物柴油的制备方法，在30℃的温度条件下脂肪酶的连续生产重复利用时间达45天，酶的成本降低到90元/公斤以下；废弃油脂转化率最高达到96％，分离所得产品各项技术指标均达到生物柴油标准，可直接作为工业产品使用。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面以实施例的方式进行详细说明。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
在本发明提供的实施例中，废油脂采用由江苏卡特新能源有限公司提供的地沟油，酸值约95mg KOH/g；甲醇为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；假丝酵母脂肪酶均使用北京凯泰新世纪生物技术有限公司提供的假丝酵母99-125脂肪酶Candida sp.99-125粗酶粉(1000U/g)。
在本发明提供的实施例中，亲水性离子液体优选采用两步法自制合成获得，具体步骤如下：取0.44mol 1-甲基咪唑和0.88mol溴乙烷在40℃下搅拌反应4h，静置溶液分层，取下层静置过夜，析出白色固体，用乙腈和乙酸乙酯的混合溶液进行重结晶并真空干燥，得[emim]Br。搅拌下将40％HBF4缓慢加入到制备的离子液体前体[emim]Br中，电磁搅拌后萃取旋蒸，得到亮黄色的澄清液体，即[emim]BF4。参考上述方法制备获得[bmim]BF4和[emim]NO3，所得离子液体的纯度均大于98％。
在本发明提供的实施例中，废油脂在反应前均经过预处理，包括脱胶、脱色、中和、脱水干燥的步骤。优选地，采用水化脱胶法对废油脂进行脱胶，采用白土或活性炭对废油脂进行脱色，加适量NaOH中和后过滤，预处理后的废油脂酸值由95mg KOH/g降至5mg KOH/g左右。
在本发明提供的实施例中，采用吸附交联法固定假丝酵母脂肪酶的步骤，具体包括：以硅胶为吸附载体、戊二醛(浓度为0.1％)为交联剂，吸附温度30℃，在pH7.5的磷酸缓冲液中以120rpm的转速搅拌吸附8-10h，离心后过滤洗涤干燥，于4℃下低温保存。
本发明提供的生物柴油的制备方法，具体步骤如下：
向纯度大于98％的亲水性离子液体中，加入适量蒸馏水，制得含水量为9wt％-20wt％的亲水性离子液体。将适量配比的混合离子液体和废油脂倒入反应釜中，再加入固定化的假丝酵母脂肪酶，充分搅拌，最后向反应体系中匀速加入甲醇，控制滴加速率使得甲醇在15小时内加完，控制反应的温度为28-35℃，搅拌速率为180-240rpm，混合反应20-26h。反应结束后的体系离心过滤并静置分层，洗涤干燥可回收假丝酵母99-125脂肪酶，滤液下层相过滤后蒸馏干燥可得甘油，滤液上层相用6-10倍体积的水萃取后再次分层，将再次分层后的油相蒸馏干燥得生物柴油，液相减压蒸馏回收甲醇和离子液体。
优选的，以下实施例中的生物柴油均采用上述方法制备获得，并计算地沟油的转化率，测定获得的生物柴油的酸值。其中，油脂酸值的测定方法参考《GB/T5530-2005动植物油脂酸值和酸度测定》。
实施例1
以油液比为10:0.8的质量比向3kg地沟油中加入含水18wt％的离子液体[bmim]BF4，装入5升的反应釜中搅拌均匀，水浴加热控制温度为30℃，搅拌速率控制在200rpm，再加入基于单位油脂质量90个酶活单位的固定化假丝酵母99-125脂肪酶，最后向反应体系中匀速加入与地沟油的摩尔比为5:1的甲醇，控制滴加速率使得甲醇在15小时内加完。在混合反应26h后结束反应，混合体系离心后过滤并静置分层，滤渣洗涤干燥可回收假丝酵母99-125脂肪酶，滤液下层相过滤后蒸馏干燥可得甘油，滤液上层相用10倍体积的水萃取后再次分层，将再次分层后的油相蒸馏干燥得生物柴油，液相减压蒸馏回收甲醇和离子液体。使用该方法获得的生物柴油，测得其酸值为0.8mg KOH/g，转化率为88％。
实施例2
以油液比为10:1的质量比向3kg地沟油中加入含水18wt％的离子液体[emim]BF4，装入5升的反应釜中搅拌均匀，水浴加热控制温度为30℃，搅拌速率控制在240rpm，再加入基于单位油脂质量100个酶活单位的固定化假丝酵母99-125脂肪酶，最后向反应体系中匀速加入与地沟油的摩尔比为7:1的甲醇，控制滴加速率使得甲醇在15小时内加完。在混合反应24h后结束反应，混合体系离心后过滤并静置分层，滤渣洗涤干燥可回收假丝酵母99-125脂肪酶，滤液下层相过滤后蒸馏干燥可得甘油，滤液上层相用8倍体积的水萃取后再次分层，将再次分层后的油相蒸馏干燥得生物柴油，液相减压蒸馏回收甲醇和离子液体。使用该方法获得的生物柴油，测得其酸值为0.5mg KOH/g，转化率为92％。
实施例3
方法步骤同实施例1，区别参数在于，以油液比为10:1.2的质量比向3kg地沟油中加入含水18wt％的离子液体[emim]NO3。使用该方法获得的生物柴油，测得其酸值为1.2mgKOH/g，转化率为73％。
实施例4
方法步骤同实施例2，区别参数在于，以油液比为10:1.5的质量比向3kg地沟油中加入含水18wt％的离子液体[emim]Br。使用该方法获得的生物柴油，测得其酸值为1.8mgKOH/g，转化率为65％。
对比例1
方法步骤同实施例2，区别参数在于，以油液比为10:1的质量比向3kg地沟油中加入无水的疏水性离子液体[emim]PF6。使用该方法获得的生物柴油，测得其酸值为3.9mgKOH/g，转化率为90％。
采用上述方法制备生物柴油的实施例1-4以及对比例1的生物柴油的酸值和转化率如表1所示。
表1不同离子液体对生物柴油的酸值和转化率的影响
示例 含水18wt％的离子液体 酸值(mg KOH/g) 转化率(％)
实施例1 [bmim]BF<sub>4</sub> 0.8 88
实施例2 [emim]BF<sub>4</sub> 0.5 92
实施例3 [emim]NO<sub>3</sub> 1.2 73
实施例4 [emim]Br 1.8 65
对比例1 [emim]PF<sub>6</sub> 3.9 90
由表1中的数据可知，不同的离子液体在作为酯交换反应的溶剂介质时，对废油脂的转化率和酸值的影响较大。其中，相比于使用疏水性离子液体[emim]PF6的对比例1，使用含水18wt％的亲水性离子液体得到的生物柴油的酸值更低，而对比例1获得的生物柴油的酸值较预处理后的地沟油(5mg KOH/g)差异并不明显。对比实施例1-4可知，不同的亲水性离子液体对废油脂的转化率之间差异很大，其中，实施例1和实施例2显示出了与对比例1相当的转化率，特别是实施例2中采用含水18wt％的[emim]BF4作为反应介质的废油脂转化率最高，为92％，在降低生物柴油酸值的同时，还表现出了好于对比例1的转化率的效果。因此，将实施例2的[emim]BF4作为最优选的离子液体，并探讨离子液体的含水量与生物柴油酸值转化率的关系，对醇油酯交换反应的溶剂介质进行进一步地优化。
实施例5-9
方法步骤同实施例2，区别参数在于，加入亲水性离子液体[emim]BF4的含水量不同。各示例具体的含水离子液体以及获得生物柴油的酸值和转化率如表2所示，其中对比例2采用含水量为5wt％的[emim]BF4。
表2离子液体不同含水量对生物柴油酸值和转化率的影响
由表2中的数据可得，同一离子液体作为反应溶剂介质时，水的添加量对获得生物柴油的酸值以及转化率影响较大。其中，实施例5-9获得的生物柴油的酸值和油脂转化率均优于对比例2，说明使用含水量在10wt％-20wt％的[emim]BF4的效果更好。对比实施例5-9可发现，[emim]BF4的含水量由10wt％增加到17wt％时，废油脂转化率是逐渐递增的，当含水量超过17wt％后，其废油脂转化率开始递减。因此，将实施例8的含水17wt％的[emim]BF4作为最优选的甲醇与地沟油酯交换反应的溶剂介质。
在实际生产中，应用实施例8的含水17wt％的[emim]BF4作为甲醇与地沟油酯交换反应的溶剂介质时，固定化假丝酵母99-125脂肪酶的连续生产重复利用时间可达45天，使得脂肪酶的成本降低到90元/公斤以下，生产生物柴油的总成本控制在7800元/吨，同时，获得的生物柴油符合国际上高质量的生物柴油的指标要求。
综上所述，本发明提供的生物柴油的制备方法，采用亲水性离子液体和水的混合离子液体作为溶剂，减弱了甲醇对脂肪酶的毒性，提高了对废油脂中游离的脂肪酸的酯化和转化率，适用于酸值较高的废油脂中使用。
在原料的回收和重复利用方面，除废油脂外的原料如甲醇、脂肪酶、离子液体等均可回收，使用水即可萃取获得生物柴油，大大减少了萃取溶剂的消耗，简化了操作步骤，降低成本，避免有机试剂对环境的污染。
在提高生产效益方面，在30℃的温度条件下脂肪酶的连续生产重复利用时间达45天，酶的成本降低到90元/公斤以下；废弃油脂转化率最高达到96％，分离所得产品各项技术指标均达到生物柴油标准，可直接作为工业产品使用，大大降低了生产成本，提高生产效益。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种生物柴油的制备方法，其特征在于，所述方法包括将假丝酵母脂肪酶与混合离子液体、废油脂以及甲醇混合反应的步骤；
其中，甲醇和废油脂的摩尔比为5-7:1，每克废油脂中假丝酵母脂肪酶的添加量为80-100U，所述废油脂和混合离子液体的质量比为10:0.7-1.5，所述混合离子液体为含水9wt％-20wt％的亲水性离子液体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每克废油脂中假丝酵母脂肪酶的添加量为100U，所述废油脂和混合离子液体的质量比为10:1，所述混合离子液体为含水12wt％-18wt％的亲水性离子液体。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述亲水性离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑硝酸盐、溴化1-丁基-3-甲基咪唑中的一种，优选1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述假丝酵母脂肪酶与混合离子液体、废油脂以及甲醇混合反应的条件为：在28-35℃、180-240rpm的搅拌速率下反应20-26h；优选，通过控制滴加速率使甲醇在15小时内匀速加入。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将反应结束后的反应体系离心过滤后静置分层，滤液上层相用6-10倍体积的水萃取，所得油相蒸馏干燥得生物柴油，液相减压蒸馏回收甲醇和离子液体。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述假丝酵母脂肪酶来源于假丝酵母脂肪酶液、假丝酵母脂肪酶粉和/或分泌假丝酵母脂肪酶的微生物。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废油脂选自地沟油、泔水油、酸化油、餐饮废油中的一种或多种；所述废油脂的酸值为90-150mg KOH/g。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括采用吸附交联法固定化假丝酵母脂肪酶的步骤，其中吸附载体为硅胶，交联剂为戊二醛。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对废油脂进行预处理的步骤，所述预处理包括脱胶、脱色和/或加碱中和，预处理后的废油脂酸价约为5mg KOH/g。
10.一种生物柴油，其特征在于，使用权利要求1-9任一所述的方法制备获得；优选的，所述生物柴油的酸值小于0.5mg KOH/g。
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CN112175744A (zh) * 2020-09-28 2021-01-05 湖北天基生物能源科技发展有限公司 一种高酸价餐厨废弃油脂制备生物柴油的方法

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