CN1640991A - 一种利用脂肪酶生产生物柴油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用脂肪酶生产生物柴油的方法，经过过滤和乳化处理的原料动植物油脂，加入甲醇或乙醇，在30℃±15℃的温度条件下，在密闭容器中利用固定化脂肪酶在有机溶剂油－水界面上催化酯交换反应，混合反应4～18h，将产物与酶分离后，离心分层，静置后分离出下层的粗甘油，上层液蒸馏，回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。此方法具有反应时间短、生产效率高、脂肪酶可以循环使用、酶促反应温度低、生产工艺简单、无污染等特点。小批量生产的生物柴油，其性能达到国外生物柴油(DIN V 51.606)及我国的2#柴油标准。本发明具有工业化扩大生产的潜力。

Description

一种利用脂肪酶生产生物柴油的方法
技术领域
本发明属于生物能源技术领域，具体涉及一种生产生物柴油的方法。
背景技术
随着石油等传统矿产能源日益枯竭，以及燃烧矿产燃料产生的环境污染问题日益严重，迫使人们开始寻找清洁、可持续利用的能源，同时，已高度发达的汽车工业的可持续发展也呼唤清洁燃料。经过数十年的探索，生物柴油逐步为人们所接受。生物柴油包括植物柴油和动物柴油，与其他替代燃料相比，其优点很明显，它基本不含硫和芳烃，十六烷值高，可被生物降解、无毒、对环境无害，生物柴油还是第一个满足“1990清洁空气法案”的健康测试要求替代燃料品种。与使用石油柴油相比，其单位热值在所有的替代能源中是最高，且可适于现有的柴油发动机使用，同时可明显降低未燃尽烃、一氧化碳和颗粒物含量。但目前生物柴油在工业上基本都采用化学方法生产，即用动物和植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者碱性催化剂和高温(230-250℃)下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。如CN1412278A公开了一种以甲醇和硫酸为催化剂，利用高酸值和废动植物油生产生物柴油的方法。但化学法合成生物柴油有以下缺点：工艺复杂、醇必须过量，后续工艺必须有相应的醇回收装置，能耗高；由于脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容易变质，色泽深；酯化产物难于回收，成本高；生成过程有废碱液排放，污染环境。
目前人们开始尝试采用酶法催化生产生物柴油，即利用微生物脂肪酶取代酸碱催化剂催化转酯化反应。如CN1453332A公开了一种生物催化油脂转酯化生产生物柴油的方法。实现了简化工艺流程，无污染物排放的问题。但在实际生产中还存在着反应时间过长，酶的催化效率低的问题，制约着酶法生产生物柴油产业化的进程。
发明内容
本发明的目的在于克服目前化学方法和生物酶法生产生物柴油过程中存在的上述缺点，提供一种利用脂肪酶生产生物柴油的方法。该方法的反应时间短，工艺简化，生物柴油的转化率高，并且该方法还具有能耗低、产品易于回收和无污染物排放等特点。
本发明提供的一种利用脂肪酶生产生物柴油的方法，其步骤包括：
(1)原料油的预处理：将生物油脂过滤除去杂质，然后进行搅拌乳化；
(2)加料和酯交换反应：将摩尔比为1∶1～1∶2的油脂和甲醇或乙醇加入到容器中，并加入固定化脂肪酶和有机溶剂，其中，固定化脂肪酶与原料油的质量比为1∶10～25，有机溶剂与原料油的质量比为1∶0.5～1.5；在30℃±15℃的温度条件下，将上述成分密闭混合反应4～18h，在反应过程中，二次加入甲醇或乙醇，每次加入的甲醇或乙醇与油脂的摩尔比为1∶1～2∶1。
(3)分离、过滤：反应结束后，将酶从反应产物中分离出来，再将反应产物进行离心分层，静置后分离出下层的粗甘油，上层液蒸馏，回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。
本发明通过对原料油进行预处理，然后采用固定化脂肪酶在有机溶剂油-水界面上催化酯交换反应。具体而言，本发明具有以下特点：
1、用分次流加的方法，大大提高了生物柴油的转化率，最高可达94％。
2、所采用特定的固定化脂肪酶可以多次循环使用，且酶活性损失很小，从而进一步降低了生产成本。
3、酶促反应温度低，减少能源的消耗以及高温条件下可能产生的其它副产物。
4、生产工艺简单，排放物无污染。
5、产品品质好。生产的生物柴油性能达到国外生物柴油(DIN V 51.606)及我国的2#柴油标准。与使用石油柴油相比，其单位热值在所有的替代能源中是最高的，且可适于现有的柴油发动机使用，同时可明显降低未燃尽烃、一氧化碳和颗粒物含量。
具体实施方式
本发明是在有机溶剂油-水界面上完成的酯交换反应，酯交换合成酯化率可达到85-94％，其反应原理是：
其中R1、R2、R3为C7-17烷基或烯烃基。
本发明中使用的油脂为各种原料动植物或微生物油脂，如菜籽油、大豆油、棉籽油、花生油、玉米油和猪油等。
本发明中使用的脂肪酶是采用目前已经工业化生产的脂肪酶或本实验室小批量发酵生产的脂肪酶，然后采用固定化处理投入使用。脂肪酶的固定化方法是：在一定的pH缓冲液中，加入酶粉，搅拌使其充分溶解，将一定量的硅藻土加入酶液中，恒温振荡一定时间后，离心收集固体，将固定化载体用丙酮洗3-5次。使载体颗粒分散，再用蒸馏水洗3-5次，将丙酮洗掉，冷冻干燥后即得到固定化脂肪酶。
本发明中使用的有机溶剂为石油醚、异辛烷、正己烷、正庚烷、环己烷和三氯甲烷等。
在生产过程中，所使用的固定化脂肪酶可重复使用，蒸发出来的有机溶剂和少量未利用的甲醇或乙醇经过冷凝回收复用。甲醇或乙醇分三次等量加入，每次间隔4～6h时效果更好。
下面结合实例对本发明作进一步详细的说明。
用于下述实施例的原料油为经过预处理的生物油脂。预处理过程是先将生物油脂过滤除去杂质，再进行搅拌乳化。搅拌乳化过程中，搅拌速度最好为5000-10000rpm，搅拌乳化时间最好为5-10min。
实施例1
将3.00g经过预处理的菜籽油和0.11g甲醇(油醇摩尔比1∶1)，1.50g石油醚，0.12g固定化脂肪酶，装入50ml具塞锥形瓶中混合均匀，45℃密闭振荡反应4h，再加入0.11g甲醇继续反应4h，最后第三次加入甲醇0.11g继续反应4h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到87％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.87；闪点(℃)115；粘度(cst)6.6；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例2
将3.00g经过预处理的菜籽油和0.16g甲醇(油醇摩尔比1∶1.5)，3.00g石油醚，0.15g固定化脂肪酶，装入50ml具塞锥形瓶中混合均匀，35℃密闭振荡反应4h，再加入0.16g甲醇继续反应5h，最后第三次加入甲醇0.16g继续反应6h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到92％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.87；闪点(℃)115；粘度(cst)6.6；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例3
将3.00g经过预处理的菜籽油和0.21g甲醇(油醇摩尔比1∶2)，4.50g石油醚，0.30g固定化脂肪酶，装入50ml具塞锥形瓶中混合均匀，25℃密闭振荡反应5h，再加入0.21g甲醇继续反应5h，最后第三次加入甲醇0.21g继续反应5h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到94％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.87；闪点(℃)115；粘度(cst)6.6；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例4
将3.00g经过预处理的本实验室所得微生物油脂和0.21g甲醇(油醇摩尔比1∶2)，4.50g石油醚，0.30g固定化脂肪酶，装入50ml具塞锥形瓶中混合均匀，25℃密闭振荡反应5h，再加入0.21g甲醇继续反应5h，最后第三次加入甲醇0.21g继续反应5h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到91％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.87；闪点(℃)117；粘度(cst)6.5；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例5
将4.00g经过预处理的鱼油和0.14g甲醇(油醇摩尔比1∶1)，2.00g石油醚，0.20g固定化脂肪酶，装入50ml具塞锥形瓶中混合均匀，25℃密闭振荡反应4h，再加入0.14g甲醇继续反应4h，最后第三次加入甲醇0.14g继续反应4h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到89％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.88；闪点(℃)113；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.7；酸值(mgKOH/g)0.13。
实施例6
将5.00g经过预处理的猪油和0.17g甲醇(油醇摩尔比1∶1)，7.50g石油醚，0.25g固定化脂肪酶，装入50ml具塞锥形瓶中混合均匀，45℃密闭振荡反应6h，再加入0.17g甲醇继续反应5h，最后第三次加入甲醇0.17g继续反应4h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到91％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.89；闪点(℃)117；粘度(cst)6.8；热值(kJ/g)34.8；酸值(mgKOH/g)0.15。
实施例7
将6.00g经过预处理的玉米油和0.25g甲醇(油醇摩尔比1∶1.2)，6.00g正庚烷，0.30g固定化脂肪酶，装入100ml具塞锥形瓶中混合均匀，45℃密闭振荡反应5h，再加入0.25g甲醇继续反应5h，最后第三次加入甲醇0.25g继续反应5h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到90％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.89；闪点(℃)112；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例8
将6.00g经过预处理的玉米油和0.21g甲醇(油醇摩尔比1∶1)，6.00g正庚烷，0.60g固定化脂肪酶，装入100ml具塞锥形瓶中混合均匀，30℃密闭振荡反应6h，再加入0.21g甲醇继续反应6h，最后第三次加入甲醇0.21g继续反应6h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到93％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.89；闪点(℃)112；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例9
将10.00g经过预处理的玉米油和0.50g乙醇(油醇摩尔比1∶1)，10.00g正庚烷，0.50g固定化脂肪酶，装入100ml具塞锥形瓶中混合均匀，15℃密闭振荡反应4h，再加入0.50g乙醇继续反应4h，最后第三次加入乙醇0.50g继续反应4h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到85％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.91；闪点(℃)118；粘度(cst)6.8；热值(kJ/g)34.7；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例10
将16.00g经过预处理的棉籽油和0.56g甲醇(油醇摩尔比1∶1)，16.00g异辛烷，0.80g固定化脂肪酶，装入250ml具塞锥形瓶中混合均匀，45℃密闭振荡反应5h，再加入0.56g甲醇继续反应5h，最后第三次加入甲醇0.56g继续反应5h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到89％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.88；闪点(℃)112；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例11
将16.00g经过预处理的棉籽油和0.84g甲醇(油醇摩尔比1∶1.5)，24.00g异辛烷，1.6g固定化脂肪酶，装入250ml具塞锥形瓶中混合均匀，40℃密闭振荡反应6h，再加入0.84g甲醇继续反应6h，最后第三次加入甲醇0.84g继续反应6h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到93％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.88；闪点(℃)112；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例12
将16.00g经过预处理的棉籽油和1.60g乙醇(油醇摩尔比1∶2)，16.00g三氯甲烷，0.80g固定化脂肪酶，装入250ml具塞锥形瓶中混合均匀，25℃密闭振荡反应4h，再加入1.60g乙醇继续反应5h，最后第三次加入乙醇1.60g继续反应6h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到87％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.88；闪点(℃)112；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例13
将32.00g经过预处理的花生油和1.11g甲醇(油醇摩尔比1∶1)，32.00g环己烷，1.60g固定化脂肪酶，装入500ml具塞锥形瓶中混合均匀，45℃密闭振荡反应5h，再加入1.11g甲醇继续反应5h，最后第三次加入甲醇1.11g继续反应5h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到91％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.89；闪点(℃)112；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例14
将32.00g经过预处理的花生油和1.33g甲醇(油醇摩尔比1∶1.2)，32.00g环己烷，1.60g固定化脂肪酶，装入500ml具塞锥形瓶中混合均匀，35℃密闭振荡反应5h，再加入1.33g甲醇继续反应5h，最后第三次加入甲醇1.33g继续反应5h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到94％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.89；闪点(℃)112；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例15
将32.00g经过预处理的花生油和1.11g甲醇(油醇摩尔比1∶1)，32.00g三氯甲烷，1.60g固定化脂肪酶，装入500ml具塞锥形瓶中混合均匀，15℃密闭振荡反应5h，再加入1.11g甲醇继续反应5h，最后第三次加入甲醇1.11g继续反应5h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到86％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.89；闪点(℃)112；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例16
将65.00g经过预处理的大豆油和2.25g甲醇(油醇摩尔比1∶1)，97.50g正己烷，3.25g固定化脂肪酶，装入1000ml具塞锥形瓶中混合均匀，45℃密闭振荡反应6h，再加入2.25g甲醇继续反应6h，最后第三次加入甲醇2.25g继续反应6h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到90％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.89；闪点(℃)112；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例17
将65.00g经过预处理的大豆油和2.93g甲醇(油醇摩尔比1∶1.3)，97.50g正己烷，3.25g固定化脂肪酶，装入1000ml具塞锥形瓶中混合均匀，35℃密闭振荡反应5h，再加入2.93g甲醇继续反应5h，最后第三次加入甲醇2.93g继续反应5h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到92％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.89；闪点(℃)112；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
实施例18
将600.00g经过预处理的大豆油和20.78g甲醇(油醇摩尔比1∶1)，600.00g正己烷，30.00g固定化脂肪酶，装入10L发酵罐中混合均匀，35℃密闭搅拌反应5h，再加入20.78g甲醇继续反应5h，最后第三次加入甲醇20.78g继续反应5h，将产物与酶分离后，离心分层，最后蒸发回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。酯转化率最终达到91％。所产生物柴油其性质分析结果为：密度(g/cm3)0.89；闪点(℃)112；粘度(cst)6.7；热值(kJ/g)34.6；酸值(mgKOH/g)0.14。
根据以上实施例，利用固定化脂肪酶生产生物柴油，经过过滤和乳化处理的原料油脂在适宜的温度条件下利用固定化脂肪酶催化酯交换反应，不同的原料油脂都能被有效的转化生成生物柴油.所产生物柴油经检测其性能达到国外生物柴油(DIN V 51.606)及我国的2#柴油标准。具有工业化扩大生产的潜力。

Claims (5)

1、一种利用脂肪酶生产生物柴油的方法，其步骤包括：
(1)原料油的预处理：将生物油脂过滤除去杂质，然后进行搅拌乳化；
(2)加料和酯交换反应：将摩尔比为1∶1～1∶2的油脂和甲醇或乙醇加入到容器中，并加入固定化脂肪酶和有机溶剂，其中，固定化脂肪酶与原料油的质量比为1∶10～25，有机溶剂与原料油的质量比为1∶0.5～1.5；在30℃±15℃的温度条件下，将上述成分密闭混合反应4～18h，在反应过程中，二次加入甲醇或乙醇，每次加入的甲醇或乙醇与油脂的摩尔比为1∶1～2∶1。
(3)分离、过滤：反应结束后，将酶从反应产物中分离出来，再将反应产物进行离心分层，静置后分离出下层的粗甘油，上层液蒸馏，回收有机溶剂，同时得到成品生物柴油。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，甲醇或乙醇分三次等量加入，每次间隔4～6h。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所使用的有机溶剂为石油醚、异辛烷、正己烷、正庚烷、环己烷和三氯甲烷。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，最佳反应温度是30℃-40℃。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所使用原料油为菜籽油、大豆油、棉籽油、花生油、玉米油、猪油和鱼油和微生物油脂。
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