CN1923960A - 微生物发酵油脂及其用于制备生物柴油的方法 - Google Patents

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程可可
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Abstract

本发明属于生物能源和生物催化技术领域，涉及一种利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法。包括微生物发酵油脂的制备和利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法，即以酵母菌为微生物产油脂菌种，通过在产油脂菌种培养基中接入该酵母菌微生物，在一定的培养条件下进行微生物发酵制备油脂，然后经离心、分离、提取得到微生物发酵油脂，以该微生物油脂为原料，在催化剂作用下进行转酯化反应，得到生物柴油，副产物为甘油。该技术反应条件温和、操作简单、易于控制、成本较低，以微生物发酵油脂为原料，具有良好的工业化应用前景。

Description

微生物发酵油脂及其用于制备生物柴油的方法
技术领域
本发明属于生物能源和生物催化技术领域，特别涉及一种微生物发酵油脂及其用于制备生物柴油的方法。
背景技术
当前，人口的增长使得不断增加的油脂需求量与自然资源严重短缺的矛盾日益尖锐，特别是随着日趋严重的全球性能源短缺与环境恶化，使得人们不得不从环境保护与资源开发的角度出发，积极开发替代石化燃料的可再生新能源，如生物柴油(脂肪酸甲酯)就是一种具有很大发展潜力且环境友好的可再生清洁能源。生物柴油具有能量密度、含硫量低、燃烧充分、润滑性能好等液体能源产品所期望的优良性能。自1988年以来，许多欧洲国家就已经开始将生物柴油作为传统柴油的替代品，但由于较高的原料成本，使得生物柴油的价格高于传统柴油，这严重地制约了生物柴油的产业化进程，因此选取合适的、低成本的油脂资源是生物柴油产业发展的方向。
目前有关生物柴油制备的研究基本上集中于植物油方面，如刘传武，杨蒸，戴小安，李建宏等在文献1《河南化工，2005 22(6)：19～21》的“植物油制备生物柴油的研究”，和杨振强，谢文磊，李海涛等在文献2《粮食与油脂，2006，(3)：13～15》的“酸催化油脂酯交换反应研究进展”，及姚亚光，纪威，符太军，张传龙等在文献3《粮食与油脂，2005，(10)：20～22》的“酸催化地沟油与醇类酯化反应研究”，报道了以植物油脂为原料生产生物柴油，但这些报道均是以植物油或餐饮废弃油脂为原料，利用植物油为原料，成本高，而以餐饮废弃油脂为原料，也存在原料难以收集和运输的困难，因此这些报道都难以实现工业化应用。在利用植物油脂制备生物柴油的过程中，原料成本就占了总生产成本的70％～85％，这严重制约了生物柴油的工业化应用。然而一些微生物菌体内含有大量的油脂，通过微生物发酵制备微生物油脂，这不仅可为生物柴油的制备提供更加廉价的原料，而且微生物具有细胞增殖快，生产周期短，生长所需的原料丰富，价格便宜等优点，同时利用微生物发酵生产油脂，比农业生产油脂所需的劳动力少，同时不受季节、气候变化的限制，一些产油微生物还可以转化五碳糖为油脂，这一特性尤其适用于对木质纤维素水解糖化液的利用，因此微生物油脂是生产生物柴油的良好原料。生产生物柴油的常用方法是酯交换法，即在油脂中加入一定量低碳醇，如甲醇或乙醇等，在碱或酸或生物脂肪酶催化剂作用下，在一定的温度和时间反应生成生物柴油，同时副产物为甘油。本发明将微生物发酵生产微生物油脂的技术与酯交换反应制备生物柴油的技术相结合，提出了一种微生物发酵油脂及其用于制备生物柴油的方法，目前尚未见有报道。
本发明操作过程简单、反应条件温和，易于控制、成本较低，同时，利用微生物发酵油脂制备生物柴油具有不与人争粮，不与粮争地，不与民争油的优点，具有良好的工业化应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法，；其特征在于，包括微生物发酵油脂的制备和利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法，即以酵母菌为微生物产油脂菌种，通过在产油脂发酵培养基中接入该酵母菌微生物，在一定的培养条件下进行微生物发酵制备油脂，经离心、分离、提取后得到微生物发酵油脂，以该微生物油脂为原料，在催化剂作用下进行转酯化反应，得到生物柴油和副产物甘油。
所述利用微生物发酵油脂制备生物柴油的步骤：
1)微生物发酵油脂的制备
(1)以酵母菌(如S.cerevisiae酿酒酵母、R.glutinis粘红酵母、Trichosporoncutaneum皮状丝孢酵母，从中国科学院微生物研究所购买)为微生物发酵油脂的菌种，在斜面培养基中进行转接活化，然后在种子培养基中进行种子培养，再转接5-15％的菌种到发酵培养基中，在温度为20-40℃、转速为100-200r/min下培养10-100h后，得到含微生物油脂的菌体，上述各培养基均在110℃、灭菌20分钟；
(2)微生物发酵油脂的提取：将步骤(1)微生物发酵得到大量菌体，离心、分离收集菌体，并利用甲醇-氯仿法从菌体中提取油脂，操作条件为：按每克菌体加5-100ml 1-7MHCl，于30-100℃水浴处理0.5-5.0h，冷却后加入按体积比1∶1加入甲醇、氯仿提取液，充分混合后离心分层，收集氯仿层，再加入等量的氯仿，重复前述操作，将提取液中的氯仿回收，得到微生物油脂。
2)微生物发酵油脂转酯化制备生物柴油：取微生物发酵油脂5-25g，以1.0-30g的甲醇作酯化剂，以微生物发酵油脂的1～10wt％KOH为催化剂，在30-100℃，反应0.5-5小时，进行转酯化反应后，经分离得到脂肪酸甲酯即生物柴油，副产物为甘油。
所述培养基成分(重量比)包括：斜面培养基成分为酵母粉0.1-5％；蛋白胨0.5-6％；葡萄糖1-10％；琼脂1-5％，pH＝4-5.5；种子培养基成分为葡萄糖1-15％；(NH4)2SO40.1-6％；酵母粉0.1-5％；KH2PO40.1-8％；Na2HPO40.1-5％；MgSO40.1-5％，pH＝4-5.5；发酵培养基成分为葡萄糖l-20％；(NH4)2SO40.1-5％；酵母粉0.1-5％；KH2PO40.1-8％；Na2HPO40.1-5％；MgSO40.1-5％；CaCl20.01-4％；FeCl30.01-6％，pH＝4-5.5；
所述微生物发酵油脂菌种还利用葡萄糖、木质纤维素类生物质水解液、淀粉类生物质水解液或含糖类废水为碳源进行发酵培养得到；对培养基成分和发酵条件和发酵装置没有特别的限制。
所述催化剂还有用碱、酸、固体碱、固体酸或生物脂肪酶(如Novozym 435和Lipozyme，分别来源于诺维信公司和丹麦Novo公司)进行转酯化反应制备生物柴油；所选取的反应条件，温度和时间对于不同的催化剂有不同的参数范围。
本发明的有益效果是：利用微生物发酵油脂制备生物柴油丰富了制备生物柴油的原料，低成本，环境友好，反应条件温和、过程易控制、易于工业化应用。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法。包括微生物发酵油脂的制备和利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法。
本发明的原理是利用产油脂微生物制备微生物油脂，经离心、分离、提取后得到微生物发酵油脂，并以该微生物发酵油脂为原料，在催化剂作用下进行转酯化反应，得到生物柴油，这样不仅拓展了生物柴油的原料，而且降低了成本本发明提供的微生物油脂原料也可用于以其它碱、酸、发、固体碱、固体酸、生物脂肪酶等作催化剂进行转酯化制备生物柴油的过程，所选取的反应条件，如温度和时间对于不同的催化剂有不同的参数范围。
本发明提供的微生物发酵油脂菌种可利用葡萄糖、木质纤维素类生物质水解液、淀粉类生物质水解液、含糖类废水等为碳源进行发酵，对培养基成分和发酵条件和发酵装置没有特别的限制。
本发明所得微生物发酵油脂的组成和含量如表1所示。表1为微生物发酵油脂不同脂肪酸的组成和含量，从表1可以看出，微生物发酵油脂的组成主要含有不同的脂肪酸，其中软脂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸含量较多，其组成含量与植物油类似，可作为转酯化制备生物柴油的原料。
表1  为微生物发酵油脂不同脂肪酸的组成和含量
  脂肪酸   含量(％)
  C14:0C16:0(软脂酸)C17:0C18:0(硬脂酸)C18:1(油酸)C18:2(亚油酸)C19:0C20:0C22:0C24:0   0.7617.801.3110.2753.025.290.451.020.511.30
下面再列实施例对本发明进一步说明。
实施例1
将100ml的微生物油脂发酵培养基置于500ml三角瓶中，接5％的酵母菌种，在温度为30℃，摇床转速180r/min下发酵60小时后，经离心分离后除去菌体，得到含量为6.5g/L的微生物发酵油脂。
实施例2
按5％的接种量接种于装液量70％的1L全自动搅拌式发酵罐中，在温度30℃，通气量1vvm，控制培养环境的pH＝6.0，搅拌转速300r/min，发酵60小时后，经离心分离后除去菌体，得到含量为8g/L的微生物发酵油脂。
实施例3
采用甲醇-氯仿法提取微生物油脂。取微生物油脂100mg，加0.4mol/L的KOH-甲醇溶液2ml和正己烷2ml，剧烈振荡2min，在40℃水浴中放置15min，加水5ml，静置分层，取正己烷层，利用气相色谱与质谱联用分析其成分。具体分析结果如表1所示。从分析的结果可以看出，利用酵母微生物发酵油脂的主要成分和植物油成分类似，可用于生物柴油的制备。
实施例4
以国标GB/T5530-85的方法，测定该油脂的酸价为25～30mgKOH/g，油品酸价过高，如果直接用碱催化法制备，不但要消耗过多的碱催化剂，而且会影响转化率。需对原料油进行脱酸处理，将原料油与甲醇按质量比为1∶1混合，常温搅拌30min后静置分层，取油层，重复上述操作3次，使原料油的酸价降到1～1.5mgKOH/g。
取脱酸后的原料油15g，加入7.5g甲醇和1.5gKOH，在常压，60℃水浴反应1.5h，反应结束后离心分层，得到生物柴油，转化率为91％，同时分离得到副产品甘油。
实施例5
以微生物发酵油脂为原料，自行研制开发的负载比为30％的改性固体催化剂CaO/NaY为催化剂，催化剂用量3wt％，醇油摩尔比为9∶1，在500mL三口烧瓶中，反应温度为65℃，搅拌回流反应3h。反应结束后，离心分离出催化剂，然后将滤液倒入分液漏斗中静置分层，上层减压蒸馏出过量的甲醇后得到产品生物柴油，转化率为95％，同时分离得到副产品甘油。
上述产物通过气相色谱和质谱图进行分析鉴定。

Claims (7)

1.一种利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，包括微生物发酵油脂的制备和利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法，即以酵母菌为微生物产油脂菌种，通过在产油脂发酵培养基中接入该酵母菌菌种，在一定的培养条件下进行微生物发酵制备油脂，经离心、分离、提取后得到微生物发酵油脂，以该微生物油脂为原料，在催化剂作用下进行转酯化反应，得到生物柴油和副产物为甘油。
2.根据权利要求1所述利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，所述利用微生物发酵油脂制备生物柴油的步骤如下：
1)微生物发酵油脂的制备
(1)以酵母菌(如S.cerevisiae酿酒酵母、R.glutinis粘红酵母、Trichosporoncutaneum皮状丝孢酵母，从中国科学院微生物研究所购买)为微生物发酵油脂的菌种，在斜面培养基中进行转接活化，然后在种子培养基中进行种子培养，再转接5-15％的菌种到发酵培养基中，在温度为20-40℃、转速为100-200r/min下培养10-100h后，得到含微生物油脂的菌体，上述各培养基均在110℃、灭菌20分钟；
(2)微生物发酵油脂的提取：将步骤(1)微生物发酵得到大量菌体，离心、分离收集菌体，并利用甲醇-氯仿法从菌体中提取油脂，操作条件为：按每克菌体加5-100ml 1-7MHCl，于30-100℃水浴处理0.5-5.0h，冷却后加入按体积比1∶1加入甲醇、氯仿提取液，充分混合后离心分层，收集氯仿层，再加入等量的氯仿，重复前述操作，将提取液中的氯仿回收，得到微生物油脂；
2)微生物发酵油脂转酯化制备生物柴油
取微生物发酵油脂5-25g，以1.0-30g的甲醇作酯化剂，以微生物发酵油脂的1～10wt％KOH为催化剂，在30-100℃，反应0.5-5小时，进行转酯化反应后，经分离得到脂肪酸甲酯即生物柴油，副产物为甘油。
3.根据权利要求2所述利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，所述斜面培养基成分(重量比)为酵母粉0.1-5％；蛋白胨0.5-6％；葡萄糖1-10％；琼脂1-5％，pH＝4-5.5。
4.根据权利要求2所述利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，种子培养基成分(重量比)为葡萄糖1-15％；(NH4)2SO40.1-6％；酵母粉0.1-5％；KH2PO40.1-8％；Na2HPO40.1-5％；MgSO40.1-5％，pH＝4-5.5。
5.根据权利要求2所述利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，发酵培养基成分(重量比)为葡萄糖1-20％；(NH4)2SO40.1-5％；酵母粉0.1-5％；KH2PO40.1-8％；Na2HPO40.1-5％；MgSO40.1-5％；CaCl20.01-4％；FeCl30.01-6％，pH＝4-5.5。
6.根据权利要求1所述利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，所述微生物发酵油脂菌种还利用葡萄糖、木质纤维素类生物质水解液、淀粉类生物质水解液或含糖类废水为碳源进行发酵培养得到；对培养基成分和发酵条件和发酵装置没有特别的限制。
7.根据权利要求1所述利用微生物发酵油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，所述催化剂还有用碱、酸、固体碱、固体酸或生物脂肪酶(如Novozym 435和Lipozyme，分别来源于诺维信公司和丹麦Novo公司)进行转酯化反应制备生物柴油；所选取的反应条件，温度和时间对于不同的催化剂有不同的参数范围。
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