CN101255347B - 由固定化脂肪酶-透水膜生物反应器制备生物柴油的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用选择性透水膜对脂肪酶主动提供必需水以保持酶活来制备生物柴油的方法。将固定化脂肪酶的选择性透水膜膜组件联入酶-膜生物反应器，油脂与低碳醇的混合物走膜组件的壳程，水则走膜组件的管程，水透过膜维持固定化脂肪酶的必需水，同时固定化脂肪酶催化油脂转化为生物柴油。由于本发明的方法能够主动维持固定化脂肪酶的必需水，同时在线抑制产物甘油在酶表面的吸附，从而有效提高了固定化脂肪酶的活性，可高效制备生物柴油。而且，避免了溶剂清洗与分批加料，符合绿色化学的发展方向，能降低成本、简化工艺、实现连续化生产。
Description
技术领域
本发明属于膜分离技术领域。具体涉及一种利用固定化脂肪酶的选择性透水聚合物膜制备生物柴油的方法。
背景技术
生物柴油作为一种可代替柴油的环保燃料油，受到国内外的高度重视。目前，制备生物柴油的方法主要有化学合成法、生物酶法、超临界流体法和工程微藻法等。其中固定化酶法制备生物柴油具有效率高、能耗低(反应条件温和)、选择性好、醇用量小、副产物少、环境友好(无需进行废液处理)等优点。酶法制备生物柴油主要使用脂肪酶，而脂肪酶的特点是在催化过程中需要维持一定的必需水。生物柴油的制备一般采用甲醇或乙醇(即低碳醇)作为酰基受体，它们能够夺取脂肪酶的必需水进而破坏维持酶蛋白功能构象的氢键体系，从而导致酶活性下降乃至失活。
避免脂肪酶必需水被剥夺的最常见的手段是分批添加低碳醇，对此专利CN1276962C以及“预处理固定化脂肪酶催化合成生物柴油”(黄凌云等，《中国油脂》，2007，32(7)：47-50)等资料中有所描述。改用短链脂肪酸酯替代低碳醇作为酰基受体也可以在一定程度上避免脂肪酶必需水的脱除，CN1181161C、CN1325606C、CN1190471C等专利公开了上述方法。专利US6398707B1则公开了一种采用不少于三个碳原子的醇来“清洗”固定化酶以恢复酶活的方法。由此可见，现有工艺主要是采取措施来避免或降低脂肪酶必需水的脱除。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备生物柴油的方法，将固定化脂肪酶的选择性透水膜膜组件组装为酶-膜生物反应器，油脂与低碳醇的混合物走膜组件的壳程，流速为1～20L/h，同时流速为1～100L/h的水走膜组件的管程，为固定化脂肪酶提供必需水，在固定化脂肪酶的催化作用下油脂与低碳醇循环反应2～10 h后即转化为生物柴油。
本发明基于固定化脂肪酶的选择性透水膜来制备生物柴油。在科研实践中发现亲水聚合物分离膜具有一定的水优先透过性能。CN1276962C公开了一种通过膜过滤技术将生物柴油制备与甘油转化为丙二醇两个过程偶联起来的方法，该方法的主要目的是偶联生产丙二醇，生物酶催化制备生物柴油过程中仍然采用分批加料或滴加的方式来避免脂肪酶的失活。虽然聚合物分离膜用于生物柴油制备以及选择性透水膜用于渗透汽化等方面均有公开报道，但尚未有采用选择性透水膜对脂肪酶主动提供必需水以保持酶活来制备生物柴油的方法，更没有可以具体实施的工艺和实际应用。
本发明所用的选择性透水膜包括：壳聚糖膜、聚乙烯醇膜、纤维素膜、海藻酸钠膜、聚丙烯酸膜、聚甲基丙烯酸膜、聚丙烯酰胺膜、含糖聚合物膜以及它们的共混膜或复合膜。
所述选择性透水膜既可以是交联的，也可以是没有交联的，交联剂的种类没有特别的要求。
所述含糖聚合物的聚合单体包括以下几种：烯丙基葡萄糖(见结构式(I))、2-葡萄糖酰胺基乙基甲基丙烯酸酯(见结构式(II))、2-丙烯酰胺基乙基乳糖苷(见结构式(III))或N-乳糖基-N’-甲基(4-乙烯基苯基)脲(见结构式(IV))。
所述共混膜可以由壳聚糖、聚乙烯醇、纤维素、海藻酸钠、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、含糖聚合物中的两种或两种以上制成，各种组分之间的组成比例没有特别的要求，还可以包含交联剂，且交联剂的种类没有特别的要求。
所述复合膜的基膜可以为聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、 聚醚砜、聚酰亚胺等。
该制备生物柴油的方法包括如下步骤：
(1)将固定化脂肪酶的膜组件联入酶-膜生物反应器。
所述脂肪酶可以为本领域通用的脂肪酶，例如来源于Candida antarctica、Rhizomucor miehei、Thermomyces lanuginosus、Burkholderia acepacia、Pesudomonas fluorescens、Aspergillus niger、Mucor miehei或Candida rugosa的脂肪酶。
(2)将5L油脂与低碳醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为1～20L/h。
所述油脂为生物油脂，包括鱼油、猪油、蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油、米糠油、藻类油脂、废食用油和炼油脚料中的一种或多种的混合物；
所述低碳醇为甲醇或乙醇或它们的混合物。
所述油脂与低碳醇的体积比为1∶1～1∶9。
(3)水由储罐9走膜组件3管程，并透过中空纤维膜为固定化脂肪酶提供微量水，水的流速为1～100L/h，不断循环。
(4)在固定化脂肪酶的催化作用下，油脂与低碳醇循环2～10h后反应生成生物柴油，由阀门4经分液器5收集于生物柴油储罐6；副产物甘油经分液器5进入甘油储罐7。
本发明的效果和益处在于采用选择性透水膜对脂肪酶主动提供必需水以保持酶活来制备生物柴油，同时在线抑制产物甘油在酶表面的吸附，从而有效提高了固定化脂肪酶的活性，能够高效制备生物柴油。而且，避免了溶剂清洗与分批加料，符合绿色化学的发展方向，能降低成本、简化工艺、实现连续化生产。
附图说明
图1为本发明制备生物柴油装置结构示意图。
具体实施方式
参照附图说明本发明技术方案的实施方式，其中原料储罐1中的油脂与低碳醇的混合物经泵2走固定化酶膜组件3的壳程，循环反应一定时间后经阀门4进入分液器5，分液后生物柴油进入生物柴油储罐6，甘油进入甘油储罐7；水由水储罐9经泵8走固定化酶膜组件3的管程，循环使用。其中壳程指固定化酶膜组件3的中空纤维膜之间或中空纤维膜与壳体之间的空间；管程指固定化酶膜组件3的中空纤维膜内部空间。
以下实施例对本发明做更详细的描述，但所述实例不构成对本发明的限制。
实施例1
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的壳聚糖膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2.5L鱼油与2.5L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为95％。
实施例2
将固定化脂肪酶(来源于Rhizomucor miehei)的交联聚乙烯醇膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L猪油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为96％。
实施例3
将固定化脂肪酶(来源于Thermomyces lanuginosus)的纤维素膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L蓖麻油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为98％。
实施例4
将固定化脂肪酶(来源于Burkholderia acepacia)的交联海藻酸钠膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L大豆油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为97％。
实施例5
将固定化脂肪酶(来源于Pesudomonas fluorescens)的交联聚丙烯酸膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L花生油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为98％。
实施例6
将固定化脂肪酶(来源于Aspergillus niger)的交联聚甲基丙烯酸膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L玉米油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为96％。
实施例7
将固定化脂肪酶(来源于Mucor miehei)的交联聚丙烯酰胺膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L棉籽油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为96％。
实施例8
将固定化脂肪酶(来源于Candida rugosa)的交联聚烯丙基葡萄糖膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L米糠油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为96％。
实施例9
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的交联聚(2-葡萄糖酰胺基乙基甲基丙烯酸酯)膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L藻类油脂与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为97％。
实施例10
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的交联聚(2-丙烯酰胺基乙基乳糖苷)膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L废食用油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环6h后生物柴油得率约为96％。
实施例11
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的交联聚(N-乳糖基-N’-甲基(4-乙烯基苯基)脲)膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L炼油脚料与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环6h后生物柴油得率约为95％。
实施例12
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的交联聚乙烯醇/海藻酸钠共混膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将1L鱼油、1L米糠油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为98％。
实施例13
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的壳聚糖/聚酯复合膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将1L菜籽油、0.2L猪油、0.8L大豆油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为97％。
实施例14
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的壳聚糖/聚丙烯复合膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L菜籽油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为97％。
实施例15
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的壳聚糖/聚乙烯复合膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L菜籽油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为97％。
实施例16
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的交联聚丙烯酸/聚偏氟乙烯复合膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L菜籽油与2L甲醇、1L乙醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为5L/h。循环4h后生物柴油得率约为97％。
实施例17
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的壳聚糖/聚丙烯腈复合膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L菜籽油与3L乙醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为20L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为100L/h。循环2h后生物柴油得率约为96％。
实施例18
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的交联聚乙烯醇/聚醚砜复合膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将2L菜籽油与3L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为5L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为40L/h。循环4h后生物柴油得率约为96％。
实施例19
将固定化脂肪酶(来源于Candida antarctica)的交联聚烯丙基葡萄糖/聚酰亚胺复合膜制成膜组件，联入酶-膜生物反应器。将0.5L菜籽油与4.5L甲醇的混合物注入原料储罐1，经泵2走膜组件3壳程，流速为1L/h；水由储罐9经泵8走膜组件3管程，流速为1L/h。循环10h后生物柴油得率约为100％。
Claims (10)
1.一种由固定化脂肪酶-透水膜生物反应器制备生物柴油的方法，采用选择性透水膜对脂肪酶主动提供必需水以保持酶活来制备生物柴油，其特征在于：将固定化脂肪酶的选择性透水膜膜组件组装为酶-膜生物反应器，油脂与低碳醇的混合物走膜组件的壳程，流速为1～20L/h，同时流速为1～100L/h的水走膜组件的管程，为固定化脂肪酶提供必需水，在固定化脂肪酶的催化作用下油脂与低碳醇循环反应2～10h后即转化为生物柴油；
其中，所述膜组件是具有以下结构的中空纤维式膜组件：其壳程指中空纤维膜之间或中空纤维膜与壳体之间的空间，管程指中空纤维膜内部空间。
2.按权利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反应器制备生物柴油的方法，其特征在于所述的脂肪酶为来源于Candida antarctica、Rhizomucor miehei、Thermomyces lanuginosus、Burkholderia acepacia、Pesudomonas fluorescens、Aspergillus niger、Mucor miehei或Candida rugosa的脂肪酶。
3.按权利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反应器制备生物柴油的方法，其特征在于选择性透水膜为壳聚糖膜、聚乙烯醇膜、纤维素膜、海藻酸钠膜、聚丙烯酸膜、聚甲基丙烯酸膜、聚丙烯酰胺膜、含糖聚合物膜或它们的共混膜、复合膜。
4.按权利要求3所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反应器制备生物柴油的方法，其特征在于共混膜可以由壳聚糖、聚乙烯醇、纤维素、海藻酸钠、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、含糖聚合物中的两种或两种以上制成。
5.按权利要求4所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反应器制备生物柴油的方法，其特征在于含糖聚合物的聚合单体为烯丙基葡萄糖、2-葡萄糖酰胺基乙基甲基丙烯酸酯、2-丙烯酰胺基乙基乳糖苷或N-乳糖基-N’-甲基(4-乙烯基苯基)脲，其结构式依次由如下的(I)、(II)、(III)和(IV)所表述：
6.按权利要求3所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反应器制备生物柴油的方法，其特征在于复合膜的基膜为聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚醚砜、聚酰亚胺。
7.按权利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反应器制备生物柴油的方法，其特征在于所述选择性透水膜是交联的，或是没有交联的。
8.按权利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反应器制备生物柴油的方法，其特征在于所述油脂为鱼油、猪油、蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油、米糠油、藻类油脂、废食用油和炼油脚料中的一种或混合物。
9.按权利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反应器制备生物柴油的方法，其特征在于所述低碳醇为甲醇或乙醇或它们的混合物。
10.按权利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反应器制备生物柴油的方法，其特征在于所述油脂与低碳醇的体积比为1∶1～1∶9。
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