CN101284998A - 一种催化反应与分离过程耦合制备生物柴油的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种催化反应与分离过程耦合制备生物柴油的工艺，具体包括以下步骤：(1)油脂的水解反应，在催化剂固定化脂肪酶存在下，将原料油脂进行水解反应；(2)甘油的分离纯化，将水解反应得到的自由脂肪酸和甘油从反应体系中分离；(3)脂肪酸的酯化反应，在固定化脂肪酶的催化下使脂肪酸与C1～C4的低碳醇发生酯化反应生成生物柴油。本发明先水解甘油三酯，再将水解产物甘油进行分离，这样降低了反应物的粘度，提高了下一步酯化反应的传质，催化效率，从而提高了油脂的转化率，本发明反应条件温和，反应过程简单易于控制，固定化脂肪酶可多次循环使用，原料可循环使用。

Description

一种催化反应与分离过程耦合制备生物柴油的工艺
技术领域
本发明涉及一种生物柴油的制备工艺，特别涉及一种利用酶工程技术，催化反应与分离过程耦合制备生物柴油的工艺。
背景技术
生物柴油，即脂肪酸甲酯，是以动植物油脂为原料制造的可再生能源，可作为石化柴油的替代燃料。生物柴油的发展不仅有利于解决能源问题，而且可以减少温室气体的排放量，这些都是吸引人们发展生物柴油的主要原因。
近些年，将植物油和动物脂肪通过酯交换反应制备生物柴油的方法受到了人们越来越多的关注。在不同类型油料的酯交换反应中，通常用甘油三酯和短链醇(主要是甲醇和乙醇)反应来生产酯类和甘油。此反应常用的催化剂有酸、碱和脂肪酶。酸、碱在很短的反应时间内可催化甘油三酯转化成相应单酯，转化率较高，但也有其缺点，如甘油回收困难，酸或碱催化剂必需从产品中去除，废水需要处理等等不足。
目前，人们的主要兴趣集中在利用普通脂肪酶在溶剂中将植物油或其它农业脂肪原料催化合成甲酯。脂肪酶(酰基甘油水解酶，E.C-3.1.1.3)是一种广泛分布于动物、植物和微生物中的酶，能够进行可逆的甘油酯键的水解，在一定的条件下，脂肪酶也能够催化酯化反应。固定化脂肪酶催化合成生物柴油的优点是其反应条件温和、醇用量小、产品易于收集以及无污染排放等。该工艺路线目前存在的主要不足是：甘油三酯对甲醇及乙醇的转化率低，一般仅为40～60％；且短链醇对脂肪酶有一定毒性，使得脂肪酶的使用寿命短，不能多次重复使用；另外副产物甘油难于分离回收，这不仅对产物形成抑制，而且甘油对固定化脂肪酶有毒性，也会使固定化酶使用寿命缩短。这些都增加了脂肪酶的使用成本。
传统的利用脂肪酶催化进行酯交换法生产脂肪酸甲酯反应如下：
Figure A20081001814000051
甘油与甲醇往往同时对脂肪酶进行作用，特别是由于甘油的位阻效应，使脂肪酶的催化活性没有得到充分的发挥，以至于甲醇与甘油三酯的酯交换反应效率降低，所以此时甘油三酯的转化率也很低。目前人们对此问题的解决多是向反应混合物中多步分批加入甲醇，以降低甲醇浓度对脂肪酶的影响。但这还存在一定的问题：首先是甘油对脂肪酶活性的影响问题并没有解决；另外不能有效地将甲醇的浓度控制在一个最佳的值，降低了反应效率。还有就是这种“一锅法”的反应，由于组分多，给脂肪酸甲酯和副产物甘油分离纯化都带来了不少的难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于固定化脂肪酶催化动植物油脂制备生物柴油的新工艺，克服现有技术脂肪酶酶活力低、甘油三酯的转化率低的不足。
本发明实现过程如下：
本发明利用反应过程与分离过程耦合的新工艺采用固定化脂肪酶催化制备生物柴油，其工艺过程包括以下步骤：
(1)油脂的水解反应
在油脂水解反应器中加入原料油脂和催化剂固定化脂肪酶、水，进行油脂(甘油三酸酯)的水解反应。
反应过程中，工艺参数应控制在以下范围内(以油脂的质量为基准)：油脂中水的质量百分比浓度为0.01～0.05％；反应器中所添加固定化脂肪酶的总酶活力应控制在40～160IU/g.oil范围内；反应温度控制在25℃～55℃之间；低速搅拌，反应时间在4～12小时范围内。在以上条件下，反应后得到脂肪酸和甘油。
本发明所用的动、植物油脂指的是：桐油、黄连木、麻风树、蓖麻油、菜籽油、棕榈油、棉籽油、玉米油、大豆油、花生油、文寇油、餐饮业废油、工业废油、地沟油、工业油渣等。
本发明所用的固定化脂肪酶中的脂肪酶主要指来源于：南极假丝酵母(Candida antarctica)、假丝酵母Candida rugosa、米黑毛霉(Rhizomucormiehei)、黑曲霉(Aspergillus niger)、嗜热丝孢菌(Thermomyces lanuginosus)、洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepacia)、沙门氏柏干酪青霉(Penicilliumcamemberti)等菌株，且脂肪酶总是以固定化的形式使用；也可用来源于米根霉(Rhizopus oryzae)、中国根霉(Rhizopus chinensis)具有胞内脂肪酶的细胞作为催化剂；也可采用市售商品酶制剂，也可混合协同使用。例如丹麦诺维信公司的Novozym435(Candida antarctica)、Lipozyme TL。
本发明所用的催化剂指的是固定化脂肪酶，按比重自由堆积在反应器内，反应器内有筛板支撑。
本发明中固定化脂肪酶的活力单位定义为：在pH7.0，37℃时，一分钟内每催化反应1umol的底物产生自由脂肪酸(FFA)所需要的酶量定义为一个酶活国际单位，即1IU。
本发明所用的水指的是自来水。
本发明所用的反应器为釜式反应器，也可为填料塔式反应器，塔式反应器，流化床反应器等，也可为实验室所用三角摇瓶，三口反应瓶等；
(2)甘油的分离纯化
将第一步反应得到的自由脂肪酸和甘油从反应体系中分离开来。首先将反应后的混合物从动植物油脂水解反应器中进入分离器，利用密度差进行分离。比重大的甘油从分离器底部出料，进入甘油精制分离器中进行纯化，之后甘油进入纯甘油贮罐；未反应的(甘油三酯)和未完全反应的(甘油二酯、甘油单酯)则返回反应器继续进行酯水解反应；最后比重小的反应完全的产物脂肪酸则进入脂肪酸贮罐。
(3)脂肪酸的酯化反应
将第二步得到的脂肪酸与低碳醇(连续流加)，吸水剂一起加入脂肪酸酯化反应器。在固定化脂肪酶的催化下使其发生酯化反应生成脂肪酸酯(生物柴油)。将反应物打入精镏塔中，高挥发度低碳醇从塔顶蒸出经冷凝后作为反应原料进入脂肪酸酯化反应器循环利用继续反应，其它物料从塔底出料，分离除去未反应的脂肪酸，得到生物柴油。
Figure A20081001814000071
此反应过程中，工艺参数应控制在以下范围内(以脂肪酸的质量为基准)：水的质量百分比浓度为0.01～0.06％；吸水剂的量根据反应过程中，反应物中水含量的变化来适时确定在线添加，确保水的质量百分比浓度维持在0.01～0.06％范围之内；反应器中所添加固定化脂肪酶的总酶活力应控制在40～200IU/g.oil范围内；低碳醇(C1～C4)的质量百分比浓度控制在0.1～2.0％之间，反应温度控制在20～60℃之间；低速搅拌，反应8～36小时得到脂肪酸酯。
本发明所用的催化剂固定化脂肪酶按比重自由堆积在反应器内，反应器内有筛板支撑；
本发明所用的低碳醇指的是甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇或异丁醇，且为连续流加；
本发明所用的吸水剂为硅胶或分子筛(3A、4A、5A)；
本发明所用的固定化脂肪酶的要求与第二步对脂肪酶的要求相同；
本发明所用的反应器为釜式反应器，可为填料塔式反应器，塔式反应器，流化床反应器等，也可为实验室所用三角摇瓶，三口反应瓶等。
本发明的优点与积极效果：(1)采用本发明工艺方法制备生物柴油，先水解甘油三酯，再将水解产物甘油进行分离，这样降低了反应物的粘度，提高了下一步酯化反应的传质，催化效率，从而提高了油脂的转化率(可达到98％以上)。在以上的两步反应中，对于固定化脂肪酶酶活力的影响，与传统工艺相比较，由两个影响因素变为一个影响因素，且在操作中易于控制其浓度，使脂肪酶的活力损失降到了最小程度，固定化脂肪酶可多次重复使用，提高了脂肪酶的使用效率，降低了使用成本。(2)本发明实现了催化反应与分离过程的耦合，提高了固定化脂肪酶催化反应制备生物柴油的反应速率，避免了后续处理，可有效提高设备的生产能力，实现生物柴油的低成本生产。(3)本发明反应条件温和，反应过程简单易于控制，固定化脂肪酶可多次循环使用，原料可循环使用，得到充分利用，产品易分离纯化，且产品质量高。
附图说明
图1为本发明固定化脂肪酶催化反应过程与分离过程耦合制备生物柴油简明工艺流程图；
1、低碳醇贮罐，2、水贮罐，3、动植物油脂贮罐，4、动植物油脂水解反应器，5、脂肪酸酯化反应器，6、精镏塔，7、分离器，8、甘油贮罐，9、脂肪酸贮罐，10、泵，11、生物柴油贮罐。
图2为脂肪酶的简明工艺流程图。
具体实施方式
脂肪酶的简明工艺流程见附图2，可参考文献(中国生物程杂志，2007，27(10)：22-27)。
脂肪酶的固定化方法有多种，以下提供一种固定化方法，但不限于此固定化方法。
用pH7.0的磷酸盐缓冲溶液配制一定浓度的脂肪酶溶液。取50ml酶溶液于可调温的水浴瓶中，加入0.15g分子筛固体，在30℃，300r·min-1下搅拌12h。吸附完成后，在5000r·min下离心10min，分离固体和上层清液。分别用pH7.0的缓冲溶液和丙酮多次清洗固定化酶，真空干燥24h，即可得到固定化脂肪酶。
实施例1：
(1)桐油水解反应
在500L釜式反应器中加入桐油200Kg，1×107IU的固定化脂肪酶(来源于Rhizomucor miehei)、100g水，反应温度控制在40℃进行桐油的水解反应。搅拌速率为150r/min，反应8小时。反应后得到脂肪酸和甘油的混合物。
(2)甘油的分离
将第一步反应得到的自由脂肪酸和甘油从反应体系中分离开来。将反应后的混合物从反应器打入分离器，利用密度差进行分离。比重大的甘油沉积在分离器的底部，之后对其进行进一步的纯化精制；比重小的脂肪酸则浮在上方，移出备用共170Kg。在第一步中没完全反应的甘油三酯可返回水解反应器继续反应。
(3)脂肪酸的酯化反应
将第二步得到的170Kg脂肪酸与甲醇一起再次加入500L釜式反应器中，在固定化脂肪酶的催化下与甲醇发生酯化反应，生成脂肪酸甲酯；吸水剂硅胶的量，根据反应过程中反应物中水含量的变化来适时确定在线添加，总添加量不超过63Kg；釜式反应器中所添加固定化脂肪脂肪酶的总酶活力应为1.6×107IU；流加甲醇的浓度(以无水甲醇计)应控制在0.1～0.8％之间，总计加入甲醇的量为28L；反应温度控制在45±1℃；搅拌速率150r/min，反应时间24小时。在以上条件下，反应后得到粗脂肪酸甲酯。对粗脂肪酸甲酯进行离心和减压蒸馏，收集甲醇备用，同时得到生物柴油，油脂的转化率为98％。
实施例2：
(1)地沟油水解反应
将经过脱色、除杂后的地沟油300Kg加入1000L填料塔式反应器中，1.8×107IU的固定化脂肪酶(其中40％的Novozym435(Candida antarctica)和60％的Lipozyme TL(Thermomyces.lanuginosus))，200g水，反应温度控制在35℃进行地沟油的水解反应。反应18小时，反应后得到脂肪酸和甘油。
(2)甘油的分离
将第一步反应得到的自由脂肪酸和甘油从反应体系中分离开来。将反应后的混合物从反应器打入分离器，利用密度差进行分离。比重大的甘油沉积在分离器的底部，之后对其进行进一步的纯化精制；比重小的脂肪酸则浮在上方，移出备用共246Kg。在第一步中没完全反应的甘油三酯可返回水解反应器继续反应。
(3)脂肪酸的酯化反应
将第二步得到的246Kg脂肪酸与甲醇一起再次加入1000L填料塔式反应器中，在固定化脂肪酶Novozym435的催化下使其与甲醇反生酯化反应，生成脂肪酸甲酯。吸水剂分子筛3A的量根据反应过程中，反应物中水含量的变化来适时确定在线添加，总添加量不超过90Kg；三角摇瓶中所添加固定化脂肪酶Novozym435的总酶活力应为2.0×107IU；流加甲醇的浓度(以无水甲醇计)控制在0.1～0.8％之间，总计加入甲醇的量为40L；反应温度控制在50±1℃；反应时间36小时。在以上条件下，反应后得到粗脂肪酸甲酯。对粗脂肪酸甲酯进行离心和减压蒸馏，收集甲醇备用，同时得到生物柴油，油脂的转化率为98.5％。
实施例3：
(1)菜籽油水解反应
在500L釜式反应器中加入菜籽油200Kg，0.8×107IU的固定化脂肪酶(Rhizomucor miehei)、100g水，反应温度控制在35℃进行菜籽油的水解反应。摇床搅拌速率为120r/min，反应10小时。反应后得到脂肪酸和甘油。
(2)甘油的分离
将第一步反应得到的自由脂肪酸和甘油从反应体系中分离开来。将反应后的混合物从反应器打入分离器，利用密度差进行分离。比重大的甘油沉积在分离器的底部，之后对其进行进一步的纯化精制；比重小的脂肪酸则浮在上方，移出备用共176Kg。在第一步中没完全反应的甘油三酯可返回水解反应器继续反应。
(3)脂肪酸的酯化反应
将第二步得到的176Kg脂肪酸与乙醇一起再次加入500L填料塔式反应器中，在固定化脂肪酶的催化下使其与乙醇反生酯化反应，生成脂肪酸乙酯。吸水剂分子筛4A的量根据反应过程中，反应物中水含量的变化来适时确定在线添加，总添加量不超过62Kg；填料塔式反应器中所添加固定化脂肪脂肪酶的总酶活力应为1.6×107IU；流加乙醇的浓度(以无水乙醇计)控制在0.3～1.3％之间，总计加入乙醇的量为40.3L；反应温度控制在30±1℃；反应时间38小时。在以上条件下，反应后得到粗脂肪酸乙酯。对粗脂肪酸乙酯进行离心和减压蒸馏，收集乙醇备用，同时得到生物柴油，油脂的转化率为99.5％。

Claims (7)

1、一种催化反应与分离过程耦合制备生物柴油的工艺，其特征在于包括以下步骤：
(1)油脂的水解反应
在催化剂固定化脂肪酶存在下，将原料油脂进行水解反应；
(2)甘油的分离纯化
将水解反应得到的自由脂肪酸和甘油从反应体系中分离；
(3)脂肪酸的酯化反应
在固定化脂肪酶的催化下使脂肪酸与C1～C4的低碳醇发生酯化反应生成生物柴油。
2、根据权利要求1所述制备生物柴油的工艺，其特征在于油脂水解反应步骤工艺参数如下：油脂中水的质量百分比浓度为0.01～0.05％，添加的固定化脂肪酶的总酶活力控制在40～160IU/g.oil，反应温度25℃～55℃，反应时间4～12小时。
3、根据权利要求1所述制备生物柴油的工艺，其特征在于脂肪酸酯化反应工艺参数为：水的质量百分比浓度为0.01～0.06％，酯化反应过程中添加有吸水剂，吸水剂的量根据反应过程中反应物中水含量的变化来适时确定在线添加量，确保水的质量百分比浓度维持在0.01～0.06％范围之内，添加的固定化脂肪酶的总酶活力控制在40～200IU/g.oil，C1～C4低碳醇的质量百分比浓度控制在0.1～2.0％之间，反应温度20～60℃，反应时间8～36小时。
4、根据权利要求3所述制备生物柴油的工艺，其特征在于所述吸水剂为硅胶、3A、4A或5A分子筛。
5、根据权利要求1所述制备生物柴油的工艺，其特征在于所述C1～C4的低碳醇为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇或异丁醇，且为连续流加。
6、根据权利要求1至5任意之一所述制备生物柴油的工艺，其特征在于：所述油脂选自桐油、黄连木、麻风树、蓖麻油、菜籽油、棕榈油、棉籽油、玉米油、大豆油、花生油、文寇油、餐饮业废油、工业废油、地沟油或工业油渣。
7、根据权利要求1至5任意之一所述的制备生物柴油的工艺，其特征在于：所述固定化脂肪酶中的脂肪酶来源于南极假丝酵母(Candidaantarctica)、假丝酵母Candida rugosa、米黑毛霉(Rhizomucor miehei)、黑曲霉(Aspergillus niger)、嗜热丝孢菌(Thermomyces lanuginosus)、洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepacia)、沙门氏柏干酪青霉(Penicilliumcamemberti)，且脂肪酶总是以固定化的形式使用；或来源于米根霉(Rhizopus oryzae)、中国根霉(Rhizopus chinensis)具有胞内脂肪酶的细胞作为催化剂；或采用市售商品酶制剂；或上述脂肪酶混合协同使用。
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