CN101418322A - 膜回收脂肪酶催化可再生油脂制备生物柴油的方法 - Google Patents
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Abstract
一种膜回收脂肪酶催化可再生油脂制备生物柴油的方法，属于生物燃料合成技术领域。该工艺是以短链醇ROH作为反应酰基受体，利用非固定化脂肪酶作为催化剂催化油脂原料与短链醇进行转酯反应合成生物柴油，反应结束后，利用膜分离方法进行非固定化脂肪酶的回收，再利用回收的非固定化脂肪酶进行下一批次的反应。加入基于油脂4－9摩尔的短链醇，加入基于油脂质量2％－20％的水，加入基于单位油脂质量20－200个酶活单位的非固定化脂肪酶，在生化反应器中进行反应。脂肪酶的回收率达到95％以上，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。然后再利用回收的非固定化脂肪酶进行下一批次生物柴油的制备反应，反复操作，达到多次重复使用非固定化脂肪酶的目的。
Description
技术领域
本发明属于生物燃料合成技术领域，特别涉及一种膜回收脂肪酶催化可再生油脂制备生物柴油的方法，即利用膜回收非固定化脂肪酶催化可再生油脂制备生物柴油。
背景技术
油脂工业的新前景-生物柴油是由生物油脂原料通过转酯反应生成的长链脂肪酸酯类物质，是一种新型的无污染可再生能源，被称为生物柴油。其燃烧性能可以与传统的石油系柴油媲美，由于生物柴油燃烧后发动机排放出的尾气里有害物质比传统石化柴油降低了50％。目前生物柴油的研究和应用已经受到了广泛的关注。
目前生物柴油主要是用化学法生产，即用动植物油脂和一些低碳醇(甲醇或乙醇)在碱或者酸性催化剂作用下进行转酯反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯。化学法制备生物柴油存在如下一些不可避免的缺点：①油脂原料中的游离脂肪酸和水严重影响反应的进行；②甲醇在油脂中溶解性不好，易导致乳化液的形成从而使得后续处理过程复杂；③工艺要求甲醇用量大大超过反应摩尔比，过量甲醇的蒸发回流增大过程能耗。
由于利用生物酶法合成生物柴油具有反应条件温和、无污染物排放、油脂原料中的游离脂肪酸和少量水不影响酶促反应等优点，符合绿色化学的发展方向，因而日益受到人们的重视。但同化学方法相比，生物酶的成本过高，这已成为制约酶法产业化生产生物柴油的主要瓶颈。
固定化脂肪酶可以重复使用，这可以在一定程度上降低酶的使用成本。但固定化酶的制备成本很高，其中绝大部分成本归结于酶的下游过程操作成本，即酶的分离，纯化和固定化。故直接利用非固定化脂肪酶(如液体脂肪酶和游离酶粉)作为催化剂，则可以有效省去酶的分离，纯化和固定化等程序，可以大幅度降低酶的制备成本。然而，在利用非固定化脂肪酶作为催化剂转化可再生油脂原料制备生物柴油的过程中，能否实现这些非固定化脂肪酶的多次回用是降低酶成本的关键，也是非固定化脂肪酶能否最终应用于生物柴油制备领域的主要制约因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种膜回收脂肪酶催化可再生油脂制备生物柴油的方法，有效解决了非固定化脂肪酶的回用，使得非固定化脂肪酶的使用成本显著降低，在生物柴油制备领域具有非常重要的应用前景。
本发明是以短链醇ROH作为反应酰基受体，利用非固定化脂肪酶作为催化剂催化油脂原料与上述短链醇进行转酯反应合成生物柴油，反应结束后，利用膜分离方法进行非固定化脂肪酶的回收，从而将脂肪酶与生成的副产物甘油分离，再利用回收的非固定化脂肪酶进行下一批次的反应。
其特征在于：加入基于油脂4-9摩尔的短链醇(可以采取间歇分批多次加入或连续流加的方式，保证单次加入量不超过3摩尔即可)、加入基于油脂质量2％-20％的水，以及基于单位油脂质量20-200个酶活单位的非固定化脂肪酶，不同来源的脂肪酶可以组合使用，装入适于酶反应的任何生化反应器中，温度控制在30℃～60℃，转速控制在300-1500转/分，反应6—20小时后，油脂原料转化生成生物柴油的得率超过95％。反应结束后，静置或离心分相后(油相为生物柴油相，水相主要为脂肪酶和副产物甘油)，然后利用膜回收水相中的酶蛋白，膜可以为金属膜，有机膜或陶瓷膜，膜截留分子量为15000以上。脂肪酶的回收率达到95％以上，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。然后再利用回收的液体脂肪酶进行下一批次生物柴油的制备反应，除了不需另外加酶外，其它反应条件同前一批次相同。这样可以达到反复使用非固定化脂肪酶的目的，如此进行10个批次的反应后，回收的非固定化脂肪酶的活性还可保持在初始酶活的85％以上。
所述脂肪酶为非固定化脂肪酶，包括来源于酵母细胞，霉菌细胞，细菌或其它微生物的液体脂肪酶或其它形式的游离脂肪酶如酶粉。
所述膜为金属膜，有机膜，无机膜和陶瓷膜。
所述油脂为生物油脂包括植物油脂、动物油脂、废食用油、油脂精练下脚料和微生物油脂。
所述植物油脂为蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉子油、米糠油、麻风树油，文冠果油、小桐子油。
所述动物油脂为鱼油、猪油。
所述微生物油脂为酵母油脂，微藻类油脂。
所述短链醇ROH中R为具有1-5个碳原子的烷基。
所述短链醇为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或戊醇。
本发明的有益效果是利用膜回收非固定化脂肪酶，有效解决了非固定化脂肪酶的回用问题，从而使得非固定化脂肪酶在生物柴油制备领域中具有很好的应用前景。
具体实施方式
实施例1：将摩尔比为4：1的甲醇和菜籽油(菜籽油9.65g)，加入基于油脂质量1％的水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至40℃后，加入基于单位油脂质量40个酶活单位的来源于Aspergillus oryzae的液体脂肪酶，反应转速控制在600rpm，甲醇在6个小时内匀速加入，8小时生物柴油得率为85％。反应结束后，静置后，取出水层，利用膜分离回收酶蛋白，选取截留分子量为15000的有机膜进行上述脂肪酶的回收，酶蛋白的回收率高达95％，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。
实施例2：将摩尔比为9：1的甲醇和猪油(猪油9.65g)，加入基于油脂质量10％的水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至70℃后，加入基于单位油脂质量70个酶活单位的来源于Aspergillus oryzae的脂肪酶粉，反应转速控制在500rpm，甲醇在8个小时内匀速加入，10小时生物柴油得率为98％。反应结束后，静置后，取出水相，利用膜分离回收酶蛋白，选取截留分子量为15000的有机膜，酶蛋白的回收率高达95％，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。
实施例3：将摩尔比为6：1的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量15％的水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至50℃后，加入单位油脂质量100个酶活单位的来源于Aspergillus oryzae的液体脂肪酶，反应转速控制在800rpm，甲醇在8个小时内非匀速加入(前3个小时添加方式为：0小时加入2摩尔甲醇，反应1小时后再加入1摩尔，2小时后再加入2摩尔，4小时后再加入1摩尔)8小时生物柴油得率为95％。反应结束后，离心分层后，取出水相，利用膜分离回收酶蛋白，选取截留分子量为15000的无机膜，酶蛋白的回收率高达95％，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。
实施例4：将摩尔比为4：1的甲醇和麻风树油(麻风树油9.65g)，加入基于油脂质量2％的水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至40℃后，加入单位油脂质量40个酶活单位的来源于Candida antarctica的脂肪酶粉，反应转速控制在1000rpm，甲醇在3个小时内匀速加入，6小时生物柴油得率为85％。反应结束后，离心分层，取出水相，利用膜分离回收酶蛋白，选取截留分子量为15000的陶瓷膜，酶蛋白的回收率高达95％，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。
实施例5：将摩尔比为9：1的乙醇和藻类油脂(藻类油脂9.65g)，加入基于油脂质量8％的水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至30℃后，加入单位油脂质量20个酶活单位的来源于Candida antarctica的液体脂肪酶，反应转速控制在400rpm，甲醇在10个小时内非匀速加入，15小时生物柴油得率为93％。反应结束后，离心分层，取出水相，利用膜分离回收酶蛋白，选取截留分子量为15000的有机膜，酶蛋白的回收率高达95％，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。
实施例6：将摩尔比为6：1的乙醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量10％的水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至50℃后，加入单位油脂质量100个酶活单位的来源于Candida antarctica的液体脂肪酶，反应转速控制在300rpm，甲醇在8个小时内匀速加入，10小时生物柴油得率为95％。反应结束后，离心分层后，取出水相，利用膜分离回收酶蛋白，选取截留分子量为15000的陶瓷膜，酶蛋白的回收率高达95％，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。
实施例7：将摩尔比为8：1的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量16％的水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至50℃后，加入单位油脂质量300个酶活单位的来源于Rhizomucor miehei的液体脂肪酶和40个酶活单位的来源于Rhizopus oryzae的液体脂肪酶，反应转速控制在500rpm，甲醇在10个小时内匀速加入，12小时生物柴油得率为95％。反应结束后，离心分层，取出水相，利用膜分离回收酶蛋白，选取截留分子量为15000的分子筛膜，酶蛋白的回收率高达95％，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。
实施例8：将摩尔比为9：1的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量20％的水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至60℃后，加入单位油脂质量200个酶活单位的来源于Thermomyces lanuginosus的液体脂肪酶，反应转速控制在1000rpm，甲醇在12个小时内匀速加入，14小时生物柴油得率为95％。反应结束后，离心分层，取出水层，利用膜分离回收酶蛋白，选取截留分子量为15000的陶瓷膜，酶蛋白的回收率高达95％，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。
实施例9：将摩尔比为7：1的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量10％的水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至60℃后，加入单位油脂质量200个酶活单位的来源于Rhizopus oryzae的液体脂肪酶，反应转速控制在1500rpm，甲醇在3个小时内匀速加入，5小时生物柴油得率为95％。反应结束后，离心分层，取出水层，利用膜分离回收酶蛋白，选取截留分子量为15000的无机膜，酶蛋白的回收率高达95％，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。
实施例10：将摩尔比为7：1的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量15％的水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至50℃后，加入单位油脂质量30个酶活单位的来源于Aspergillus oryzae的液体脂肪酶和20个酶活单位的来源于Candida antarctica的酶粉，反应转速控制在800rpm，甲醇在8个小时内非匀速加入(前3个小时添加方式为：0小时加入2摩尔甲醇，反应1小时后再加入1摩尔，2小时后再加入2摩尔，4小时后再加入1摩尔)8小时生物柴油得率为95％。反应结束后，静置分层后，取出水相，利用膜分离回收酶蛋白，选取截留分子量为15000的无机膜，酶蛋白的回收率高达95％，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。
实施例11：将摩尔比为7：1的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量10％的水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至60℃后，加入实施例9中回收的脂肪酶，反应转速控制在1500rpm，甲醇在3个小时内匀速加入，5小时生物柴油得率为94％。反应结束后，离心分层，取出水层，利用膜分离回收酶蛋白，选取截留分子量为15000的无机膜，酶蛋白的回收率高达95％，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％。
Claims (13)
1、一种膜回收脂肪酶催化可再生油脂制备生物柴油的方法，以短链醇ROH作为反应酰基受体，利用非固定化脂肪酶作为催化剂催化油脂原料与上述短链醇进行转酯反应合成生物柴油，反应结束后，利用膜分离方法进行非固定化脂肪酶的回收，从而将脂肪酶与生成的副产物甘油分离，再利用回收的非固定化脂肪酶进行下一批次的反应；其特征在于：加入基于油脂4-9摩尔的短链醇，加入基于油脂质量2％-20％的水，以及基于单位油脂质量20-200个酶活单位的非固定化脂肪酶，装入适于酶反应的任何生化反应器中，温度控制在30℃～60℃，转速控制在300-1500转/分，反应6—20小时后，油脂原料转化生成生物柴油的得率超过95％；反应结束后，静置或离心分相后，然后利用膜回收水相中的酶蛋白，膜截留分子量为15000以上。脂肪酶的回收率达到95％以上，回收的酶液中副产物甘油的残存量小于5％；如此进行10个批次的反应后，回收的非固定化脂肪酶的活性还可保持在初始酶活的85％以上。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶为非固定化脂肪酶，非固定化脂肪酶为液体脂肪酶或脂肪酶酶粉。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶来源于酵母，霉菌，细菌或其它微生物的脂肪酶。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶来源于Candidaantarctica、Rhizomucor miehe、Thermomyces lanuginosus或Aspergillus oryzae的脂肪酶。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，不同脂肪酶单独使用或者组合使用。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膜为金属膜，有机膜、陶瓷膜或分子筛膜等无机膜。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，短链醇的添加方式可以采取间歇分批多次加入或连续流加的方式，保证单次加入量不超过3摩尔。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油脂原料为生物油脂，生物油脂包括植物油脂、动物油脂、废食用油、油脂精练下脚料或微生物油脂。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，所述植物油脂为蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉子油、米糠油、麻风树油，文冠果油或小桐子油。
10.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，所述动物油脂为鱼油或猪油。
11.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，所述微生物油脂为酵母油脂或微藻类油脂。
12.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短链醇ROH中R为具有1-5个碳原子的烷基。
13.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短链醇为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或戊醇。
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