CN101974371B - 一种利用微生物油脂制备生物柴油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用微生物油脂为原料制备生物柴油的方法。其是一种利用玉米淀粉工业副产物-玉米皮渣经发酵生产的微生物油脂制备生物柴油。本发明的方法得到脱酸后的微生物油脂酸值为1.58-1.90mgKOH/g，生物柴油得率为71.56-93.20％，利用本发明方法制备的生物柴油符合国家标准，可作为燃料使用，有较高的工业价值。本发明所用的方法对环境友好、反应条件温和、工艺简单、过程易控制，具有生产成本低，符合工业化生产的要求等优点。

Description

一种利用微生物油脂制备生物柴油的方法
技术领域
本发明属于生物化工领域，涉及一种利用微生物油脂为原料制备生物柴油的方法。
背景技术
近年来，随着石油资源的日益枯竭，石油价格的上涨，全世界都面临着能源短缺的危机，生物柴油作为一种可再生的生物能源受到广泛的关注。
生物柴油是由油脂与醇(甲醇或乙醇)经酯交换反应制得的脂肪酸单烷基酯，最典型的是脂肪酸甲酯，与传统的石油相比具有原料可再生，闪点高，燃烧性能好等优点。因此，是一种前景广阔的环境友好型绿色燃料。目前国内外生产生物柴油多采用油料植物粮食为原料，如D Samios等在文献《Fuel ProcessingTechnology，2009，90(4)：599-605》的“A Transesterification Double Step Process-TDSP for biodiesel preparation from fatty acids triglycerides”和孔洁等在文献《粮油加工，2010，3：31-33》的“碱性离子液体[bmim]OH催化下葵花籽油制备生物柴油”文中，采用食用植物油脂进行生物柴油的制备，但植物油脂具有成本高、原料总量缺口大及受环境限制等特点，使得制备的生物柴油价格高于石化柴油。玉米皮渣水解液高密度发酵生产微生物油脂，通过转酯化反应制备生物柴油，降低了生产成本，而且资源丰富。
生物柴油制备的过程中会有未参加反应的油脂，因此需要进行精制分离，目前生物柴油工业中对生物柴油的精制多采取高温蒸馏方法，例如孙小嫚等在文献《中国油脂，2007，32(8)：59-62》的“固体超强碱SO4 -2/Fe2O3催化制备生物柴油的研究”中，在0.1MPa下减压蒸馏，230-280℃收集生物柴油。但是高温蒸馏精制生物柴油其工艺复杂，成本昂贵。
发明内容
本发明以价格低廉的玉米淀粉工业副产物-玉米皮渣经发酵得到的微生物油脂为原料，通过酸、碱两步催化制备生物柴油，反应条件温和，产品得率高。采用低温蒸馏法精制生物柴油，得到的生物柴油符合中国国家标准，具有成本低，工艺简单等优点，易于工业化生产，实现了微生物油脂高值化利用。
以玉米皮渣为原料，深黄被孢霉(Mortierella isabellina)为菌株发酵生产的微生物油脂的制备方法，已由申请号为201010272455.0的中国专利给出。下面把其制备方法说明如下：
一种利用玉米皮渣为原料发酵生产微生物油脂的方法，步骤和条件如下：
(1)玉米皮渣两步水解
①玉米皮渣酶水解
在反应釜中加入碎粉至40-200目玉米干皮渣，按照干燥的玉米皮渣的质量g与水的体积mL的配比为1∶4-8加入水，加入玉米皮渣干重0.5-2％的α-淀粉酶，淀粉酶的活性为36000IU/mL，再加入玉米皮渣干重0.1-0.2％的CaCl2，于40-50℃恒温20-50min，升温至80-85℃恒温60-120min，再煮沸10min，降温至50-60℃加入玉米皮渣干重0.1-0.5％的糖化酶，糖化酶的活性为100000IU/mL，于60℃保温30min，采用过滤或离心的方法得到玉米皮渣酶解液的上清液；
②玉米皮渣酸水解
在反应釜中加入步骤①玉米皮渣水解后的滤渣，按该滤渣酶解前玉米皮渣干重g与水的体积mL的配比为1∶4-8加入水，再加入该溶液总体积比的0.2-0.6％盐酸水解2-4h，水解温度80-100℃，水解后采用过滤或离心的方法得到玉米皮渣酸解液的上清液；所述盐酸质量浓度为37％；
(2)玉米皮渣水解液的中和
将步骤(1)的①和②得到的上清液混合，再将其浓缩至所含的还原糖质量浓度为60-80g/L，加入混合上清液体积的1.5-2.0％玉米浆，用Ca(OH)2调pH值为6.0-7.0，70℃恒温20-30min，离心除去沉淀，得到玉米皮渣水解液；
(3)油脂微生物发酵培养
①种子培养：在无菌条件下将已长满深黄被孢霉(Mortierella isabellina)分生孢子的试管斜面加入2-3ml无菌水，轻轻振荡使之悬浮于无菌水中，吸取孢子悬浮液加入已灭菌的马铃薯葡萄糖培养基中，摇瓶培养温度28-30℃，摇瓶转速80-100r/min，培养时间20-24h，得到发酵种子液；
所述的马铃薯葡萄糖培养基的组成为：质量/体积浓度为20％的土豆汁1000ml，葡萄糖20g，KH2PO43g，MgSO4·7H2O 1.5g，pH 6.0；
所述的所述的马铃薯葡萄糖培养基在121℃条件下灭菌15min；
②发酵培养：在步骤(2)得到的玉米皮渣水解液中，添加玉米皮渣水解液体积的0.1-0.2％硫酸铵，在玉米皮渣发酵培养液中接入步骤(3)的①得到种子液，接入的种子液是添加硫酸铵后的玉米皮渣水解液体积的5-10％，在全自动发酵装置中进行培养，发酵温度28-30℃，通气量0.4-0.8vvm，搅拌转速120-200r/min，发酵周期4-6d，过滤或离心获得油脂微生物菌体；所述的玉米皮渣发酵培养液在121℃条件下灭菌15min；
(4)微生物油脂制备
将步骤(3)的②得到的油脂微生物菌体干燥，再用有机溶剂提取法，对干燥的油脂微生物菌体细胞内油脂进行提取：把干燥的油脂微生物菌体研磨后用滤纸包装，放入索氏提取器中，按照干燥的油脂微生物菌体的质量g与石油醚的体积mL的配比为1∶15加入石油醚，提取温度90-100℃，提取时间5-8h，用旋转蒸发仪减压去除有机溶剂，得到微生物油脂。
本发明提供的一种利用微生物油脂为原料生产生物柴油的方法，其步骤和条件如下：
(1)微生物油脂脱酸处理
微生物油脂中含有大量的游离脂肪酸(FFA)，采用碱催化工艺前必须进行预酯化脱酸，否则FFA会与碱反应生成皂化物。
在反应釜中加入以玉米皮渣为原料，深黄被孢霉(Mortierella isabellina)为菌株发酵生产的微生物油脂；
按照微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶6-24加入甲醇，100r/min低速搅拌5-15min，再加入微生物油脂质量2-5％的浓H2SO4，继续搅拌，搅拌速度为400r/min，反应温度55-70℃，反应1-4h后，停止搅拌，水洗油相至pH值6.5-7.0，105℃加热30min除去水分，得到脱酸后的微生物油脂；经此处理微生物油脂的酸值降至2mgKOH/g以下，达到碱催化酯交换反应的要求。
(2)微生物油脂转酯化制备生物柴油
在反应釜中加入脱酸后的微生物油脂；按照脱酸后的微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶6-14称取甲醇，将是微生物油脂质量0.25-1.2％的KOH溶于甲醇后加入反应釜中，搅拌速度400r/min，反应温度50-70℃，反应1-3h后，停止搅拌，静置，分离出下层甘油相后，加入热水洗涤，分离出热水，得到水洗粗生物柴油。
(3)生物柴油的精制
在粗生物柴油中加入是其体积的3-6倍的乙醇，搅拌后静置5-15min，甲酯进入上层乙醇相，将下层未参加转酯化反应的微生物油脂分离出来，重新作为制备生物柴油的原料；上层乙醇相在0.1MPa下减压蒸馏，在40℃分离出乙醇，得到甲酯-生物柴油。所述的乙醇也可循环使用。
本发明制备的生物柴油的理化指标如表1所示。从表1可以看出，微生物油脂制备的生物柴油的性能均在0#柴油GB252-2000和生物柴油GB/T20828-2007的标准要求范围内，因此可直接作为燃料使用。
表1生物柴油主要理化性能指标
Figure BSA00000315101400031
有益效果：本发明提供的一种利用玉米淀粉工业副产物-玉米皮渣经发酵生产的微生物油脂制备生物柴油的方法。
本发明的方法得到脱酸后的微生物油脂酸值为1.58-1.90mgKOH/g，生物柴油得率为71.56-93.20％，利用本发明方法制备的生物柴油符合国家标准，可作为燃料使用，有较高的工业价值。本发明所用的方法对环境友好、反应条件温和、工艺简单、过程易控制，具有生产成本低，符合工业化生产的要求等优点。
具体实施方式
实施例1
一种利用微生物油脂制备生物柴油的方法如下：
(1)微生物油脂脱酸处理
在反应釜中加入5g微生物油脂，按照微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶6加入甲醇，100r/min低速搅拌15min，再加入微生物油脂质量5％的浓H2SO4，搅拌速度400r/min，反应温度65℃，反应4h后，停止搅拌，水洗油相至pH值7.0，105℃加热30min除去水分。经此处理微生物油脂的酸值降至1.69mgKOH/g。
(2)微生物油脂转酯化制备生物柴油
在反应釜中加入5g脱酸后的微生物油脂，按照微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶6称取甲醇，将微生物油脂质量0.25％的KOH溶于甲醇后加入反应釜中，搅拌速度400r/min，反应温度50℃，反应1h后，停止搅拌，静置2h，分离出下层甘油相后，加入是油脂体积80％的热水洗涤，分离出热水，得到水洗粗生物柴油。
(3)生物柴油的精制
在粗生物柴油中加入是粗生物柴油体积的3倍的乙醇，静置5min，甲酯进入上层乙醇相，将未参加转酯化反应的微生物油脂分离出来，重新作为制备生物柴油的原料；上层乙醇相在0.1MPa下减压蒸馏，在40℃分离出乙醇，得到甲酯-生物柴油。生物柴油的得率为71.56％。所述的乙醇也可循环使用。
实例2-5实例2-5的条件如表2-4所示，实施例结果见表5，其他条件同实例1。
表2  步骤(1)微生物油脂脱酸处理
表3  步骤(2)微生物油脂转酯化制备生物柴油
Figure BSA00000315101400042
表4  步骤(3)生物柴油的精制
Figure BSA00000315101400043
表5  实施例得到的结果
Figure BSA00000315101400044

Claims (6)

1.一种利用微生物油脂为原料制备生物柴油的方法，其特征在于，步骤和条件如下：
(1)微生物油脂脱酸处理
在反应釜中加入以玉米皮渣为原料，深黄被孢霉(Mortierella isabellina)为菌株发酵生产的微生物油脂；
按照微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶6-24加入甲醇，100r/min低速搅拌5-15min，再加入微生物油脂质量2-5％的浓H2SO4，继续搅拌，搅拌速度为400r/min，反应温度55-70℃，反应1-4h后，停止搅拌，水洗油相至pH值6.5-7.0，105℃加热30min除去水分，得到脱酸后的微生物油脂；
(2)微生物油脂转酯化制备生物柴油
在反应釜中加入脱酸后的微生物油脂；按照脱酸后的微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶6-14称取甲醇，将是微生物油脂质量0.25-1.2％的KOH溶于甲醇后加入反应釜中，搅拌速度400r/min，反应温度50-70℃，反应1-3h后，停止搅拌，静置，分离出下层甘油相后，加入热水洗涤，分离出热水，得到水洗粗生物柴油；
(3)生物柴油的精制
在粗生物柴油中加入是其体积的3-6倍的乙醇，搅拌后静置5-15min，甲酯进入上层乙醇相，将下层未参加转酯化反应的微生物油脂分离出来，重新作为制备生物柴油的原料；上层乙醇相在0.1MPa下减压蒸馏，在40℃分离出乙醇，得到甲酯-生物柴油；所述的乙醇循环使用。
2.如权利要求1所述的一种利用微生物油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，步骤和条件如下：
(1)微生物油脂脱酸处理
在反应釜中加入微生物油脂，按照微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶6加入甲醇，100r/min低速搅拌15min，再加入微生物油脂质量5％的浓H2SO4，搅拌速度400r/min，反应温度65℃，反应4h后，停止搅拌，水洗油相至pH值7.0，105℃加热30min除去水分；
(2)微生物油脂转酯化制备生物柴油
在反应釜中加入脱酸后的微生物油脂，按照脱酸后的微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶6称取甲醇，将微生物油脂质量0.25％的KOH溶于甲醇后加入反应釜中，搅拌速度400r/min，反应温度50℃，反应1h后，停止搅拌，静置2h，分离出下层甘油相后，加入是油脂体积80％的热水洗涤，分离出热水，得到水洗粗生物柴油；
(3)生物柴油的精制
在粗生物柴油中加入是粗生物柴油体积的3倍的乙醇，静置5min，甲酯进入上层乙醇相，将未参加转酯化反应的微生物油脂分离出来，重新作为制备生物柴油的原料；上层乙醇相在0.1MPa下减压蒸馏，在40℃分离出乙醇，得到甲酯-生物柴油；所述的乙醇循环使用。
3.如权利要求1所述的一种利用微生物油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，步骤和条件如下：
(1)微生物油脂脱酸处理
在反应釜中加入微生物油脂，按照微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶12加入甲醇，100r/min低速搅拌5min，再加入微生物油脂质量2％的浓H2SO4，搅拌速度400r/min，反应温度55℃，反应4h后，停止搅拌，水洗油相至pH值6.8，105℃加热30min除去水分；
(2)微生物油脂转酯化制备生物柴油
在反应釜中加入脱酸后的微生物油脂，按照脱酸后的微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶8称取甲醇，将微生物油脂质量0.5％的KOH溶于甲醇后加入反应釜中，搅拌速度400r/min，反应温度70℃，反应2h后，停止搅拌，静置2h，分离出下层甘油相后，加入是油脂体积80％的热水洗涤，分离出热水，得到水洗粗生物柴油；
(3)生物柴油的精制
在粗生物柴油中加入是粗生物柴油体积的3倍的乙醇，静置5min，甲酯进入上层乙醇相，将未参加转酯化反应的微生物油脂分离出来，重新作为制备生物柴油的原料；上层乙醇相在0.1MPa下减压蒸馏，在40℃分离出乙醇，得到甲酯-生物柴油；所述的乙醇循环使用。
4.如权利要求1所述的一种利用微生物油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，步骤和条件如下：
(1)微生物油脂脱酸处理
在反应釜中加入微生物油脂，按照微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶18加入甲醇，100r/min低速搅拌10min，再加入微生物油脂质量3％的浓H2SO4，搅拌速度400r/min，反应温度70℃，反应3h后，停止搅拌，水洗油相至pH值6.7，105℃加热30min除去水分；
(2)微生物油脂转酯化制备生物柴油
在反应釜中加入脱酸后的微生物油脂，按照脱酸后的微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶10称取甲醇，将微生物油脂质量0.75％的KOH溶于甲醇后加入反应釜中，搅拌速度400r/min，反应温度65℃，反应3h后，停止搅拌，静置2h，分离出下层甘油相后，加入是油脂体积80％的热水洗涤，分离出热水，得到水洗粗生物柴油；
(3)生物柴油的精制
在粗生物柴油中加入是粗生物柴油体积的4倍的乙醇，静置10min，甲酯进入上层乙醇相，将未参加转酯化反应的微生物油脂分离出来，重新作为制备生物柴油的原料；上层乙醇相在0.1MPa下减压蒸馏，在40℃分离出乙醇，得到甲酯-生物柴油；所述的乙醇循环使用。
5.如权利要求1所述的一种利用微生物油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，步骤和条件如下：
(1)微生物油脂脱酸处理
在反应釜中加入微生物油脂，按照微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶24加入甲醇，100r/min低速搅拌15min，再加入微生物油脂质量4％的浓H2SO4，搅拌速度400r/min，反应温度60℃，反应2h后，停止搅拌，水洗油相至pH值6.6，105℃加热30min除去水分；
(2)微生物油脂转酯化制备生物柴油
在反应釜中加入脱酸后的微生物油脂，按照脱酸后的微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶12称取甲醇，将微生物油脂质量1％的KOH溶于甲醇后加入反应釜中，搅拌速度400r/min，反应温度55℃，反应1h后，停止搅拌，静置2h，分离出下层甘油相后，加入是油脂体积80％的热水洗涤，分离出热水，得到水洗粗生物柴油；
(3)生物柴油的精制
在粗生物柴油中加入是粗生物柴油体积的5倍的乙醇，静置15min，甲酯进入上层乙醇相，将未参加转酯化反应的微生物油脂分离出来，重新作为制备生物柴油的原料；上层乙醇相在0.1MPa下减压蒸馏，在40℃分离出乙醇，得到甲酯-生物柴油；所述的乙醇循环使用。
6.如权利要求1所述的一种利用微生物油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，步骤和条件如下：
(1)微生物油脂脱酸处理
在反应釜中加入微生物油脂，按照微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶12加入甲醇，100r/min低速搅拌15min，再加入微生物油脂质量5％的浓H2SO4，搅拌速度400r/min，反应温度65℃，反应1h后，停止搅拌，水洗油相至pH值6.5，105℃加热30min除去水分；
(2)微生物油脂转酯化制备生物柴油
在反应釜中加入脱酸后的微生物油脂，按照脱酸后的微生物油脂与甲醇的摩尔比1∶14称取甲醇，将微生物油脂质量1.2％的KOH溶于甲醇后加入反应釜中，搅拌速度400r/min，反应温度65℃，反应3h后，停止搅拌，静置2h，分离出下层甘油相后，加入是油脂体积80％的热水洗涤，分离出热水，得到水洗粗生物柴油；
(3)生物柴油的精制
在粗生物柴油中加入是粗生物柴油体积的6倍的乙醇，静置5min，甲酯进入上层乙醇相，将未参加转酯化反应的微生物油脂分离出来，重新作为制备生物柴油的原料；上层乙醇相在0.1MPa下减压蒸馏，在40℃分离出乙醇，得到甲酯-生物柴油；所述的乙醇循环使用。
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