CN102559789A - 磷脂酶和脂肪酶组合使用催化油脂制备生物柴油的方法 - Google Patents

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李扬
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Abstract

本发明提供磷脂酶和脂肪酶组合使用催化油脂制备生物柴油的方法，其是将磷脂酶与脂肪酶组合起来，共同作为催化剂催化各种含有磷脂的油脂原料与短链醇反应进行生物柴油的制备。本发明方法不仅消除了磷脂对脂肪酶的负面作用，而且显著提高了生物柴油品质。整套工艺简便环保，磷脂反应完全，生物柴油得率高，分离效果好，尤其适用于高磷脂含量的原料油脂，为各类廉价油脂在生物柴油领域的开发利用提供了可能，具有重要的推广意义和诱人的市场前景。

Description

磷脂酶和脂肪酶组合使用催化油脂制备生物柴油的方法
技术领域
本发明涉及生物柴油的制备方法，具体地说，涉及磷脂酶和脂肪酶组合使用催化油脂制备生物柴油的方法。
背景技术
石化柴油的未来替代品——生物柴油是由可再生油脂与短链醇通过转酯化反应生成的脂肪酸短链醇酯类物质，具有燃烧性能优良，燃烧尾气污染低等优点。在能源与环境问题日益突出的今天，生物柴油作为一种清洁、环保的可再生能源，越来越受到世界各国的广泛关注。
生物柴油的生产方法主要有化学法和生物酶法两种。其中化学法又包括酸法和碱法，虽然反应速度较快，但是存在很多不可避免的弊端：工艺复杂，反应受到原料中游离脂肪酸和水含量的限制，醇用量大并且回收能耗高，此外，还会有大量废水生成。与化学法相比，生物酶法合成生物柴油则具有反应条件温和，对油脂原料品质要求低，醇用量小，无污染物排放等诸多优点，符合清洁生产的发展要求，日益受到了人们的重视。
目前制约生物柴油工业化生产的主要瓶颈是原料油脂的成本问题，所以人们也逐渐开始将目光转向利用一些相对廉价的油脂原料(比如非精制油脂，餐饮废油和一些下脚料油脂等)以及开发新型的微生物油脂资源。
但是在这些非精制油脂和微生物油脂中，往往会含有一定的磷脂，给反应带来一些不利的影响：反应过程中易生成大量泡沫，并且反应结束后，油水相难以完全分层，为后续产品的分离以及脂肪酶的回收利用带来困难。另一方面，残留于生物柴油中的磷可能会破坏汽车尾气排放控制系统的催化转换器，磷在高温环境中会形成氧化物吸附在催化剂表面，导致催化剂中毒，从而缩短催化转换器的寿命。美国及欧洲生物柴油标准中也都有磷含量不能超过10ppm的规定。
因此，亟待开发出能够高效利用含磷脂的油脂原料制备生物柴油的方法。
发明内容
本发明主要针对原料油脂中磷脂可能产生的负面影响，提供一种磷脂酶和脂肪酶组合使用催化油脂制备生物柴油的新方法。
本发明的一种磷脂酶和脂肪酶组合使用催化油脂制备生物柴油的方法，其是以磷脂酶和脂肪酶为催化剂催化含有磷脂的油脂原料与短链醇反应，制备生物柴油。
前述的方法中，油脂原料与短链醇的摩尔比为4～8∶1，且所述含有磷脂的油脂原料中磷脂的质量百分数为0.01％～10％。
前述的方法中，脂肪酶用量为20～200U/g油脂，磷脂酶用量为0.2～20U/g油脂。
前述的方法中，酶催化反应体系中还含有基于油脂质量2％～20％的水；反应条件为35℃～50℃，搅拌4～12h。
前述的方法中，所述磷脂酶为磷脂酶A1、磷脂酶A2、磷脂酶C中的一种或多种。
前述的方法中，所述脂肪酶是由南极假丝酵母(Candidaantarctica)、米黑根毛霉(Rhizomucor miehe)、米曲霉(Aspergillusoryzae)或嗜热丝孢菌(Thermomyces lanuginosus)产生的脂肪酶，或它们的组合。
前述的方法中，所述短链醇为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇中的一种或多种；所述短链醇的添加方式为分步多次添加或连续流加。
前述的方法中，所述油脂为含磷脂的植物油脂、动物油脂、微生物油脂或各种废弃油脂。
前述的方法中，所述含磷脂的植物油脂为大豆油、菜籽油、蓖麻油、花生油、玉米油、棉籽油、米糠油、棕榈油、棕榈油脂肪酸、文冠果油、小桐籽油中的一种或多种；所述含磷脂的动物油脂为鱼油、猪油或牛油；所述含磷脂的微生物油脂为来源于酵母、霉菌、藻类的油脂中的一种或多种；所述含磷脂的废弃油脂为酸化油、地沟油、潲水油、煎炸油以及油脂精制过程中产生的下脚料油脂中的一种或多种。
以磷脂酶和脂肪酶为催化剂的催化反应的具体工艺为：将醇油摩尔比为4～8∶1的短链醇和磷脂含量为0.01％～10％的油脂原料(短链醇可分步多次添加，也可连续流加)、基于油脂质量2％～20％的水、基于单位油脂质量(g)20～200个酶活单位的游离脂肪酶和基于单位油脂质量(g)0.2～20个酶活单位的磷脂酶，加入适于酶反应的任何生化反应器中进行反应，并保持不停的机械搅拌以保证体系处于良好的乳化状态。不同来源的脂肪酶和磷脂酶可以进行各种组合。反应温度为35℃～50℃，反应时间为4～12h，生物柴油得率可达90％以上。在反应结束后，可通过静置或离心的方式实现油水相的分离，其中，油相即为生物柴油粗产品，水相主要为脂肪酶、磷脂酶、水、副产物甘油、少许油脂以及酶解磷脂后的含磷部分。
本发明基于的原理为：利用磷脂酶能够水解掉磷脂的一个脂肪酸形成亲水性溶血磷脂；或者水解掉磷脂的磷酸取代基团，可显著提高生物柴油的得率和品质。反应结束后，可通过静置或离心的方法将含磷物质与生物柴油产品实现完全分离。
本发明主要针对含磷脂的油脂原料，首次提出将磷脂酶与脂肪酶组合起来，共同作为催化剂催化各种含有磷脂的油脂原料与短链醇反应进行生物柴油的制备，不仅消除了磷脂对脂肪酶的负面作用，而且显著提高了生物柴油品质。该工艺简便环保，磷脂反应完全，生物柴油得率高，分离效果好，尤其适用于高磷脂含量的原料油脂，为各类廉价油脂在生物柴油领域的开发利用提供了可能，具有重要的推广意义和诱人的市场前景。
附图说明
图1为本发明的磷脂酶和脂肪酶组合使用催化油脂制备生物柴油的工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。
实施例1
将摩尔比为4.5∶1的甲醇和磷脂含量为1％的大豆油(100g)，以及基于油脂质量3％的水，装入500mL三口烧瓶中，水浴温度控制在45℃，搅拌均匀后，同时加入基于单位油脂质量(g)50个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的游离脂肪酶和基于单位油脂质量(g)2个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1，搅拌转速控制在1200rpm，甲醇在5个小时内分步匀速加入，8小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为92％，并且未检测到磷脂存在。最后通过静置将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例2
将摩尔比为5∶1的乙醇和磷脂含量为1％的大豆油(100g)，加入基于油脂质量3％的水，装入500mL三口烧瓶中，水浴温度控制在45℃，搅拌均匀后，同时加入基于单位油脂质量(g)60个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的游离脂肪酶和基于单位油脂质量(g)2个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1，搅拌转速控制在1200rpm，乙醇在8个小时内分步匀速加入，12小时磷脂完全反应，生物柴油得率为92％，并且未检测到磷脂存在。最后通过静置将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例3
将摩尔比为4.5∶1的甲醇和磷脂含量为2.5％的菜籽油(100g)，加入基于油脂质量3％的水，装入500mL三口烧瓶中，水浴温度控制在45℃，搅拌均匀后，同时加入基于单位油脂质量(g)60个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的游离脂肪酶和基于单位油脂质量(g)5个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1，搅拌转速控制在1200rpm，甲醇在5个小时内分步匀速加入，8小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为92％，并且未检测到磷脂存在。最后通过静置将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例4
将摩尔比为5∶1的乙醇和磷脂含量为2.5％的菜籽油(100g)，加入基于油脂质量3％的水，装入500mL三口烧瓶中，水浴温度控制在45℃，搅拌均匀后，同时加入基于单位油脂质量(g)80个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的游离脂肪酶和基于单位油脂质量(g)5个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1，搅拌转速控制在1200rpm，乙醇在8个小时内分步匀速加入，12小时磷脂完全反应，生物柴油得率为92％，并且未检测到磷脂存在。最后通过静置将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例5
将摩尔比为6∶1的甲醇和磷脂含量为8％的潲水油(100g)，加入基于油脂质量5％的水，装入500mL三口烧瓶中，水浴温度控制在45℃，搅拌均匀后，同时加入基于单位油脂质量(g)50个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的游离脂肪酶、基于单位油脂质量(g)10个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1以及基于单位油脂质量(g)6个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A2，搅拌转速控制在1200rpm，甲醇在5个小时内分步匀速加入，8小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为90％，并且未检测到磷脂存在。最后通过静置将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例6
将摩尔比为6∶1的乙醇和磷脂含量为8％的潲水油(100g)，加入基于油脂质量5％的水，装入500mL三口烧瓶中，水浴温度控制在45℃，搅拌均匀后，同时加入基于单位油脂质量(g)80个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的游离脂肪酶、基于单位油脂质量(g)10个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1以及基于单位油脂质量(g)10个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A2，搅拌转速控制在1200rpm，乙醇在8个小时内分步匀速加入，8小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为90％，并且未检测到磷脂存在。最后通过静置将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例7
将摩尔比为5∶1的丙醇和磷脂含量为0.07％的牛油(100g)，加入基于油脂质量5％的水，装入500mL三口烧瓶中，水浴温度控制在45℃，搅拌均匀后，同时加入基于单位油脂质量(g)80个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的游离脂肪酶、基于单位油脂质量(g)0.2个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1以及基于单位油脂质量(g)0.2个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillusoryzae)的磷脂酶A2，搅拌转速控制在1200rpm，丙醇在8个小时内分步匀速加入，12小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为90％，并且未检测到磷脂存在。最后通过静置将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例8
将摩尔比为4.5∶1的甲醇和磷脂含量为1％的棕榈油(3kg)，加入基于油脂质量10％的水，装入5L反应器中，水浴温度控制在40℃，搅拌均匀后加入基于单位油脂质量(g)50个酶活单位的来源于嗜热丝孢菌(Thermomyces lanuginosus)的游离脂肪酶、基于单位油脂质量(g)1.5个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1以及基于单位油脂质量(g)0.5个酶活单位的来源于巴斯德毕赤酵母(Pichiapastoris)的磷脂酶C，反应转速控制在700rpm，甲醇在5个小时内匀速连续加入，8小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为92％，并且未检测到磷脂存在。最后通过离心将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例9
将摩尔比为4.5∶1的乙醇和磷脂含量为1％的棕榈油(3kg)，加入基于油脂质量10％的水，装入5L反应器中，水浴温度控制在40℃，搅拌均匀后加入基于单位油脂质量(g)50个酶活单位的来源于嗜热丝孢菌(Thermomyces lanuginosus)的游离脂肪酶、基于单位油脂质量(g)1.5个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1以及基于单位油脂质量(g)0.5个酶活单位的来源于巴斯德毕赤酵母(Pichia pastoris)的磷脂酶C，反应转速控制在700rpm，乙醇在8个小时内匀速连续加入，12小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为92％，并且未检测到磷脂存在。最后通过离心将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例10
将摩尔比为5∶1的甲醇和磷脂含量为3％的菜籽油(3kg)，加入基于油脂质量5％的水，装入5L反应器中，水浴温度控制在40℃，搅拌均匀后加入基于单位油脂质量(g)50个酶活单位的来源于米黑根毛霉(Rhizomucor miehe)的游离脂肪酶、基于单位油脂质量(g)4个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A2以及基于单位油脂质量(g)2个酶活单位的来源于巴斯德毕赤酵母(Pichia pastoris)的磷脂酶C，反应转速控制在700rpm，甲醇在5个小时内匀速连续加入，8小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为92％，并且未检测到磷脂存在。最后通过离心将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例11
将摩尔比为5∶1的乙醇和磷脂含量为3％的菜籽油(3kg)，加入基于油脂质量5％的水，装入5L反应器中，水浴温度控制在40℃，搅拌均匀后加入基于单位油脂质量(g)100个酶活单位的来源于南极假丝酵母(Candida antarctica)的液体脂肪酶、基于单位油脂质量(g)4个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A2以及基于单位油脂质量(g)2个酶活单位的来源于巴斯德毕赤酵母(Pichiapastoris)的磷脂酶C，反应转速控制在700rpm，乙醇在8个小时内匀速连续加入，12小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为92％，并且未检测到磷脂存在。最后通过离心将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例12
将摩尔比为6∶1的丙醇和磷脂含量为1.5％的玉米油(3kg)，加入基于油脂质量10％的水，装入5L反应器中，水浴温度控制在40℃，搅拌均匀后加入基于单位油脂质量(g)80个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的游离脂肪酶、基于单位油脂质量(g)2个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1以及基于单位油脂质量(g)1个酶活单位的来源于巴斯德毕赤酵母(Pichiapastoris)的磷脂酶C，反应转速控制在700rpm，丙醇在8个小时内匀速连续加入，12小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为92％，并且未检测到磷脂存在。最后通过离心将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例13
将摩尔比为8∶1的甲醇和磷脂含量为10％的大豆油(100g)，以及基于油脂质量3％的水，装入500mL三口烧瓶中，水浴温度控制在45℃，搅拌均匀后，同时加入基于单位油脂质量(g)200个酶活单位的来源于南极假丝酵母(Candida antarctica)的液体脂肪酶和基于单位油脂质量(g)20个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1，搅拌转速控制在1200rpm，甲醇在6个小时内分步匀速加入，8小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为92％，并且未检测到磷脂存在。最后通过静置将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例14
将摩尔比为4∶1的乙醇和磷脂含量为0.1％的棕榈油(3kg)，加入基于油脂质量5％的水，装入5L反应器中，水浴温度控制在40℃，搅拌均匀后加入基于单位油脂质量(g)20个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的游离脂肪酶、基于单位油脂质量(g)0.2个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1，反应转速控制在700rpm，乙醇在8个小时内匀速连续加入，12小时后磷脂完全反应，生物柴油得率为92％，并且未检测到磷脂存在。最后通过离心将油水相分离，得到生物柴油粗产品。
实施例1-14的磷脂酶和脂肪酶组合使用催化油脂制备生物柴油的工艺流程图如图1所示。
对比例
为了进一步验证本发明的有益效果，现将本发明与不加磷脂酶的情况进行了对比。
不加磷脂酶的工艺：将摩尔比为4.4∶1的甲醇和磷脂含量为8％的大豆油(100g)，以及基于油脂质量10％的水，装入500mL三口烧瓶中，水浴温度控制在45℃，搅拌均匀后，加入基于单位油脂质量50个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的游离脂肪酶，搅拌转速控制在1200rpm，甲醇在5个小时内分步匀速加入，4h和6h后生物柴油得率分别为76.35％和84.77％。而且，反应过程中观察到大量泡沫，难以实现后续油相和水相的快速分离。
本发明磷脂酶-脂肪酶的组合工艺：将摩尔比为4.4∶1的甲醇和磷脂含量为8％的大豆油(100g)，以及基于油脂质量10％的水，装入500mL三口烧瓶中，水浴温度控制在45℃，搅拌均匀后，同时加入基于单位油脂质量(g)50个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的游离脂肪酶和基于单位油脂质量(g)2个酶活单位的来源于米曲霉(Aspergillus oryzae)的磷脂酶A1，搅拌转速控制在1200rpm，4h和6h生物柴油得率分别为84.32％和87.25％，且未检测到磷脂的存在。
由此可见，与上述不加磷脂酶的对照相比，采用磷脂酶-脂肪酶组合工艺使生物柴油得率分别提高了7.97％和2.98％，反应速率明显加快；且反应3h后即完全没有泡沫生成，静置后即可实现后续油相和水相的快速分离。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.磷脂酶和脂肪酶组合使用催化油脂制备生物柴油的方法，其特征在于，以磷脂酶和脂肪酶为催化剂催化含有磷脂的油脂原料与短链醇反应，制备生物柴油。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，油脂原料与短链醇的摩尔比为4～8∶1。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，脂肪酶用量为20～200U/g油脂，磷脂酶用量为0.2～20U/g油脂。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述含有磷脂的油脂原料中磷脂的质量百分数为0.01％～10％。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，酶催化反应体系中还含有基于油脂质量2％～20％的水；反应条件为35℃～50℃，搅拌4～12h。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述磷脂酶为磷脂酶A1、磷脂酶A2、磷脂酶C中的一种或多种。
7.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶是由南极假丝酵母(Candida antarctica)、米黑根毛霉(Rhizomucormiehe)、米曲霉(Aspergillus oryzae)或嗜热丝孢菌(Thermomyceslanuginosus)产生的脂肪酶，或它们的组合。
8.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述短链醇为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇中的一种或多种；所述短链醇的添加方式为分步多次添加或连续流加。
9.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述油脂为含磷脂的植物油脂、动物油脂、微生物油脂或各种废弃油脂。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述含磷脂的植物油脂为大豆油、菜籽油、蓖麻油、花生油、玉米油、棉籽油、米糠油、棕榈油、棕榈油脂肪酸、文冠果油、小桐籽油中的一种或多种；所述含磷脂的动物油脂为鱼油、猪油或牛油；所述含磷脂的微生物油脂为来源于酵母、霉菌、藻类的油脂中的一种或多种；所述含磷脂的废弃油脂为酸化油、地沟油、潲水油、煎炸油以及油脂精制过程中产生的下脚料油脂中的一种或多种。
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CN103710158A (zh) * 2014-01-02 2014-04-09 华南农业大学 一种餐厨垃圾生产生物柴油的方法
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