CN102719498A

CN102719498A - 有机改性凹凸棒土固载脂肪酶催化剂制备生物柴油的方法

Info

Publication number: CN102719498A
Application number: CN2012101886735A
Authority: CN
Inventors: 李为民; 浦国佳; 李建防; 姚超
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明有机改性凹凸棒土固载脂肪酶催化剂制备生物柴油的方法，属于催化技术领域。用季铵盐（十二烷基三甲基溴化铵，十四烷基三甲基溴化铵，十六烷基三甲基溴化铵)有机改性后的凹凸棒土固载脂肪酶作为催化剂制备生物柴油。凹凸棒土先用酸预处理，再用季铵盐对凹凸棒土进行改性，然后固载脂肪酶，该固定化脂肪酶常温下催化油脂与甲醇的反应，生物柴油转化率可以达到95%以上，该固定化脂肪酶重复使用十次，转化率还高达90%以上。

Description

有机改性凹凸棒土固载脂肪酶催化剂制备生物柴油的方法

技术领域

本发明涉及一种有机处理过的凹凸棒土固载脂肪酶制备生物柴油的制备方法，其采用大豆油、菜籽油、蓖麻油、花生油、玉米油及废油脂为原料，有机处理过的凹凸棒土固载脂肪酶作催化剂制备生物柴油，属于催化技术领域。

背景技术

根据凹凸棒土的结构特征，其表面积可由外表面、晶体内通道(含有水分子和可交换的阳离子)和针状微粒杂乱堆积形成的孔隙所贡献。表面改性的研究则揭示出在其表面上共存在着三种活性中心，即构成单元晶胞的硅氧四面体双链上的氧离子、与通道边缘的镁离子配合的水分子以及硅氧链上由Si-O-Si链破裂而产生的Si-OH墓团，但它们的活性各不相同，因而为了适应不同的需要，可以使用不同的方法，通过提纯、改变组成或形态、增加比表面积、调整孔径、改变结构或表面性质等途径达到进一步改善性能的目的。以下是几种常用方法：粉碎磨细、水洗分级、挤压、热处理或焙烧活化、酸处理活化、碱处理、表面改性或修饰、复配等。

王薇等研究了凹凸棒土作为催化剂载体和吸附剂，用于制备及精制生物柴油的工艺。研究表明：以凹凸棒土作为固体酸催化剂载体，生物柴油产率达87.8%，可重复使用3次；产物分离后，经改性凹凸棒土吸附残留甘油，生物柴油纯度可达98.6%，产物久置无絮状物产生，大大缩短了后处理时间，提高了生物柴油品质[辽宁化工，2007，36(7):433-438]。

CN200610039833专利公开了一种固定化脂肪酶凹凸棒土的制备方法，其特征是以凹凸棒土和脂肪酶为原料，以凹凸棒土为脂肪酶的载体，对凹凸棒土进行酸处理、氯化钙处理和三氯化铝－氢氧化钠处理，然后采用吸附的方法进行脂肪酶的固定化。

黄健花等研究了凹凸棒的有机改性及其应用(博士学位论文，无锡：江南大学，2008 )，其采用 40mL浓度为1mg/mL的脂肪酶磷酸缓冲溶液（pH7.0），加入0.400g经0.5%的戊二醛处理的KH550改性凹凸棒土，温度控制在25-30℃之间，固定化6h，得到固定化脂肪酶产品。固定化脂肪酶具有较好的重复使用性能，重复使用八次后其酶活仍可保持85%左右。上述不足因此仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种油脂酯交换反应及酯化反应脂肪酶固载化载体及脂肪酶催化剂的制备方法，它可循环使用和可灵活修饰等优点，实现本发明目的。

本发明目的实现，主要改进在大量试验筛选基础上，选择采用经季铵盐处理过的凹凸棒土载体固载脂肪酶作催化剂，

本发明提出一种采用有机改性凹凸棒土为载体固载脂肪酶用于制备生物柴油的方法，按如下步骤进行：

（1）凹凸棒土的预处理：在30℃温度下，向凹凸棒土原土中加入1mol·L^-1稀硫酸，混合搅拌24h，洗涤，过滤，烘干，粉碎，得到预处理凹凸棒土；

（2）季铵盐对凹凸棒土的改性：取上述一定量的预处理凹凸棒土，首先加入适量蒸馏水在一定温度下搅拌活化一段时间，之后加入一定比例的季铵盐溶液，在一定温度下搅拌反应，反应一段时间后，洗涤、过滤，于110℃烘箱中干燥，粉碎，即得季铵盐改性凹凸棒土；

（3）脂肪酶固载化：称取（2）中用季铵盐改性过的凹凸棒土，再称取脂肪酶。将凹凸棒土和脂肪酶置于三口烧瓶之中，再加入蒸馏水，在常温下搅拌24小时；搅拌结束后，用真空泵抽滤，除去多余的水，并在40℃左右的烘箱中烘干得到固定化脂肪酶。

（4）生物柴油的制备：称取植物油于三口烧瓶中，加入烘干后的固定化脂肪酶，加入量为植物油的1~8%，按照甲醇/ 油摩尔比为3:1加入甲醇，甲醇分三次加入，每24小时加一次，反应温度30-40℃，总反应时间72小时。结束后通过抽滤机回收脂肪酶；滤液蒸馏，回收甲醇。剩余部分分液滤出甘油，最后剩下的即为生物柴油。

其中步骤（1）所述的凹凸棒土原土与稀硫酸的质量与体积比为1：3 （g/mL）；

其中步骤（2）所述的改性温度是60~100℃，改性时间是30~120min；

步骤（2）所述的预处理凹凸棒土与适量蒸馏水的质量与体积比为2：5 （g/mL）；

步骤（2）所述的季铵盐为十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵，加入量为预处理凹凸棒土质量的2~8%。

其中步骤（3）所述的季铵盐改性过的凹凸棒土与脂肪酶的质量为2：1；所述的季铵盐改性过的凹凸棒土与蒸馏水的质量为1：30；

本发明的优点是：

1、本发明是采用有机改性后的凹凸棒土固载脂肪酶作为催化剂，脂肪酶催化剂的用量少，反应结束后可重复利用十次，活性略有下降，但仍可以达到90%以上。

2、经固定化的脂肪酶，耐酸碱性能和耐热性能较原酶明显提高；其最适pH和最适温度均发生了改变。

3、处理过的凹凸棒土固载脂肪酶后水解速率要比没处理的凹凸棒效果好。

本发明方法简单，易于操作，反应时间短，收率高对设备腐蚀小，既可以减少能源，又可以降低成本。

具体实施方式

本发明给出的区间值，并非数学概念的精确端值，而试验选择有协当区间，适当偏离端值并非不可以。

本发明采用有机改性后的凹凸棒土固载脂肪酶作为催化剂，具有反应活性高，反应速度快，反应条件相对温和，可以在常压及相对低的温度下进行，从而可以降低反应能耗，降低成本；反应在常压下进行，降低了对反应装置的要求，并且催化剂无腐蚀性，也降低了设备耐腐蚀要求，节省投资费用。催化剂稳定性好，用量少，催化剂可以重复循环使用，生产过程环境友好。

以下结合若干个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。

SUKALIP脂肪酶购自苏柯汉（潍坊）生物工程有限公司。

实施例1：取20g预处理过的凹凸棒土，加入50g蒸馏水在60℃下搅拌活化10min后，加入2%十二烷基三甲基溴化铵溶液，在60℃下搅拌反应，反应30min后，洗涤、过滤，于110℃烘箱中干燥，粉碎，即得十二烷基三甲基溴化铵改性凹凸棒土。脂肪酶固载化，称取用十二烷基三甲基溴化铵改性过的凹凸棒土3g，称取凹凸棒土质量50%的SUKALIP脂肪酶，加入30g左右的蒸馏水，在常温下搅拌24小时。结束后，抽滤，在40℃左右的烘箱中烘干得到固定化脂肪酶。在0.25L反应器中，加入大豆油和甲醇（摩尔比1:3），甲醇分三次加入，上述固定化脂肪酶加入量为4%(w)，在35℃下反应72小时，产物转化率可以达到96.2%。

实施例2：取20g预处理过的凹凸棒土，加入50g蒸馏水在60℃下搅拌活化10min后，加入2%十四烷基三甲基溴化铵溶液，在60℃下搅拌反应，反应30min后，洗涤、过滤，于110℃烘箱中干燥，粉碎，即得十四烷基三甲基溴化铵改性凹凸棒土。脂肪酶固载化，称取用十四烷基三甲基溴化铵改性过的凹凸棒土3g，称取凹凸棒土质量50%的SUKALIP脂肪酶，加入30g左右的蒸馏水，在常温下搅拌24小时。结束后，抽滤，在40℃左右的烘箱中烘干得到固定化脂肪酶。在0.25L反应器中，加入菜籽油和甲醇（摩尔比1:3），甲醇分三次加入，上述固定化脂肪酶加入量为4%(w)，在30℃下反应72小时，产物转化率达到95.5%。

实施例3：取20g预处理过的凹凸棒土，加入50g蒸馏水在60℃下搅拌活化10min后，加入2%十六烷基三甲基溴化铵溶液，在60℃下搅拌反应，反应60min后，洗涤、过滤，于110℃烘箱中干燥，粉碎，即得十六烷基三甲基溴化铵改性凹凸棒土。脂肪酶固载化，称取用十六烷基三甲基溴化铵改性过的凹凸棒土3g，称取凹凸棒土质量50%的SUKALIP脂肪酶，加入30g左右的蒸馏水，在常温下搅拌24小时。结束后，抽滤，在40℃左右的烘箱中烘干得到固定化脂肪酶。在0.25L反应器中，加入蓖麻油和甲醇（摩尔比1:3），甲醇分三次加入，上述固定化脂肪酶加入量为4%(w)，在40℃下反应72小时，产物转化率达到95.1%。

实施例4：取20g预处理过的凹凸棒土，加入50g蒸馏水在80℃下搅拌活化10min后，加入4%十二烷基三甲基溴化铵溶液，在80℃下搅拌反应，反应60min后，洗涤、过滤，于110℃烘箱中干燥，粉碎，即得十二烷基三甲基溴化铵改性凹凸棒土。脂肪酶固载化，称取用十二烷基三甲基溴化铵改性过的凹凸棒土3g，称取凹凸棒土质量50%的SUKALIP脂肪酶，加入30g左右的蒸馏水，在常温下搅拌24小时。结束后，抽滤，在40℃左右的烘箱中烘干得到固定化脂肪酶。在0.25L反应器中，加入玉米油和甲醇（摩尔比1:3），甲醇分三次加入，上述固定化脂肪酶加入量为8%（w），在35℃下反应72小时，产物转化率达到97.2%。

实施例5：取20g预处理的凹凸棒土，加入50g蒸馏水在80℃下搅拌活化10min后，加入4%十四烷基三甲基溴化铵溶液，在80℃下搅拌反应，反应60min后，洗涤、过滤，于110℃烘箱中干燥，粉碎，即得十四烷基三甲基溴化铵改性凹凸棒土。脂肪酶固载化，称取用十四烷基三甲基溴化铵改性过的凹凸棒土3g，称取凹凸棒土质量50%的SUKALIP脂肪酶，加入30g左右的蒸馏水，在常温下搅拌24小时。结束后，抽滤，在40℃左右的烘箱中烘干得到固定化脂肪酶。在0.25L反应器中，加入花生油和甲醇（摩尔质量比1:3），甲醇分三次加入，上述固定化脂肪酶加入量为8%(w)，在30℃下反应小72时，产物转化率达到97.8%。

实施例6：取20g预处理过的凹凸棒土，加入50g蒸馏水在60℃下搅拌活化10min后，加入4%十六烷基三甲基溴化铵溶液，在80℃下搅拌反应，反应60min后，洗涤、过滤，于110℃烘箱中干燥，粉碎，即得十六烷基三甲基溴化铵改性凹凸棒土。脂肪酶固载化，称取用十六烷基三甲基溴化铵改性过的凹凸棒土3g，称取凹凸棒土质量50%的SUKALIP脂肪酶，加入30g左右的蒸馏水，在常温下搅拌24小时。结束后，抽滤，在40℃左右的烘箱中烘干得到固定化脂肪酶。在0.25L反应器中，加入精制处理后的潲水油和甲醇（摩尔比1:3），甲醇分三次加入，上述固定化脂肪酶加入量为6%(w)，在30℃下反应72小时，产物转化率分别达到97.2%。

实施例7：取20g预处理过的凹凸棒土，加入50g蒸馏水在100℃下搅拌活化10min后，加入8%十二烷基三甲基溴化铵溶液，在100℃下搅拌反应，反应120min后，洗涤、过滤，于110℃烘箱中干燥，粉碎，即得十二烷基三甲基溴化铵改性凹凸棒土。脂肪酶固载化，称取用十二烷基三甲基溴化铵改性过的凹凸棒土3g，称取凹凸棒土质量50%的SUKALIP脂肪酶，加入30g左右的蒸馏水，在常温下搅拌24小时。结束后，抽滤，在40℃左右的烘箱中烘干得到固定化脂肪酶。在0.25L反应器中，加入菜籽油和甲醇（摩尔比1:3），甲醇分三次加入，上述固定化脂肪酶加入量为6%(w)，在35℃下反应72小时，产物转化率分别为96.0%。

实施例8：取20g预处理过的凹凸棒土，加入50g蒸馏水在100℃下搅拌活化10min后，加入8%十四烷基三甲基溴化铵溶液，在100℃下搅拌反应，反应120min后，洗涤、过滤，于110℃烘箱中干燥，粉碎，即得十四烷基三甲基溴化铵改性凹凸棒土。脂肪酶固载化，称取用十四烷基三甲基溴化铵改性过的凹凸棒土3g，称取凹凸棒土质量50%的SUKALIP脂肪酶，加入30g左右的蒸馏水，在常温下搅拌24小时。结束后，抽滤，在40℃左右的烘箱中烘干得到固定化脂肪酶。在0.25L反应器中，加入蓖麻油和甲醇（摩尔比1:3），甲醇分三次加入，上述固定化脂肪酶加入量为6%(w)，在30℃下反应72小时，产物转化率分别为95.3%。

实施例9：除以下不同外，其余与上述实例1相同，考察催化剂重复性实验结果，催化剂1（60℃下十二烷基三甲基溴化铵改性60min）活性依次为96.2%、95.3%、95.4%、94.3%、93.2%、92.8%、92.8%、90.8%、90.1%、90.2%；催化剂2（60℃下十四烷基三甲基溴化铵改性60min）活性依次为95.2%、96.3%、96.4%、95.3%、94.2%、92.7%、92.6%、90.5%、90.0%、90.0%；

催化剂3（60℃下十六烷基三甲基溴化铵改性60min）活性依次为97.2%、95.5%、95.0%、94.6%、93.7%、92.7%、92.8%、90.6%、90.3%、90.2%。

Claims

1.有机改性凹凸棒土固载脂肪酶催化剂制备生物柴油的方法，其特征在于按如下步骤进行：

（3）脂肪酶固载化：称取（2）中用季铵盐改性过的凹凸棒土，再称取脂肪酶；

将凹凸棒土和脂肪酶置于三口烧瓶之中，再加入蒸馏水，在常温下搅拌24小时；搅拌结束后，用真空泵抽滤，除去多余的水，并在40℃左右的烘箱中烘干得到固定化脂肪酶；

（4）生物柴油的制备：称取植物油于三口烧瓶中，加入烘干后的固定化脂肪酶，加入量为植物油的1~8%，按照甲醇/ 油摩尔比为3:1加入甲醇，甲醇分三次加入，每24小时加一次，反应温度30-40℃，总反应时间72小时；

结束后通过抽滤机回收脂肪酶；滤液蒸馏，回收甲醇；

剩余部分分液滤出甘油，最后剩下的即为生物柴油。

2.根据权利要求1所述的有机改性凹凸棒土固载脂肪酶催化剂制备生物柴油的方法，其特征在于其中步骤（1）所述的凹凸棒土原土与稀硫酸的质量与体积比为1：3 （g/mL）。

3.根据权利要求1所述的有机改性凹凸棒土固载脂肪酶催化剂制备生物柴油的方法，其特征在于其中步骤（2）所述的改性温度是60~100℃，改性时间是30~120min；

4.根据权利要求1所述的有机改性凹凸棒土固载脂肪酶催化剂制备生物柴油的方法，其特征在于其中步骤（3）所述的季铵盐改性过的凹凸棒土与脂肪酶的质量为2：1；所述的季铵盐改性过的凹凸棒土与蒸馏水的质量为1：30。