CN105985816A - 一种酶法制备生物柴油的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种酶法制备生物柴油的方法，所述方法包括：将生物油脂与碳酸盐和/或碳酸氢盐接触获得反应混合物，再用脂肪酶对所述反应混合物进行酶法转化获得生物柴油；其中，相对于100g的生物油脂，所述碳酸盐和/或碳酸氢盐的添加量为0.05-40g。本发明所提供的方法的有益效果为：提出采用碳酸盐和/或碳酸氢盐中和非食用油脂里影响酶催化活性的无机酸或短链有机酸，消除其对酶促油脂酰基化反应制备生物柴油的负面影响。这种盐取代常规的强碱中和，过程中不需水洗，而且，盐也不会与油脂中的脂肪酸发生皂化反应，能最大限度地减少油脂的损失。该工艺在酶促非食用油脂转化制备生物柴油领域具有非常重要的实际应用价值。

Description

一种酶法制备生物柴油的方法

技术领域

本发明涉及生物技术领域，具体涉及一种酶法制备生物柴油的方法。

背景技术

生物柴油，是由生物油脂原料通过转酯或酯化反应生成的长链脂肪酸酯类物质。生物柴油在闪点、燃烧功效、含硫量、含氧量、芳烃含量、燃烧耗氧量方面均优于石化柴油，而其它指标与石化柴油相当。燃烧尾气中悬浮颗粒、一氧化碳、硫化物以及碳氢化合物都大幅度降低，具备环境友好性，已在欧美国家广泛使用。

生物柴油的可持续发展，必须以非食用油脂为原料。非食用油脂包括地沟油、潲水油以及酸化油等在内的低品质非食用油脂。这类油脂中通常都含有较多的杂质，包括有机脂肪酸、磷脂、水分以及无机酸等。鉴于这些低品质的油脂原料的组成以及特点，目前在欧美国家广泛使用的均相碱催化工艺不能直接用于这些低品质油脂的催化。国内企业一般采用酸法或酸-碱法工艺。酸法催化是目前国内绝大多数中小型生物柴油企业采用的技术路线，存在“三废”多，设备腐蚀严重、能耗高、工艺安全隐患较重等问题。也有一些企业采用酸-碱两步催化工艺。这种酸碱两步催化流程更长、操作更为复杂、大量三废排放导致严重的环境问题等。迫切需要开发环境友好的先进生产工艺以促进生物柴油产业的可持续发展。

环境友好的生物酶法工艺具有反应条件温和、油脂原料适用性广、过程中不引入金属离子、反应产物不需水洗，后续产物分离方便，整个生产过程绿色环保等优点，在转化非食用油脂上显示出很好的应用前景。但是，地沟油、潲水油、酸化油、微生物油脂等非食用油脂 组成复杂，常常含有导致酶快速失活的强酸性杂质，如无机硫酸、盐酸、磷酸以及一些有机强酸性物质甲酸或乙酸，这些残存在油脂里的酸性物质检测非常困难，而且，大量水洗不仅导致大量油脂损失，也难以彻底去除这些酸性物质。这些低品质油脂里存在的强酸性物质已成为影响酶法工艺制备生物柴油的主要技术障碍。因此，迫切需要开发出新的工艺，在保证油脂里的游离脂肪酸不受影响的前提下，能有效的消除非食用油脂里存在的无机酸或短链有机酸对酶催化活性的负面影响，从而促进酶法工艺在转化酸化油、微生物油脂、地沟油等非食用油脂在内的高效转化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述缺陷的酶法制备生物柴油的方法。

为了解除非食用油脂里的强酸性物质对酶催化活性的负面影响，本发明的发明人曾尝试采用氢氧化钠中和处理，发现这种利用强碱中和的工艺不仅操作繁琐，过程中需要大量水洗，而且，几乎所有非精制油脂里都含有一定量的脂肪酸，氢氧化钠的引入会导致油脂里的脂肪酸发生皂化，导致油脂原料的严重损失，而且，形成的皂使得体系乳化现象极为严重，为后续处理过程造成麻烦；本发明的发明人也曾尝试采用缓冲液的方式保持酶的催化活性，发现引入缓冲液体系对强酸性物质存在较多地情况并不适用，而且，过程中大量使用缓冲液会显著增加这个过程的操作成本。最为重要的是，由于不同来源油脂里强酸性物质的含量波动很大，所以使用缓冲液方法也难以保证酶的催化活性。

为此，本发明的发明人开发了一种酶法制备生物柴油的方法，所述方法包括：将生物油脂与碳酸盐和/或碳酸氢盐接触获得反应混合物，再用脂肪酶对所述反应混合物进行酶法转化获得生物柴油；

其中，相对于100g的生物油脂，所述碳酸盐和/或碳酸氢盐的添 加量为0.05-40g。

可选的，所述碳酸盐选自碳酸钾、碳酸钠和碳酸钙中的至少一种；所述碳酸氢盐选自碳酸氢钾、碳酸氢钠和碳酸氢钙中的中的至少一种。

可选的，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将生物油脂、水、碳酸盐和/或碳酸氢盐接触并在20-70℃下搅拌1-10h收获上层油相；

步骤2：在酶反应器中将步骤1中获得的油相与脂肪酶、水和短链醇接触后在30-55℃下酶法转化3-8h后分离油相获得生物柴油。

可选的，在步骤1中，相对于每克的生物油脂，水的添加量为0.05-0.4g；

在步骤2中，相对于每克所述油相，水的添加量为0.02-0.2g，脂肪酶的添加量为200-2000个标准酶活单位。

可选的，相对于每克油相，所述短链醇的添加量为0.14-0.21克。

可选的，所述方法包括以下步骤：

在酶反应器中，将生物油脂、碳酸盐和/或碳酸氢盐、水、短链醇、脂肪酶接触后在30-55℃下酶法处理3-8h后分离油相获得生物柴油，其中，相对于每克的生物油脂，水的添加量为0.02-0.2g，脂肪酶的添加量为200-2000个标准酶活单位，短链醇的添加量为0.14-0.21克。

可选的，所述短链醇选自甲醇和乙醇中的至少一种。

可选的，所述生物油脂选自潲水油、酸化油、地沟油、棕榈油酸和微生物油脂中的至少一种。

可选的，所述碳酸盐为碳酸钙、碳酸钠；所述碳酸氢盐为碳酸氢钠。

本发明还提供了一种利用本发明所述的方法制备的生物柴油。

本发明所提供的方法的有益效果为：提出采用碳酸盐和/或碳酸 氢盐中和非食用油脂里影响酶催化活性的无机酸或短链有机酸，消除其对酶促油脂酰基化反应制备生物柴油的负面影响。这种盐取代常规的强碱中和，过程中不需水洗，而且，盐也不会与油脂中的脂肪酸发生皂化反应，能最大限度地减少油脂的损失。该工艺在酶促非食用油脂转化制备生物柴油领域具有非常重要的实际应用价值。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种酶法制备生物柴油的方法，其中，所述方法包括：将生物油脂与碳酸盐和/或碳酸氢盐接触获得反应混合物，再用脂肪酶对所述反应混合物进行酶法转化获得生物柴油；

其中，相对于100g的生物油脂，所述碳酸盐和/或碳酸氢盐的添加量为0.05-40g，在本发明的一种优选的实施方式中，所述碳酸盐和/或碳酸氢盐的添加量为10-40g。

其中，所述生物油脂是指各种动植物油脂和微生物油脂，本发明所述的生物油脂可以包括：植物油脂、动物油脂、废食用油、油脂精炼下脚料和微生物油脂；

其中，所述植物油脂包括蓖麻油、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。

可选的，在本发明中，所述生物油脂可以选自潲水油、酸化油、地沟油、棕榈油酸和微生物油脂中的至少一种。

其中，所述碳酸盐、碳酸氢盐可以为钠盐、钾盐或钙盐。

在本发明的一种实施方式中，所述碳酸盐选自碳酸钾、碳酸钠和碳酸钙中的至少一种；所述碳酸氢盐选自碳酸氢钾、碳酸氢钠和碳酸氢钙中的中的至少一种。

优选的，所述碳酸盐为碳酸钙、碳酸钠；所述碳酸氢盐为碳酸氢钠。

在本发明的一种实施方式中，将生物油脂与碳酸钙接触。

在本发明的另一种实施方式中，将生物油脂与碳酸氢钠接触。

在本发明的又一种实施方式中，将生物油脂与碳酸钙和碳酸氢钠接触，碳酸钙和碳酸氢钠的质量比为2-1：1。

在本发明的一种实施方式中，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将生物油脂、碳酸盐和/或碳酸氢盐与水接触并在20-70℃下搅拌1-10h收获上层油相；优选为在50-60℃下搅拌2-4h收获上层油相。

步骤2：在酶反应器中将步骤1中获得的油相与脂肪酶、水和短链醇接触后在30-55℃下酶法转化3-8h获得生物柴油，优选为在40-45℃下酶法转化6-7h分离油相获得生物柴油。

其中，相对于每克的生物油脂，在步骤1中水的添加量为0.05-0.4g，优选为0.01-0.3g；在步骤2中，水的添加量为0.02-0.2g，优选为0.05-0.1g。

在步骤2中，相对于每克所述油相，脂肪酶的添加量为200-2000个标准酶活单位；短链醇的添加量为0.14-0.21克。

在本发明的一种优选的实施方式中，所述方法还包括在步骤2后对获得的生物柴油进行进一步精制，例如，所述精制可以按照以下步骤进行：

将步骤2后获得的生物柴油再加入固定化酶反应器中与脂肪酶接触，固酶反应器一侧连接无水乙醇罐或无水甲醇罐，另一侧连接真空泵和冷凝器，控制体系中的真空为10-100MPa，冷凝器温度为8-15℃，固酶反应器温度为40℃，乙醇罐温度为25℃，反应1小时后分离获得精制后的生物柴油。

在本发明的另一种实施方式中，所述方法包括以下步骤：

在酶反应器中，将生物油脂、碳酸盐和/或碳酸氢盐、水、短链醇、脂肪酶接触后在30-55℃下酶法处理3-8h后分离油相获得生物柴油，其中，相对于每克的生物油脂，水的添加量为0.02-0.2g优选 0.05-0.1g，脂肪酶的添加量为200-2000个标准酶活单位优选为1000-1500个标准酶活力单位，短链醇的添加量为0.14-0.21克。优选的，处理时间为6-7h，温度为40-45℃。

在本发明的一种实施方式中，所述短链醇选自甲醇和乙醇中的至少一种，优选为甲醇，当所述短链醇为甲醇和乙醇的混合物时，二者的用量比为2-1：1时获得的处理效果最佳。

其中，所述短链醇的添加方式优选为在0-3h内匀速添加到反应体系中。

其中，所述脂肪酶的来源包括但不限于：南极假丝酵母(Candida antarctica)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、嗜热丝孢菌(Thermomyceslanuginosus)、米黑根毛霉(Rhizomucormiehei)、米黑根毛霉(Rhizomucormiehei)。

在本发明所提供的方法中，对于接触的方式没有特别的限制，只要能够使得各种物料充分混合即可，对于接触过程中各原料的加入顺序也没有特别的限制，可以顺次或同时加入到反应容器中。

在本发明所提供的方法中，所使用的反应容器可以为一级或多级酶反应器。

本发明还提供了利用本发明所述的方法制备的生物柴油。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行说明。

以下实施例中，基于生物油脂质量的质量百分比的表述方式是指，例如：生物油脂的质量为100g，那么加入的基于油脂质量10％的水所指代的是，在100g生物油脂中加入10g的水。

实施例1

将10g潲水油、基于潲水油质量10％的水、基于潲水油质量40％的碳酸钙以及基于单位潲水油质量200个标准酶活(200U/g潲水油)的来源于南极假丝酵母(Candida antarctica)的脂肪酶，置于适于酶催化的一级酶反应器中。控温35℃，然后将1.8g甲醇在3个小时内匀 速加入。反应6小时后，有效油脂到生物柴油的转化率为90％。

实施例2

将10g酸化油，基于酸化油质量20％的水、基于酸化油质量0.05％的碳酸钠以及入基于单位酸化油质量200个标准酶活的来源于米曲霉(Aspergillusoryzae)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的一级酶反应器中。控温40℃，然后1.6g甲醇在4个小时内匀速加入。反应8小时后，有效油脂到生物柴油的转化率为91％。

实施例3

将10g棕榈油酸，基于棕榈油酸质量2％的水、基于棕榈油酸质量10％的碳酸氢钠以及基于单位棕榈油酸质量200个标准酶活的来源于嗜热丝孢菌(Thermomyceslanuginosus)的液体脂肪酶以及基于单位棕榈油酸质量200个标准酶活的来源于米曲霉(Aspergillusoryzae)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的多级酶反应器中。控温45℃，然后将2.0g乙醇在2个小时内匀速加入。反应5小时，有效油脂到生物柴油的转化率为92％。

实施例4

将10g微藻油脂、基于微藻油脂质量8％的水、基于微藻油脂质量2％的碳酸钙和基于微藻油脂质量3％的碳酸氢钠，以及基于单位微藻油脂质量100个标准酶活的来源于南极假丝酵母(Candida antarctica)的液体脂肪酶以及基于单位微藻油脂质量300个标准酶活的来源于嗜热丝孢菌(Thermomyceslanuginosus)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的多级酶反应器中。控温50℃，然后将2.1g甲醇在2个小时内匀速加入。反应5小时，有效油脂到生物柴油的转化率为92％。

实施例5

将10g酵母油脂、基于酵母油脂质量8％的水、基于酵母油脂质量0.1％的碳酸钠以及基于单位酵母油脂质量800个标准酶活的来源于南极假丝酵母(Candida antarctica)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的 多级酶反应器中。控温40℃，然后将1.4g乙醇在2个小时内匀速加入。反应5小时，有效油脂到生物柴油的转化率为91％。

实施例6

将10g地沟油、基于地沟油质量20％的水、基于地沟油质量5％的碳酸氢钠和10％的碳酸钙，以及基于单位地沟油质量500个标准酶活的来源于米黑根毛霉(Rhizomucormiehei)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的多级酶反应器中。控温55℃，然后将1.5g乙醇在3个小时内匀速加入。反应8小时，有效油脂到生物柴油的转化率为91％，然后对反应液进行离心分离。分离出来的粗生物柴油相再进入固定化酶反应器(装有基于单位粗生物柴油箱质量400个标准酶活的来源于米曲霉Aspergillusoryzae的固定化脂肪酶)，固酶反应器一侧连接无水乙醇罐，另一侧连接真空泵和冷凝器，控制体系中的真空为10MPa,冷凝器温度为15℃，固酶反应器温度为40℃，乙醇罐温度为25℃，反应1小时，体系中有效油脂到生物柴油的转化率为99％，酸价为0.2mg KOH/g油。

实施例7

将10g酸化油、基于酸化油质量20％的水、基于酸化油质量20％的碳酸钙以及基于单位酸化油质量500个标准酶活的来源于米黑根毛霉(Rhizomucormiehei)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的一级或多级酶反应器中。控温35℃，然后将1.8g的乙醇在4个小时内匀速加入。反应8小时，有效油脂到生物柴油的转化率为92％。然后对反应液进行离心分离，分离出含酶的重相和含粗生物柴油的轻相。分离出来的粗生物柴油相再进入固定化酶反应器(装有基于单位油脂质量100个标准酶活的来源于米曲霉Aspergillusoryzae的固定化脂肪酶以及基于单位油脂质量100个标准酶活的来源于南极假丝酵母Candida antarctica的固定化脂肪酶)固酶反应器一侧连接无水甲醇罐，另一侧连接真空泵和冷凝器，控制体系中的真空为100MPa,冷凝器温度为 8℃，固酶反应器温度为40℃，甲醇罐温度为25℃，反应1小时，体系中有效油脂到生物柴油的转化率为99％，酸价为0.4mg KOH/g油。

实施例8

在潲水油里加入基于潲水油质量40％的碳酸钙，基于潲水油质量5％的水，30℃，搅拌10h,然后取上层油相10g，将油相、基于油相质量10％的水以及基于单位油相质量200个标准酶活(200U/g油相)的来源于南极假丝酵母(Candida antarctica)的脂肪酶，置于适于酶催化的一级反应器中。控温35℃，然后将1.9g的甲醇在3个小时内匀速加入。反应6小时后，有效油脂到生物柴油的转化率为90％。

实施例9

在酸化油里加入基于酸化油质量0.05％的碳酸钠和基于酸化油质量10％的碳酸钙，基于酸化油质量40％的水，40℃，搅拌1h,然后取上层油相10g、基于油相质量20％的水以及基于单位油相质量200个标准酶活的来源于米曲霉(Aspergillusoryzae)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的多级酶反应器中。控温40℃，然后将1.6g的甲醇在4个小时内匀速加入。反应8小时后，有效油脂到生物柴油的转化率为91％。

实施例10

在棕榈油酸里加入基于棕榈油酸质量20％的碳酸钙，基于棕榈油酸质量40％的水，60℃，搅拌8h,然后取上层油相10g、基于油相质量2％的水以及基于单位油相质量200个标准酶活的来源于嗜热丝孢菌(Thermomyceslanuginosus)的液体脂肪酶以及基于单位油相质量200个标准酶活的来源于米曲霉(Aspergillusoryzae)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的多级酶反应器中。控温45℃，然后将1.9g乙醇在2个小时内匀速加入。反应5小时，有效油脂到生物柴油的转化率为92％。

实施例11

在微藻油脂里加入基于微藻油脂质量10％的碳酸氢钠，基于微藻油脂质量20％的水，80℃，搅拌5h,然后取上层油相10g、基于油相质 量8％的水以及基于单位油相质量100个标准酶活的来源于南极假丝酵母(Candida antarctica)的液体脂肪酶以及基于单位油相质量300个标准酶活的来源于嗜热丝孢菌(Thermomyceslanuginosus)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的一级或多级酶反应器中。控温55℃，然后将1.4甲醇在2个小时内匀速加入。反应5小时，有效油脂到生物柴油的转化率为92％。

实施例12

在酵母油脂里加入基于酵母油脂质量5％的碳酸氢钠和基于酵母油脂质量0.05％的碳酸钠，基于酵母油脂质量，30％的水，40℃，搅拌2h,然后取上层油相10g、基于油相质量8％的水以及基于单位油相质量800个标准酶活的来源于南极假丝酵母(Candida antarctica)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的一级或多级酶反应器中。控温40℃，然后将2.1g乙醇在2个小时内匀速加入。反应5小时，有效油脂到生物柴油的转化率为91％。

实施例13

在地沟油里加入基于地沟油质量20％的碳酸钙和基于地沟油质量5％的碳酸氢钠，基于地沟油质量5％的水，100℃，搅拌8h,然后取上层油相10g、基于油脂油相质量20％的水以及基于单位油相质量500个标准酶活的来源于米黑根毛霉(Rhizomucormiehei)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的一级或多级酶反应器中。控温55℃，然后将1.7g乙醇在3个小时内匀速加入。反应8小时，有效油脂到生物柴油的转化率为91％，然后对反应液进行离心分离。分离出来的粗生物柴油相再进入固定化酶反应器(装有基于单位粗生物柴油相质量400个标准酶活的来源于米曲霉Aspergillusoryzae的固定化脂肪酶)，固酶反应器一侧连接无水乙醇罐，另一侧连接真空泵和冷凝器，控制体系中的真空为10MPa,冷凝器温度为15℃，固酶反应器温度为40℃，乙醇罐温度为25℃，反应1小时，体系中有效油脂到生物柴油的转化率为99％，酸 价为0.2mg KOH/g油。

实施例14

在酸化油里加入基于酸化油质量10％的碳酸钙和基于酸化油质量0.05％的碳酸钠，基于酸化油质量10％的水，20℃，搅拌2h，然后取上层油相10g、基于油相质量20％的水以及基于单位油相质量500个标准酶活的来源于米黑根毛霉(Rhizomucormiehei)的液体脂肪酶，置于适于酶催化的一级或多级酶反应器中。控温35℃，然后将1.8g乙醇在4个小时内匀速加入。反应8小时，有效油脂到生物柴油的转化率为92％。然后对反应液进行离心分离，分离出含酶的重相和含粗生物柴油的轻相。分离出来的粗生物柴油相再进入固定化酶反应器(装有基于单位粗生物柴油相质量100个标准酶活的来源于米曲霉Aspergillusoryzae的固定化脂肪酶以及基于单位粗生物柴油相质量100个标准酶活的来源于南极假丝酵母Candida antarctica的固定化脂肪酶)固酶反应器一侧连接无水甲醇罐，另一侧连接真空泵和冷凝器，控制体系中的真空为100MPa，冷凝器温度为8℃，固酶反应器温度为40℃，甲醇罐温度为25℃，反应1小时，体系中有效油脂到生物柴油的转化率为99％，酸价为0.4mg KOH/g油。

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)

1.一种酶法制备生物柴油的方法，其特征在于，所述方法包括：将生物油脂与碳酸盐和/或碳酸氢盐接触获得反应混合物，再用脂肪酶对所述反应混合物进行酶法转化获得生物柴油；

其中，相对于100g的生物油脂，所述碳酸盐和/或碳酸氢盐的添加量为0.05-40g。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐选自碳酸钾、碳酸钠和碳酸钙中的至少一种；所述碳酸氢盐选自碳酸氢钾、碳酸氢钠和碳酸氢钙中的中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将生物油脂、水、碳酸盐和/或碳酸氢盐接触并在20-70℃下搅拌1-10h收获上层油相；

步骤2：在酶反应器中将步骤1中获得的油相与脂肪酶、水和短链醇接触后在30-55℃下酶法转化3-8h后分离油相获得生物柴油。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤1中，相对于每克的生物油脂，水的添加量为0.05-0.4g；

在步骤2中，相对于每克所述油相，水的添加量为0.02-0.2g，脂肪酶的添加量为200-2000个标准酶活单位。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，相对于每克油相，所述短链醇的添加量为0.14-0.21克。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在酶反应器中，将生物油脂、碳酸盐和/或碳酸氢盐、水、短链醇、脂肪酶接触后在30-55℃下酶法处理3-8h后分离油相获得生物柴油，其中，相对于每克的生物油脂，水的添加量为0.02-0.2g，脂肪酶的添加量为200-2000个标准酶活单位，短链醇的添加量为0.14-0.21克。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述短链醇选自甲醇和乙醇中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述生物油脂选自潲水油、酸化油、地沟油、棕榈油酸和微生物油脂中的至少一种。

9.根据权利要求1-6和8中任意一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐为碳酸钙、碳酸钠；所述碳酸氢盐为碳酸氢钠。

10.利用权利要求1-9中任意一项所述的方法制备的生物柴油。