CN114736888A - 一种生物柴油专用复合液体脂肪酶制剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物柴油专用复合液体脂肪酶制剂及其应用。本发明提供的复合液体脂肪酶制剂包括：20‑30重量份的脂肪酶，0.1‑0.5重量份的脂肪酶激活剂，2‑4重量份的pH缓冲剂，0.5‑2重量份的乳化剂，20‑30重量份的抑菌剂以及40‑60重量份的稀释剂。本发明主要通过所述脂肪酶与各种助剂的协同作用，使脂肪酶在以废弃油脂为原料生产生物柴油的过程对原料预处理要求更低，不需要水洗和调节pH；催化活性更高，减少了反应时间；不需膜回收脂肪酶；脂肪酶的存放活性更稳定。采用本发明提供的复合液体脂肪酶制剂生产生物柴油更简单，反应效率更高，成本更低。本发明适用于各种原料油脂如地沟油、潲水油、油脚酸化油、动物油等以液体脂肪酶催化生产生物柴油。

Description

一种生物柴油专用复合液体脂肪酶制剂及其应用

技术领域

本发明涉及一种复合液体脂肪酶制剂及其应用，特别涉及一种生物柴油专用的复合液体脂肪酶制剂及其应用。本发明属于化工技术领域。

背景技术

随着能源需求不断增长，石油储量的不断减少以及环境污染日益严重，发展清洁可再生能源是实现碳中和的必由之路。生物柴油是一种清洁可再生能源，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、CO、硫化物以及碳氢化合物都大幅度降低，具备环境友好性。基于生物柴油在清洁减排上面的特点，欧盟、美国、巴西、马来西亚、印度尼西亚等都制定了强制添加的政策，且添加比例不断在加大，在碳中和的背景下中国对生物柴油的重视程度也越来越大。

生物柴油是以可再生的生物油脂为原料与短链醇通过转酯或酯化反应生成的长链脂肪酸酯类物质，通常用于生产生物柴油的短链醇是甲醇，所以通常说的生物柴油主要指脂肪酸甲酯。根据催化剂的不同生物柴油的制备方法主要分为化学法和酶法。相比传统化学法制备生物柴油，酶法生物柴油技术利用脂肪酶催化原料油脂制备生物柴油在整个反应过程中常温常压、绿色环保且对原料的适应性广。

酶法制备生物柴油的催化剂有两种，分别是固定化脂肪酶和液体脂肪酶。固定化酶适合在无水或微量水条件下催化反应，过多的水会导致脂肪酶从固定化载体上脱落下来；而液体脂肪酶却相反，需要在油水界面下催化反应进行，在无水环境下其本没有活性。中国是食用油进口大国，要发展生物柴油只能立足于废弃脂，主要来源是餐厨废油如地沟油、潲水油，还有就是油脂精炼厂的下脚料皂脚酸化油。通常废弃油脂在经过粗处理后送到生物柴油工厂，原料本身含有2-3％的水，含有10-80％的游离脂肪酸，脚料皂脚酸化油还含有较多的无机酸在里面。游离脂肪酸与甲醇生成脂肪甲酯的过程中产生水，基于水对两种脂肪酶的影响，液体脂肪酶更适合催化本身就含有一定水和游离脂肪酸的废弃油脂。此外液体脂肪酶的价格更低，约不固定化酶的十分之一；普通的反应器都能适用。

废弃油脂来源和成分复杂，其含有的无机酸、有机短链有机酸、醛酮类物质等对脂肪酶有一定的毒害作用，会导致脂肪酶活性下降。所以现有液体酶催工艺需要先对原料进行预处理。如诺维信公司推荐的处理步骤如下：(1)通过静置沉降、过滤、水洗等步骤，去除固体颗粒及其他非脂类杂质。(2)调节pH：根据原料中无机酸含量，适当添加一定的碱溶液，使原料油的pH控制在5.0-5.6之间。处理后的油脂再经过添加液体脂肪酶、少量水和甲醇进行反应，脂肪酶的催化是在油水界面下进行的，在单一水相或油相中催化活性低或无活性，在乳化状态下反应效果最佳，反应后静置或离心分为油相、乳化相和水相三层。油相中通常含有85％左右的脂肪酸甲酯和3-7％左右的游离脂肪酸进入到后面的精制工艺，通过中和或反应的方式使酸值满足不高于0.5mgKOH/g的标准要求；水相含甘油、水、甲醇及少量的酶去甲醇回收及甘油浓缩工段；而乳化层是脂肪酶蛋白主要集中在此的一相，回到下一个批次中去重复催化以降低酶成本。

相比传统的化学法酸碱催化剂，液体脂肪酶的价格高，需要多批次重复利用以达到降成本的目的。废弃油脂来源和成分复杂，其含有的无机酸、短链有机酸、醛酮类物质对脂肪酶有一定的毒害作用，会导致脂肪酶活性下降，脂肪酶用于催化废弃油脂时通常使用过一次后液体脂肪酶的活性只有保持最初的90％，也就是说下一个批次的反应需要补加10％的新酶，如果废弃油脂的品质特别差，液体脂肪酶的活性会下降更快或者完全丧失活性，导致催化剂成本的上升。为了解决废弃油脂中有害杂质对酶的影响，需要对原料油进行水洗处理，必要的时候还要加碱调结废弃油脂的pH值，这过程中产生了大量废水，且加碱量不当会造成油脂皂化。

为解决弃油脂中杂质对酶活性的影响导致反应慢，酶耗高，现有酶法工艺需要对原料进行严格处理，首先用水洗去无机酸、水溶性短链酸、醛酮类物质等，当无机酸含量较高时还要调入一定量碱。即使原料经过了预处理依然存在以下两个问题：(1)虽然通过很好的原料预算理能得到改善，但预算理中的水洗步骤会带来废水和原料油脂的损失。(2)另外即使是处理后酶的损耗依然达到10％左右，虽然反应后脂肪酶主要集中在乳化层中，但脂肪酶毕竟是水溶性的，在水相中不可避免会有少量脂肪本存在。要解决第二个问题回收水相中的脂肪酶需要截留分子量在3-4万的陶瓷膜或有机膜来进行拦截回收。但即使是经过了预算理的废弃油脂，还是含有少量的杂质，这部分杂质会影响膜过滤时的通量，膜设备需要频繁清洗。还有一个解决办法是减少酶的初始添加量，由通常的1-1.5％减少到0.2-0.3％，这样水相中流失的酶相应的就减少了，但反应时间大大延长。

另外液体脂肪酶要求存放在25℃以下，最优是15℃以下，如果产品在空气中暴露容易滋生细菌使酶变质，所以生产上用的液体酶储罐在夏季需要用10℃以下低温水来降温，且储罐要定期清理防止长菌。

因此，如何提高液体脂肪酶的催化效率并简化工艺流程是本领域技术人员丞待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，简化工艺，本发明通过研究酶的特性在现有液体脂肪酶中加入助剂得到了一种催化效率高、回收率高且具有使用稳定性的复合液体脂肪酶，并在使用过程中简化了预处理和酶回收工艺。

液体脂肪酶在纯水相和纯油相中的含量很低，提高乳化效果可以提高反应效率，反应后静置乳化层多，纯水相和纯油相中的酶损失越少；另外脂肪酶的催化活性受pH影响，在最适pH下活性最好；金属离子以与酶活性中心相关基团作用，改变酶的结构，从而影响酶的活性。液体脂肪酶在使用过程中保存在储罐内与空气接触，易受到空气中微生物的影响而变质，需加入抑菌剂防止酶变质。为此，本发明通过在现有液体脂肪的基础上加入激活剂、pH缓冲剂、抑菌抗冻剂、乳化剂等制备得到复合液体脂肪在存放稳定性、使用活性及酶回收率上都得到了明显提升。以本发明所述的复合液体脂肪酶制剂用于催化反应时，稳定性更好，活性更高，废弃油脂不需要经过水洗和调碱处理；在使用过程中能促进油水乳化，使反应高效进行，反应后分相时，乳化相更稳定，在正常酶量下不需要膜过滤也实现了脂肪的高效回收；复合液体脂肪酶制存放活性稳定，夏季高温天气也不需要特别降温。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术手段：

本发明的一种复合液体酶制剂，其包括：20-30重量份的脂肪酶、0.1-0.5重量份脂肪酶激活剂，2-4重量份的pH缓冲剂、0.5-2重量份的乳化剂、20-30重量份的抑菌剂以及40-60重量份的稀释剂。

其中，优选的，所述的脂肪酶为酸性脂肪酶或中性脂肪酶。

其中，优选的，所述的脂肪酶激活性选自可溶性钙盐、镁盐、钾盐以及钡盐中的一种或多种，更优选的，所述的脂肪酶激活性选自氯化钙、氯化镁、氯化钾以及氯化钡中的一种或多种。

其中，优选的，所述的pH稳定剂为磷酸二氢钠或其水合物、磷酸氢二钠或其水合物、磷酸氢铵、三聚磷酸钠、磷酸二氢钾或其水合物以及磷酸氢二钾或其水合物中的一种或多种。

其中，优选的，所述的乳化剂为聚氧乙烯酯类、醚类乳化剂以及甘油酯类乳化剂中的一种或多种，更优选的，所述的乳化剂选自吐温-80、吐温-60、辛基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚以及双乙酰酒石酸单双甘油酯(DATEM)中的一种或多种。

其中，优选的，所述的抑菌剂为低碳链一元醇、二元醇以及三元醇的一种或多种，更优选的，所述的抑菌剂为甘油、丙二醇、丁二醇以及甲醇中的一种或多种。

其中，优选的，所述的稀释剂为自来水、地下水以及蒸汽冷凝水中的一种或多种。

进一步的，本发明还提出了所述的复合液体酶制剂在制备生物柴油中的应用。

更进一步的，本发明还提出了一种制备生物柴油的方法，其包括：采用所述的复合液体酶制剂对废弃油脂以及甲醇进行催化反应的步骤。

其中，优选的，所述催化反应温度为35-40℃；所述催化反应采用搅拌或循环泵混合；废弃油脂：复合液体脂肪酶制剂：甲醇的质量比为100：5～7.5：16～20；所述甲醇的添加方式为连续流加；反应后反应液通过静置或离心分相得到水相、油相以及乳化相，水相经由甲醇精馏回收甲醇，乳化油用于下一批次反应，油相经过精制后得到生物柴油。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

与现有技术(图1)相比，本发明提供的复合液体脂肪酶制剂在对废弃油脂进行催化生产生物柴油的过程中保证了酶在最佳的条件下进行催化，脂肪酶的活性得到提高，稳定性更好，反应时间缩短了20％，酶回收率更高。采用复合液体脂肪酶制剂的生产工艺对原料预处理要求更低，不需要水洗和调节pH；水相不经过膜过滤回收脂肪酶的情况下脂肪酶回收率达到了95％，降低能耗20％以上。复合液体脂肪酶制剂配制简单，保存和使用方便。本发明适用于各种原料油脂，如地沟油、潲水油、油脚酸化油、动物油等以液体脂肪酶催化生产生物柴油。

附图说明

图1为现有液体脂肪酶生产生物柴油工艺路线；

图2为复合液体脂肪酶制剂生产生物柴油工艺路线。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1复合液体脂肪酶制剂的制备及应用

1、复合液体脂肪酶制剂的制备

原料组成：450kg液体脂肪酶DQ-I(所述液体脂肪酶水解活力为10万单位/g，最适pH6.5-8，由北京启迪生物能源科技有限公司生产)，2.5kg氯化钙，2kg氯化镁，50kg十二水磷酸氢二钠，17.5kg二水磷酸二氢钠，22.5kg吐温80，100kg甲醇，350kg甘油，900kg蒸汽冷凝水(常温)。

制备：混合时，先将氯化钙、氯化镁、十二水磷酸氢二钠、二水磷酸二氢钠溶解于水中，再加入甘油和甲醇，在搅拌情况下加先加入吐温80，最后加入上述液体脂肪酶DQ-I。

2、复合液体脂肪酶制剂的应用

于50方反应器中加入30吨经过了加热沉降的潲水油，在搅拌的情况下(30KW搅拌，转速80rpm)升温至40℃，再加入上述配制好的复合液体脂肪酶制剂2250kg，然后加入1.44吨甲醇开始反应，反应1小时后再以840kg/h的量向反应器中流加甲醇，共计流加4小时，反应10小时结束。结束后采离心机分离反应液，得到油相和重相，油相可进一步精制得到生物柴油，得率94.2％。重相静置后得到水相和乳化相，测得水相中酶蛋白的损失为2.7％。水相经由甲醇蒸馏塔回收甲醇，得到稀甘油，再经甘油蒸发器得到粗甘油。回收乳化相(酶的富集相)可用于下一批的反应，如图2。

实施例2复合液体脂肪酶制剂的制备及应用

1、复合液体脂肪酶制剂的制备

原料组成：450kg液体脂肪酶DQ-I(所述液体脂肪酶水解活力为10万单位/g，最适pH6.5-8，由北京启迪生物能源科技有限公司生产)，1.25kg氯化钙，1kg氯化镁，30kg三聚磷酸钠，15kg二水磷酸二氢钠，11.25kg壬基酚聚氧乙烯醚，150kg甲醇，300kg甘油，1179kg自来水。

制备：混合时，先将氯化钙、氯化镁、三聚磷酸钠、二水磷酸二氢钠溶解于水中，再加入甘油和甲醇，在搅拌情况下加先加入壬基酚聚氧乙烯醚，最后加入上述液体脂肪酶DQ-I。

2、复合液体脂肪酶制剂的应用

于50方反应器中加入30吨经过了加热沉降的地沟油，在搅拌的情况下(30KW搅拌，转速80rpm)升温至40℃，再加入上述配制好的复合液体脂肪酶制剂2137.5kg，然后加入1.44吨甲醇开始反应，反应1小时后再以840kg/h的量向反应器中流加甲醇，共计流加4小时，反应10小时结束。结束后采离心机分离反应液，得到油相和重相，油相可进一步精制得到生物柴油，得率94.4％。重相静置后得到水相和乳化相，测得水相中酶蛋白的损失为2.9％。水相经由甲醇蒸馏塔回收甲醇，得到稀甘油，再经甘油蒸发器得到粗甘油。回收乳化相(酶的富集相)可用于下一批的反应，如图2。

实施例3复合液体脂肪酶制剂的制备及应用

1、复合液体脂肪酶制剂的制备

原料组成：50g液体脂肪酶DQ-I(所述液体脂肪酶水解活力为10万单位/g，最适pH6.5-8，由北京启迪生物能源科技有限公司生产)，0.25g氯化钡，0.25g氯化钾，5g十二水磷酸氢二钠，1.25g二水磷酸二氢钠，2.5g辛基酚聚氧乙烯醚，10g甲醇，40g甘油，110.75g蒸汽冷凝水(常温)。

制备：混合时，先将氯化钡、氯化钾、十二水磷酸氢二钠、二水磷酸二氢钠溶解于水中，再加入甘油和甲醇，在搅拌情况下加先加入吐温80，最后加入上述液体脂肪酶DQ-I。

2、回用对比实验

在小试中进行了回用对比实验，以100g油为例，添加10万酶活单位，第一批反应添加20ml甲醇，在反应开始的0-4小时内加完。第二批开始回收利用上一批的乳化相(酶的富集相)，0小时不加甲醇，反应1-4小时内添加14ml甲醇，后面的每一次的回用都按这样操作。每次回用乳化相，在反应当中进行催化效果对比，结果如下表1所示：

表1催化效果对比

通过酶制剂回用对比，实施例3复合酶制剂回用生物柴油得率很稳定，而市场酶制剂生物柴油得率下降非常明显。市场酶制剂在回用过程中更容易流失，而实施例3复合酶制剂在水相中流失少富集在乳化层就更多。

实施例4复合液体脂肪酶制剂的制备及应用

1、复合液体脂肪酶制剂的制备

原料组成：50g液体脂肪酶DQ-I(所述液体脂肪酶水解活力为10万单位/g，最适pH6.5-8，由北京启迪生物能源科技有限公司生产)，0.45g氯化钙，0.55g氯化镁，6g磷酸二氢钾，1.5g三水磷酸氢二钾，3.75g DATEM，10.0g甲醇，50g甘油，120g自来水。

制备：混合时，先将氯化钙、氯化镁、磷酸二氢钾、三水磷酸氢二钾溶解于水中，再加入甘油和甲醇，在搅拌情况下加先加入DATEM，最后加入上述液体脂肪酶DQ-I。

2、回用对比实验

在小试中进行了回用对比实验，以100g油为例，添加10万酶活单位，第一批反应添加20ml甲醇，在反应开始的0-4小时内加完。第二批开始回收利用上一批的乳化相(酶的富集相)，0小时不加甲醇，反应1-4小时内添加14ml甲醇，后面的每一次的回用都按这样操作。每次回用乳化相，在反应当中进行催化效果对比，结果如表2所示：

表2催化效果对比

通过酶制剂回用对比，实施例4复合酶制剂回用生物柴油得率很稳定，而市场酶制剂生物柴油得率下降非常明显。市场酶制剂在回用过程中更容易流失，而实施例4复合酶制剂在水相中流失少富集在乳化层就更多。

Claims (10)

1.一种复合液体酶制剂，其特征在于，包括：20-30重量份的脂肪酶、0.1-0.5重量份的脂肪酶激活剂，2-4重量份的pH缓冲剂、0.5-2重量份的乳化剂、20-30重量份的抑菌剂以及40-60重量份的稀释剂。

2.如权利要求1所述的复合液体酶制剂，其特征在于，所述的脂肪酶为酸性脂肪酶或中性脂肪酶。

3.如权利要求1所述的复合液体酶制剂，其特征在于，所述的脂肪酶激活性选自可溶性钙盐、镁盐、钾盐以及钡盐中的一种或多种，优选的，所述的脂肪酶激活性选自氯化钙、氯化镁、氯化钾以及氯化钡中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的复合液体酶制剂，其特征在于，所述的pH稳定剂为磷酸二氢钠或其水合物、磷酸氢二钠或其水合物、磷酸氢铵、三聚磷酸钠、磷酸二氢钾或其水合物以及磷酸氢二钾或其水合物中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的复合液体酶制剂，其特征在于，所述的乳化剂为聚氧乙烯酯类、醚类乳化剂以及甘油酯类乳化剂中的一种或多种，优选的，所述的乳化剂选自吐温-80、吐温-60、辛基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚以及双乙酰酒石酸单双甘油酯(DATEM)中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的复合液体酶制剂，其特征在于，所述的抑菌剂为低碳链一元醇、二元醇以及三元醇的一种或多种，优选的，所述的抑菌剂为甘油、丙二醇、丁二醇以及甲醇中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的复合液体酶制剂，其特征在于，所述的稀释剂为自来水、地下水以及蒸汽冷凝水中的一种或多种。

8.权利要求1-7任一项所述的复合液体酶制剂在制备生物柴油中的应用。

9.一种制备生物柴油的方法，其特征在于，包括：采用权利要求1-7任一项所述的复合液体酶制剂对废弃油脂以及甲醇进行催化反应的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述催化反应温度为35-40℃；所述催化反应采用搅拌或循环泵混合；废弃油脂：复合液体脂肪酶制剂：甲醇的质量比为100：5～7.5：16～20；所述甲醇的添加方式为连续流加；反应后反应液通过静置或离心分相得到水相、油相以及乳化相，水相经由甲醇精馏回收甲醇，乳化油用于下一批次反应，油相经过精制后得到生物柴油。

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