CN1884440A - 有机介质反应体系中微生物细胞转化油脂生产生物柴油的工艺 - Google Patents

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Abstract

有机介质反应体系中微生物细胞转化油脂生产生物柴油的工艺，属于生物油脂合成领域。该工艺是以短链醇ROH作为反应酰基受体，用一种对微生物全细胞反应活性没有负面影响的相对亲水的有机溶剂叔丁醇作为反应介质，利用产胞内脂肪酶的微生物全细胞催化油脂原料进行转酯反应合成生物柴油。将短链醇、油脂和产胞内脂肪酶的微生物全细胞装入生物反应器中混合均匀，加热至20℃～60℃，反应5－48小时后，油脂或游离脂肪酸原料转化生成生物柴油和副产物甘油生，物柴油得率达80％以上。优点在于：有效改善甘油在微生物细胞内的积累状况，显著提高反应活性、缩短反应时间并延长微生物细胞的使用寿命。

Description

有机介质反应体系中微生物细胞转化油脂生产生物柴油的工艺
技术领域
本发明属于生物油脂合成领域，特别是提供了一种有机介质反应体系中微生物细胞转化油脂生产生物柴油的工艺。利用有机溶剂作为反应介质、微生物细胞作为催化剂的一种有机介质反应体系中微生物全细胞转化油脂(或游离脂肪酸)生产生物柴油。
背景技术
油脂工业的前景之一-生物柴油是由生物油脂原料通过转酯反应生成的长链脂肪酸酯类物质，是一种新型无污染的可再生能源。生物柴油的燃烧性能可以与传统的石油系柴油媲美。同时，其与传统的石油系柴油相比具有原料可再生，环境友好，闪点高，十六烷值高等优点。目前生物柴油的研究和应用已经受到了广泛的关注。
目前生物柴油主要是用化学法生产，即用动植物油脂和一些低碳醇(甲醇或乙醇)在碱或者酸性催化剂作用下进行转酯反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯。化学法制备生物柴油存在如下一些不可避免的缺点：①油脂原料中的游离脂肪酸和水严重影响反应的进行；②甲醇在油脂中溶解性不好，易导致乳化液的形成从而使得后续处理过程复杂；③工艺要求甲醇用量大大超过反应摩尔比，过量甲醇的蒸发回流增大过程能耗。
由于利用生物酶法合成生物柴油具有反应条件温和、无污染物排放、油脂原料中的游离脂肪酸和少量水不影响酶促反应等优点，符合绿色化学的发展方向，因而日益受到人们的重视。
生物酶法一个主要的不足之处为催化剂酶的成本与化学法所使用的酸或碱相比较高。这也是阻碍生物酶法制备生物柴油产业化的主要因素。采用产胞内脂肪酶的微生物全细胞代替传统的商品化固定化脂肪酶催化油脂转酯反应制备生物柴油，省去了传统的固定化脂肪酶生产过程中的分离、纯化以及固定化等步骤，而通常这些步骤的成本占固定化脂肪酶生产总成本的70％以上，因此采用产胞内脂肪酶的微生物全细胞被认为是有望大幅度降低生物酶成本的一个发展方向。在[Kazuhiro Ban et al.Repeated use of whole-cell biocatalysts immobilized within biomass supportparticles for biodiesel fuel production，Journal of Molecular Catalysis B：Enzymatic，2002，17：157-165]文献中报道：甲醇在油脂原料中的溶解性较差，不利于反应的进行；过量甲醇的存在会导致全细胞严重失活，故在利用全细胞作为催化剂生产生物柴油的工艺过程中，采用分批加入短链醇的方式以缓解其对细胞的毒害作用。这种方式操作繁琐，反应时间较长；另外，在研究中我们发现，以短链醇作为反应的酰基受体，反应过程中有副产物甘油产生，生成的甘油容易在全细胞内部积累，严重影响底物向胞内的扩散，从而影响细胞的反应活性。为改善以上情况，我们采用有机溶剂反应体系合成生物柴油。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有机介质反应体系中微生物细胞转化油脂生产生物柴油的工艺。这些有机介质反应体系可以促进甲醇等短链醇在油脂中的溶解，并且可以促进副产物甘油的扩散，有效改善甘油在微生物细胞内的积累状况，从而可显著提高反应活性、缩短反应时间并延长微生物细胞的使用寿命，使生物柴油得率达80％以上。
本发明是以短链醇ROH作为反应酰基受体，用对微生物全细胞反应活性没有负面影响的相对亲水的有机溶剂叔丁醇作为反应介质，利用产胞内脂肪酶的微生物全细胞催化油脂(或游离脂肪酸)原料进行转酯反应合成生物柴油。其工艺为：
将短链醇与油脂摩尔比为3∶1～6∶1的短链醇和油脂(或短链醇与游离脂肪酸摩摩尔比为1∶1～2∶1的短链醇与游离脂肪酸)、基于油脂(或游离脂肪酸)体积20-300％的有机溶剂和占油脂(或游离脂肪酸)质量2～30％的微生物细胞，装入反应器中混合均匀，加热至20℃～60℃，反应5-48小时后，油脂(或游离脂肪酸)原料可转化生成生物柴油和副产物甘油(以游离脂肪酸为原料时无甘油生成)。
本发明所述微生物全细胞为可用于催化油脂醇解反应制备生物柴油的全细胞催化剂，可以为游离细胞，也可以为固定化细胞。包括R.oryzae IFO4697游离细胞或固定化细胞。
本发明所述油脂为生物油脂包括植物油脂、动物油脂、微生物油脂、废食用油、炼油脚料和游离脂肪酸。
本发明所述植物油脂为蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉子油、米糠油、桐油、乌桕油。
本发明所述动物油脂为鱼油、猪油。
本发明所述微生物油脂包括酵母油脂、细菌油脂、藻类油脂。
本发明所述游离脂肪酸RCOOH中R为具有11-21个碳原子的烷基。
本发明所述短链醇ROH中R为具有1-5个碳原子的烷基。
本发明所述短链醇为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或戊醇。
本发明的有益效果是提高了产脂肪酶微生物细胞的反应活性、延长了微生物细胞的使用寿命，缩短了反应时间。以叔丁醇作为新型有机介质反应体系可以促进甲醇等短链醇在油脂中的溶解，有效降低短链醇对微生物细胞反应活性的负面影响；其次，在这种有机介质反应体系中，可以一次性加入反应所需低碳醇，从而可显著缩短反应时间；另外，相对亲水的有机溶剂可以部分溶解甘油，可以有效降低反应物低碳醇以及副产物甘油对微生物细胞反应活性的负面影响、显著提高微生物细胞反应活性，有效改善甘油在微生物细胞内的积累状况，提高微生物细胞的反应活性并延长其使用寿命。
具体实施方式
实施例1
将摩尔比为4∶1的甲醇和大豆油(大豆油5g)、0.15g磷酸缓冲液和基于油脂体积150％的叔丁醇，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至35℃后，加入干重为油脂质量6％的固定化R.oryzae IFO4697细胞开始反应，经24小时后生产出生物柴油4.15g，生物柴油得率约为83％。
实施例2
将摩尔比为3∶1的甲醇和菜籽油(菜籽油5g)、0.25g磷酸缓冲液和基于油脂体积100％的叔丁醇，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至30℃后，加入干重为油脂质量5％的游离R.oryzae IFO4697细胞开始反应，经24小时后生产出生物柴油4.0g，生物柴油得率为80％。
实施例3
将摩尔比为5∶1的乙醇和棉籽油(棉籽油5g)、0.50g磷酸缓冲液和基于油脂体积200％的叔丁醇，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至45℃后，加入干重为油脂质量8％的固定化R.oryzae IFO4697细胞开始反应，经12小时后生产出生物柴油4.3g，生物柴油得率为86％。
实施例4
将摩尔比为3∶1的丁醇和废食用油(废食用油5g)、基于油脂体积80％的叔丁醇，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至40℃后，加入干重为油脂质量15％的游离R.oryzae IFO4697细胞开始反应，经8小时后生产出生物柴油4.05g，生物柴油得率为81％。
实施例5
将摩尔比为4∶1的甲醇和猪油(猪油5g)、0.05g磷酸缓冲液和基于油脂体积150％的叔丁醇，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至40℃后，加入干重为油脂质量15％的经戊二醛交联的固定化R.oryzae IFO4697细胞开始反应，经8小时后生产出生物柴油4.1g，生物柴油得率为82％。
实施例6
将摩尔比为1.5∶1的甲醇和油酸(油酸5g)、基于油脂体积120％的叔丁醇，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至40℃后，加入干重为油脂质量8％的固定化R.oryzae IFO4697细胞开始反应，经12小时后生产出生物柴油4.3g，生物柴油得率为86％。
实施例7
将摩尔比为4∶1的戊醇和菜籽油(菜籽油5g)、1.0g磷酸缓冲液基于油脂体积200％的叔丁醇，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至35℃后，加入干重为油脂质量20％的经戊二醛交联的游离R.oryzae IFO4697细胞开始反应，经12小时后生产出生物柴油4.5g，生物柴油得率为90％。
实施例8
将摩尔比为1∶1的乙醇和油酸(油酸5g)、基于油脂体积150％的叔丁醇，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至40℃后，加入干重为油脂质量5％的固定化R.oryzae IFO4697细胞开始反应，经24小时后生产出生物柴油4.3g，生物柴油得率为86％。
实施例9：
将实施例1中反应后的微生物细胞直接滤出用于下一批次反应，其他反应条件同实施例1，如此将微生物连续回用10次。在第10个反应批次中，反应24小时可生产出生物柴油8.1g，生物柴油得率仍高达82％。
根据上述实施例，以叔丁醇作为有机介质反应体系，短链醇ROH(R为具有1-5个碳原子数的烷基)作为反应酰基受体时，在适宜的温度范围下加入油脂质量2％～30％的R.oryzae IFO4697游离细胞和固定化在聚氨酯泡沫载体上的固定化细胞，以及经交联剂(如戊二醛等)交联的游离细胞和固定化细胞，不同生物油脂原料(蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉子油、米糠油桐油、乌桕油、鱼油、猪油、酵母油脂、细菌油脂、藻类油脂、废食用油或炼油脚料以及含12～22个碳原子的游离脂肪酸都能被高效转化生成生物柴油。短链醇与油脂最优的反应摩尔比为3∶1～5∶1(短链醇与游离脂肪酸最优的反应摩尔比为1∶1～2∶1，最优的有机溶剂添加量为基于油脂体积的100％-200％，最优的反应温度为30℃～50℃。

Claims (5)

1.一种有机介质反应体系中产胞内脂肪酶的微生物全细胞转化油脂生产生物柴油工艺，以短链醇ROH作为反应酰基受体，用对微生物全细胞反应活性没有负面影响的相对亲水的有机溶剂叔丁醇作为反应介质，利用产胞内脂肪酶的微生物全细胞催化油脂或游离脂肪酸原料进行转酯反应合成生物柴油；其工艺为：将短链醇与油脂摩尔比为3∶1～6∶1的反应底物或短链醇与游离脂肪酸摩尔比为1∶1～2∶1的反应底物，基于油脂或脂肪酸体积20-300％的有机溶剂和占油脂或游离脂肪酸质量2～30％的微生物细胞，装入生化反应器中混合均匀，加热至20℃～60℃，反应5-48小时后，油脂或游离脂肪酸原料转化生成生物柴油和副产物甘油；当以游离脂肪酸为原料时无甘油生成。
2、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：于生化反应器中加热至30℃～50℃；短链醇与油脂摩尔比为3∶1～5∶1；短链醇与游离脂肪酸的反应摩尔比为1∶1～2∶1。
3、根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述的短链醇为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或戊醇。
4、根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述的产胞内脂肪酶的微生物全细胞为可以催化油脂原料与短链醇进行转酯反应制备生物柴油的微生物细胞，包括：R.oryzae IFO4697游离细胞或固定化在聚氨酯泡沫载体上的固定化细胞、经交联剂戊二醛交联的固定化细胞。
5、根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述的油脂为生物油脂，包括蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉子油、米糠油、桐油、乌桕油、鱼油、猪油、酵母油脂、细菌油脂、藻类油脂、废食用油、炼油脚料或含12-22个碳原子的游离脂肪酸。
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