CN204958861U - 一种利用生物酶法制备生物柴油的装置 - Google Patents

一种利用生物酶法制备生物柴油的装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种利用生物酶法制备生物柴油的装置，包括反应单元，所述反应单元包括至少一个反应釜，所述反应釜用于进行生物油脂与短链醇的转酯和酯化反应，包括釜体、设置在所述釜体之内的搅拌装置，以及设置在所述釜体之外的循环泵；所述釜体上设有原料入口、产物出口、循环料入口和循环料出口；所述循环泵的进料口连接至所述釜体的循环料出口，所述循环泵的出料口连接至所述釜体的循环料入口；本实用新型在传统的搅拌式反应釜的基础上中加入一个循环泵，提高了反应体系的混合效果，进而提高了油酯与短链醇的转酯和酯化反应效率，与传统的单纯搅拌混合相比，在达到大致相同的反应效果时，节省能耗。

Description

一种利用生物酶法制备生物柴油的装置
技术领域
本实用新型属于生物柴油合成技术领域，特别涉及一种利用生物酶法制备生物柴油的装置。
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,它是一种新型的无污染、可再生能源，其研究和应用已经受到了广泛的关注，是油脂工业的新前景。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，并且其燃烧尾气中的悬浮颗粒、CO、硫化物以及碳氢化合物都大幅度降低，具备环境友好性。
目前生物柴油主要通过化学法进行生产，化学法制备生物柴油存在油脂原料中的游离脂肪酸和水严重影响反应进行的问题，且反应过程中会产生大量含酸或含碱的废水，另外，反映的副产物甘油提纯难度较大；而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。
在生物酶法合成生物柴油的反应中，主要通过油脂与短链醇的转酯和酯化反应制备生物柴油。然而，在反应过程中，其副产物甘油和水的含量不断提高，反应体系的粘度则不断降低(原料油脂的粘度要远大于生物柴油)，粘度的变化导致反应体系的乳化效果不断变差，部分甘油、水和短链醇相溶在一起，并且因为密度较大而聚集于反应器底部，以致该密度较大相(甘油、水和短链醇相)中含量较高的酶不能被充分利用，导致反应后期转化效率大大降低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种利用生物酶法制备生物柴油的装置，以解决在生物酶法制备生物柴油中生物油酯与短链醇转酯和酯化反应的反应效率随着反应的进行明显降低的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种利用生物酶法制备生物柴油的装置，所述装置包括反应单元，所述反应单元设有至少一个反应釜，所述反应釜用于进行生物油脂与短链醇的转酯和酯化反应，包括釜体、设置在所述釜体之内的搅拌装置，以及设置在所述釜体之外的循环泵；所述釜体上设有原料入口、产物出口、循环料入口和循环料出口；所述循环泵的进料口连接至所述釜体的循环料出口，所述循环泵的出料口连接至所述釜体的循环料入口。
在本实用新型中，所述反应釜主要用于进行生物油料与短链醇在生物酶的作用下进行的转酯和酯化反应。
根据本实用新型的一个优选地实施方式，所述反应单元设有多个反应釜，所述的多个反应釜之间串联连接形成多级反应釜，例如3～6级反应釜。进一步优选地，所述的多个反应釜为四个反应釜，所述的四个反应釜之间依次通过联通管道串联形成四级反应釜(即上一级反应釜的产物出口通过联通管道连接至下一级反应釜的原料入口)，所述的四级反应釜中各反应釜的相对位置沿产物的流动方向逐步降低，使得上一级反应釜中的产物能够通过联通管道流入下一级反应釜，并且所述的四级反应釜中第二级反应釜和第三级反应釜还分别设有短链醇加料口，以便在第二级反应釜和第三级反应釜中添加短链醇。优选地，用于连通两个相邻反应釜的联通管道的两端的高度差为0.15～1m；更优选为0.2～0.6m。优选地，每个反应釜的产物出口与该反应釜底端之间的高度差为该反应釜高度的0.5～0.75倍，更优选为该反应釜高度的0.6～0.7倍。
在反应单元引出的产物流中，除了通过转酯和/或酯化反应得到的脂肪酸甲酯(当所述短链醇为甲醇时)外，还含有甘油、水以及催化反应进行的生物酶等，甚至由作为原料的生物油脂(例如地沟油)可能夹杂而带入的固相废渣，这些物质需要进行进一步分离，以得到油相、水相，并相应地排除由作为原料的生物油脂可能夹杂而带入的固相废渣，其中，所述油相通过进后续处理可以得到生物柴油，所述水相(包括溶于水的甘油和未反应的短链醇)可以用于回收其中的生物酶。根据本实用新型的一种优选实施方式，所述反应装置还包括分离单元和生物酶回收单元，其中，所述分离单元用于对来自所述反应釜的产物进行分离，以分离出油相和水相。上述分离过程可以采用本领域常用的分离机械，优选地，所述分离单元为碟式离心机。
所述生物酶回收单元用于回收来自所述分离单元的水相中的生物酶，优选地，所述生物酶回收单元包括金属膜过滤器和有机膜过滤器，所述金属膜过滤器用于对所述水相进行过滤，从而截留水相中的部分生物酶；所述有机膜过滤器用于对所述金属膜过滤器的滤液(也称为清液)进行过滤，从而进一步截留滤液中的生物酶，通过回收金属膜过滤器和有机膜过滤器的过滤剩余液(也称为浓液)即可回收生物酶。优选地，所述金属膜过滤器采用过滤精度为40～80nm，优选为50～70nm的金属膜；所述有机膜过滤器采用截留分子量为8000～16000道尔顿，优选为10000～15000道尔顿的有机膜。
根据本实用新型的装置，优选地，所述反应釜还包括分布器，所述分布器设置在所述釜体内，用于使来自所述循环泵的循环料均匀分布。进一步优选地，所述分布器为管式分布器。
在本实用新型中，所述生物酶可以是来源于南极假丝酵母(Candidaantarctica)、嗜热真菌(Thermomyceslanuginosus)、黑曲霉(Aspergillusniger)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、米黑根毛霉(Rhizomucormiehei)或米根霉(Rhizopusoryzae)等的固定化脂肪酶。
在本实用新型中，所述短链醇可以是甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中的一种或多种。
在本实用新型中，在本实用新型的方法中，所述生物油脂为植物油脂、动物油脂、微生物油脂和回收油脂中的一种或多种的混合物；其中，所述植物油脂包括棕榈油、大豆油、菜籽油、小桐子油、玉米油、蓖麻油、花生油、棉籽油、米糠油和文冠果油等；所述动物油脂包括鱼油、牛油、猪油和羊油等；所述微生物油脂包括酵母油脂和微藻类油脂等；所述回收油脂包括潲水油、地沟油、油脂精炼下脚料以及回收的植物油脂、动物油脂和微生物油脂等。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1、在传统的搅拌式反应釜的基础上中加入一个循环泵，可以根据反应不同时期对搅拌效果的要求决定所述循环泵的开停，使反应釜底部的物料可以进行循环混合，无需加大搅拌功率或更换搅拌部件，提高了反应体系的混合效果，进而提高了油酯与短链醇的转酯和酯化反应效率，避免反应效率随着反应的进行明显降低，尤其适合于工业应用，并且与传统的单纯搅拌混合相比，在达到大致相同的反应效果的前提下，可以节省能耗；另外，本实用新型的反应釜操作灵活，循环泵在反应初期以及反应后期均可关停、只在反应中期打开，从而可以进一步节能降耗。
2、本实用新型的反应装置和方法在工业级应用中表现优异，适于大规模推广应用。
3、本实用新型在采用多级反应釜进行生产时，反应物中短链醇的含量始终保持较低的水平，有利于减小反应原料对生物酶活性的抑制，提高反应效率。
附图说明
图1示出了本实用新型中的反应釜的结构示意图；
图2示出了本实用新型提供的四级反应釜的连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行进一步说明，但本实用新型并不仅限于此。
如图1所示，本实用新型提供的利用生物酶法制备生物柴油的装置包括反应单元，所述反应单元包括至少一个反应釜，所述反应釜用于进行生物油脂与短链醇的转酯和酯化反应，包括：釜体1、设置在所述釜体1内的搅拌装置2以及设置在所述釜体1外部的循环泵3；所述釜体上设有原料进口和产物出口，所述循环泵3的入口连接至所述釜体1的底部，以抽取所述釜体1底部的物料，所述循环泵3的出口连接至所述釜体1的上部，以便将抽取自所述釜体1底部的物料循环至所述釜体1上部；并且所述釜体1内还设有与所述循环泵3的出口连接的分布器4，以便于来自所述循环泵3的循环物流在反应釜内分布。在一个实施例中，所述循环泵3为离心泵；所述搅拌装置2为浆式搅拌器。
采用本实用新型的反应釜进行反应时，反应釜底部的物料，比如反应釜内比重较大的物相，可以被所述循环泵3抽取到反应釜的上部，并且经所述分布器4在所述反应釜内分布。同时，经分布后的物料在下落过程中可以在所述搅拌装置2的作用下进一步与其它物料混合均匀，起到了在单纯的搅拌作用下难以达到的混合效果。
在一个优选实施例中，如图2所示，所述反应单元设有四个反应釜，分别为第一级反应釜11、第二级反应釜12、第三级反应釜13和第四级反应釜14。所述的四个反应釜之间通过联通管道串联连接形成四级反应釜，其中，所述第一级反应釜11、第二级反应釜12、第三级反应釜13和第四级反应釜14的相对位置逐步降低，以使上一级反应釜的产物出口的高度高于下一级反应釜的进料口，从而上一级反应釜中的反应产物可以通过联通管道流入下一级反应釜，并且所述四级反应釜中第二级反应釜12和第三级反应釜13分别设有短链醇加料口，以便向第二级反应釜12和第三级反应釜13中添加短链醇(例如甲醇)。
反应时，按配比持续向所述第一级反应釜11内加入反应物料，同时所述第一级反应釜11中的反应产物持续通过联通管道流入第二级反应釜12中，以保持所述第一级反应釜11中的物料平衡；来自第一级反应釜11的反应产物和经第二级反应釜12的短链醇加料口加入的短链醇在所述第二级反应釜12中继续反应，反应产物持续通过联通管道流入第三级反应釜13中；来自第二级反应釜12的反应产物和经第三级反应釜13的短链醇加料口加入的短链醇在所述第三级反应釜13中继续反应，反应产物持续通过联通管道流入第四级反应釜14中；所述第四级反应釜14接收来自第三级反应釜13的反应产物，并且，在所述第四级反应釜中不再补充短链醇，而是对来自第三级反应釜13的反应产物中的剩余短链醇进行转化，使反应进行得更为充分，提高反应转化率。在一个实施例中，优选地，用于连通两个相邻反应釜(例如第一级反应釜11和第二级反应釜12)的联通管道的两端的高度差为0.15～1m；更优选为0.2～0.6m。在另一个实施例中，优选地，在各反应釜中，其产物出口与其反应釜底端之间的高度差为所述反应釜高度的0.5～0.75倍，更优选为反应釜高度的0.6～0.7倍。
在一个优选实施方式中，所述反应装置还包括分离单元和生物酶回收单元，其中，所述分离单元用于将来自所述反应单元的产物分离为油相、水相和固相废渣(假设作为反应原料的生物油脂中夹带有固相废渣)，所述分离单元可以采用本领域所熟知的那些分离设备，在一个实施例中，所述分离单元包括碟式离心机，例如辽阳中联制药机械有限公司提供的DRY400型碟式离心机；所述生物酶回收单元用于回收来自所述分离单元的水相中的生物酶，优选地，所述生物酶回收单元包括金属膜过滤器和有机膜过滤器，所述金属膜过滤器用于对所述水相进行过滤，以截留部分生物酶，优选地，所述金属膜过滤器的过滤精度为40～80nm，即采用过滤精度为40～80nm的金属膜；所述有机膜过滤器用于对所述金属膜过滤器的滤液进行浓缩，以进一步截留滤液中的生物酶，优选地，所述有机膜过滤器的截留分子量为8000～16000道尔顿，即选用截留分子量为8000～16000道尔顿的有机膜。采用金属膜过滤器和有机膜过滤器组合回收生物酶，可以实现生物酶的有效回收，具体地，首先通过金属膜过滤器进行粗滤，截留部分生物酶，然后将虑液采用过滤精度更高的有机膜过滤器处理，以从滤液中进一步回收生物酶，这种组合处理可以显著缩短酶的回收时间，提高回收效率。
以下结合实施例对本实用新型的装置和方法进行进一步的说明，但本实用新型并不仅限于此。
实施例1～4
向图1所示反应釜(总容积为20m3)中加入10吨地沟油(羰基价约为55mEq/kg)、1m3的浓度为0.05mol/L磷酸盐水溶液(磷酸二氢钠与磷酸氢二钠摩尔比为1:1)以及基于单位地沟油质量300个标准酶活的来源于南极假丝酵母的脂肪酶。反应釜内温度约为40℃，循环泵流量为100m3/h(扬程10m，功率7.5kw)，将占所述地沟油质量16％的甲醇在4个小时内匀速加入所述反应釜。反应8小时后，检测脂肪酸甲酯含量，详见表1。
表1
实施例5
在图2所示四级反应釜中，向第一级反应釜11中加入反应物料，包括进料量为300L/h的甲醇、进料量为0.40m3/h的磷酸盐水溶液(浓度为0.075mol/L，磷酸二氢钠与磷酸氢二钠摩尔比为1:1)、进料量为5m3/h的地沟油(羰基价约为65mEq/kg)，以及基于单位地沟油质量300个标准酶活的来源于南极假丝酵母的脂肪酶；在第二级反应釜12中，通过短链醇加料口添加的甲醇的进料量为300L/h；在第三级反应釜13中，通过短链醇加料口添加的甲醇的进料量为150L/h；控温40℃，搅拌器转速80rpm，循环泵流量100m3/h,第一反应釜11、第二反应釜12、第三反应釜13、第四级反应釜14内脂肪酸甲酯含量分别为51.2wt％、74.8wt％、83.1wt％、87.6wt％。由此可见，与单个反应釜相比，采用多级反应釜时不仅可以实现连续反应，而且保证产物中了脂肪酸甲酯含量，提高了反应效率。

Claims (10)

1.一种利用生物酶法制备生物柴油的装置，所述装置包括反应单元，所述反应单元包括至少一个反应釜，所述反应釜用于进行生物油脂与短链醇的转酯和酯化反应，包括釜体、设置在所述釜体之内的搅拌装置，以及设置在所述釜体之外的循环泵；所述釜体上设有原料入口、产物出口、循环料入口和循环料出口；所述循环泵的进料口连接至所述釜体的循环料出口，所述循环泵的出料口连接至所述釜体的循环料入口。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应单元包括多个反应釜，所述的多个反应釜之间串联连接形成多级反应釜。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的多个反应釜为四个反应釜，所述的四个反应釜之间依次通过联通管道串联形成四级反应釜，所述的四级反应釜中各反应釜的相对位置沿产物的流动方向逐步降低，使得上一级反应釜中的产物能够通过联通管道流入下一级反应釜，并且所述的四级反应釜中第二级反应釜和第三级反应釜分别设有短链醇加料口。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，用于连通两个相邻反应釜的联通管道的两端的高度差为0.15m～1m。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的装置，其特征在于，在所述的多个反应釜中，每个反应釜的产物出口与该反应釜底端之间的高度差为该反应釜高度的0.5～0.75倍。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应装置还包括分离单元和生物酶回收单元，所述分离单元用于对来自所述反应单元的产物进行分离，以分离出油相和水相；所述生物酶回收单元用于回收所述分离单元分离出的水相中的生物酶。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分离单元为碟式离心机；所述生物酶回收单元包括金属膜过滤器和有机膜过滤器，所述金属膜过滤器用于对所述水相进行过滤，所述有机膜过滤器用于对所述金属膜过滤器的滤液进行过滤。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应釜还包括分布器，所述分布器设置在所述釜体内，用于使来自所述循环泵的物流在反应釜内分布。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述分布器为管式分布器。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述循环泵为离心泵，所述搅拌装置为浆式搅拌器。
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