TW201432044A - 以天然油製作生質柴油之程式及其系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用以製造生質柴油的程式，其係包含：將含三酸甘油酯之天然油與中性緩衝溶液置於裝有生物催化劑之一反應器123中攪拌以形成自由脂肪酸及甘油；自該反應器123中去除甘油；使自由脂肪酸與乙酸甲酯於一預設溫度產生酯交換反應以取得生質柴油及未反應自由脂肪酸；自該反應器123中去除緩衝溶液及生物催化劑；以及使未反應自由脂肪酸與甲醇進行反應以完成酯交換，藉此製得生質柴油。

Description

以天然油製作生質柴油之程式及其系統

本發明係關於從天然油製造生質柴油之程式及系統。更詳而言之，本發明係關於利用生物催化酯交換反應而從天然油製造生質柴油之生物程式及系統。

使用過之油品係指任何經過使用、運送或存放過久而因此含有雜質、污染或喪失原始性質以至於無法穩定提供其原始用途之油品。使用過之油品若未加以妥善處理或回收，或受有害雜質污染，即成為「廢油」。廢油包括初煉燃料儲存槽底部清出之廢料、初煉燃料溢油清理物、廢棄烹飪油、棕櫚油軋油流出物(POME)或其他未經實際使用之油品廢料。廢油可能對環境造成威脅，因此在排放至環境前需經進一步環保管控處理。在此處理下，廢油可回收製成如潤滑油、液壓油、變速箱油、剎車油、馬達油、曲軸箱油、齒輪箱油、合成油，甚至是高級燃料油及烹飪燃油等有用產品。

如何透過有效程式將廢油製成生質柴油為各界積極探索之議題。至今已有諸多研究探討以廢油煉成生質柴油所涉及之製程。然而，根據目前以廢油製造生質柴油之化學程式，酯化反應需使用強酸、強鹼、大量酒精以及200ºC以上高溫，才能確保廢油能夠完全轉換為生質柴油。此等程式需耗用大量能量及金屬，且涉及繁複技術，因此生產成本高昂。此外，製程中所使用之強烈化學品實有危害環境之虞。

再者，亦有某些前案專利係關於從廢油或回收油製成生質柴油之程式。此等專利技術所涉原料及程式各不相同。

關於從廢油生產燃料方面值得一提者為美國專利申請公開案US 2004/0003534(A1)號。該案所請程式包括從初榨魚油、廢魚油，或魚油與初榨植物油或廢植物油混合物等廢油製造柴油引擎用燃料。但其中 廢油之處理需一邊攪拌，一邊導入臭氧，同時添加氧化還原劑及聚合作用抑制劑。

另一前案發明則是關於回收不同來源廢油之程式及設備。美國專利US 6132596號揭露之廢油回收提煉程式及設備包含將新鮮廢油與回收非揮發性殘餘物之混合物加熱以使混合物中所含之重烴類熱解，但此法在混合物中產生之聚合、氧化及去氫反應時間並不足以造成混合物中所含之重烴類熱解。使用植物類或動物類油為生質柴油製造原料為此技藝中所習知。美國專利公開案第2007/0260078(A1)號亦關於從植物或動物油製造生質柴油之程式。該案程式係利用固體酯交換及醚化催化劑形成一種由脂肪酸之烷基酯與甘油之烷基醚所構成之混合物。然而，此前案之重點並非在於植物或動物油之預先處理以及利用廢油製造生質柴油。

迄今並無發明文獻說明如何將天然油、POME或其他植物類或動物類廢油用於生質柴油之製造，特別是將廢油中必然含有之三酸甘油酯預先處理為脂肪酸。廢油中之三酸甘油酯基本上不溶於水，若不當棄置將對環境構成重大危害，且不具經濟價值。然就其本身而論，廢油及甚至其他天然油可萃取出脂肪酸，故而於製造生質柴油方面實具開發價值。是以本發明特此提供能夠以低生產成本對取自天然油及廢油之三酸甘油酯進行轉換以製造生質柴油之程式。

本發明之主要目的在於提供一種利用生物催化劑發酵反應之生質柴油製造程式。所述程式亦可稱為一生物程式。

本發明之另一目的為提供一種用以製造生質柴油之生物程式，其所需能量及製造成本較低，且產量較高。本發明使用中性緩衝溶液以減少皂化，並可於一至三小時內達成約98%之轉換率。

本發明之又一目的為將通常直接棄置而危害環境之POME加以回收並用於製造生質柴油，藉此為生質柴油於汽車產業之商業化另闢蹊徑。

本發明之再一目的為製造出低閃火點且燃燒時無煙無味之生質柴油，其具備環保特性且可用為烹飪燃料。

本發明之再一目的為提供一種生質柴油製造程式，其所製成之生質柴油不需與其他石油來源柴油混合即可用為汽車燃料。

本發明可滿足以上至少以上一項目的之部分或全部，其中本發明之一種實施例描述一種製作生質柴油之程式，其係包含：將一含三酸甘油酯之天然油與一中性緩衝溶液置於裝有一生物催化劑之一反應器中攪拌以形成自由脂肪酸及甘油；自該反應器中去除甘油；使自由脂肪酸與乙酸甲酯於一預設溫度產生酯交換反應以取得生質柴油及未反應自由脂肪酸；自該反應器中去除該緩衝溶液及生物催化劑；以及使未反應自由脂肪酸與甲醇進行反應以完成酯交換，藉此製得生質柴油。

在本發明一較佳實施例中，該天然油之攪拌溫度為25℃至50℃。

在本發明另一較佳實施例中，自由脂肪酸與乙酸甲酯之間酯交換之預設溫度為60℃至90℃。較佳者，該預設溫度為90℃。

在本發明又一較佳實施例中，該天然油係取自廢棄植物或動物油。較佳者，該天然油係取自棕櫚油軋油流出物，其含有0.4%至99.9%重量比之三酸甘油酯。

在本發明其他實施例中，該生物催化劑為取自圓柱假絲酵母菌(Candida cylindracea)之脂肪分解酵素。

在本發明又一實施例中，天然油與緩衝溶液之濃度比為0.5至1.5比1。

在本發明再一實施例中生物催化劑與天然油之濃度比為0.01至0.2比1。較佳者，該濃度比為0.1：1。

在本發明其他實施例中，乙酸甲酯與自由脂肪酸之濃度比為0.1至0.2比1。較佳者，該濃度比為0.1：1。

在本發明另一實施例中，甲醇與未反應自由脂肪酸之濃度比為0.1至0.2比1。較佳者，該濃度比為0.1：1。

本發明之一特定實施例揭露一種製作生質柴油之系統，其係包含：一裝有中性緩衝溶液之緩衝槽；一裝有天然油之油槽；一裝有生物催化劑之酵素儲存槽；一用以將來自該緩衝槽之緩衝溶液、來自該油槽之天然油以及來自該酵素儲存槽之生物催化劑混合，並攪拌此混合物以產生 自由脂肪酸及甘油之反應器；以及一用以提供乙酸甲酯，以使自由脂肪酸在該反應器中產生酯交換，藉此形成生質柴油及未反應自由脂肪酸之乙酸甲酯饋料；以及一用以提供甲醇，以使反應器中之未反應自由脂肪酸之間完成酯交換，藉此製得生質柴油之甲醇饋料。

本發明另一實施例揭露該系統進一步包含一純化槽，用以純化製得之生質柴油。

本發明又一實施例揭露該系統進一步包含一回收槽，用以回收使用過之甲醇。

本發明另一實施例揭露該天然油槽包含一位於該天然油槽上游之棕櫚油軋油流出物純化槽。

本發明之再一實施例揭露該酵素儲存槽包含一酵素發酵槽及一酵素純化槽。

本發明之生質柴油無煙無味，因此無害於生態環境。其具有 低閃火點之特性，適用於烹調。此外，本發明之生質柴油凝凍點低，可經年存放而無變質之虞。

熟悉此技藝人士應知本發明可實踐上述目的並獲致上述及其固有優點。在此所述之實施例不應構成對於本發明範疇之限制。

101‧‧‧油槽

103‧‧‧純化槽

105‧‧‧緩衝槽

107‧‧‧弱鹼輸入

109‧‧‧弱酸輸入

111‧‧‧水輸入

113‧‧‧酵素儲存槽

115‧‧‧酵素發酵槽

117‧‧‧酵素純化槽

119‧‧‧乙酸甲酯饋料

121‧‧‧甲醇饋料

123‧‧‧反應器

125‧‧‧回收槽

127‧‧‧真空蒸發器

129‧‧‧甲醇收集槽

131‧‧‧薄膜蒸發器

133‧‧‧漂白槽

135‧‧‧薄膜

200‧‧‧蒸氣產生器

為便於闡明本發明，特以附圖中所描繪之較佳實施例配合以下敘述協助讀者更加明瞭本發明、其結構與運作連同其諸多優點。

第一圖：根據本發明實施例概要描繪以天然油製造生質柴油之程式與系統流程圖。

以下對於本發明之描述係參照相關說明，根據本發明較佳實施例為之。唯應知說明限於較佳實施例僅為便於本發明之討論，且熟悉此技藝人士應可思及不脫所附申請專利範圍領域之各種修改。

本發明係關於從天然油製造生質柴油之程式及系統。更詳而言之，本發明係關於一利用生物催化酯交換程式而從天然油製造生質柴油 之生物程式及系統。

根據本發明較佳實施例，一種製作生質柴油之程式，其係包含：將一含三酸甘油酯之天然油與一中性緩衝溶液置於裝有一生物催化劑之一反應器123中攪拌以形成自由脂肪酸及甘油；自該反應器123中去除甘油；使自由脂肪酸與乙酸甲酯於一預設溫度產生酯交換反應以取得生質柴油及未反應自由脂肪酸；自該反應器123中去除該緩衝溶液及生物催化劑；以及使未反應自由脂肪酸與甲醇進行反應以完成酯交換，藉此製得生質柴油。

本實施例程式中之主要成分為生物催化劑。所述生物催化劑係以圓柱假絲酵母菌配合棕櫚油所製得之酵素脂肪分解酵素。一般而言，脂肪分解酵素極適用於脂肪分解以及甘油酯之合成。油之酵素水解耗能低且產量高，因此遠優於化學程式。酵素程式之常見問題在於酵素反應極易受高熱、酒精、強酸及強鹼等因素影響，此為現有脂肪分解酵素來源之最大挑戰。然而，利用取自圓柱假絲酵母菌之脂肪分解酵素及本發明較佳實施例所述之處理步驟即可解決此一問題。

此外，利用脂肪分解酵素更可發揮優化製造程式之效。於製造脂肪分解酵素時，係以棕櫚油為基質，於以葡萄糖、消化蛋白質、酵母萃取、麥芽萃取、洋菜培養基及蒸餾水構成之培養基中透過發酵程式自圓柱假絲酵母菌大量產生脂肪分解酵素。較佳者，脂肪分解酵素之發酵程式係於一批次生物反應器中進行，該批次生物反應器之設定條件為溫度30℃、pH 6、通氣量1.0每分鐘每單位液體體積之氣體體積流量(vvm)。若使用市面購得之7公升批次生物反應器，攪拌器速度宜為每分鐘500轉(rpm)。藉由持續添加無菌3N NaOH與3N H2SO4溶液以控制並維持發酵之酸鹼度，其中3N包含99.9%之無水氫氧化鈉，且一般稱為3規定濃度。然而，應知本發明亦可使用以其他程式製成或取自其他來源之脂肪分解酵素，只要脂肪分解酵素能夠耐受中溫及中性緩衝溶液，且能夠產生高品質之末端產品即可。較佳者，生物催化劑與天然油之濃度比為0.01至0.2比1。最佳者，濃度比為0.1：1。

在本發明一較佳實施例中，所述天然油係取自廢棄植物類油、廢棄動物類油或其任何組合。所述天然油較佳者係取自易於取得且一 般廢棄不用之POME。POME於使用前應先經過濾以去除焦黑食品、灰塵及其他非油材質。可利用溶劑萃取法自POME提取殘餘油。POME之濃度約佔油之0.4%至99.9%體積比，亦可稱為三酸甘油酯。

根據本發明另一實施例，將天然油於25℃至50℃之溫度下攪動10至20分鐘。此程式係在中性環境中於約1 bar之低壓下操作，此中性環境性環境係由弱酸及弱鹼調製而成之緩衝溶液所提供。較佳者，所述之緩衝溶液為0.01M氫氧化鈉、0.01M醋酸與蒸餾水之混合物。較佳者，天然油與緩衝溶液之濃度比為0.5至1.5比1。最佳者，天然油與緩衝溶液之濃度比為1：1。

在本發明又一實施例中，攪動程式宜在一反應器123中進行。攪動程式結束時產生自由脂肪酸及甘油。接著將攪動程式所生成之自由脂肪酸與乙酸甲酯於60℃至90℃之溫度下反應以製成生質柴油。固態之自由脂肪酸經在加熱環境下加入乙酸甲酯而轉化為生質柴油，又稱為甲酯。較佳者，溫度為約90℃。乙酸甲酯與自由脂肪酸之濃度比較佳者為0.1至0.2比1。最佳者，乙酸甲酯與自由脂肪酸之濃度比為0.1：1。

於進一步程式中，待去除緩衝溶液及生物催化劑後即於反應器123中加入甲醇。添加甲醇時停止對反應器123加熱。因此，當溫度降至約30℃時，未反應之自由脂肪酸可完全經酯交換反應轉換為生質柴油。甲醇與脂肪酸之濃度比較佳者為0.1至0.2比1。最佳者，該濃度比為約0.1：1。

如上所述，為便於闡明本發明之系統，其實施例係示於第一圖。一種用以製造生質柴油之系統包含：一緩衝槽105，其中裝有一中性緩衝溶液；一油槽101，其中裝有一天然油；一酵素儲存槽117，其中裝有一生物催化劑；一反應器123，其係用以將來自該緩衝槽105之該緩衝溶液、來自該油槽101之天然油以及來自該酵素儲存槽117之該生物催化劑混合，並攪拌此混合物以產生自由脂肪酸及甘油；以及一乙酸甲酯饋料119，其係用以提供乙酸甲酯，以使自由脂肪酸在該反應器123中產生酯交換，藉此以形成生質柴油及未反應自由脂肪酸；以及一甲醇饋料121，用以提供甲醇，以使反應器123中之未反應自由脂肪酸之間完成酯交換，藉此製得生質柴油。

繼生質柴油之製造後，製得之生質柴油於一純化槽經如真空蒸發器127及薄膜蒸發器131等蒸發器純化以去除殘餘水分、使用過之甲醇、緩衝溶液及其他副產物。自系統中去除之水分可送往蒸氣產生器200。較佳者，生質柴油中之含水量係經去除而致不超過生質柴油體積之0.05%。所述系統進一步包含一回收槽125，用以回收使用過之甲醇。用過之甲醇可存放於一甲醇收集槽129以供系統重複使用。清潔或淨化程式可進一步涉及將製得之生質柴油置於漂白槽133中漂白並以濾膜135濾除顆粒，從而取得潔淨之高級生質柴油。藉由本發明實施例所揭露之發酵程式，約98%之三酸甘油酯可轉換為生質柴油。此高轉換效率所需之耗能及製造成本均低，且因可減少廢油棄置，是以有助於環保。

緩衝槽105之上游設有一弱鹼輸入107、一弱酸輸入109及一水輸入111。系統控制此等輸入以製成中性緩衝溶液，存放於緩衝槽105中，供送往反應器123使用。

於本發明又一實施例中，該天然油槽101包含一棕櫚油軋油流出物純化槽103，其係位於該天然油槽101上游。該POME純化槽103可淨化並過濾POME，藉此取得天然油或可稱為廢油。取得之天然油或廢油係存放於天然油槽101中，待接受本發明之程式處理。

POME處理系統往往深受操作及維護成本、土地可得性及棕櫚油廠之位置所影響。由於本發明實施例所述之系統能夠自POME製造生質柴油，對於棕櫚油廠尤為有益；若棕櫚油廠設置此系統，非但可以環保方式處置POME，更能自POME獲得額外收益。

本發明之一特定實施例中之酵素儲存槽113包含一酵素發酵槽115及一酵素純化槽117。脂肪分解酵素較佳者係於酵素發酵槽115中產生並經純化槽117純化。純化後之脂肪分解酵素存放於酵素儲存槽113中備用。

多數商業管道販售之生質柴油其閃火點值均為100℃以上，而本發明製造之產品因採用百分之百廢油，故而閃火點值較小。本發明所用之廢油即一般廢棄之油品，因此可謂無成本，且製成之生質柴油燃燒時無煙無味，為一環保產品。其閃火點較低，僅約65℃，因此可用為烹飪燃料。此外，本發明之生質柴油具有絕佳之防凝凍特性，因此不論於熱帶或 溫帶國家均可耐經年儲存，而無變質之虞。除顧及生態之外，本發明之生質柴油製造效率亦不亞於知名商品。本發明為生質柴油製造開啟新紀元，將可促進農業與經濟成長。由於本發明之程式具有高度效益，所需成本合理，且製得之生質柴油符合環保要求，因此本發明之程式及系統實具商業化之可行性。

本發明之內容包括所附申請專利範圍及以上說明所述者。雖然本發明係針對較佳實施方式詳加說明，唯應知所述之較佳實施方式僅係範例，且具其衍生之多種結構細節變化及零件之不同安排組合俱應屬於本發明之範疇。

範例

以下所提供之提供係未說明本發明之不同態樣與實施例，而不應對本發明構成限制。本發明之範疇應以申請專利範圍所定義者為準。

以本發明實施例中所述程式及系統製成之生質柴油其規格說明如下表1所示。

101‧‧‧油槽

103‧‧‧純化槽

105‧‧‧緩衝槽

107‧‧‧弱鹼輸入

109‧‧‧弱酸輸入

111‧‧‧水輸入

113‧‧‧酵素儲存槽

115‧‧‧酵素發酵槽

117‧‧‧酵素純化槽

119‧‧‧乙酸甲酯饋料

121‧‧‧甲醇饋料

123‧‧‧反應器

125‧‧‧回收槽

127‧‧‧真空蒸發器

129‧‧‧甲醇收集槽

131‧‧‧薄膜蒸發器

133‧‧‧漂白槽

135‧‧‧薄膜

200‧‧‧蒸氣產生器

Claims (16)

1. 一種製作生質柴油之程式，其係包含：將一含三酸甘油酯之天然油與一中性緩衝溶液置於裝有一生物催化劑之一反應器123中攪拌以形成自由脂肪酸及甘油；自該反應器123中去除該甘油；使該自由脂肪酸與乙酸甲酯於一預設溫度產生酯交換反應以取得生質柴油及未反應自由脂肪酸；自該反應器123中去除該緩衝溶液及該生物催化劑；以及使該未反應自由脂肪酸與甲醇進行反應以完成酯交換，藉此製得生質柴油。
2. 如申請專利範圍第1項所述之程式，其中該天然油之攪拌溫度為25℃至50℃。
3. 如申請專利範圍第1項所述之程式，其中自由脂肪酸與乙酸甲酯之間酯交換之預設溫度為60℃至90℃。
4. 如申請專利範圍第1項所述之程式，其中該天然油係取自廢棄植物或動物油。
5. 如申請專利範圍第1項所述之程式，其中該天然油係取自棕櫚油軋油流出物。
6. 如申請專利範圍第5項所述之程式，其中該棕櫚油軋油流出物具有0.4%至99.9%重量比之三酸甘油酯。
7. 如申請專利範圍第1項所述之程式，其中該生物催化劑為圓柱假絲酵母菌(Candida cylindracea)所生成之脂肪分解酵素。
8. 如申請專利範圍第1項所述之程式，其中天然油與緩衝溶液之濃度比為0.5至1.5比1。
9. 如申請專利範圍第1項所述之程式，其中生物催化劑與天然油之濃度比為0.01至0.2比1。
10. 如申請專利範圍第1項所述之程式，其中乙酸甲酯與自由脂肪酸之濃度比為0.1至0.2比1。
11. 如申請專利範圍第1項所述之程式，其中甲醇與未反應自由脂肪酸之濃度比為0.1至0.2比1。
12. 一種製作生質柴油之系統，其係包含：一緩衝槽105，其中裝有一中性緩衝溶液；一油槽101，其中裝有一天然油；一酵素儲存槽117，其中裝有一生物催化劑；一反應器123，其係用以將來自該緩衝槽105之該緩衝溶液、來自該油槽101之天然油以及來自該酵素儲存槽117之該生物催化劑混合，並攪拌此混合物以產生自由脂肪酸及甘油；以及一乙酸甲酯饋料119，其係用以提供乙酸甲酯，以使自由脂肪酸在該反應器123中產生酯交換，藉此形成生質柴油及未反應自由脂肪酸；以及一甲醇饋料121，用以提供甲醇，以使反應器123中之未反應自由脂肪酸之間完成酯交換，藉此製得生質柴油。
13. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其進一步包含一純化槽用以純化製得之生質柴油。
14. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其進一步包含一回收槽125用以回收使用過之甲醇。
15. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該天然油槽101包含一位於該天然油槽101上游之棕櫚油軋油流出物純化槽103。
16. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該酵素儲存槽113包含一酵素發酵槽115及一酵素純化槽117。