採用最佳酶催化反應條件提高微藻油脂製備生物柴油產率的製作方法
2023-04-26 14:44:51
專利名稱：採用最佳酶催化反應條件提高微藻油脂製備生物柴油產率的製作方法
技術領域：
本發明屬於微藻油脂酶催化反應製備生物柴油的技術領域，具體是涉及一種採用脂肪酶、並在最佳酶催化反應條件下提高以微藻油脂製備生物柴油產率的技術方法。
背景技術：
由於當前全球性的能源短缺與環境惡化，世界各國都在積極進行可替代化石燃料的可再生新能源的開發和利用，例如生物柴油(脂肪酸甲酯)的研發。生物柴油是指由可再生的油脂原料經過酯交換反應而得到的長鏈脂肪酸甲酯，是一種可以替代普通柴油使用的環保燃油。採用生物油脂為原料，經過酯交換催化反應製備生物柴油的反應，S卩脂肪酸甘油酯在各種不同的催化劑(例如酸、鹼、脂肪酶)和一定的反應溫度條件的作用下，與甲醇產生酯交換反應，生成脂肪酸甲酯(生物柴油)和甘油。近年來，隨著經濟發展和人們生活水平的不斷提高，世界各國的環保意識不斷增強，具有「工業血液」、國民經濟命脈之稱的石油，雖然促進了世界的繁榮和經濟的發展，但因其資源有限性而帶來的能源危機以及使用過程造成的負面環境汙染問題，迫使人們尋求其它的途徑解決這些存在的問題。當前，包括生物柴油在內的各種替代燃料的研究已引起了世界各國廣泛的關注和重視。由於生物柴油是用植物油、動物脂肪或廢棄食用油等為原料加工而成的，沒有毒性，而且可以再生，燃後排出的廢氣有害成分也相對少得多，所以具有環保、減小對人體毒害程度的效果。應用結果表明，生物柴油與普通柴油的能源效益較為相近，可以用來替代或部分替代普通柴油。此外，與其它替代燃料相比，生物柴油也具有獨特的優越性，因此，近年來許多國家都加大了對生物柴油的研究開發和推廣應用的力度，為發展潔淨環保型的綠色能源提供了很好的機遇，已成為十分重要的生物質能研發的方向。微藻細胞中存在的油脂形式是脂肪酸甘油酯，主要是甘油三酯(TG)，也包括少量甘油單酯(MG)和甘油二酯(DG)，酯交換過程的進行分三步反應，三者之間可互相轉化。
TG + CH3OHDG +R3COOCH3
DG + CH3OHMG +R2COOCH3
MG + CH3OHGLh-R1COOCH3式中TG、DG、MG 和 GL 分別為甘油三酯(Triglyceride),甘油二酯(Diglyceride), 甘油單酯(Monoglyceride)和甘油(Glycerol)。微藻具有生物量大、生長周期短、易培養、 油脂含量高等優點.從微藻中提取油脂成分，通過轉酯化反應，可製備出具有良好燃性和環保特性的生物燃油，因此，微藻是產生可再生性綠色清潔能源的良好生物質材料。酶是一種適宜的生物催化劑，它能夠在親脂性有機溶劑或者超臨界介質中催化甘油三酯與短鏈醇的酯交換反應，生成生物柴油。它可以是來源於動物、細菌、真菌或真核細胞的任何脂肪酶，主要是酵母脂肪酶、根黴脂肪酶、毛黴脂肪酶和豬胰脂肪酶等。生物酶法合成生物柴油，即用生物油脂和低碳醇通過脂肪酶進行轉酯化反應，製備相應的脂肪酸甲酯或乙酯。採用酶法合成生物柴油可以避免象化學催化法通常存在的對原料要求較高，能耗大，腐蝕性較強，容易產生環境汙染等問題，具有反應條件溫和、醇用量小、無汙染排放等優點，是屬於綠色環保型的生物酶催化反應.近年來，生物酶法合成生物柴油已越來越受到人們的普遍關注。採用脂肪酶製備生物柴油，反應物中的游離脂肪酸和水對酶催化劑沒有影響，反應液靜置後，脂肪酸甲酯即可得到分離。由於脂肪酶的來源不同，其價格成本和催化特性也存在很大差異。因此酶法生產生物柴油並商業化的主要瓶頸問題就是酶的成本相對比較高。因此，研發出採用微藻油脂為原料，通過以價格低廉的普通工業脂肪酶為轉酯化反應的催化劑，建立較高微藻生物柴油產率技術方法，具有重要的現實意義，目前尚缺少通過採用最佳酶催化反應條件提高微藻油脂製備生物柴油產率的相關研究和報導。
發明內容
本發明所要解決的技術問題就是針對上面所述的背景技術，通過採用價格低廉的普通工業脂肪酶、並在最佳酶催化反應條件下提高以微藻油脂製備生物柴油的產率。屬於微藻油脂製備生物柴油技術領域。通過採用中心組合設計方案(Central Composite Design)，考察酶催化反應體系中，4因子(脂肪酶量、甲醇量、反應溫度、反應時間)及5水平不同組合條件下對微藻油脂轉酯化反應製備生物柴油產率的影響，並通過建立響應面模型方程，確立可達到微藻油脂製備生物柴油最大產率的最佳酶催化反應條件。在最佳酶催化反應條件下，微藻油脂轉酯化的生物柴油產率可高達73%以上。本發明採用的酶催化反應製備微藻生物柴油的技術方法具有較高的產率，效果良好，且催化反應條件溫和、環境汙染程度小，安全環保，成本低，具有操作實施可行性。目前尚缺少通過採用最佳酶催化反應條件提聞微操油脂製備生物柴油廣率的相關研究和報導。本發明採用的研究材料和方法(I)微藻生物油脂的獲取微藻細胞在適宜的培養條件下擴增培養，採收微藻細胞，藻體離心濃縮，冷凍乾燥處理，得到的微藻幹品採用酸熱法提取油脂，用於微藻生物柴油的製備。(2)微藻生物柴油製備的酶催化反應具體操作過程準備好三角燒瓶，烘乾，準確稱取一定量藻油，加入到三角燒瓶中。按照實驗設計的具體方案，加入一定量的工業用脂肪酶(工業酶製劑，2000單位/克，價格低廉，100-150 元/KG)和無水甲醇，為了減小甲醇對脂肪酶的抑制作用，有利目標產物的生成，甲醇總量在設定的總反應時間長度的平均時間點分3次等量加入，為了保證脂肪酶活性，反應系統中加入少量的蒸餾水。反應在控溫的搖床中按設定的催化溫度進行，控制適宜的轉速，反應進行到設定的時間，終止催化反應。(3)催化反應結束後的處理步驟將反應體系的混合物離心10分鐘，12000rpm，將上層液相部分轉移至分液漏鬥， 靜置分層。取出靜置分層後的下層液相(為生物柴油粗品)，再次離心10分鐘，12000rpm, 取出上層液相，加入2倍體積50°C的超純水，充分攪動均勻，再次離心10分鐘，12000rpm,靜置分層後得到的上層有機相即為生物柴油，分離、取出上層有機相，準確稱取所獲得的生物
柴油重量。(4)生物柴油產率的計算產率(Y) = 100X生物柴油重量/微藻油脂重量(5)考察酶反應條件對生物柴油產率的影響通過採用4因子5水平的隨機化中心組合實驗設計方案，同時運用方差分析方法， 考察主效應因子(脂肪酶量、甲醇量、催化反應溫度和反應時間長度)對目標產物生物柴油產率的影響程度，分析這些關鍵性因子對目標產物生物柴油產率影響程度大小的順序，以及通過構建優化的生物柴油產率與催化反應條件因子的相關數學模型，確定出最佳化的催化反應條件，並從多個方面評價構建的數學模型的適配擬合性。數學模型的構建經過嘗試多種形式的變量響應性模式，最後確定出以採用多元二次回歸模型(Quadratic model)的適配擬合效果最好，因而酶催化反應的實驗數據採用下述的數學模型進行最小二乘法適配擬合，即模型的表達式為
權利要求
1.一種採用最佳酶催化反應條件提高微藻油脂製備生物柴油產率，其特徵在於採用培養的微藻，萃取出微藻油脂用於酶催化反應製備微藻生物柴油。並採用中心組合設計方案(Central Composite Design),考察酶催化反應體系中，4因子(脂肪酶量、甲醇量、反應溫度、反應時間)及5水平不同組合條件下對微藻油脂轉酯化反應製備生物柴油產率的影響，並通過建立響應面模型方程，確立可達到微藻油脂製備生物柴油最大產率的最佳酶催化反應條件，在最佳酶催化反應條件下使微藻油脂的生物柴油產率達最高。
2.按照權利要求I所述的一種採用最佳酶催化反應條件提高微藻油脂製備生物柴油產率，其特徵是所述的用於酶催化反應製備微藻生物柴油的微藻可以是微粒球藻、小球藻、 金藻、角毛藻、褐指藻等微藻，或是各種微藻的混合培養物。
3.按照權利要求I所述的一種採用最佳酶催化反應條件提高微藻油脂製備生物柴油產率，其特徵是所述的酶催化反應體系中，每10克微藻油脂加入的脂肪酶量範圍在1-8克。
4.按照權利要求I所述的一種採用最佳酶催化反應條件提高微藻油脂製備生物柴油產率，其特徵是所述的酶催化反應體系中，每10克微藻油脂加入的甲醇量範圍在20-80毫升。
5.按照權利要求I所述的一種採用最佳酶催化反應條件提高微藻油脂製備生物柴油產率，其特徵是所述的酶催化反應的溫度範圍在25-55°C。
6.按照權利要求I所述的一種採用最佳酶催化反應條件提高微藻油脂製備生物柴油產率，其特徵是所述的酶催化反應的時間範圍在10-50小時。
7.按照權利要求I所述的一種採用最佳酶催化反應條件提高微藻油脂製備生物柴油產率，其特徵是所述的酶催化反應過程中的搖床轉速的控制範圍在100-500rpm。
全文摘要
本發明涉及一種採用脂肪酶、並在最佳酶催化反應條件下提高以微藻油脂製備生物柴油的產率。屬於微藻油脂製備生物柴油技術領域。具體操作實施的過程為採用中心組合設計方案(Central Composite Design)，考察酶催化反應體系中，4因子(脂肪酶量、甲醇量、反應溫度、反應時間)及5水平不同組合條件下對微藻油脂轉酯化反應製備生物柴油產率的影響，並通過建立響應面模型方程，確立可達到微藻油脂製備生物柴油最大產率的最佳酶催化反應條件。在最佳酶催化反應條件下，微藻油脂轉酯化的生物柴油產率可高達73.41-76.48％。酶催化反應製備微藻生物柴油具有較高的產率，且催化反應條件溫和、環境汙染程度小，具有良好的實用性。
文檔編號C12R1/89GK102605012SQ20111002485
公開日2012年7月25日 申請日期2011年1月21日 優先權日2011年1月21日
發明者林汝榕, 林祥志, 柯秀蓉, 蔡文旋, 邢炳鵬 申請人:國家海洋局第三海洋研究所