一種無溶劑體系中生物轉化油脂製備生物柴油的方法

2023-07-07 00:22:26

專利名稱：一種無溶劑體系中生物轉化油脂製備生物柴油的方法
技術領域：
一種無溶劑體系中生物轉化油脂製備生物柴油的方法，屬於生物柴油合成 技術領域。特別涉及無溶劑反應體系中具有自主智慧財產權的華根黴(i Z^O/7W
c/H'"e"w's) CCTCCM201021全細胞脂肪酶轉化各種油脂生產生物柴油新技術。
背景技術：
生物柴油(Biodiesel)是指由動植物油脂與短鏈醇(甲醇或乙醇)進行轉酯化反 應所製備的脂肪酸單酯，是一種性質與柴油十分相似的可再生的生物燃料。它 不但可以作為化石柴油的替代燃料以緩解近年來石油資源日益枯竭的問題，而 且具有化石柴油無可比擬的環境友好性等優良特性，目前生物柴油的研究受到 了廣泛的關注。
目前生物柴油主要是用化學法生產，主要指將動植物油脂和甲醇或乙醇等 低碳醇在酸或鹼性催化劑和23(TC 25(TC的高溫下，轉化成相應的甲酯或乙 酯。但是化學法製備生物柴油存在著一些不可避免的缺點
1. 工藝要求使用甲醇量大大超過反應摩爾比，過量甲醇的蒸發回流增大過 程能耗；
2. 反應物中混有游離脂肪酸與水，對酯交換反應有妨害作用，嚴重影響反 應的進行；
3. 產物必須水洗，洗滌過程中產生含鹼廢液，如有殘留鹼，則柴油中會生 皂，容易堵塞管道。
由於利用生物酶法合成生物柴油具有反應條件溫和、無汙染物排放、用醇 量少、產物無須洗滌、對原料要求低等優點，符合綠色化學的研究方向，因而 日益受到人們的重視。
但是生物法主要存在以下局限性 一是生物催化劑價格昂貴；二是甲醇對 生物催化劑有毒害作用；三是甲醇轉化率不高，而酶法生產生物柴油進入商業 化的最大障礙就是催化劑的製備成本太高這一難題。
文斷Yuji Shimada et al. Enzymatic alcoholysis for biodiesel fiiel production and application of the reaction to oil processing ， Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2002， 17: 133-142)報導了在利用生物酶法生產生物柴油的工藝過 程中，採用分批加入短鏈醇的方式以緩解其對酶的毒害作用。Watanabe Yomi et al(Watanabe Yomi et al. Conversion of degummed soybean oil to biodiesel fUel with immobilized Ca <iz'c a awtorc"ca lipase, Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic， 2002， 17: 151-155)利用固定化南極假絲酵母(Novo 435)作為催化劑 在10h、 24h時分別流加醇油摩爾比l : l的甲醇並取得了良好的轉化效果(48h 轉化率93.8%)。但是Novo435等商品化酶的價格昂貴，並不適合大規模的工業 化生產。

發明內容
本發明的目的是提供一種無溶劑體系中生物轉化油脂製備生物柴油的方 法，就是為了解決上述技術中存在的不足之處，提供一種高效、廉價的生物酶 法轉酯化製備生物柴油的方法。在無溶劑體系中利用具有自主智慧財產權的價格 低廉的華根黴(朋&op^c/z/"m^) CCTCCM201021全細胞脂肪酶催化非可食 用性油脂生產生物柴油。
本發明的技術方案 一種無溶劑體系中生物轉化油脂製備生物柴油的方法，
在無溶劑體系中以短鏈醇甲醇或乙醇直接與底物油脂通過生物催化劑華根黴全
細胞脂肪酶的催化作用，進行轉酯化反應合成生物柴油；反應配比短鏈醇和
油脂摩爾比為3 4 : 1，以及油脂質量5%~15%的華根黴全細胞脂肪酶和油脂質量 ln/。 3。/。的pH7.5的磷酸緩衝溶液，在該體系含水量條件下，反應中分批次流加 短鏈醇，於密閉體系中30。C 4(TC反應48 72h，製得生物柴油和副產物甘油， 生物柴油得率為95%。
所採用的生物催化劑為具有自主智慧財產權的華根黴i^/zopus c/z/恥ra^ CCTCCM201021全細胞脂肪酶。該脂肪酶已由中國專利ZL 03113274.X授權。
所採用原料油脂為麻風籽油、餐飲業廢油、酸價油、蓖麻油、桐油、大豆 油、花生油、棉籽油、魚油或豬油。
主要材料與試劑
所用脂肪酶及來源
華根黴i /^opws c/wVze"^ CCTCC M201021脂肪酶(RCL)中國典型培養物 保藏中心；
南極假絲酵母Ca"^fe^"ton:ricfl脂肪酶(Novo 435)， NovoNordisk公司； 玫瑰假絲酵母OwAWa n/gosa脂肪酶(CRL)， Sigma公司； 豬胰Porcine pancreas脂肪酶(PPL)， Sigma公司；
洋蔥假單胞菌屍^t/(io附o"as cep""'a月旨肪酶(PS)， Amano Pharmaceutical公
司；
固定化的洋蔥假單胞菌脂肪酶(PS-C)， Amano Pharmaceutical公司； 主要試劑
棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯和十七碳酸甲酯均購於 sigma公司。
分析方法的確定
採用Agilent 6820氣相色譜儀和毛細管柱DB-5 (0.25 mm x 30 m)， FID檢 測器。分析條件起始柱溫180°C，保留1 min後以0.8°C/min的速率升溫至186 °C，保留lmin，再以2(TC/min的速率升到300'C，保留3 min;載氣為氮氣， 分流比1:20;進樣量lpL。
以十七酸甲酯為內標，取一定量的棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯和 亞油酸甲酯標樣配成標準溶液，做脂肪酸甲酯的標準曲線，通過標準曲線計算 轉酯化產物中脂肪酸甲酯的含量。
脂肪酸甲酯的得率=測得的脂肪酸甲酯含量乂100%/油脂完全甲酯化的脂
肪酸甲酯含量。
菌株的培養及全細胞的製備
(1) 菌株的培養基組成 斜面培養基馬鈴薯-葡萄糖瓊脂培養基；
搖瓶培養基蛋白腖6%，橄欖油2%，麥芽糖1%， MgSCV7H2O0.05%， K2HPO40.2%， pH5.5;
(2) 全細胞脂肪酶的製備
斜面於3(TC中培養3d，無菌水洗下孢子。將孢子懸浮液接種到30 mL搖瓶 培養基中(250mL三角瓶)，接種量約為106~107個/11丄。在3(TC下於搖床中培養 72h，轉速200r/min。收集發酵後的菌體，用去離子水洗滌數次，過濾收集菌絲 體，0.050 M， pH 7.5的磷酸緩衝液洗滌，加入一定量的該緩衝液後於-18T:冰 凍，冷凍乾燥(Labconco冷凍乾燥機)48 h，得到細胞乾粉即全細胞脂肪酶。
本發明的有益效果本發明以廉價油脂為原料，採用價格極其低廉的 i /zfzopz^ c/zf"e附^ CCTCC M201021全細胞脂肪酶作為催化劑，分批流加短鏈醇 以解決醇對生物催化劑的毒害作用，提高短鏈醇轉化率，並大大降低了生物柴 油的生產成本，同時微生物全細胞脂肪酶的使用具有簡化酶使用前的處理過程 以及產品的回收工藝，降低反應溫度和避免汙染的排放等優勢。
本發明利用大量的廉價油脂(包括麻瘋籽油、餐飲業廢油、酸價油、蓖麻 油、桐油、大豆油、花生油、棉籽油、魚油、豬油)，主要是非可食用性的麻 瘋籽油以及餐飲業廢油、酸價油等廢物資源，在無溶劑系統催化轉酯反應轉化 為環保型的生物柴油，既能減少環境汙染又能節約化石能源，而且可以將非可 食用性油脂資源化，變廢為寶，緩解我國化石柴油日益供應緊張的狀況。
在產品質量達到生物柴油國際標準的前提下，大大降低了生物酶法生產生 物柴油的成本。首先價格極其低廉的i /^op"s c/z/we"w;s CCTCC M201021全細胞 脂肪酶的使用簡化了反應的流程，而且有效地解決了催化劑價格高昂的問題； 其次，擴大了原料的來源，不僅僅局限於精製大豆油等價格較高的可食用性油 脂，而主要是針對非可食用性的麻瘋籽油以及廢棄的餐飲業廢油、酸價油等原
料，廢物利用，有效地降低了生物柴油的生產成本。


圖l不同來源脂肪酶對轉酯反應的影響。
(1)南極假絲酵母Ca"&V/a ^"torc"c"脂肪酶(Novozym 435); (2)洋蔥假單胞 菌i^Womoww ce戶c/a脂肪酶(PS); (3)固定化的洋蔥假單胞菌脂肪酶(PS-C); (4)玫瑰假絲酵母07"力^ 脂肪酶(CRL); (5)豬胰Porcine pancreas脂肪酶
(PPL); (6)華根黴i /z/zc;pus c/z/"m^ CCTCC M201021脂肪酶(RCL)。
具體實施例方式
實施例l:生物催化劑脂肪酶的選擇
將摩爾比為1 : 1的大豆油(9.65 g)和甲醇在無溶劑體系下，對具有相同 酯合成酶活單位的6種脂肪酶在30°C的恆溫搖床上分別振蕩反應24 h時的轉化 情況，如圖1所示。(l)Novo 435的轉化效果最佳，脂肪酸甲酯得率可以達到30% 左右，即甲醇的轉化率可以達到90%以上；其次是(6)華根黴全細胞脂肪酶，其 轉酯化效果與Novo 435相比差別不大，甲醇的轉化率也可以達到90%以上。
實施例2:將總摩爾比為4 : 1的甲醇和麻風籽油(麻風籽油9.65 g)和基 於油脂質量10%的i /^opw c/z/we"^ CCTCC M201021全細胞脂肪酶以及2°/。的 pH7.5磷酸緩衝液裝入50mL具塞三角瓶中，置於可控溫的空氣搖床中，分別 於10h、 24 h、 48h流加甲醇三次，30。C振蕩72h，生物柴油得率為95%。
實施例3:將總摩爾比為3 : 1的甲醇和酸價油(酸價油9.65 g，酸價50) 和基於油脂質量10。/。的/ /^op船c/z/"m^ CCTCC M201021全細胞脂肪酶以及 2%的pH 7.5磷酸緩衝液裝入50 mL具塞三角瓶中，置於可控溫的空氣搖床中， 分別於10h、 24h流加甲醇兩次，3(TC振蕩48h，生物柴油得率可達90%。
實施例4:將總摩爾比為3 : 1的甲醇和棉籽油(棉籽油9.65 g)和基於油 脂質量8。/。的i /z/zojms c/n'"m^ CCTCC M201021全細胞脂肪酶以及3。/。的pH 7.5 磷酸緩衝液裝入50mL具塞三角瓶中，置於可控溫的空氣搖床中，分別於10h、 24h流加甲醇兩次，30。C振蕩48h，生物柴油得率可達88%。
實施例5:將總摩爾比為3 : 1的甲醇和魚油(魚油9.65 g)和基於油脂質 量15%的i /^opw c/n'"m^ CCTCC M201021全細胞脂肪酶以及2%的pH 7.5磷 酸緩衝液裝入50mL具塞三角瓶中，置於可控溫的空氣搖床中，分別於10h、 24h流加甲醇兩次，40。C振蕩48h，生物柴油得率可達89%。
實施例6:將總摩爾比為4 : 1的乙醇和麻風籽油(麻風籽油9.65 g)和基 於油脂質量10%的及/^o; ^ c/n'"era^ CCTCC M201021全細胞脂肪酶以及2°/。的 pH7.5磷酸緩衝液裝入50mL具塞三角瓶中，置於可控溫的空氣搖床中，分別 於10h、 24h、 48h流加乙醇三次，4(TC振蕩72h，生物柴油得率可達98%。
權利要求
1.一種無溶劑體系中生物轉化油脂製備生物柴油的方法，其特徵是無溶劑體系中以短鏈醇甲醇或乙醇直接與底物油脂通過生物催化劑華根黴全細胞脂肪酶的催化作用，進行轉酯化反應合成生物柴油；反應配比短鏈醇和油脂摩爾比為3～4∶1，以及油脂質量5％～15％的華根黴全細胞脂肪酶和油脂質量1％～3％的pH 7.5的磷酸緩衝溶液，在該體系含水量條件下，反應中分批次流加短鏈醇，於密閉體系中30℃～40℃反應48～72h，製得生物柴油和副產物甘油，生物柴油得率為95％。
2. 根據權利要求1所述無溶劑體系中生物轉化油脂製備生物柴油的方法， 其特徵是所採用的生物催化劑為具有自主智慧財產權的華根黴Rhizops chinensis CCTCCM201021全細胞脂肪酶。
3. 根據權利要求1所述無溶劑體系中生物轉化油脂製備生物柴油的方法， 其特徵是所採用原料油脂為麻風籽油、餐飲業廢油、酸價油、蓖麻油、桐油、 大豆油、花生油、棉籽油、魚油或豬油。
全文摘要
一種無溶劑體系中生物轉化油脂製備生物柴油的方法，屬於生物柴油合成技術領域。本發明在無溶劑體系中採用華根黴(Rhizopus chinensis)CCTCCM201021全細胞脂肪酶轉化各種油脂生產生物柴油，通過分批次流加短鏈醇，轉化多種油脂，可製備得到生物柴油和副產物甘油，生物柴油得率為95％。本發明以廉價油脂為原料，主要是非可食用性的麻瘋籽油以及餐飲業廢油、酸價油等廢物資源，擴大了原料的來源；採用價格極其低廉的華根黴全細胞脂肪酶作為催化劑，有效地解決了催化劑價格高昂的問題；分批流加短鏈醇以解決醇對生物催化劑的毒害作用，提高短鏈醇轉化率。在產品質量達到生物柴油國際標準的前提下，大大降低了生物酶法生產生物柴油的成本。
文檔編號C10G3/00GK101205474SQ20071019126
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月12日 優先權日2007年12月12日
發明者巖 徐, 棟 王, 芹 賀 申請人:江南大學