油菜生物柴油的酶促合成新技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前，生物柴油作為環(huán)境友好、可以再生的清潔液體燃料之一，正倍受世界各國的關(guān)注和開發(fā)利用。生物柴油的生產(chǎn)原料主要是植物油脂。油菜由于具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢而成為我國發(fā)展生物柴油比較理想的原料油來源。 在生物柴油的各種生產(chǎn)方法中，生物酶法最有前景。但現(xiàn)已開發(fā)的生物酶法大多存在生產(chǎn)成本高、酶壽命短、反應(yīng)速度慢和轉(zhuǎn)酯率低等瓶頸問題而難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。因此，急需開發(fā)具有產(chǎn)業(yè)化前景的生物柴油酶促合成新技術(shù)。 本論文從降低成本、改善酶反應(yīng)體

2、系入手，以菜籽油為原料，先建立了能快速、準(zhǔn)確地判斷生物柴油合成反應(yīng)程度的氣相色譜分析法，然后循序漸進(jìn)地研究了有機(jī)溶劑-水雙液相體系、有機(jī)溶劑微水體系以及無溶劑體系中酶促菜籽油醇解合成生物柴油的機(jī)理和工藝條件，繼而創(chuàng)新性地開發(fā)出了醇解催化酶再生技術(shù)和菜籽油酶促交酯化技術(shù)，經(jīng)過精制后獲得了符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的生物柴油產(chǎn)品。 1．建立了快速準(zhǔn)確測定油菜生物柴油合成反應(yīng)程度的氣相色譜法 油菜生物柴油的主要成分是棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、

3、油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯、花生一烯酸甲酯和芥酸甲酯。實驗表明，它們具有良好分離效果的氣相色譜條件是：使用HP-innowax毛細(xì)管色譜柱(30m<'*>0.25mm<'*>0.25μm)，初始柱溫170℃并保持0.5min，然后以5℃/min升溫至200℃，再以15℃/min升溫至240℃并保持5min。在此條件下以十三酸甲酯為內(nèi)標(biāo)，能快速準(zhǔn)確地測得產(chǎn)品中各脂肪酸甲酯的含量和反應(yīng)程度。 2．研究了有機(jī)溶劑—水雙液相體系中

4、菜籽油酶促醇解的機(jī)理與工藝條件 正交試驗結(jié)果表明，在有機(jī)溶劑-水雙液相體系中，Lipozyme TLIM酶比Novozym 435酶更有效地催化菜籽油的醇解反應(yīng)；在醇油摩爾比4：1、溫度40℃、甲醇分三次加入時，其最佳醇解反應(yīng)條件是：溶劑(石油醚)3mL/g、TLIM酶7％(w/w)、水20％(w/w)、時間18h；醇解反應(yīng)程度與各影響因素之間均存在高度顯著的三階多項式回歸關(guān)系；油脂的醇解反應(yīng)伴隨有油脂水解負(fù)反應(yīng)發(fā)生，使得反應(yīng)轉(zhuǎn)

5、酯率最多只有75％左右。 3．研究了有機(jī)溶劑微水體系中菜籽油酶促醇解的機(jī)理與工藝條件 以Lipozyme TLIM酶為催化劑、以不同質(zhì)量等級的油脂為原料、以不同短碳醇為?；荏w，研究了有機(jī)溶劑微水體系中菜籽油酶促醇解生產(chǎn)生物柴油的機(jī)理和工藝條件。正交實驗結(jié)果表明，油脂的醇解反應(yīng)伴隨有油脂水解反應(yīng)和脂肪酸酯化反應(yīng)；四級油是比一級油、二級油和三級油更好的生物柴油原料油，乙醇是比甲醇更好的?；荏w；其最佳反應(yīng)條件是：以四級油為

6、原料、添加20％的Lipozyme TLIM酶、乙醇(醇油摩爾比4：1)分三次均量加入、于40℃下反應(yīng)10h，此時的轉(zhuǎn)酯率達(dá)到86.2％。 4．創(chuàng)立了無溶劑體系中菜籽油醇解催化酶再生技術(shù)，并優(yōu)化了工藝條件 以四級菜籽油為原料，考察了無溶劑體系中酶種類、短碳醇種類、溫度、時間以及酶再生劑種類等對醇解反應(yīng)程度和酶活穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，固定化脂肪酶Lipozyme TLIM比Novozym 435表現(xiàn)出更好的醇解催化行為，

7、乙醇是比甲醇具有更好綜合優(yōu)勢的酰基受體，ZSJ1是比ZSJ2具有更好再生效果的酶活再生劑，30℃最有利于酶活激發(fā)并維持酶活穩(wěn)定的適宜溫度。對反應(yīng)系統(tǒng)中的酶進(jìn)行定期再生處理，可使反應(yīng)時間縮短到9h，此時的酶促醇解轉(zhuǎn)酯率達(dá)到90％以上，而且酶被重復(fù)應(yīng)用15批次后的相對活力仍保持在96％以上。 5．創(chuàng)立了菜籽油酶促交酯化制備生物柴油的新技術(shù) 基于菜籽油酶促醇解的轉(zhuǎn)酯率不夠高、酶活穩(wěn)定性不夠理想、酶再生操作麻煩，創(chuàng)立了菜籽油酶促

8、交酯化制備生物柴油的新技術(shù)。先考察了酶種類、酶量、底物摩爾比、溫度、時間對交酯化反應(yīng)的影響，然后應(yīng)用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗法對酶量、底物摩爾比、溫度、時間等因素進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，回歸模型為：Y=91.9417+1.1125X<,1>+0.5458X<,3>-2.6490X<,1><'2>-3.3740X<,2><'2>-2.7990X<,3><'2>-2.7490X<,4><'2>研究結(jié)果表明，在交酯化反應(yīng)體系中，固定化酶Lipozym

9、e TLIM比Novozym435表現(xiàn)出更好的催化行為；四級菜籽油酶促交酯化的最佳工藝條件是：40℃、Lipozyme TLIM酶量40％(w/w)、底物摩爾比14：1、反應(yīng)時間12h/批；單批反應(yīng)的交酯化率達(dá)91.7％，而且酶可以一批接著一批地使用而很少發(fā)生酶活損失現(xiàn)象，從而為酶法生物柴油產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)依據(jù)。 6．研究了油菜生物柴油粗品的堿煉精制工藝條件，得到了基本符合有關(guān)生物柴油標(biāo)準(zhǔn)要求的精制產(chǎn)品。 采用正交優(yōu)化設(shè)計

10、法得到粗品生物柴油的最佳堿煉工藝條件是：超量堿量0.35％、堿液濃度15％、堿煉初溫50℃。此條件下的生物柴油精煉率為94.5％、酸價為0.40mgKOH/g。紅外光譜和氣相色譜分析表明，油菜生物柴油的分子結(jié)構(gòu)為長鏈酯類結(jié)構(gòu)，其化學(xué)成分中18碳和16碳脂肪酸甲酯含量占60％以上，基本符合礦物柴油替代品對化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)的要求。在燃料特性指標(biāo)方面，除了粘度偏大、十六烷值偏小外，其余指標(biāo)均符合德國生物柴油標(biāo)準(zhǔn)要求以及我國生物柴油標(biāo)準(zhǔn)(初稿