叔丁醇体系脂肪酶催化菜籽油制备生物柴油

第23卷第7期2007年7月农业工程学报

T r ansactions of the CSA E V ol.23　N o.7July 2007

叔丁醇体系脂肪酶催化菜籽油制备生物柴油

刘志强1,李　堂2,黄　朋2,周建红1

(1.湖南科技大学生命科学学院,湘潭411201;　2.湖南科技大学化学化工学院,湘潭411201)

摘　要:为了在生物柴油制备中改善酶的催化环境,该文通过对脂肪酶LV K 催化菜籽油乙醇解反应几个主要影响因素的研究,得出其最佳反应条件为:醇油摩尔比5∶1,催化剂用量10%,叔丁醇用量10%,反应温度40℃,反应时间为30h ,转酯率达到94.7%。研究表明10%的叔丁醇体系能完全解除乙醇对脂肪酶L V K 的催化抑制作用;还消解除副产物甘油对脂肪酶L V K 的失活。

关键词:脂肪酶;菜籽油;乙醇解;生物柴油

中图分类号:S 565.4;S 216.2;T K 6 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2007)7-0174-04刘志强,李　堂,黄　朋,等.叔丁醇体系脂肪酶催化菜籽油制备生物柴油[J].农业工程学报,2007,23(7):174-177.L iu Zhiqiang ,L i T ang ,Huang P eng ,et al .Pr epa ration of bio -diesel fro m r apeseed oil catalyzed by lipase in t -BuOH [J ].T r ansa ct ions of t he CSA E,2007,23(7):174-177.(in Chinese with English abst ract)

收稿日期:2006-02-11　修订日期:2007-06-14

基金项目:973资助项目(2003CB716004);湖南省自然科学基金资助项目(02JJY5001)

作者简介:刘志强(1964-),男,湖南邵东人,教授,主要从事酶工程与生物催化。湘潭　湖南科技大学生命科学学院,411201。Email :s yg zliu @s ohu .com ;kds liu @

0　引　言

随着经济的快速发展和全球能源消耗量的剧增,油气资源储量的短缺日益突出,这迫使人们寻求替代能源。生物柴油作为一种清洁、可再生的替代能源,受到各国政府和科学家的高度关注。

生物柴油是由菜籽油、大豆油等可再生的动植物油脂与短链醇(甲醇或乙醇)经转酯化反应制得的脂肪酸酯(甲酯或乙酯)。它可再生、易生物降解,燃烧尾气中有害和颗粒物的浓度大大降低;且无二氧化硫排放;燃用生物柴油可以缓解温室效应

[1,2]

。生物柴油是石化柴油

最理想的替代燃料,是一种清洁型能源[3-5]

。目前,制备

生物柴油的方法主要是酯交换法,它根据催化剂不同分为化学法和生物酶法,最常用的是化学酯交换法[6,7]。由于化学酯交换法存在醇用量大,产生大量含碱废液等缺点[8]

,因此生物酶法成为近年来人们研究的热点。徐园园等[9]发现在反应体系中加入有机溶剂能有效提高脂肪酶的催化活性。D .Oliveira 等[10]对超临界CO 2中脂肪酶催化棕榈油乙醇进行了研究;杜伟等[11]考察了脂肪酶催化过程中的酰基转移,发现当用硅胶作固定化酶载体时,能促进2位酰基的转移,提高酶的催化效率;固定化假丝酵母99-125脂肪酶在有溶剂的体系下催化废油合成生物柴油,转化率可达92%[12];植物料脚油如棕

榈油、大豆油、菜籽油,在非有机溶剂体系中脂肪酶催化下,转酯率达55%[13];徐桂转等[14]发现菜籽油在无溶剂条件下,两步加入甲醇可使转酯率达到80%。M ohamed M.So um anou 等

[15]

发现当以甲醇和异丙醇

为醇底物时,在无溶剂体系中脂肪酶ther momy ces lanug inosa 几乎没有活性;脂肪酶AK 和脂肪酶RM 在无溶剂体系中催化棉籽油与乙醇(或丙醇、丁醇、异丁醇)反应的转化率达50%～65%;若以正己烷为溶剂,这几种酶都能催化棉籽油甲醇解,且转酯率达97%。当以甲酸乙酯为酰基供体,用脂肪酶催化大豆油制备生物柴油时,它完全消除了醇和甘油对酶的抑制作用,转化率达92%,且酶循环使用100次后活力降低很小[16]。但是该方法甲酸乙酯的成本大。Mo ham ed M.Soumanou 等[17]发现脂肪酶在正己烷和石油醚中有很好的活性,能催化瓜子油甲醇解,转酯率达到80%。正己烷对底物是一种较好的溶剂,但正己烷会降低副产物甘油的溶解,使甘油覆盖在脂肪酶的表面,从而降低酶的活性;同时它极易挥发,使用过和中损失较大。

另外,甲醇的极性强,油溶性差,不可再生且有毒。而乙醇的极性比甲醇弱,油溶性好,无毒且可再生。菜籽油是中国的主要油料作物,它还可利用江汉平原和长江以南大量的冬闲田种植获得,不会与其它作物争地。因此,该文选用叔丁醇作为溶剂,对脂肪酶催化菜籽油乙醇解进行了研究。

1　试验材料、设备与方法

1.1　试验材料

菜籽油(一级,市售),无水乙醇(分析纯),叔丁醇

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(分析纯),脂肪酶LVK (酶活力105U /g ,深圳市绿微康生物工程有限公司)。

软脂酸乙酯(Fluka)、硬脂酸乙酯(Fluka)、油酸乙酯(ALDRICH )、亚油酸乙酯(Fluka )、亚麻酸乙酯(Fluka )。1.2　试验仪器

岛津-2014气相色谱仪,日本岛津仪器有限公司;赛多利斯电子天平,北京赛多利斯仪器系统有限公司;HZQ-F100全温培养摇床,太仓市华美生化仪器厂;台式离心机,上海安亭科学仪器厂。1.3　试验方法1.3.1　酯交换反应

将适量的菜籽油和油重10%的叔丁醇加入到反应器中,振荡使其混合均匀,加入对应量的脂肪酶,然后在反应瓶中加入对应量的无水乙醇,在摇床上进行反应。反应结束后将反应液离心,取上层液和一定量的正己烷混合再离心,最后取少量上层液进行气相色谱分析。1.3.2　气相色谱分析

运用岛津-2014气相色谱仪,DB -FFA P 毛细管柱

(30m ×0.32m m ×1.0 m ),FID 检测器。以氮气作载气,进样口温度和检测器温度分别为260℃和280℃。升温程序为:柱初温160℃,维持0.5min ,后以25℃/m in 的升温速率升至240℃,再保持20min 。进样量为0.6 L 。

2　结果与讨论

2.1　醇油摩尔比对生物柴油产量的影响

在脂肪酶用量10%,反应温度40℃,叔丁醇10%,反应时间36h ,改变醇油比进行考察。如图1所示,随着乙醇用量的增加,脂肪酸乙酯的产率升高。但是,当醇油比大于5以后,转酯率反而下降。这主要是因为短链醇对酶有一定的毒害作用,随着乙醇浓度的增加,其对脂肪酶的毒害作用加强,导致酶的催化活力下降。因此,在后面的试验中醇油摩尔比都取5∶1

。

图1

　醇油摩尔比对生物柴油产量的影响

F ig.1Effects of et hano l to oil mo lar r atio on bio diesel yield

2.2　催化剂用量对生物柴油产量的影响

从图2可以看出,菜籽油的转酯率随着酶用量的增加而呈上升趋势。当脂肪酶LVK 用量从4%增加到10%的过程中,菜籽油的转酯率上升较大。当脂肪酶LVK 用量从10%增加到15%的过程中,菜籽油的转酯率也在上升,但是随酶用量增加而上升的趋势较小,因此,从产率和经济两方面因素考虑,后面实验中脂肪酶LVK 的用量选为10%。

图2　脂肪酶用量对生物柴油产量的影响F ig.2　Effect s o f enzy me do sage o n biodiesel y ield

2.3　温度对生物柴油产量的影响

适宜的温度有利于酶催化活性的发挥。如图3所示,当温度低于40℃时,升高温度有利于酶催化活性的发挥,随着温度的升高反应产率逐步增加。当温度高于40℃后,随着温度的升高,酶的催化效率逐步降低,这表明酶分子结构遭破坏在加剧。因此,酶的最适温度为40℃。

图3　温度对生物柴油产量的影响Fig.3　Effects of t he r eactio n temper atur e

o n biodiesel y ield

2.4　时间对生物柴油产量的影响

对于菜籽油乙醇解这个可逆平衡反应,如图4所示,从0～30h ,反应产率随时间的延长变化较明显;反应时间从30h 增加到36h,这段时间内转化率变化非常小,这说明反应进行到30h 时已基本达到平衡,再延长反应时间,产率也不会有提高,反而会增加能量的消耗和仪器的磨损。因此,最适反应时间选择为30h 。

2.5　不同种溶剂对生物柴油产量的影响

为了研究不同的溶剂对反应的影响,本试验选用了

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