專利名稱：膜回收脂肪酶催化可再生油脂制備生物柴油的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物燃料合成技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種膜回收脂肪酶催化可再生油脂 制備生物柴油的方法，即利用膜回收非固定化脂肪酶催化可再生油脂制備生物柴油。
背景技術(shù)：
油脂工業(yè)的新前景-生物柴油是由生物油脂原料通過(guò)轉(zhuǎn)酯反應(yīng)生成的長(zhǎng)鏈脂肪酸 酯類物質(zhì)，是一種新型的無(wú)污染可再生能源，被稱為生物柴油。其燃燒性能可以與傳 統(tǒng)的石油系柴油媲美，由于生物柴油燃燒后發(fā)動(dòng)機(jī)排放出的尾氣里有害物質(zhì)比傳統(tǒng)石 化柴油降低了 50%。目前生物柴油的研究和應(yīng)用已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注。
目前生物柴油主要是用化學(xué)法生產(chǎn)，即用動(dòng)植物油脂和一些低碳醇(甲醇或乙醇) 在堿或者酸性催化劑作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，生成相應(yīng)的脂肪酸甲酯或乙酯?；瘜W(xué)法制 備生物柴油存在如下一些不可避免的缺點(diǎn)①油脂原料中的游離脂肪酸和水嚴(yán)重影響
反應(yīng)的進(jìn)行;②甲醇在油脂中溶解性不好，易導(dǎo)致乳化液的形成從而使得后續(xù)處理過(guò)程 復(fù)雜;③工藝要求甲醇用量大大超過(guò)反應(yīng)摩爾比,過(guò)量甲醇的蒸發(fā)回流增大過(guò)程能耗。
由于利用生物酶法合成生物柴油具有反應(yīng)條件溫和、無(wú)污染物排放、油脂原料中 的游離脂肪酸和少量水不影響酶促反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色化學(xué)的發(fā)展方向，因而曰益 受到人們的重視。但同化學(xué)方法相比，生物酶的成本過(guò)高，這己成為制約酶法產(chǎn)業(yè)化 生產(chǎn)生物柴油的主要瓶頸。
固定化脂肪酶可以重復(fù)使用，這可以在一定程度上降低酶的使用成本。但固定化 酶的制備成本很高，其中絕大部分成本歸結(jié)于酶的下游過(guò)程操作成本，即酶的分離， 純化和固定化。故直接利用非固定化脂肪酶(如液體脂肪酶和游離酶粉)作為催化劑， 則可以有效省去酶的分離，純化和固定化等程序，可以大幅度降低酶的制備成本。然 而，在利用非固定化脂肪酶作為催化劑轉(zhuǎn)化可再生油脂原料制備生物柴油的過(guò)程中， 能否實(shí)現(xiàn)這些非固定化脂肪酶的多次回用是降低酶成本的關(guān)鍵，也是非固定化脂肪酶 能否最終應(yīng)用于生物柴油制備領(lǐng)域的主要制約因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種膜回收脂肪酶催化可再生油脂制備生物柴油的方法， 有效解決了非固定化脂肪酶的回用，使得非固定化脂肪酶的使用成本顯著降低，在生 物柴油制備領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景。
本發(fā)明是以短鏈醇R0H作為反應(yīng)?；荏w，利用非固定化脂肪酶作為催化劑催化 油脂原料與上述短鏈醇進(jìn)行轉(zhuǎn)酯反應(yīng)合成生物柴油，反應(yīng)結(jié)束后，利用膜分離方法進(jìn) 行非固定化脂肪酶的回收，從而將脂肪酶與生成的副產(chǎn)物甘油分離，再利用回收的非 固定化脂肪酶進(jìn)行下一批次的反應(yīng)。
其特征在于加入基于油脂4-9摩爾的短鏈醇(可以采取間歇分批多次加入或連續(xù)流加的方式，保證單次加入量不超過(guò)3摩爾即可)、加入基于油脂質(zhì)量2%-20%的水， 以及基于單位油脂質(zhì)量20-200個(gè)酶活單位的非固定化脂肪酶，不同來(lái)源的脂肪酶可以 組合使用，裝入適于酶反應(yīng)的任何生化反應(yīng)器中，溫度控制在3(TC 6CTC，轉(zhuǎn)速控制 在300-1500轉(zhuǎn)/分，反應(yīng)6—20小時(shí)后，油脂原料轉(zhuǎn)化生成生物柴油的得率超過(guò)95%。 反應(yīng)結(jié)束后，靜置或離心分相后(油相為生物柴油相，水相主要為脂肪酶和副產(chǎn)物甘 油)，然后利用膜回收水相中的酶蛋白，膜可以為金屬膜，有機(jī)膜或陶瓷膜，膜截留分 子量為15000以上。脂肪酶的回收率達(dá)到95%以上，回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存量 小于5%。然后再利用回收的液體脂肪酶進(jìn)行下一批次生物柴油的制備反應(yīng)，除了不需 另外加酶外，其它反應(yīng)條件同前一批次相同。這樣可以達(dá)到反復(fù)使用非固定化脂肪酶 的目的，如此進(jìn)行10個(gè)批次的反應(yīng)后，回收的非固定化脂肪酶的活性還可保持在初始 酶活的85%以上。
所述脂肪酶為非固定化脂肪酶，包括來(lái)源于酵母細(xì)胞，霉菌細(xì)胞，細(xì)菌或其它微 生物的液體脂肪酶或其它形式的游離脂肪酶如酶粉。 所述膜為金屬膜，有機(jī)膜，無(wú)機(jī)膜和陶瓷膜。
所述油脂為生物油脂包括植物油脂、動(dòng)物油脂、廢食用油、油脂精練下腳料和微 生物油脂。
所述植物油脂為蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉子油、米糠油、 麻風(fēng)樹(shù)油，文冠果油、小桐子油。 所述動(dòng)物油脂為魚(yú)油、豬油。 所述微生物油脂為酵母油脂，微藻類油脂。 所述短鏈醇ROH中R為具有1-5個(gè)碳原子的垸基。 所述短鏈醇為甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或戊醇。
本發(fā)明的有益效果是利用膜回收非固定化脂肪酶，有效解決了非固定化脂肪酶的 回用問(wèn)題，從而使得非固定化脂肪酶在生物柴油制備領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:將摩爾比為4: l的甲醇和菜籽油(菜籽油9.65g),加入基于油脂質(zhì)量 1%的水，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動(dòng)控溫的往復(fù)搖床中加熱至4(TC后， 加入基于單位油脂質(zhì)量40個(gè)酶活單位的來(lái)源于^^wgi//^ 的液體脂肪酶，反應(yīng)
轉(zhuǎn)速控制在600rpm,甲醇在6個(gè)小時(shí)內(nèi)勻速加入，8小時(shí)生物柴油得率為85%。反應(yīng)結(jié) 束后，靜置后，取出水層，利用膜分離回收酶蛋白，選取截留分子量為15000的有機(jī) 膜進(jìn)行上述脂肪酶的回收，酶蛋白的回收率高達(dá)95%，回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存 量小于5%。
實(shí)施例2:將摩爾比為9: l的甲醇和豬油(豬油9.65g)，加入基于油脂質(zhì)量10% 的水，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動(dòng)控溫的往復(fù)搖床中加熱至7(TC后， 加入基于單位油脂質(zhì)量70個(gè)酶活單位的來(lái)源于J印e^W^ 的脂肪酶粉，反應(yīng)轉(zhuǎn)
速控制在500rpm,甲醇在8個(gè)小時(shí)內(nèi)勻速加入，10小時(shí)生物柴油得率為98%。反應(yīng)結(jié)束 后，靜置后，取出水相，利用膜分離回收酶蛋白，選取截留分子量為15000的有機(jī)膜，酶蛋白的回收率高達(dá)95%，回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于5%。
實(shí)施例3:將摩爾比為6: l的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂質(zhì)量
15%的水，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動(dòng)控溫的往復(fù)搖床中加熱至5(TC后， 加入單位油脂質(zhì)量100個(gè)酶活單位的來(lái)源于4印erg!'Z/"s 00^ae的液體脂肪酶，反應(yīng)轉(zhuǎn) 速控制在800rpm，甲醇在8個(gè)小時(shí)內(nèi)非勻速加入(前3個(gè)小時(shí)添加方式為0小時(shí)加入 2摩爾甲醇，反應(yīng)1小時(shí)后再加入1摩爾，2小時(shí)后再加入2摩爾，4小時(shí)后再加入1 摩爾)8小時(shí)生物柴油得率為95%。反應(yīng)結(jié)束后，離心分層后，取出水相，利用膜分離 回收酶蛋白，選取截留分子量為15000的無(wú)機(jī)膜，酶蛋白的回收率高達(dá)95%，回收的酶 液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于5%。
實(shí)施例4:將摩爾比為4: l的甲醇和麻風(fēng)樹(shù)油(麻風(fēng)樹(shù)油9.65g),加入基于油脂 質(zhì)量2%的水，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動(dòng)控溫的往復(fù)搖床中加熱至40 'C后，加入單位油脂質(zhì)量40個(gè)酶活單位的來(lái)源于Om力'^朋tor"/ca的脂肪酶粉，反應(yīng) 轉(zhuǎn)速控制在1000rpm,甲醇在3個(gè)小時(shí)內(nèi)勻速加入，6小時(shí)生物柴油得率為85%。反應(yīng)結(jié) 束后，離心分層，取出水相，利用膜分離回收酶蛋白，選取截留分子量為15000的陶 瓷膜，酶蛋白的回收率高達(dá)95%，回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于5%。
實(shí)施例5:將摩爾比為9: l的乙醇和藻類油脂(藻類油脂9.65g),加入基于油脂 質(zhì)量8%的水，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動(dòng)控溫的往復(fù)搖床中加熱至30 'C后，加入單位油脂質(zhì)量20個(gè)酶活單位的來(lái)源于C朋^^ flwto^/ca的液體脂肪酶，反 應(yīng)轉(zhuǎn)速控制在400rpm,甲醇在10個(gè)小時(shí)內(nèi)非勻速加入，15小時(shí)生物柴油得率為93%。 反應(yīng)結(jié)束后，離心分層，取出水相，利用膜分離回收酶蛋白，選取截留分子量為15000 的有機(jī)膜，酶蛋白的回收率高達(dá)95%，回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于5%。
實(shí)施例6:將摩爾比為6: l的乙醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂質(zhì)量 10%的水，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動(dòng)控溫的往復(fù)搖床中加熱至50'C后， 加入單位油脂質(zhì)量100個(gè)酶活單位的來(lái)源于Ow^to 的液體脂肪酶，反應(yīng)轉(zhuǎn)
速控制在300rpm，甲醇在8個(gè)小時(shí)內(nèi)勻速加入，10小時(shí)生物柴油得率為95%。反應(yīng)結(jié)束 后，離心分層后，取出水相，利用膜分離回收酶蛋白，選取截留分子量為15000的陶 瓷膜，酶蛋白的回收率高達(dá)95%，回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于5%。
實(shí)施例7:將摩爾比為8: l的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂質(zhì)量 16%的水，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動(dòng)控溫的往復(fù)搖床中加熱至5CTC后， 加入單位油脂質(zhì)量300個(gè)酶活單位的來(lái)源于y / i加/w/c^/w'e力ei的液體脂肪酶和40個(gè) 酶活單位的來(lái)源于i /n'zopws wj;zae的液體脂肪酶，反應(yīng)轉(zhuǎn)速控制在500rpm，甲醇在10 個(gè)小時(shí)內(nèi)勻速加入，12小時(shí)生物柴油得率為95%。反應(yīng)結(jié)束后，離心分層，取出水相， 利用膜分離回收酶蛋白，選取截留分子量為15000的分子篩膜，酶蛋白的回收率高達(dá) 95%,回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于5%。
實(shí)施例8:將摩爾比為9: l的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂質(zhì)量 20%的水，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動(dòng)控溫的往復(fù)搖床中加熱至6(TC后， 加入單位油脂質(zhì)量200個(gè)酶活單位的來(lái)源于7T ara o/^ces J朋收&o卯s的液體脂肪酶，反應(yīng)轉(zhuǎn)速控制在1000rpm，甲醇在12個(gè)小時(shí)內(nèi)勻速加入，14小時(shí)生物柴油得率為95%。 反應(yīng)結(jié)束后，離心分層，取出水層，利用膜分離回收酶蛋白，選取截留分子量為15000 的陶瓷膜，酶蛋白的回收率高達(dá)95%，回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于5%。
實(shí)施例9:將摩爾比為7: 1的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂質(zhì)量 10%的水，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動(dòng)控溫的往復(fù)搖床中加熱至60卩后， 加入單位油脂質(zhì)量200個(gè)酶活單位的來(lái)源于i /^opw w^加e的液體脂肪酶，反應(yīng)轉(zhuǎn)速 控制在1500rpm,甲醇在3個(gè)小時(shí)內(nèi)勻速加入，5小時(shí)生物柴油得率為95%。反應(yīng)結(jié)束后， 離心分層，取出水層，利用膜分離回收酶蛋白，選取截留分子量為15000的無(wú)機(jī)膜， 酶蛋白的回收率高達(dá)95%，回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于5%。
實(shí)施例10:將摩爾比為7: 1的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂質(zhì) 量15%的水，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動(dòng)控溫的往復(fù)搖床中加熱至50 t:后，加入單位油脂質(zhì)量30個(gè)酶活單位的來(lái)源于乂^wg///^ 07z"e的液體脂肪酶和20 個(gè)酶活單位的來(lái)源于Ow^fo 的酶粉，反應(yīng)轉(zhuǎn)速控制在800rpm，甲醇在8個(gè)
小時(shí)內(nèi)非勻速加入(前3個(gè)小時(shí)添加方式為0小時(shí)加入2摩爾甲醇，反應(yīng)l小時(shí)后再 加入l摩爾，2小時(shí)后再加入2摩爾，4小時(shí)后再加入1摩爾)8小時(shí)生物柴油得率為 95%。反應(yīng)結(jié)束后，靜置分層后，取出水相，利用膜分離回收酶蛋白，選取截留分子量 為15000的無(wú)機(jī)膜，酶蛋白的回收率高達(dá)95%，回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于 5%。
實(shí)施例11:將摩爾比為7: 1的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂質(zhì) 量10%的水，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動(dòng)控溫的往復(fù)搖床中加熱至60 t:后，加入實(shí)施例9中回收的脂肪酶，反應(yīng)轉(zhuǎn)速控制在1500rpra，甲醇在3個(gè)小時(shí)內(nèi)勻 速加入，5小時(shí)生物柴油得率為94%。反應(yīng)結(jié)束后，離心分層，取出水層，利用膜分離 回收酶蛋白，選取截留分子量為15000的無(wú)機(jī)膜，酶蛋白的回收率高達(dá)95%，回收的酶 液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于5%。
權(quán)利要求
1、一種膜回收脂肪酶催化可再生油脂制備生物柴油的方法，以短鏈醇ROH作為反應(yīng)?；荏w，利用非固定化脂肪酶作為催化劑催化油脂原料與上述短鏈醇進(jìn)行轉(zhuǎn)酯反應(yīng)合成生物柴油，反應(yīng)結(jié)束后，利用膜分離方法進(jìn)行非固定化脂肪酶的回收，從而將脂肪酶與生成的副產(chǎn)物甘油分離，再利用回收的非固定化脂肪酶進(jìn)行下一批次的反應(yīng)；其特征在于加入基于油脂4-9摩爾的短鏈醇，加入基于油脂質(zhì)量2％-20％的水，以及基于單位油脂質(zhì)量20-200個(gè)酶活單位的非固定化脂肪酶，裝入適于酶反應(yīng)的任何生化反應(yīng)器中，溫度控制在30℃～60℃，轉(zhuǎn)速控制在300-1500轉(zhuǎn)/分，反應(yīng)6—20小時(shí)后，油脂原料轉(zhuǎn)化生成生物柴油的得率超過(guò)95％；反應(yīng)結(jié)束后，靜置或離心分相后，然后利用膜回收水相中的酶蛋白，膜截留分子量為15000以上。脂肪酶的回收率達(dá)到95％以上，回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于5％；如此進(jìn)行10個(gè)批次的反應(yīng)后，回收的非固定化脂肪酶的活性還可保持在初始酶活的85％以上。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶為非固定化脂肪酶，非 固定化脂肪酶為液體脂肪酶或脂肪酶酶粉。
3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶來(lái)源于酵母，霉菌，細(xì) 菌或其它微生物的脂肪酶。
4. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶來(lái)源于Candida antarctica、 Rhizomucor miehe、 Thermomyces lanuginosus或Aspergillus oryzae 的脂肪酶。
5. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，不同脂肪酶單獨(dú)使用或者組合使用。
6. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述膜為金屬膜，有機(jī)膜、陶瓷膜 或分子篩膜等無(wú)機(jī)膜。
7. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，短鏈醇的添加方式可以采取間歇分 批多次加入或連續(xù)流加的方式，保證單次加入量不超過(guò)3摩爾。
8. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述油脂原料為生物油脂，生物油 脂包括植物油脂、動(dòng)物油脂、廢食用油、油脂精練下腳料或微生物油脂。
9. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述植物油脂為蓖麻油、菜籽油、 大豆油、花生油、玉米油、棉子油、米糠油、麻風(fēng)樹(shù)油，文冠果油或小桐子油。
10. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述動(dòng)物油脂為魚(yú)油或豬油。
11. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述微生物油脂為酵母油脂或微 藻類油脂。
12. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述短鏈醇ROH中R為具有l(wèi)-5 個(gè)碳原子的垸基。
13. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述短鏈醇為甲醇、乙醇、丙醇、 丁醇或戊醇。
全文摘要
一種膜回收脂肪酶催化可再生油脂制備生物柴油的方法，屬于生物燃料合成技術(shù)領(lǐng)域。該工藝是以短鏈醇ROH作為反應(yīng)酰基受體，利用非固定化脂肪酶作為催化劑催化油脂原料與短鏈醇進(jìn)行轉(zhuǎn)酯反應(yīng)合成生物柴油，反應(yīng)結(jié)束后，利用膜分離方法進(jìn)行非固定化脂肪酶的回收，再利用回收的非固定化脂肪酶進(jìn)行下一批次的反應(yīng)。加入基于油脂4-9摩爾的短鏈醇，加入基于油脂質(zhì)量2％-20％的水，加入基于單位油脂質(zhì)量20-200個(gè)酶活單位的非固定化脂肪酶，在生化反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。脂肪酶的回收率達(dá)到95％以上，回收的酶液中副產(chǎn)物甘油的殘存量小于5％。然后再利用回收的非固定化脂肪酶進(jìn)行下一批次生物柴油的制備反應(yīng)，反復(fù)操作，達(dá)到多次重復(fù)使用非固定化脂肪酶的目的。
文檔編號(hào)C12P7/64GK101418322SQ20081023918
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日
發(fā)明者劉德華, 偉 杜 申請(qǐng)人:清華大學(xué)