專利名稱:有機介質(zhì)反應體系中微生物細胞轉(zhuǎn)化油脂生產(chǎn)生物柴油的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物油脂合成領(lǐng)域，特別是提供了一種有機介質(zhì)反應體系中微生物細胞轉(zhuǎn)化油脂生產(chǎn)生物柴油的工藝。利用有機溶劑作為反應介質(zhì)、微生物細胞作為催化劑的一種有機介質(zhì)反應體系中微生物全細胞轉(zhuǎn)化油脂(或游離脂肪酸)生產(chǎn)生物柴油。
背景技術(shù)：
油脂工業(yè)的前景之一-生物柴油是由生物油脂原料通過轉(zhuǎn)酯反應生成的長鏈脂肪酸酯類物質(zhì)，是一種新型無污染的可再生能源。生物柴油的燃燒性能可以與傳統(tǒng)的石油系柴油媲美。同時，其與傳統(tǒng)的石油系柴油相比具有原料可再生，環(huán)境友好，閃點高，十六烷值高等優(yōu)點。目前生物柴油的研究和應用已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注。
目前生物柴油主要是用化學法生產(chǎn)，即用動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行轉(zhuǎn)酯反應，生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯?；瘜W法制備生物柴油存在如下一些不可避免的缺點①油脂原料中的游離脂肪酸和水嚴重影響反應的進行；②甲醇在油脂中溶解性不好，易導致乳化液的形成從而使得后續(xù)處理過程復雜；③工藝要求甲醇用量大大超過反應摩爾比，過量甲醇的蒸發(fā)回流增大過程能耗。
由于利用生物酶法合成生物柴油具有反應條件溫和、無污染物排放、油脂原料中的游離脂肪酸和少量水不影響酶促反應等優(yōu)點，符合綠色化學的發(fā)展方向，因而日益受到人們的重視。
生物酶法一個主要的不足之處為催化劑酶的成本與化學法所使用的酸或堿相比較高。這也是阻礙生物酶法制備生物柴油產(chǎn)業(yè)化的主要因素。采用產(chǎn)胞內(nèi)脂肪酶的微生物全細胞代替?zhèn)鹘y(tǒng)的商品化固定化脂肪酶催化油脂轉(zhuǎn)酯反應制備生物柴油，省去了傳統(tǒng)的固定化脂肪酶生產(chǎn)過程中的分離、純化以及固定化等步驟，而通常這些步驟的成本占固定化脂肪酶生產(chǎn)總成本的70％以上，因此采用產(chǎn)胞內(nèi)脂肪酶的微生物全細胞被認為是有望大幅度降低生物酶成本的一個發(fā)展方向。在[Kazuhiro Ban et al.Repeated use of whole-cell biocatalysts immobilized within biomass supportparticles for biodiesel fuel production，Journal of Molecular Catalysis BEnzymatic，2002，17157-165]文獻中報道甲醇在油脂原料中的溶解性較差，不利于反應的進行；過量甲醇的存在會導致全細胞嚴重失活，故在利用全細胞作為催化劑生產(chǎn)生物柴油的工藝過程中，采用分批加入短鏈醇的方式以緩解其對細胞的毒害作用。這種方式操作繁瑣，反應時間較長；另外，在研究中我們發(fā)現(xiàn)，以短鏈醇作為反應的?；荏w，反應過程中有副產(chǎn)物甘油產(chǎn)生，生成的甘油容易在全細胞內(nèi)部積累，嚴重影響底物向胞內(nèi)的擴散，從而影響細胞的反應活性。為改善以上情況，我們采用有機溶劑反應體系合成生物柴油。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種有機介質(zhì)反應體系中微生物細胞轉(zhuǎn)化油脂生產(chǎn)生物柴油的工藝。這些有機介質(zhì)反應體系可以促進甲醇等短鏈醇在油脂中的溶解，并且可以促進副產(chǎn)物甘油的擴散，有效改善甘油在微生物細胞內(nèi)的積累狀況，從而可顯著提高反應活性、縮短反應時間并延長微生物細胞的使用壽命，使生物柴油得率達80％以上。
本發(fā)明是以短鏈醇ROH作為反應?；荏w，用對微生物全細胞反應活性沒有負面影響的相對親水的有機溶劑叔丁醇作為反應介質(zhì)，利用產(chǎn)胞內(nèi)脂肪酶的微生物全細胞催化油脂(或游離脂肪酸)原料進行轉(zhuǎn)酯反應合成生物柴油。其工藝為將短鏈醇與油脂摩爾比為3∶1～6∶1的短鏈醇和油脂(或短鏈醇與游離脂肪酸摩摩爾比為1∶1～2∶1的短鏈醇與游離脂肪酸)、基于油脂(或游離脂肪酸)體積20-300％的有機溶劑和占油脂(或游離脂肪酸)質(zhì)量2～30％的微生物細胞，裝入反應器中混合均勻，加熱至20℃～60℃，反應5-48小時后，油脂(或游離脂肪酸)原料可轉(zhuǎn)化生成生物柴油和副產(chǎn)物甘油(以游離脂肪酸為原料時無甘油生成)。
本發(fā)明所述微生物全細胞為可用于催化油脂醇解反應制備生物柴油的全細胞催化劑，可以為游離細胞，也可以為固定化細胞。包括R.oryzae IFO4697游離細胞或固定化細胞。
本發(fā)明所述油脂為生物油脂包括植物油脂、動物油脂、微生物油脂、廢食用油、煉油腳料和游離脂肪酸。
本發(fā)明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、桐油、烏桕油。
本發(fā)明所述動物油脂為魚油、豬油。
本發(fā)明所述微生物油脂包括酵母油脂、細菌油脂、藻類油脂。
本發(fā)明所述游離脂肪酸RCOOH中R為具有11-21個碳原子的烷基。
本發(fā)明所述短鏈醇ROH中R為具有1-5個碳原子的烷基。
本發(fā)明所述短鏈醇為甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或戊醇。
本發(fā)明的有益效果是提高了產(chǎn)脂肪酶微生物細胞的反應活性、延長了微生物細胞的使用壽命，縮短了反應時間。以叔丁醇作為新型有機介質(zhì)反應體系可以促進甲醇等短鏈醇在油脂中的溶解，有效降低短鏈醇對微生物細胞反應活性的負面影響；其次，在這種有機介質(zhì)反應體系中，可以一次性加入反應所需低碳醇，從而可顯著縮短反應時間；另外，相對親水的有機溶劑可以部分溶解甘油，可以有效降低反應物低碳醇以及副產(chǎn)物甘油對微生物細胞反應活性的負面影響、顯著提高微生物細胞反應活性，有效改善甘油在微生物細胞內(nèi)的積累狀況，提高微生物細胞的反應活性并延長其使用壽命。
具體實施方式
實施例1
將摩爾比為4∶1的甲醇和大豆油(大豆油5g)、0.15g磷酸緩沖液和基于油脂體積150％的叔丁醇，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動控溫的往復搖床中加熱至35℃后，加入干重為油脂質(zhì)量6％的固定化R.oryzae IFO4697細胞開始反應，經(jīng)24小時后生產(chǎn)出生物柴油4.15g，生物柴油得率約為83％。
實施例2將摩爾比為3∶1的甲醇和菜籽油(菜籽油5g)、0.25g磷酸緩沖液和基于油脂體積100％的叔丁醇，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動控溫的往復搖床中加熱至30℃后，加入干重為油脂質(zhì)量5％的游離R.oryzae IFO4697細胞開始反應，經(jīng)24小時后生產(chǎn)出生物柴油4.0g，生物柴油得率為80％。
實施例3將摩爾比為5∶1的乙醇和棉籽油(棉籽油5g)、0.50g磷酸緩沖液和基于油脂體積200％的叔丁醇，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動控溫的往復搖床中加熱至45℃后，加入干重為油脂質(zhì)量8％的固定化R.oryzae IFO4697細胞開始反應，經(jīng)12小時后生產(chǎn)出生物柴油4.3g，生物柴油得率為86％。
實施例4將摩爾比為3∶1的丁醇和廢食用油(廢食用油5g)、基于油脂體積80％的叔丁醇，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動控溫的往復搖床中加熱至40℃后，加入干重為油脂質(zhì)量15％的游離R.oryzae IFO4697細胞開始反應，經(jīng)8小時后生產(chǎn)出生物柴油4.05g，生物柴油得率為81％。
實施例5將摩爾比為4∶1的甲醇和豬油(豬油5g)、0.05g磷酸緩沖液和基于油脂體積150％的叔丁醇，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動控溫的往復搖床中加熱至40℃后，加入干重為油脂質(zhì)量15％的經(jīng)戊二醛交聯(lián)的固定化R.oryzae IFO4697細胞開始反應，經(jīng)8小時后生產(chǎn)出生物柴油4.1g，生物柴油得率為82％。
實施例6將摩爾比為1.5∶1的甲醇和油酸(油酸5g)、基于油脂體積120％的叔丁醇，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動控溫的往復搖床中加熱至40℃后，加入干重為油脂質(zhì)量8％的固定化R.oryzae IFO4697細胞開始反應，經(jīng)12小時后生產(chǎn)出生物柴油4.3g，生物柴油得率為86％。
實施例7將摩爾比為4∶1的戊醇和菜籽油(菜籽油5g)、1.0g磷酸緩沖液基于油脂體積200％的叔丁醇，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動控溫的往復搖床中加熱至35℃后，加入干重為油脂質(zhì)量20％的經(jīng)戊二醛交聯(lián)的游離R.oryzae IFO4697細胞開始反應，經(jīng)12小時后生產(chǎn)出生物柴油4.5g，生物柴油得率為90％。
實施例8將摩爾比為1∶1的乙醇和油酸(油酸5g)、基于油脂體積150％的叔丁醇，裝入具塞三角瓶中混合均勻，并置于可自動控溫的往復搖床中加熱至40℃后，加入干重為油脂質(zhì)量5％的固定化R.oryzae IFO4697細胞開始反應，經(jīng)24小時后生產(chǎn)出生物柴油4.3g，生物柴油得率為86％。
實施例9將實施例1中反應后的微生物細胞直接濾出用于下一批次反應，其他反應條件同實施例1，如此將微生物連續(xù)回用10次。在第10個反應批次中，反應24小時可生產(chǎn)出生物柴油8.1g，生物柴油得率仍高達82％。
根據(jù)上述實施例，以叔丁醇作為有機介質(zhì)反應體系，短鏈醇ROH(R為具有1-5個碳原子數(shù)的烷基)作為反應?；荏w時，在適宜的溫度范圍下加入油脂質(zhì)量2％～30％的R.oryzae IFO4697游離細胞和固定化在聚氨酯泡沫載體上的固定化細胞，以及經(jīng)交聯(lián)劑(如戊二醛等)交聯(lián)的游離細胞和固定化細胞，不同生物油脂原料(蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉子油、米糠油桐油、烏桕油、魚油、豬油、酵母油脂、細菌油脂、藻類油脂、廢食用油或煉油腳料以及含12～22個碳原子的游離脂肪酸都能被高效轉(zhuǎn)化生成生物柴油。短鏈醇與油脂最優(yōu)的反應摩爾比為3∶1～5∶1(短鏈醇與游離脂肪酸最優(yōu)的反應摩爾比為1∶1～2∶1，最優(yōu)的有機溶劑添加量為基于油脂體積的100％-200％，最優(yōu)的反應溫度為30℃～50℃。
權(quán)利要求
1.一種有機介質(zhì)反應體系中產(chǎn)胞內(nèi)脂肪酶的微生物全細胞轉(zhuǎn)化油脂生產(chǎn)生物柴油工藝，以短鏈醇ROH作為反應?；荏w，用對微生物全細胞反應活性沒有負面影響的相對親水的有機溶劑叔丁醇作為反應介質(zhì)，利用產(chǎn)胞內(nèi)脂肪酶的微生物全細胞催化油脂或游離脂肪酸原料進行轉(zhuǎn)酯反應合成生物柴油；其工藝為將短鏈醇與油脂摩爾比為3∶1～6∶1的反應底物或短鏈醇與游離脂肪酸摩爾比為1∶1～2∶1的反應底物，基于油脂或脂肪酸體積20-300％的有機溶劑和占油脂或游離脂肪酸質(zhì)量2～30％的微生物細胞，裝入生化反應器中混合均勻，加熱至20℃～60℃，反應5-48小時后，油脂或游離脂肪酸原料轉(zhuǎn)化生成生物柴油和副產(chǎn)物甘油；當以游離脂肪酸為原料時無甘油生成。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的工藝，其特征在于于生化反應器中加熱至30℃～50℃；短鏈醇與油脂摩爾比為3∶1～5∶1；短鏈醇與游離脂肪酸的反應摩爾比為1∶1～2∶1。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的工藝，其特征在于所述的短鏈醇為甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或戊醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的工藝，其特征在于所述的產(chǎn)胞內(nèi)脂肪酶的微生物全細胞為可以催化油脂原料與短鏈醇進行轉(zhuǎn)酯反應制備生物柴油的微生物細胞，包括R.oryzae IFO4697游離細胞或固定化在聚氨酯泡沫載體上的固定化細胞、經(jīng)交聯(lián)劑戊二醛交聯(lián)的固定化細胞。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的工藝，其特征在于所述的油脂為生物油脂，包括蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉子油、米糠油、桐油、烏桕油、魚油、豬油、酵母油脂、細菌油脂、藻類油脂、廢食用油、煉油腳料或含12-22個碳原子的游離脂肪酸。
專利摘要
有機介質(zhì)反應體系中微生物細胞轉(zhuǎn)化油脂生產(chǎn)生物柴油的工藝，屬于生物油脂合成領(lǐng)域。該工藝是以短鏈醇ROH作為反應?；荏w，用一種對微生物全細胞反應活性沒有負面影響的相對親水的有機溶劑叔丁醇作為反應介質(zhì)，利用產(chǎn)胞內(nèi)脂肪酶的微生物全細胞催化油脂原料進行轉(zhuǎn)酯反應合成生物柴油。將短鏈醇、油脂和產(chǎn)胞內(nèi)脂肪酶的微生物全細胞裝入生物反應器中混合均勻，加熱至20℃～60℃，反應5－48小時后，油脂或游離脂肪酸原料轉(zhuǎn)化生成生物柴油和副產(chǎn)物甘油生，物柴油得率達80％以上。優(yōu)點在于有效改善甘油在微生物細胞內(nèi)的積累狀況，顯著提高反應活性、縮短反應時間并延長微生物細胞的使用壽命。
文檔編號C12S3/18GKCN1884440SQ200610089644
公開日2006年12月27日 申請日期2006年7月7日
發(fā)明者杜偉, 劉德華, 里偉 申請人:清華大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan