有机溶剂体系中酶促油脂转化生产生物柴油的研究

摘要

生物柴油,即长链脂肪酸单酯,是一种以油脂为原料得到的可替代化石柴油的新能源,其绿色及可再生性使之在石油能源替代战略中具有十分重要的地位。目前生物柴油的工业生产均采用以酸或碱为催化剂的化学法,该方法不仅对原料要求高,而且对环境不友好。与化学法相比,酶法生产生物柴油条件温和,对原料要求低,产物易分离,无污染物排放,因此日益受到人们的青睐。但酶法生产生物柴油仅限于实验室研究,尚未能实现工业化应用,其关键的制约因素是催化剂的成本过高。这一方面是因为所用的商品化脂肪酶价格昂贵；另一方面则是由于甲醇对酶的毒害作用以及反应副产物甘油吸附于固定化酶载体表面,使甲醇富集于其中,酶表面甲醇浓度高,导致酶变性失活,使用寿命短。针对上述问题,本论文探讨了有溶剂体系中价格低廉的固定化脂肪酶LipozymeTL IM催化玉米油转酯生产生物柴油的可行性,系统研究了各相关因素对该反应的影响。在上述研究基础上,通过响应面法对转酯反应过程进行优化,提高了固定化脂肪酶的催化效率。为进一步降低生产成本,研究了Lipozyme TL IM催化废油脂的转化,对比研究了废油脂与玉米油为原料时反应的区别,并尝试在以玉米油为原料的反应体系中添加添加剂以提高甲酯产率。在摇瓶反应研究的基础上,探讨了流化床(0.5 L)反应器在生产生物柴油应用中的可行性,系统研究了各相关因素的影响,同时,初步研究了固定化脂肪酶的操作稳定性。 固定化脂肪酶Lipozyme TL IM能有效催化玉米油转酯反应生产生物柴油,有机溶剂体系优于无溶剂体系,在所选用的五种有机溶剂中,叔丁醇为适宜的反应介质。反应体系中适量的有机溶剂一方面可以降低反应体系的黏度,减小传质阻力,加快酶反应速度,另一方面可以很好地溶解底物和甘油,降低其对酶反应的副作用。但过量有机溶剂的存在会稀释底物浓度,降低酶反应速度。适宜的叔丁醇/油的体积比为0.5:1,最适脂肪酶用量、摇床转速和反应温度分别为18.0U/goi1、180 r/min和35℃。采用三步法加入甲醇,分别在反应0 h、2 h和4 h加入醇/油摩尔比为0.5:1、0.5:1、3:1的甲醇,反应12h后甲酯产率达81.5％。 采用3因数5水平的可旋转中心组合设计法研究叔丁醇用量、酶量和醇油摩尔比三个因数对反应甲酯产率的影响。同时依据所得的实验数据建立相应的数学统计模型,并进行响应面分析,确定反应的最佳参数。优化的反应条件为：叔丁醇/油体积比为0.58:1、脂肪酶用量为25.9 U/goi1,在反应0 h、2 h和4 h加入醇/油摩尔比为0.5:1、0.5:1、2.8:1的甲醇,反应12 h后甲酯产率达85.6％；固定化脂肪酶Lipozyme TL IM具有较好的操作稳定性,反应10批次,相对酶活力为70.2％。在优化条件(叔丁醇/油体积比为0.58:1、脂肪酶用量为25.9 U/goi1,在反应0 h、2 h和4 h分别加入醇/油摩尔比为0.5:1、0.5:1、2.8:1的甲醇)下,Lipozyme TL IM能有效催化废油脂转化生产生物柴油生产生物柴油,反应12 h后甲酯产率达93.7％(高于以玉米油为原料的甲酯产率)。在本研究的范围内,水含量的差异对酶促玉米油转酯反应的甲酯产率的影响较小。在反应体系中添加三乙胺可有效提高酶促玉米油转酯反应的甲酯产率,当添加量为油重的20％时,反应12 h的甲酯产率可达92.0％。三乙胺的加入对操作稳定性没有显著的影响,反应10批次后Lipozyme TL IM的相对酶活力由对照值的70.2％下降到69.9％。 本文初步研究了0.5 L流化床反应器应用于Lipozyme TL IM催化油脂转酯反应生产生物柴油。Lipozyme TL IM在流化床反应器中能高效催化玉米油转酯反应生产生物柴油,适宜的叔丁醇/油体积比、酶量、温度分别为0.75:1、28.1U/goi1和35℃。采用四步法加入甲醇,分别在0 h、1 h、2 h、6 h时分别加入醇油摩尔比为0.5:1、0.5:1、1:1和2:1的甲醇,第一至四步的最适流速分别为2.4ml/s、3.0ml/s、4.2 ml/s、5.0 ml/s,反应24 h后的甲酯产率为85.8％。反应10批次,Lipozyme TL IM的相对酶活力为63.9％。 本研究为开辟生物柴油生产的新途径、降低生物柴油的生产成本奠定了一定的理论和实践基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1. 生物柴油的兴起与发展

1.1.1生物柴油的主要特性

1.1.2 国外生物柴油的生产和使用现状

1.1.3国内生物柴油的发展现状与前景

1.1.4生物柴油的制备

1.1.5影响酶法制备生物柴油的因素

1.2 非水介质中的酶催化

1.2.1非水相酶催化的特点

1.2.2非水相酶催化的反应体系

1.2.3有机溶剂对非水相酶催化的影响

1.2.4水在非水相酶催化中的作用

1.2.5其它影响因素

1.3 脂肪酶的研究与应用

1.3.1 脂肪酶的研究概况

1.3.2脂肪酶的结构及催化机制

1.3.3脂肪酶催化酯交换反应

1.3.4脂肪酶的固定化技术

1.3.5固定化脂肪酶反应器

1.4 响应面法

1.4.1响应面法概况

1.4.2 CCD

1.5 本研究的主要内容和意义

1.5.1本研究的主要内容

1.5.2本研究的意义

第二章材料与方法

2.1实验材料

2.1.1酶

2.1.2主要试剂及原料

2.2主要仪器设备

2.3实验方法

2.3.1原料废油脂的预处理

2.3.2废油脂水分的测定

2.3.3废油脂酸值及酸度的测定

2.3.4脂肪酶Lipozyme TL IM催化玉米油的转酯反应

2.3.5脂肪酶Lipozyme TL IM催化废油脂转化生产生物柴油

2.3.6添加剂对酶促玉米油转酯反应的影响

2.3.7流化床反应器在酶促玉米油转酯反应生产生物柴油中的应用

2.3.8气相色谱分析

第三章脂肪酶Lipozyme TL IM催化油脂转化生产生物柴油的研究

3.1酶促玉米油转酯生产生物柴油反应体系的确定

3.2有机溶剂的量对酶促玉米油转酯反应的影响

3.3醇／油摩尔比对酶促玉米油转酯反应的影响

3.4三步法转酯反应

3.5三步法加入甲醇时总醇／油摩尔比对酶促玉米油转酯反应的影响

3.6酶量对酶促玉米油转酯反应的影响

3.7温度对酶促玉米油转酯反应的影响

3.8摇床转速对酶促玉米油转酯反应的影响

3.9响应面法确定最优反应条件

3.9.1实验结果回归分析

3.9.2响应面等高图分析

3.10响应面法优化反应条件下的转酯反应过程曲线

3.11固定化脂肪酶Lipozyme TL IM的操作稳定性

3.12废油脂主要理化性质的检测

3.13Lipozyme TL IM催化废油脂转化生产生物柴油的反应过程曲线

3.14固定化脂肪酶Lipozyme TLIM催化废油脂转化生产生物柴油的操作稳定性

3.15水含量对玉米油转酯反应的影响

3.16添加剂对酶促玉米油转酯反应的影响

3.17三乙胺添加量对酶促玉米油转酯反应的影响

3.18添加三乙胺时脂肪酶Lipozyme TL IM的操作稳定性

3.19本章小结

第四章流化床反应器中Lipozyme TLIM催化玉米油转酯反应生产生物柴油

4.1有机溶剂的量对流化床反应器中三步法酶促玉米油转酯反应的影响

4.2总醇／油摩尔比对流化床反应器四步法酶促油脂转酯反应的影响

4.3流速对流化床反应器四步法酶促油脂转酯反应的影响

4.4酶量对流化床反应器四步法酶促油脂转酯反应的影响

4.5温度对流化床反应器四步法酶促油脂转酯反应的影响

4.6 Lipozyme TL IM催化玉米油在流化床反应器中转酯反应过程曲线

4.7酶操作稳定性的研究

4.8本章小结

结论与展望

参考文献

附录一色谱图

附录二校正曲线

攻读硕士期间发表论文情况

致谢