噴射流回路反應(yīng)器中液體酶催化制備生物柴油

引言

生物柴油是一種綠色清潔的生物燃料，通常以動(dòng)植物油脂為原料，用堿性催化劑催化與短鏈醇（甲醇或乙醇）進(jìn)行酯交換反應(yīng)得到。但堿催化對(duì)反應(yīng)原料品質(zhì)要求高，不含有游離脂肪酸和水。地溝油由于自身含有較高游離酸和水不能直接用堿催化生產(chǎn)工藝。與之相比，酶催化具有綠色、低能耗和容易分離等優(yōu)點(diǎn)，酶能在有水的環(huán)境中發(fā)生酯化和酯交換反應(yīng)，是以地溝油為原料生產(chǎn)生物柴油的更適宜方法。酶又分為固定化酶和液體酶，固定化酶由于制備工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴不利于工業(yè)生產(chǎn)，液體酶可以有效控制生產(chǎn)成本，更適宜工業(yè)化生產(chǎn)。

噴射流回路反應(yīng)器又叫做噴射環(huán)流反應(yīng)器，在相對(duì)低能耗下具有優(yōu)異的混合和傳質(zhì)性能，提高反應(yīng)效率，在多相反應(yīng)體系中的應(yīng)用具有良好的表現(xiàn)。廣泛應(yīng)用于氫化反應(yīng)、污水處理、微生物發(fā)酵等領(lǐng)域。目前，利用噴射流回路反應(yīng)器進(jìn)行液體脂肪酶催化制備生物柴油的研究鮮有報(bào)道。

本研究以地溝油、甲醇為原料，國(guó)產(chǎn)液體脂肪酶為催化劑，使用噴射流回路反應(yīng)器制備生物柴油，考察了醇油比、加酶量、加水量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度對(duì)生物柴油產(chǎn)率的影響，為使用噴射流回路反應(yīng)器進(jìn)行酶法生產(chǎn)生物柴油的工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

液體脂肪酶（假絲酵母，E.C 3.1.1.3，酶活力 100000 u/mL ）青島蔚藍(lán)生物技術(shù)公司提供、地溝油（唐河生物科技有限公司提供）、月桂酸甲酯（GC）、正己烷（GC）、無水甲醇、石油醚、無水乙醇、無水硫酸鈉、氫氧化鈉等均為分析純。

C2010-PLUS氣相色譜儀（日本島津）、噴射流回路反應(yīng)器DN-1（江蘇七禾機(jī)械設(shè)備有限公司）、高速臺(tái)式離心機(jī)（上海飛鴿TGL-16）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 生物柴油的制備

將500g地溝油（酸值127.12mgKOH/g）投入反應(yīng)釜中，打開循環(huán)泵和冷凝系統(tǒng)，待反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度且溫度穩(wěn)定后，利用柱塞泵將一定量的液體脂肪酶溶液（10ml/min）打入到回路反應(yīng)器的外循環(huán)管路中，酶（液）進(jìn)完后用進(jìn)料泵將甲醇以2ml/min的速度打入到外循環(huán)管路中反應(yīng)一定時(shí)間。定時(shí)取樣，取樣品上層液體GC分析。

1.2.2地溝油理化性質(zhì)的測(cè)定

地溝油的含水量、酸值、碘值、環(huán)氧值、參照國(guó)標(biāo)測(cè)定。酸值：127.12 mgKOH/g；碘值：87.4gI2 /100 g；含水量：1.35%；環(huán)氧值: 1.81mol/100g；

1.2.3脂肪酸組成的測(cè)定

對(duì)地溝油進(jìn)行甲酯化，離心得上層清液進(jìn)行氣相色譜分析

氣相色譜儀型號(hào)：GC2010-PLUS；色譜柱型號(hào)：DB-1HT 毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.1 μm)；進(jìn)樣口溫度：250℃；檢測(cè)器溫度：300℃；載氣：N2；載氣流速：1.2 mL/min；氫氣：40 ml/min；空氣：400 ml/min；進(jìn)樣量：1 μL；

柱箱升溫程序：柱箱初溫100℃，保留3min,然后以15℃/min升至220℃并保留10min。

脂肪酸出峰順序?yàn)椋鹤貦八?、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸，使用面積歸一法

分析各脂肪酸相對(duì)含量（棕櫚酸25.85%；硬脂酸7.4%；油酸32.1%；亞油酸31.3%；亞麻酸3.35%）。

1.3 生物柴油產(chǎn)率的測(cè)定

生物柴油產(chǎn)率的計(jì)算選擇采用氣相色譜法，以月桂酸甲酯作為內(nèi)標(biāo)物確定樣品中生物柴油的含量。

以月桂酸甲酯作為內(nèi)標(biāo)物，配制了不同質(zhì)量配比的生物柴油標(biāo)樣和內(nèi)標(biāo)物的混合溶液（4:1，2:1，1:1，1:2，1:4），通過氣相色譜儀檢測(cè)得出峰面積比，建立峰面積比與質(zhì)量比之間的關(guān)系。

此標(biāo)準(zhǔn)曲線的決定系數(shù)（R²）為0.9929，說明擬合精度較高，數(shù)據(jù)精度較為準(zhǔn)確。通過擬合公式，我們成功建立了峰面積比與質(zhì)量比之間的關(guān)系，便于后續(xù)生物柴油產(chǎn)率計(jì)算

式中m為測(cè)試樣品中的生物柴油質(zhì)量；m_ML為內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量；A 為生物柴油的峰面積；A_ML 為內(nèi)標(biāo)物的峰面積。

生物柴油產(chǎn)率計(jì)算

將生物柴油與內(nèi)標(biāo)物以一定比例混合，通入氣相色譜儀檢測(cè)峰面積，分析得到生物柴油的質(zhì)量。在隨后的生物柴油產(chǎn)率計(jì)算過程中，為了計(jì)算方便，本文規(guī)定：反應(yīng)的原料油與生成的生物柴油質(zhì)量相同。即忽略各種差異，不考慮其他物質(zhì)的生成。因此，生物柴油產(chǎn)率經(jīng)上式可得                

式中X為生物柴油的產(chǎn)率;m為生物柴油產(chǎn)物質(zhì)量;M為反應(yīng)原料油的質(zhì)量; 中ΣA 為所有脂肪酸甲酯峰面積之和；m_ML為內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量；A_ML 為內(nèi)標(biāo)物的峰面積。

結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 醇油比的影響

液體脂肪酶催化地溝油與甲醇的酯交換反應(yīng)屬于可逆反應(yīng)，甲醇含量的增加可以為反應(yīng)提供更多的酰基受體，促進(jìn)酯交換反應(yīng)向正向進(jìn)行。隨著醇油摩爾比從3:1增大到6:1，生物柴油的產(chǎn)率也從73.63%增加到95.29%。當(dāng)醇油比提高至7:1時(shí)，生物柴油的產(chǎn)率卻從95.29%下降到91.53%，這是因?yàn)榧状紝?duì)液體脂肪酶有一定的毒性，反應(yīng)體系中過量的甲醇會(huì)導(dǎo)致液體脂肪酶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，變性失活，降低液體脂肪酶的催化活性。最合適的醇油摩爾比是6:1,對(duì)比傳統(tǒng)堿催化工藝所需要消耗的10:1甚至更高的醇油比,本工藝具有較高的甲醇利用率，降低了生產(chǎn)成本，減少了原料浪費(fèi)。采用柱塞泵打入甲醇，也減弱了甲醇毒性對(duì)于液體脂肪酶的活性抑制作用，同時(shí)提高了甲醇的轉(zhuǎn)化率。

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，生物柴油產(chǎn)率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在反應(yīng)時(shí)間為3h時(shí)，生物柴油最大產(chǎn)率為95.24%。反應(yīng)在前兩個(gè)小時(shí)內(nèi)生物柴油產(chǎn)率增長(zhǎng)較快，在第三個(gè)小時(shí)達(dá)到反應(yīng)平衡后生物柴油產(chǎn)率逐漸降低，因?yàn)轷ソ粨Q反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，因此在達(dá)到反應(yīng)平衡后，生物柴油含量增大，逆反應(yīng)速度大于正反應(yīng)速度，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，導(dǎo)致生物柴油轉(zhuǎn)化率下降，因此，綜合考慮，選擇反應(yīng)時(shí)間為3h作為最適合的反應(yīng)時(shí)間。

經(jīng)噴射流回路反應(yīng)器強(qiáng)化后，反應(yīng)時(shí)間降低至3h，對(duì)比恒溫水浴搖床和機(jī)械攪拌的24h甚至36h,采用本裝置的反應(yīng)時(shí)間僅需3h,反應(yīng)效率提升很大，有效減少能源消耗，提高資源利用率。

2.1.3 加水量的影響

隨著體系中水含量的增加（5%-10%），生物柴油的產(chǎn)率從91.19%增大到94.38%，當(dāng)繼續(xù)提高體系中水含量時(shí)，生物柴油的產(chǎn)率反呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，從94.38%降低到88.28%。對(duì)于液體脂肪酶催化的酯交換反應(yīng)來說，水的存在是必需的，因?yàn)榇加蛢上嗍腔ゲ幌嗳莸?，適量水的加入可以形成液體脂肪酶-水-甲醇活性液滴，有效增大酶與地溝油的接觸面積，提高了反應(yīng)的傳質(zhì)效率，而且能夠激發(fā)液體脂肪酶的催化活性，同時(shí)水的加入也降低了甲醇的濃度，減弱了對(duì)酶的活性抑制，最大化發(fā)揮了酶的催化活性。但過量的水的加入，不僅會(huì)稀釋反應(yīng)物濃度，而且會(huì)促進(jìn)反應(yīng)體系中水解反應(yīng)的進(jìn)行，從而導(dǎo)致酯化反應(yīng)的逆向進(jìn)行，降低了生物柴油的產(chǎn)率。因此，確定加水量為油重的10%為最佳加水量。

2.1.4 反應(yīng)溫度的影響

生物柴油的轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并且在溫度為45 ℃時(shí)，生物柴油有最大的轉(zhuǎn)化率，其轉(zhuǎn)化率為94.38%。隨著溫度的升高，反應(yīng)體系中的分子運(yùn)動(dòng)速率不斷增大，物質(zhì)碰撞的幾率也就不斷增大，液體脂肪酶也由于溫度的升高達(dá)到了能夠更好發(fā)揮轉(zhuǎn)酯活性的構(gòu)象。但是當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)，雖然反應(yīng)體系中的分子運(yùn)動(dòng)速率不斷增大，但隨著溫度繼續(xù)升高，液體脂肪酶會(huì)發(fā)生變性，導(dǎo)致部分酶失活，從而使反應(yīng)體系中酶的催化活性降低，所以此時(shí)的生物柴油的產(chǎn)率下降。所以本實(shí)驗(yàn)的最佳反應(yīng)溫度為45 ℃。

2.1.5 酶添加量的影響

當(dāng)液體脂肪酶添加量從0.2%升至0.5%時(shí)，生物柴油的產(chǎn)率逐步提高，從72.92%上升到94.38%，酶的添加量增大時(shí)，反應(yīng)中酶提供的活性位點(diǎn)也增多，增大了甲醇與地溝油的反應(yīng)速率，進(jìn)而升高了生物柴油的產(chǎn)率。當(dāng)酶添加量繼續(xù)增大到0.6%時(shí)，生物柴油的產(chǎn)率卻下降到了92.30%，原因是當(dāng)?shù)孜餄舛缺３植蛔儠r(shí)，過量的酶的加入不會(huì)增大酶促反應(yīng)速率，反而過量酶的加入導(dǎo)致反應(yīng)體系中酶產(chǎn)生聚集，酶與油接觸面積減少，限制了反應(yīng)的傳質(zhì)速率。因此酶添加量為0.5%時(shí)為最合適酶添加量。

結(jié)論

本研究采用噴射流回路反應(yīng)器，以液體脂肪酶為催化劑催化地溝油和甲醇反應(yīng)合成生物柴油，在單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得最佳反應(yīng)條件為地溝油與甲醇摩爾比為6:1，加酶量0.5%（以原料油重量計(jì)），反應(yīng)溫度為45 ℃，加水量10%，在最佳優(yōu)化條件下反應(yīng)3h，生物柴油產(chǎn)率可達(dá)94.3%，為使用噴射流回路反應(yīng)器進(jìn)行酶法生產(chǎn)生物柴油的工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

文章來源：  《上海輕工業(yè)》   http://www.k2057.cn/w/kj/30978.html