（化学工艺专业论文）酶催化泔水油转化生物柴油工艺的研究.pdf

酶催化泔水油转化生物柴油工艺的研究 摘要 生物柴油是指利用植物油、动物脂肪或废油脂等与短链醇进行酯交换或酯 亿反应而形成的脂肪酸烷基酯混和物。与常规石化柴油相比，具有环境友好性 j 口可再生性两大突出优点，是一种新型的替代能源。本论文进行了泔水油转化 生物柴油的小试和放大实验，对生物柴油的主要指标进行了测定，研究了生物 柴油在o 拌柴油中的最佳配比量，同时对中性脂肪酶的固定化方法做了初步的探 索。实验结果如下： 研究了中性脂肪酶催化泔水油转化生物柴油的最佳工艺条件，讨论了油醇 摩尔比、酶粉的用量、反应温度、溶剂用量、反应时间及搅拌速度对反应体系 转化率的影响。以5 0 9 泔水油为基准，获得的小试最佳工艺条件为：油醇摩尔 比1 ：3 、温度4 5 、酶用量5 0 9 、正己烷3 0 9 ( 即4 5 m l ) 、反应时间1 0 h 、搅 拌速度为中速。在此工艺条件下，泔水油的转化率可达8 9 7 。 研究了小试工艺在放大实验中的应用情况，安排了1 0 l 、5 0 l 、1 0 0 l 反应 釜的逐级放大实验。放大实验结果表明：在1 0 h 之内反应体系的转化率可达 8 1 ，而当反应时间延长到2 4 h 时，反应体系的转化率能达到8 5 以上。对放 大实验制得的粗生物柴油进行了精制，通过多种仪器和化学检测手段测定了精 制生物柴油的主要指标，结果表明：精制生物柴油的主要指标符合国家生物柴 油标准。通过研究不同配比量对调和油的酸值、密度、粘度和硫含量的影响， 确定了生物柴油在0 群柴油中的配比量为5 lo 时调和油的效果较好。 由于酶粉在上面实验中使用的量较大，为了减少其用量及提高酶粉的重复 利用率，本文还开展了以硅藻土为载体，采用吸附法固定中性脂肪酶的研究， 探讨了给酶量、温度、p h 、时间对固定化率的影响。结果表明：当给酶量为 3 3 3 7 4 u g 、温度为3 5 、p h 值为7 5 、时间为4 h 时，得到的固定化中性脂肪 酶的活力可达6 7 3 3 u g 。1 载体。进行了固定化中性脂肪酶和中性脂肪酶的比较实 验，结果表明：固定化中性脂肪酶各方面性质明显优于中性脂肪酶。 关键词：泔水油；生物柴油；中性脂肪酶；放大实验；固定化中性脂肪酶 s t u d yo nt h ep r o c e s so fs w i l lo i lt r a n s f o r m e di n t o b i o d i e s e lc a t a l y z e db ye n z y m e a bs t r a c t b i o d i e s e li sa nm i x t u r ea l k y le s t e r s ，w h i c hi sp r e p a r e dt h r o u g ht h ee s t e r e x c h a n g eo re s t e r i f i c a t i o nr e a c t i o no fv e g e t a b l eo i l s ，a n i m a lf a t t yo rw a s t ef a t t y w i t hs h o r tc h a i na l c o h 0 1 c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a l p e t r o c h e m i c a ld i e s e l ， b i o d i e s e li san e wt y p eo fa l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e s ，w h i c hh a st w oo u t s t a n d i n g a d v a n t a g e so ft h ee n v i r o n m e n t a lf r i e n d l i n e s sa n dr e n e w a b l en a t u r e i nt h i sa r t i c l e ， t h es m a l ls c a l ee x p e r i m e n ta n ds c a l eu pe x p e r i m e n to fs w i l lo i li n t ob i o d i e s e lw e r e c a r r i e do u t ，t h em a i nt a r g e t so fb i o d i e s e lt e s t e d ，a n dt h eb e s tv o l u m er a t i oo f b i o d i e s e li n0 # d i e s e lo i lw a ss t u d i e d a tt h es a m et i m e ，ap r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o no f n e u t r a ll i p a s ei m m o b i l i z e dw a y sw a sa l s om a d e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea s f o l l o w s ： t h eo p t i m u mp r o c e s sc o n d i t i o n so fs w i l lo i lt r a n s f o r m e di n t ob i o d i e s e lw i t h c a t a l y s to fn e u t r a ll i p a s ew e r es t u d i e da n dt h ei n f l u e n c e so ft h em o l a rr a t i oo fo i l a n da l c o h o l ，e n z y m ep o w d e rd o s a g e ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，s o l v e n ta m o u n t ，r e a c t i o n t i m ea n ds t i r r i n gs p e e do nt h ec o n v e r s i o nr a t i oo ft h er e a c t i o ns y s t e mw e r e d i s c u s s e d t o5 0 9s w i l lo i la st h eb e n c h m a r k ，t h er e s u l ts h o w e dt h a t ：w h e nt h e t e m p e r a t u r ea t4 5 c ，m o l a rr a t i oo fo i lt oe t h a n o l1 ：3 ，e n z y m ew e i g h t5 0 9 ，3 0 9 h e x a n e ( n a m e l y4 5 m l ) ，t h er e a c t i o nt i m eo f10 h ，s t i r r i n g a tm e d i u ms p e e d ，t h e c o n v e r s i o nr a t i oo ft h er e a c t i o ns y s t e mc o u l db eu pt o8 9 7 t h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so ft h es c a l eu pe x p e r i m e n tb a s e do nt h er e s u l to f s m a l ls c a l ew e r es t u d i e da n dt h el e v e l sl i k eio l ，5 0 l ，10 0 lr e a c t o rw e r eu s e d t h e r e s u l t so fs c a l eu pe x p e r i m e n t ss h o w e dt h a ta f t e r1o hr e a c t i o n ，t h ec o n v e r s i o nr a t i o o ft h er e a c t i o ns y s t e mc o u l db eu pt o81 ，a n da f t e r2 4 h ，i tc o u l db eu pt om o r e t h a n8 5 t h ec r u d eb i o d i e s e lp r e p a r a t i o nw a sp u r i f i e da n dt h em a i np h y s i c a la n d c h e m i c a lp r o p e r t i e so fp u r i f i e db i o d i e s e lw e r em e a s u r e da n da n a l y z e db yd i f f e r e n t w a y s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h em a i np a r a m e t e r so ft h ep u r i f i e db i o d i e s e lm e t n a t i o n a lb i o d i e s e ls t a n d a r d s a n dt h r o u g hs t d u y i n gt h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n t v o l u m er a t i o st oa c i dv a l u e ，d e n s i t y ，v i s c o s i t ya n ds u l f u rc o n t e n to ft h em i x e do i l ， i nt h ep r o p o r t i o no f5 一10 b i o d i e s e li n0 # d i e s e lo i lw a sc o n f i r m e d ，t h em i x e do i l i sm o r ee f f e c t i v e t or e d u c ee n z y m ec o n s u m p t i o na n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t e ，i nt h ea r t i c l e m e t h o do fd i a t o m i t ea st h ec a r r i e rt o i m m o b i l i z en e u t r a ll i p a s ew a sd e v e l o p e d a n d t h ei n f l u e n c e so ft h ea m o u n to fs u p p l y i n ge n z y m e ，i m m o b i l i z e dt e m p e r a t u r e ， i m m o b i l i z e dp h ，i m m o b i l i z e dt i m eo ni m m o b i l i z a t i o nr e s u l tw e r ee x p l o r e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ：w h e nt h ea m o u n to fs u p p l y i n ge n z y m ef o r3 3 3 7 4 u g ， t e m p e r a t u r ea t3 5 。c ，p h7 5 ，a f t e ra d s o r p e df o r4 h ，t h er e c o v e r yo fi m m o b i l i z e d n e u t r a ll i p a s ec o u l db eu pt o 6 7 3 3 u gc a r r i e r a n da c c o r d i n gt oc o m p a r a t i v e e x p e r i m e n tb e t w e e ni m m o b i l i z e dn e u t r a ll i p a s ea n dn e u t r a ll i p a s e ，i th a ds o m e a d v a n t a g e st ot h en o ni m m o b i l i z e dn e u t r a ll i p a s e k e yw o r d s ：s w i l lo i l ；b i o d i e s e l ；n e u t r a ll i p a s e ；s c a l eu pe x p e r i m e n t ；i m m o b i l i z e d n e u t r a ll i p a s e i i i 插图清单 ， 目2 1 实验装置图1 4 目2 2 制备生物柴油工艺流程图1 5 目2 3 酶的用量对泔水油转化率的影响1 7 目2 - 4 反应温度对泔水油转化率的影响1 8 图2 5 正己烷用量对泔水油转化率的影响一1 9 图2 - 6 反应时间对反应的影响1 9 图2 7 正交趋势图2 2 图2 8 优化条件实验2 2 图2 - 9 生物柴油标样气相色谱图2 3 图2 1 0 自制生物柴油气相色谱图2 3 图3 - i1 0 l 反应釜2 5 图3 25 0 l 反应釜j 2 5 图3 31 0 0 l 反应釜2 5 图3 4 生物柴油初产品油的蒸馏提纯2 6 图3 5 放大效应对反应转化率的影响3 l 图3 - 6 原料与产品3 2 图3 7 不同配比量和温度对调和油粘度的影响3 3 图3 8 不同配比量对调和油酸值的影响3 4 图3 - 9 不同配比量对调和油凝固定点的影响3 4 图3 1 0 不同配比量对调和油密度的影响3 5 图3 1 1 不同配比量和压力对调和油硫含量的影响3 6 图4 1 给酶量对酶活的影响3 9 图4 2 温度对酶活的影响：4 0 图4 3 摇床转速对酶活的影响4 1 图4 - 4 时间对酶活的影响4 1 图4 5 酶的最适反应温度4 2 图4 6 酶的热稳定性4 2 图4 7 酶的最适反应p h 4 3 图4 8 酶的p h 稳定性4 3 图4 9 酶的有机溶剂耐受性4 4 i v 表格清单 表1 1 国外生物柴油生产标准【5 2 1 7 表1 2 中国生物柴油生产标准 5 3 】7 表2 1 实验用主要药品和原料列表1 2 表2 - 2 主要仪器设备列表1 2 表2 3 正交实验因素和水平表：1 6 表2 4 泔水油理化指标1 6 表2 5 不同油醇摩尔比的泔水油转化率1 7 表2 - 6 搅拌速度对反应的影响2 0 表2 7 正交试验安排与结果表：2 1 表3 1 主要仪器设备列表2 4 表3 2 实验用主要试剂和原料2 4 表3 3l o l 反应釜重复实验结果表j 3 0 表3 45 0 l 反应釜重复实验结果表j 3 0 表3 51 0 0 l 反应釜重复实验表3 1 表3 - 6 ，自制生物柴油理化指标表3 2 表4 1 主要仪器列表3 7 表4 2 主要实验用品列表3 7 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文储签字虬签字魄一年佃6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 魍王些太堂：可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 导师签名j 叮川司 签字日期：山哆年午月f6 日签字日期：9 勺年噜月【c 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 在此论文完成之际，我要衷心感谢我的两位导师于少明教授和吴克教授， 两位恩师三年的教导与关怀，令学生受益匪浅。正是由于两位恩师在课题选择、 总体设计、实验安排以及论文撰写等方面倾注了大量的心血，我才有幸在这里 执笔相谢。回忆从师的点点滴滴，两位恩师对专业敏锐的洞察力、活跃的科研 思维、严谨的治学作风、严于律己宽以待人的为人风格和对事物的执着追求与 不懈努力都令学生钦佩不已。在生活方面也给予了学生无微不至的关怀和照顾， 是两位恩师创造了良好的学习、实验和生活环境，使学生全身心的投入到学习 和实验中来。更为重要的是，两位恩师还处处以身作则，时刻教导学生做人的 准则和处事原则。在此，学生再次向于少明吴克两位恩师表示最衷心的感谢和 最诚挚的敬意。 感谢合肥学院生物与环境系的俞志敏老师、金杰老师、刘盛萍老师、吴环 老师、刘斌老师、叶劲松老师给予的指导和支持。 感谢合肥工业大学化工学院的各位领导和老师给予的关怀和帮助。 感谢合肥工业大学同实验室的章璩嵩师兄、周俊同学、刘涛同学、乐金冬 同学、潘海敏同学在生活和学习上给予的关心和帮助。 感谢合肥工业大学杨艳红同学、王磊同学、李易同学、谷化强同学、陈月 庆同学在实验给予的帮助和支持。 特别要深深感谢我的父母和女朋友，正是有了他们无私的奉献，我才得以 继续深造并顺利完成学业，感谢他们。 谨以此文献给我的母校、我的恩师，以及我的亲人和所有关心、支持和帮 助过我的老师和朋友们，你们的帮助将是我一生前进的动力。 作者：苏敏光 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 泔水油的现状 1 1 1 泔水油的来源及危害 泔水油是含有大量的游离脂肪酸和少量的甘油三酯、甘油二酯和甘油单酯 的废弃油脂。近年来，随着国民经济的增长，餐饮行业迅速发展，其排放的废 泔水油量越来越大，由于泔水油中含有较高浓度的动植物油脂及大量固体悬浮 物，是一个主要的水污染源。 泔水油的含污量很高，主要污染物为动植物油、溶解性有机混合物和悬浮 物等。目前，在餐饮业排放的泔水油中含有大量油脂，由于油比重较小，它们 与水中悬浮物粘合在一起，不易分离。洗涤剂的大量使用使得餐饮业排放的泔 水油呈乳化状，一般油水处理设备难以进行油水分离。同时，由于动植物油脂 在常温下呈白色糊状，在油水分离时易堵塞管道，也造成了泔水油治理的困难 】。我国泔水油的产量很大，据估算废弃油脂的量约占食用油总消费量的 2 0 。3 0 。以中国年均消费食用油2 1 m t 计，每年产生废油4 8 m t ，收集起来能 够作为资源利用的废弃油脂有4 m t 左右【z j 另据了解，目前餐饮企业大多采取直接倾倒泔水的方法，或是变相做饲料 原料销售。如果未经处理，就用作动物饲料，就会导致其肉质量下降，且随着 食物链的延长，一些毒素会累积，最终还是影响到人体健康。现在环卫部门己 经开始限制直接将泔水用作猪饲料。专家认为，泔水中不仅含有各类细菌，还 含有一些聚酚、聚苯、聚乙烯等不易分解的化学物质，简单加热根本起不到消 毒作用。综上所述，城市餐饮业泔水的处理问题己经迫在眉睫p j 。 泔水油的不法经营问题引起了社会各界的强烈反响及政府部门的高度重 视，一些城市出台了规范整治措施：强制性规定宾馆、饭店使用油水分离设备， 分离出的油渣掩埋或由政府补贴集中管理炼制，炼制出的杂抽作为制皂及一些 小型油酸厂的原料，但仍然存在产品附加值低、资源浪费重、经济效益差，掩 埋占用土地、二次污染等问题 4 1 。在大中城市特别是旅游城市，餐馆废弃泔水 油数量之多、对环境污染影响之大以及不法分子生产假冒优质食用油坑害人民 群众，己引起了有关部门及专家的重视。有的城市已对废弃泔水油的利用作了 具体的规定【5 - 引，这也给油脂化工行业的发展提供了一个新的契机。 1 1 2 泔水油的利用状况 面对餐饮业每天产生的大量泔水油，世界各国还没有统一的处理方案。目 前我国泔水油资源化利用的途径主要有：生产油酸、甘油、硬脂酸p j ，生产有 机肥料、肥皂、化妆品 1 0 】，生产涂料、金属皂和制备高滴点锂基润滑脂等【l 。 在欧洲泔水油曾被用作动物饲料的添加剂，后来因检测到鸡肉中存在二嗯英， 究其原因是因添加废油脂的饲料喂养所致，所以欧盟饲料成分决议对废食 用油添加动物饲料做了严令禁止。为彻底杜绝废弃食用油的危害，提高其附加 价值，寻找泔水油新的利用途径已成为当务之急，而以泔水油为原料生产生物 柴油是最具前景的处理方式。 1 1 3 泔水油制备生物柴油的可行性 泔水油尽管存在粘度大、挥发性差、与空气混合效果不好、易发生热聚合 等问题 12 1 ，但是经酯化和转酯化反应后能够完全满足k e v i nj h a r r i n g t o n 提出的 柴油代用理想品所具备的条件 1 3 】，因而泔水油制备生物柴油在技术上是可行 的。 生物柴油的制备成本的7 5 是原料成本，产品价格消费者目前还不能接受。 因此采用廉价泔水油为原料，可以降低生产成本，同时又由于生物柴油是一种 长链脂肪酸酯类物质，是通过短链醇类物质( 甲醇或者乙醇) 与某些脂油类物质 反应得到的产物，其主要成分为硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯等的混合 物【1 4 】，与石化柴油相比 1 5 川】：生物柴油十六烷值高，含硫量低于石化柴油，可 以再生、可生物降解、无毒、润滑性能好、其燃烧排放物中致癌物和粉尘较少 等。可减少对环境的污染，资源得到充分合理的利用。因而泔水油制备生物柴 油在经济效益和社会效益上都是可行的。 、 1 2 生物柴油的制各方法 1 2 1 直接混合法 直接混合法通过将天然植物油与柴油、醇类或其他有机溶剂直接混合，以 提高植物油的挥发能力和降低其黏度。在这方面使用最早的是南非，1 9 8 0 年 c a t e r p i l l a rb r a z i 公司用向日葵油与柴油混合制得生物柴油【l8 1 ，虽然可以使用， 但是由于植物油本身的低挥发性、高粘度、流动性差等缺点容易导致发动机出 现污染喷嘴、活塞环粘连、积碳、润滑油变调、不能持续工作等故障。因此， 直接混合法尽管工艺简单，但制备出来的生物柴油质量不高，不能从根本上改 变植物油的高黏度性能，植物油依然不能长期使用在柴油机上。 1 2 2 微乳液法 微乳液法是将植物油与甲醇、乙醇、丙醇或1 丁醇等溶剂直接混合形成微 乳液来降低其黏度。1 9 8 4 年g e o r i n g 和f r y t l 9 】用乙醇水溶液与大豆油制成微乳 状液。这种微乳状液除了十六烷值较低之外，其他性质均与2 号柴油相似。 z i e j e w s k i 等【2 0 】用冬化葵花籽油、醇以及1 丁醇制成乳状液，在2 0 0 h 的实验室 耐久性测试中没有严重的恶化现象，但仍出现了积炭和使润滑油黏度增加等问 题。因此，此方法虽然工艺简单，但是出现的问题和直接混合法类似，而且这 种方法与环境的关系很大，环境的变化易出现破乳现象。 1 2 3 高温热裂解法 高温热裂解是指物质在隔绝氧气的条件下经过高温加热，引起物质化学键 2 断裂而生成小分子物质的过程。c h e w 和b h a t i a 2 1 】以稀土y 型沸石作为催化裂 化催化剂，在4 5 0 c 的条件下高温热裂解棕榈油制得生物柴油。w i g g e r s 等【2 列 对废弃鱼油热裂解的产物进行了分析，发现热裂解得到的生物柴油的特性与石 化柴油的性质相似。高温裂解法过程简单，能得到符合内燃机要求的燃油，没 有污染物产生，缺点是在高温下进行，需催化剂，裂解设备昂贵，反应程度难 控制，反应产物复杂，副产物多，且产物中汽油的含量大于柴油。在热裂解过 程中，除去氧而降低了含氧燃油本身所具有的优势，裂解的上述缺点限制其广 泛使用。 1 2 4 酯交换法 酯交换法生产生物柴油时，由于原料条件及使用的催化剂不同，各种生产 工艺间存在较大差异。根据有无催化剂及催化剂的类型分为：酸催化、碱催化、 生物酶催化和超临界酯交换法等。 1 2 4 1 酸催化酯交换法 酸催化法用到的催化剂主要有硫酸、盐酸和磷酸等。在酸催化法条件下， 游离脂肪酸会发生酯化反应，且酯化反应速率要远快于酯交换速率【2 引，因此该 法适用于游离脂肪酸和水分含量高的油脂。c a r b b e 2 4 以棕榈油为原料，以h 2 s 0 4 为催化剂生产生物柴油，得到的最优条件是：反应温度为9 5 、反应时间9 h 、 甲醇与油的摩尔比为4 0 ：1 、h 2 s 0 4 为5 ( 质量比) ，在此条件下的转化率为9 7 。 h a a s 2 5 】用浓硫酸催化油脚生产生物柴油，油、醇和催化剂的摩尔比为1 ：1 8 ：0 1 7 ， 在6 5 下反应1 4 h ，转化率可达到9 5 。酸催化的缺点是：反应温度和压力偏 高、反应速度慢、反应设备要求高。 1 2 4 2 碱催化酯交换法 碱催化剂主要包括k o h 、n a o h 、碳酸盐、烷基氧化物( 如甲醇钠、异丙醇 钠等) 、固体碱( 如c a o 等) 和含氮类有机碱等，最常用的碱性催化剂为k o h 和 n a o h 。与酸催化相比其催化速率快很多、反应条件温和、反应转化率高。m a 和h a n n a 2 6 】以油料为原料，在温度为6 5 下，以k o h 为催化剂，经3 h 反应后 转化率达9 0 1 。d a r n o k o 和c h e r y a n 2 7 】以棕榈油酯为原料，研究了酯交换反应， 在醇油摩尔比6 ：1 、温度为6 0 、k o h 为催化剂条件下，6 0 r a i n 后甲酯的收率 为9 7 3 。李玉芹和曾虹燕【2 8 】以固体碱l d o l d h ( 水滑石) 为催化剂，催化大豆 油与c h 3 0 h 反应，在6 5 、油醇摩尔比为1 ：6 、催化剂用量为1 5 的条件下 反应4 h ，制备的生物柴油的性质符合德国标准。尽管碱催化酯交换反应具有上 述优点，但由于碱与含有脂肪酸的原料油容易发生皂化反应，因此它不适合脂 肪酸含量高的原料油，对原料油的要求较高。并且其在反应中存在副反应如油 脂与碱催化剂发生皂化反应形成胶，增加产物粘度，形成乳化现象，从而增加 产物酯与甘油的分离难度。 3 1 2 4 3 酶催化酯交换 脂肪酶催化交换法是利用脂肪酶催化转酯化制备生物柴油。化学酯交换法 制备生物柴油所用的催化剂存在分离困难、所需能量大等问题，采用酶催化可 以解决这一问题。酶法生产生物柴油具有提取简单、反应条件温和、醇用量小、 甘油易回收和无废物产生等优点，尤其是对原料要求低，可利用餐饮废油脂和 工业废油脂等原料，因此，酶法生产生物柴油日益受到人们的青睐。 l a r a 和p a r k 2 9 】研究了在有机溶剂( 正己烷) 中假丝酵母脂肪酶催化转酯化棕 榈油与短链醇，反应4 h 转化率就能达到7 8 6 左右，其中以正丙醇为底物时反 应8 h 转化率即可达9 6 。谭天伟等 3 仉3 1 】采用膜或纤维织物布做为载体来制备 固定化酶，经该方法固定后的脂肪酶活性高，使用寿命长，将其用于催化北京 市地沟油、煎炸油及菜籽油的酯化，脂肪酸甲酯转化率达9 5 以上。高静等l j 纠 用纺织品吸附法固定化假丝酵母脂肪酶c a n d i d i as p 9 9 1 2 5 ，然后在石油醚体 系中催化废油脂合成生物柴油，研究得到了最佳的工艺参数：底物有机溶剂与 油的摩尔比为1 ：4 ，反应体系加入油质量分数1 0 的水，分两次加入甲醇，反 应6 h ，油醇摩尔比为l ：3 ，最高单批转化率可达9 2 ，而且自制的固定化酶使 用7 批次后，转化率仍在7 0 以上。 ， 酶催化酯交换虽然有上述的很多优点，但是其工艺现在还存在缺点。在酶 催化工艺中，由于要使用到甲醇或者乙醇等短链醇类物质，而短链醇容易引起 酶失活，由此降低反应的效率，并且酶的价格高，失活的酶就不能重复利用， 因此会加大经济投入，解决酶失活是酶催化工艺中至关重要的。陈志峰等p 副 以乙酸甲酯代替短链醇，用固定化脂肪酶n o v o z y m4 3 5 催化高酸废油脂生产生 物柴油，研究认为可望形成简便、高效、低生产成本，因而可用于生物柴油生 产的新工艺。 1 2 4 4 超临界法 超临界法是目前制备生物柴油的新工艺。它的最大特点是：不需要另加催 化剂，超临界甲醇既是反应介质，又是反应物与催化剂。与化学法相比，它在 反应速度、对原料的要求和产物的回收方面都有许多优越性。 超临界法是由s a k a 和k u s d i a n a 3 4 提出的，反应在间歇反应器中进行，温 度为3 5 0 4 0 0 ，压力为4 5 6 5m p a ，菜籽油与甲醇摩尔比为1 ：4 2 。研究发现， 经超临界处理甲醇在无催化剂存在下能很好与菜籽油发生酯交换反应，其产率 高于普通碱催化过程。a y h a n e 3 5 】在间歇式反应器中，甲醇在超临界状态下与榛 子油反应制备生物柴油，结果表明甲醇在超临界状态下，油脂与甲醇的反应速 率非常快，而在亚临界甲醇状态下，油脂与甲醇的反应速率较慢。 影响超临界法制备生物柴油主要因素有：温度、压力、醇油比和停留时间 等。孙世尧等 3 6 】人研究了超临界甲醇法制备生物柴油中反应条件对甲酯生成率 的影响。结果表明，醇油摩尔比越大，大豆油转化率越高；升温有助于提高反 4 应速率；当压力高于1 3 5 m p a 时，压力对反应的影响不明显；原料油中，不同 脂肪酸酯甲酯化的速率不同，按亚油酸酯、油酸酯、棕榈酸酯、硬脂酸酯的顺 序依次降低。k u s d i a n a 和s a k a 3 7 】的研究表明，当醇油摩尔比为4 2 ：1 时，反应 4 m i n 后的甲酯转化率达到9 5 以上。当醇油摩尔比降低到2 1 ：1 时，反应4 m i n 后的甲酯转化率只有8 0 。醇油比进一步降低至6 ：l 时，脂肪酸甲酯的转化率 只有4 0 。与传统催化法相比，超临界制备法具有以下优点：反应时间短、可 以连续操作、，无皂化反应产生、后续处理过程简单、工艺流程简单、产品收率 高。但是由于超临界制备生物柴油的方法需要在高温高压条件下进行，导致较 高的能量消耗，使得工业化困难，需要进一步研发。 1 2 4 5 制备生物柴油方法的新发展 在上述酯交换反应中很多新的强化手段被应用到反应之中，主要包括超声 波、微波和离子液体等反应过程强化手段。j i 等【3 8 】研究发现在碱催化的转酯化 反应中，用频率为1 9 7 k h z 的超声波辐射，可使液液不互溶系统发生乳化和气 穴现象，从而缩短反应时间，提高产率。b a r n a r d 等【3 9 】用微波强化酯交换反应， 发现在微波强化作用下，酯交换反应的速率提高，相比于传统的加热方式微波 加热的能量的利用率更高。吴芹等 4 0 】利用离子液体催化棉籽油酯交换反应制备 生物柴油，结果表明，离子液体具有很好的催化活性，离子液体容易同产物分 离，具有很好的稳定性，可以循环使用，对环境友好，是制备生物柴油较理想 的催化剂。因此，不断完善生物柴油的制备方法不但可以提高反应的转化率和 产品的质量，而且可能寻找到一种制备生物柴油更加简便的方法。 1 3 国内外生物柴油的现状 1 3 1 国外生物柴油的现状 国外的生物柴油多是利用大豆油( 美国) 或菜籽油( 欧洲) 研制的。随着研究的 深入，米糠油、工业猪( 牛) 油、废弃的餐饮业油脂以及工业废油等都被用来试 制生物柴油。并且取得了一定的成功。2 0 0 5 年资料显示，印度一些实验室正积 极利用当地盛产的一些低成本的高酸价不可食用油研究制备生物柴油， a s r a m a d h a s 和g h a d g e 4 1 - 4 2 分别以橡胶籽油和m a h u a 油为原料探索其工艺，以 求得资源的综合利用与开发。 目前生物柴油使用最多的是欧洲，份额己占到成品油市场的5 ，并且得到 了政府政策支持和法律保护。随着生物柴油的推广普及，世界生物柴油市场将 日趋活跃，并将逐步扩大替代石油原料的比例，在原料构成比例中占据更大的 份额。国外相应的生物柴油的生产规模也比较大。欧盟制定的推广生物柴油的 目标是：至l j 2 0 1 0 年达至u 8 3 0 万吨，生物燃料市场占有率达5 7 5 ，2 0 2 0 年达2 0 。 欧盟中德国是世界上生物柴油生产量最大的国家，已有1 0 家生物柴油生产工厂， 在全国有3 0 0 多个配备生物柴油的加油站，其生产能力更是高达1 0 0 万吨年，并 制定了生物柴油标准d i nv 5 1 6 0 6 。法国有7 家生物柴油生产厂，总能力为4 0 万 5 吨年，使用标准是在普通柴油中掺加5 生物柴油，对生物柴油的税率为零 4 3 4 4 】 o 由于1 9 9 0 年的空气清洁法案和1 9 9 2 年的能源政策法案，美国已经确立到 2 0 0 0 年用非石油代用燃料来替换1 0 的发动机燃料，至u 2 0 1 0 年将这一比例提高 到3 0 的目标。生物柴油在美国的使用日渐增多，尤其是在城市公共汽车中的 使用。美国现有4 家生物柴油生产厂，总能力为3 0 万吨年，其生物柴油的产量 由1 9 9 9 年的1 8 9 2 5 m 3 猛增n 2 0 0 0 年的18 9 2 5 m 3 ，扩大十倍，规划2 0 1 1 年将生产1 1 5 万吨 45 1 。其他地区的一些国家也在兴起生物柴油产业。日本生物柴油生产能力 达至1 4 0 万吨年，泰国发展生物柴油计划己于2 0 0 1 年7 月发布，保加利亚、巴西、 韩国等也向全国推广使用生物柴油【4 6 1 。 1 3 2 国内生物柴油的现状 我国从上世纪8 0 年代才开始生物柴油的研究，起步较晚，目前尚处于初级 研发阶段，但己经初有成效。海南正和生物能源有限公司于2 0 0 1 年9 月在河北邯 郸成立年产l 万吨的生物柴油试验工厂，产品经石油化工科学研究院以及环境科 学研究院测试，性能达到a s t m 生物柴油标准。另外，福建卓越新能源公司， 四川古杉油脂化工公司等也分别建立了生物柴油生产装置。为了降低生物柴油 的生产成本，提高市场竞争力，各厂家均采用价格低廉的原料，如餐饮业废油、 食用油油脚等。虽然国内生物柴油的工业化生产相对国外来说还很小，也初具 一定的规模。与此同时，实验室研究也开展的较为出色。江苏工业学院的邬国 英等【4 7 】利用多种原料如大豆油、棉籽油和菜籽油等制备生物柴油，并且采用不 同的生产工艺( 碱催化、酶催化等) 作了尝试，北京化工大学的谭天伟【4 副运用脂 肪酶对餐饮业废油进行转酯化反应的研究，还有清华大学【4 引、华东( 南) 理工大 学 5 0 】和中国农业科学院油料作物研究所【5 1 】等也在从事相应的研究工作，实验室 的最新科研成果对生物柴油的产业化进程将起到推动作用。 1 4 国内外生物柴油的标准 生物柴油质量标准评价指标包括：密度、黏度、硫含量、十六烷值、闪点、 灰分、残炭、水分、机械杂质、甘油含量等。 1 4 1 国外生物柴油标准现状 生物柴油的研究和应用在欧美最为活跃，据欧洲生物柴油协会( e b b ) 统计， 2 0 0 5 年欧洲生物柴油产量为6 0 7 m t ，与2 0 0 4 年相比增加了6 5 ，欧洲计划在 2 0 1 0 实现生物燃料( 其中8 0 为生物柴油) 占总运输燃料5 7 5 。为了生产、推 广和使用生物柴油，从1 9 9 2 年奥地利制定了世界上第一个以菜籽油甲脂为基准 的生物柴油标准以来，德国、法国、捷克、澳大利亚和美国等国家也分别建立 了各自的生物柴油标准( 见下表1 1 ) 。然而，由于生物柴油制备原料受产地、气 候等的影响和制备工艺的不一致，目前国际上尚无统一的生产和使用标准。 6 表1 10 1 1 j b 生物柴油生产标准5 2 l 1 4 2 国内生物柴油标准 我国生物柴油的研究起步较国外其他一些国家晚，因此在生物柴油的质量 标准上面我国不得不借鉴国外的标准。于是在借鉴美国和欧盟标准的基础上， 由中国石化化工股份有限公司石油化工科学研究院起草了国家生物柴油产品质 量标准，并且于2 0 0 7 年5 月1 号颁布实施( 标准见下表1 2 ) 。 表1 - 2 中国生物柴油生产标准1 5 引 项目指标值 标准 2 0 c 时的密度僭m l - 1 4 0 。c 时的动力黏度m m 2 8 j 9 0 馏程 闪点 冷滤点( c f p p ) c 硫含量伤 残碳( m ) 惕 十六烷值 灰分惕 水分m g k 9 1 铜片腐蚀( 级) ，3 h 5 0 氧化稳定性，l1 0 。c h 7 g b t2 0 8 2 8 0 8 2 0 旬9 0 0 1 9 石o 3 6 0 1 3 0 报告 0 0 5 0 0 0 5 0 3 4 9 0 0 2 5 0 0 l 6 0 中和值( k o h ) m g k 9 1 o 8 游离甘油( m ) o 0 2 总甘油( m ) 慌 o 2 4 0 通过表1 和2 可以看出，我国和国外生物柴油标准的制定上有些指标不能完 全相同，这主要是因为我国制备生物柴油的原料和国外制备生物柴油的原料上 的区别。 1 5 脂肪酶的固定化 1 5 1 游离酶的缺点 酶的化学本质是蛋白质，其催化特性严格地依赖于蛋白质的三维结构以及 底物与蛋白质活性基团准确的功能定位。游离酶存活的温度、p h 值范围较窄， 容易变性和失活，对热、强酸、强碱、有机溶剂等均不够稳定，在催化反应中 也存在着难以克服的缺点 5 4 - 5 5 】：( 1 ) 容易发生微生物降解或聚集而失活；( 2 ) 游 离酶难以重复使用，不易回收；( 3 ) 在均相催化反应体系中，反应后酶与底物及 产物的分离困难，导致产物不纯，影响产品质量；( 4 ) 不能实现连续操作；( 5 ) 酶工作的条件要求在常压、低温的环境中。而高压、高温、强酸、强碱、重金 属盐、紫外线、射线、剧烈震荡均可使酶活性降低。因此对于现代工业来说游 离酶不是一种理想的催化剂。 1 5 2 固定化酶的提出及优点 为了克服游离酶在催化中的缺点，人们开始探索将水溶性酶与不溶性载体 结合起来，使之成为不溶于水的酶的衍生物，又能保持大部分原酶固有的活性， 在催化反应中不易流失，这即是所谓的“固定化酶 。与游离酶相比，固定化 酶具有诸多优点 5 “5 7 】：( 1 ) 固定化酶容易与底物、产物分离，从而简化了提纯步 骤，产率较高，产品质量较好；( 2 ) 固定化酶可以重复多次使用，因此酶用量大 大减少，单位酶的生产力高，使成本降低；( 3 ) 固定化酶的反应条件易于控制， 可以装柱连续反应，易于自动化生产；( 4 ) 较游离酶更适合于多酶反应。 1 5 3 固定化方法 酶的固定化研究工作经过三十几年的发展，已经具有了一定的研究规模。 从技术上来说，酶的固定化方法一般分为四种：吸附法、包埋法、结合法和交 联法5 8 】 1 5 3 1 吸附法 吸附固定是最为简单的方法，酶与载体之间的亲和力是范德华力、离子键 和氢键。此方法又可分为物理吸附法和离子吸附法。 1 5 3 1 1 物理吸附法 利用各种固体吸附剂，将酶吸附在其表面上使酶固定化的方法称为物理吸 附法，简称吸附法。常用的固体吸附剂有活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷 等。此法操作简便、条件温和、不会引起酶变性失活、载体廉价易得、且可反 复使用，但酶与载体结合力较弱，容易脱落。 1 5 3 1