（微生物学专业论文）乌桕梓油制备生物柴油及高值化技术研究.pdf

i 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 生物柴油是石化柴油的理想替代能源之一，具有含氧量、十六烷值、闪点和燃 点高，有毒气体排放量少，硫和芳香烃含量低等优点。但原料缺乏和工艺过程复杂 等因素导致其生产成本居高不下，制约着其工业化生产。本论文以乌柏梓油为原料， 模拟杂醇油为酰基受体制备生物柴油，并重点研究了针对油脂具有双键结构的特点， 将部分具双键的脂肪酸甲酯合成精细化学品的技术工艺，以期在原料和降低生产成 本方面做有益探索。主要工作如下： （1）采用气质联用和薄层层析等方法对乌柏梓油的理化性质和脂肪酸组成进行 了测定与分析。结果表明，乌桕脂质以中性脂质为主，约占 99%，含有少量的糖脂 和磷脂，分别为 0.22%和 0.99%。乌柏梓油中有 6 种甘油三酯，其中不饱和脂肪酸甘 油酯占总甘油酯的 92%以上。各脂质的脂肪酸组成不同，但总脂肪酸以 18 碳为主， 并且在乌桕梓油中性脂质中发现了 1.1- 顺- 十二烷烯酸和十七烷酸等天然油脂中含量 罕见的脂肪酸成分。 （2）以乌桕梓油为原料，模拟杂醇油为酰基受体，初步探讨了脂肪酶催化制备 生物柴油工艺，比较了无溶剂体系和叔丁醇体系合成生物柴油的效果。结果表明， 对于无溶剂体系和叔丁醇体系而言，当 novozym 435 与 lipozyme tlim 脂肪酶复合 比例为 2:4 时，生物柴油转化率最高，分别达到 98.3%和 76.3%。 （3）采用尿素包合法从乌桕梓油制备的生物柴油中富集不饱和脂肪酸甲酯。采 用正交试验设计，考察了脲包温度、脲包比例、脲包时间和降温速度对脲包效果的 影响，优化最优工艺条件为：脲包温度 4 c，脲包比例 1:1.5，脲包时间 15 h，在室 温下冷却结晶。在上述优化条件下不饱和脂肪酸甲酯纯度可达 88%，收率为 54.3%。 在最佳工艺条件下，尿素包合后乌桕、桐油、茶油中不饱和脂肪酸甲酯分别提高了 21%，48%和 104%。 （4）以脲包法所得不饱和脂肪酸甲酯为对象，研究了不饱和脂肪酸甲酯二聚体 的工艺技术，并进行了单因子试验优化。结果表明，最佳工艺条件为：催化剂膨润 ii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 土加入量 12%，催化助剂 licl 0.8%，反应温度 220 c，反应时间 6 h。在此优化条件 下，二聚体的得率为 75.2%。 （5）以上述所得二聚体为研究对象，初步探讨了聚酰胺树脂固化剂制备工艺， 并将自制的聚酰胺树脂应用于环氧树脂固化体系中，同时对产品进行了 dsc 测试、 耐热性测试和力学性能测试，综合考察了该聚酰胺与环氧树脂固化体系的适宜配比。 结果表明：当聚酰胺与环氧树脂固化体系质量比为 0.6:1.0 混合时，固化反应最完全， 固化物的耐热性能最高，抗冲击、弯曲及剪切性能最强。 关键词：乌桕梓油 杂醇油 生物柴油 二聚酸 聚酰胺固化剂 iii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract biodiesel, a typical green energy, is a promising alternative for petroleum diesel. biodiesel has many advantages, such as low content of sulfur and aroma hydrocarbon, high content of oxygen, high value of cetane number, flash point and ignition, less emission of hazardous exhaustion gases. at present, the main obstacles for biodiesel industrialization in our country are lacking of feedstock oil and high production cost. in the present study, enzymatic transesterification of biodiesel production was investigated from chinese kernel oil and fusel oil as acyl acceptor in solvent- free and tert- butanol system, respectively. furthermore, a new technology was employed to product dimmer acid from chinese kernel oil biodiesel. finally, optimization of parameters, like amid/acid ratio, reaction time and temperature, for polyamide resin preparation were conducted from dimmer acid. the characteristics of polyamide resin hardener were analyzed using dsc, ir, heat resistance tests and machnical property tests. main experimental results were as follows: (1) physic- chemical characteristics and fatty acid compositions of chinese kernel oil were determined by gas chromatography- mass spectrometry (gc- ms) and thin layer chromatography (tlc) methods. the results showed that neutral lipid was the major composition, accounting for 99%. meanwhile, the oil included a little glycolipids and phospholipids, accounting for 0.22% and 0.99%, respectively. there were 6 kinds of triglycerides in the feedstock oil, with 92% unsaturated triglycerides. the compositions of fatty acid were different for neutral lipid, glycolipids and phopholipids, respectively, but the main fatty acid composes of 18 carbons. 1.1- cis- dodecane acid and heptadecanoic acid were found in chinese kernel oil, which were rarely found in natural oils and fats. (2) enzymatic transesterification of biodiesel production was conducted from chinese kernel oil and fusel oil in solvent- free and tert- butanol systems, respectively. the results showed that the maximal conversion rate of biodiesel was up to 98.3% and 76.3% from chinese kernel oil and fusel oil catalyzed by combined lipases of novozym 435 and lipozyme tlim in the solvent- free and tert- butanol system, respectively. the effect of ratio of novozym 435 to lipozyme tlim on biodiesel yield was significant and the optimal ratio of novozym 435 to lipozyme tlim was 2:4. (3) the operational parameters, such as reaction temperature, reaction time and the ratio of urea to esters, cooling temperature, were optimized in the present work. the results showed that the optimum conditions were: reaction temperature 4 c, the ratio of iv 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 fatty acid methyl ester to urea 1:1.5, reaction time15h and cooling at room temperature. the unsaturated fatty acid methyl ester with purity of 88% and total yield of 54.27% was obtained under the optimum conditions. the method employed in our work could be used in other feedstock oils to enrich unsaturated fatty acid. for example, the unsaturated fatty acid methyl ester of chinese kernel oil, tung oil and tea oil respectively increase by 21%, 48% and 104% under the optimum conditions. (4) the operational parameters, such as reaction temperature, reaction time and dosage of catalyst, were optimized in the present work. the results showed that the optimum conditions were: bentonite dosage 12%, licl dosage 5%, reaction temperature 220 c and reactione time 6h. the dimmer acid yield of 75.2% was obtained under these optimum conditions. (5) the polyamide hardener was prepared from chinese kernel oil. differential scanning calorimetry (dsc), heat resistance tests and mechanical property tests were used to determine the appropriate weight ratio of this kind of polyamide and epoxy resin curing system. the results indicated that the optimum weight ratio of the curing system of polyamide to epoxy resin was 0.6:1.0. the curing reaction was completed most thoroughly under the optimum curing system. the characteristics of the product of polyamide and epoxy resin were analyzed in this work, and the results suggested that the heat resistance of the system was the highest and the resistantabilities of the impact, bending and shearing were the strongest. it was concluded that the characteristics of the fine chemical products from chinese kernel oil was satisfactory. keywords: chinese kernel oil fusel oil biodiesel dimmer polyamide hardener 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 生物柴油国内外发展现状及存在问题 随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，世界各国对能源的需求越来 越大，据统计 2030 年世界能源需求量在现有的基础上增加约 53%，预计 2050 年将 达到高峰期1。石油是世界范围内最主要的石化能源，由于现有石油资源的有限性以 及使用过程中造成的环境污染等问题，迫使人们寻求可再生的绿色替代能源。生物 柴油是通过动植物油脂转酯反应所获得的一种长链脂肪酸烷基酯，具有石化柴油所 无法比拟的环境友好和可再生等优势，现已成为一种引起人们极大关注的新型生物 质能源。 20 世纪是生物柴油产业发展最为旺盛时期，许多国家都致力于发展生物柴油， 以解决本国能源需求，如美国、加拿大、德国、巴西、澳大利亚、日本、印度等。 其中欧盟是目前世界上最大的生物柴油生产区，生物柴油总量占世界总产量的 90% 2。我国生物柴油起步晚，但发展速度迅速。在国家相关政策的支持下，近年来我国 在生物柴油产业方面取得了突破性进展，相继建立起四川古杉、福建卓越、湖南海 纳百川等国产生物柴油企业。 目前，生物柴油制备方法主要有物理法和化学法两类3。物理法包括：直接混合 法、微乳化法；化学法包括：高温热裂解法、酯交换法。其中以酯交换法工业应用 最广泛，大致包括酸碱催化法4,5、酶催化法6和超临界甲醇法7。酸碱催化法是目前 生产中使用最多的催化工艺。碱催化法在低温下可获得较高产率，但对原料中游离 脂肪酸和水含量有严格限制，而且反应过程中容易引起皂化反应，而酸催化法虽然 反应温度较高，但游离脂肪酸和少量水的存在对催化剂的催化能力影响不大8。相较 而言，酶法催化生物柴油具有条件温和、对原料油脂品质要求低、适应性广、无副 反应发生、产物易于分离纯化和设备要求低等优点，是一种极具发展潜力的生物柴 油生产方法9。我课题组经过多年的研究，在酶法生物柴油多个关键技术方面取得了 国际领先水平，部分成果已成功转化生产力。在“十五”期间与海纳百川公司合作， 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 在湖南益阳建设 2 万吨生物酶法生产示范线， 已于 2006 年 12月 20 日正式建成投产。 这是国内首家将酶法生产生物柴油技术成功进行产业化的企业，也是目前世界上首 条脂肪酶工艺生产示范线。 然而，传统生物柴油产业普遍存在着利润低、产业链短等共性问题，使得现有 生物柴油企业面临亏损或倒闭的局面。生物柴油利润低主要是由于生产成本过高， 生物柴油的生产成本由三部分组成，即原料成本、生产成本及后处理成本。bray10 采用两种不同工艺分析比较了生物柴油生产过程中的经济效益。结果表明，油脂原 料是生物柴油生产过程中最大的消耗成本，后处理成本次之，最后为生产成本。 sheehan等11对生物柴油和石化柴油的整个加工过程进行了比较。结果表明，在生物 柴油和石化柴油生产过程中，油脂产量和产品精制过程分别占能量消耗的48%和 49%，以及29%和60%。同时，现有生物柴油产业中只有生物柴油和副产物甘油两种 产品，产品单一、产业链短、综合效益低。因此，如何提高生物柴油产业的综合经 济效益，增加与石化柴油的市场竞争力，提高附加值，自然成为迫在眉睫的研究课 题。 1.2 发展生物柴油产业的有效方法 1.2.1 低值油脂原料的选择 如前所述，油脂原料是生物柴油生产过程中的最大消耗成本，因此选择低值油 脂原料是降低生物柴油生产成本的有效方法之一。当前，生物柴油所用原料大多是 油脂含量较高的油料作物油籽，如油菜籽、大豆、花生、棉籽、葵花籽和红花籽12 。 一方面油料作物油脂主要用途是食用，满足人们的日常生活需求；另一方面售价也 极其昂贵，不宜用作生物柴油原料。因此，寻找低值非食用的木本油脂13，如漆树 科的黄连木，无患子科的文冠果，大戟科的续随子、麻疯树，山茱萸科的光皮树等； 废弃油脂14，如油脂加工下脚料、餐饮废油、高饱和度的动物油脂、酸化油等以及 微生物油脂15是生物柴油原料开发的主题方向。图1- 1 列举了不同原料制备生物柴 油时的原料成本。高低顺序依次为：菜籽油大豆油牛脂和猪油木本油料餐饮废 油地沟油。所以，以非食用油脂为原料可大大降低生物柴油生产成本。本课题组对 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 非食用油脂制备生物柴油进行了大量研究，取得一定的科研成果。如利用乌桕梓油 和杂醇油为原料，酶法制备生物柴油，最高转化率达98.3%16,17。利用植物油脂加工 下脚料（脱臭馏出物）为原料，在填充柱反应器中化学法转酯合成生物柴油，最高 转化率达97%，并可实现连续生产18,19。 图1- 1 部分生物柴油原料成本20 fig. 1- 1 biodiesel production cost as a function of feedstock 1.2.2 生物柴油高值化技术 利用生物柴油产业自身特点，对其进行高值化深加工，可有效地巧妙解决生物 柴油利润低、产业链短的问题。生物柴油高值化技术是指生物柴油副产品甘油深加 工技术以及利用天然油脂含有大量双键的结构特点制备功能性高附加值化工产品的 一种增值工艺技术。因此，生物柴油高值化主要体现两方面：一是甘油高值化；二 是脂肪酸甲酯高值化。 1.2.2.1 副产物甘油高值化 甘油是一种重要的化工原料，可用于制造合成树脂、塑料、油漆、硝酸甘油、 油脂和蜂蜡等， 还用于制药、 香料、 化妆品、 卫生用品等工业领域。 据统计， 2008- 2012 年，全球精制甘油（99.5%）需求将快速增长，预计新增约 36.3 万吨。最近，随着市 场行情的变化和生物柴油产业的发展，甘油的供应量大大增加，从而导致甘油价格 大幅下跌。因此，甘油的精深加工利用引起全球的普遍关注。甘油高附加值产品主 要有： 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 （1）1,3- 丙二醇和环氧氯丙烷 1， 3- 丙二醇和环氧氯丙烷是甘油深加工的主要延伸产品，这方面已有不少报道。 如国外 shell 公司、degussa 公司和杜邦公司等采用化学法实现了商业化生产 1,3- 丙 二醇。 法国 solvay 公司采用 epic erol新工艺， 以甘油为关键原料生产环氧氯丙烷21。 美国 aroher daniels midland 公司计划采用先进的催化剂从甘油直接生产丙二醇。苏 威公司目前也已开发出通过甘油与氯化氢反应生产环氧氯丙烷的新工艺。该工艺借 助专有催化剂，采用一步法制取中间体二氯丙醇而无需使用氯气。戴维过程技术公 司采用新的催化剂体系，开发成功以生物柴油副产物甘油为原料生产乙二醇的工艺。 该催化剂为均相氢解催化剂，基于贵金属盐和有机磷配合基。反应在均相下进行， 转化率高达 90%。美国密苏里大学化学工程教授和可再生替代资源办公室的科学家 合作，开发了利用生物柴油副产物甘油生产丙二醇工艺。据报道，该工艺的丙二醇 产率高达 73%。此外，adm、卡吉尔和其他几家公司也开发了生物基甘油生产丙二 醇的新工艺。目前全球丙二醇供应仍较紧缺，新兴技术为丙二醇生产商提供了发展 机遇。 （2）单硬脂酸甘油酯 单硬脂酸甘油酯，简称单甘脂，是由硬脂肪酸和甘油合成的一种多元醇型非离 子表面活性剂，在食品工业、制药以及日化工业中都有广泛的用途。 在食品行业中：单甘酯是常用的乳化剂、分散剂、起泡剂以及乳化稳定剂22。 如在炼奶、麦乳精、乳酪、速溶全脂奶粉等乳制品中，作为乳化剂和渗透剂，可提 高速溶性，防止沉淀，结块结粒。在糖果中加入 0.5%左右的单甘酯可防止油脂分离， 增加产品光泽，食用时不粘牙。巧克力中加入 2- 5 的单甘酯可防止砂糖结晶析出和 油脂分离，防止巧克力表面起霜，提高巧克力脆性，防止受潮受热变软而影响口味。 肉制品如午餐肉、火腿肠等，加入单甘酯可增大脂肪的加入量，既解决了脂肪析出 引起的质量问题，又降低了生产成本。面包、蛋糕、软麻花等面制品中加入 1- 3 的 单甘酯可使油脂在面团中分散均匀，使面包、糕点松软体大，内部结构呈海绵状， 富于弹性，并可明显延长制品保鲜期23。 单甘酯在塑料工业中主要用作脱模剂、增塑剂、抗静电剂，特别适用于塑料发 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 泡制品的抗缩剂。在 pvc 制品生产中作为内润滑剂，且可作为醇酸树脂的改性剂， 硝酸纤维素的增塑剂。在农用大棚膜的生产中，单甘酯是流滴剂的主要原料。作为 纺织印染助剂，单甘酯是织物最好的防变色及柔软剂；在复合铅盐稳定剂中是不可 或缺的润滑剂；是豆制品加工的有效消泡剂；且可作为胶乳的分散剂及合成石蜡的 配合剂。 （3）三醋酸甘油酯 三醋酸甘油酯是无色、无臭的油状液体，主要用作纤维素树脂和乙烯基聚合物、 共聚物的增塑剂；在制药生产中用作携带剂和溶剂；还在香料调香中用作溶剂和定 香剂。目前工业生产基本采用丙三醇和乙酸用浓硫酸催化生产三醋酸甘油酯。该方 法存在设备腐蚀严重、后处理复杂和污染环境等不足。以固体酸和离子液体为催化 剂合成三醋酸甘油酯可有效解决上述问题。如胡建等24用甘油与醋酸、醋酐或醋酸 与醋酐混合物作反应物， 以五水四氯化锡 （sncl4 5h2o） 和磷钨酸 （h3o40- pw12 xh2o） 作催化剂，合成三醋酸甘油酯。研究了不同工艺条件对反应产率的影响。结果证明， 用醋酐或醋酐加醋酸混合物优于仅用醋酸，最佳工艺条件为：物料比为：甘油：醋 酸：醋酐=1:2:1（摩尔比） 。用 sncl4 5h2o 催化，优于杂多酸。以甲苯作带水剂适宜 的反应温度为 105- 120 c，脱溶温度为 120- 140 c，产率达 85%- 90%。 吴洪特等25采用复合固体超强酸 so42-/zro2- tio2为催化剂，甘油和冰醋酸为原 料，结合醋酸精馏回流工艺，合成了三醋酸甘油酯。通过对合成工艺改进，免除了 有毒带水剂的使用。使 tcg合成更安全，更经济和环保。在最佳合成工艺条件下产 品收率达 92.6%，催化剂可重复使用 6 次，易于再生。 李家贵等26用稀土元素 la3+对铁系固体超强酸 fe2o3/s2o82-进行改性，制备出新 型稀土铁系固体超强酸催化剂fe2o3/s2o82-/la3+， 并将其用于催化合成三醋酸甘油酯。 酯化反应的最佳条件为：甘油 100 mmol，n(酸):n(醇)=6:1，催化剂用量为原料总质量 的 3.3%，反应时间 3 h，带水剂苯 7 ml，酯化率达 93%以上。 （4）甘油液体燃料 2006 年，r.r.soares 等27发现，在贵金属 pt 催化剂作用下，在比较温和的反应 温度(225 c- 300 c)，甘油水溶液可以转化成一氧化碳和氢的混合物，即所谓的合成 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 气。这一发现促进了科学家们对将甘油转化与费托合成（fischer- tropsch synthesis） 相结合生产液体燃料过程的研究。同时，科学家们还考察了乙醇、丙酮、丙酮醇这 类副产物在费托合成阶段的积极作用。甘油的转化和费托合成在同样的环境中协调 进行，很好地实现了由甘油水溶液到液体燃料的转变。 另外，通过对催化剂制备和表征以及反应动力学的研究，探讨“甘油转化”和 “费托合成”相结合的热力学及动力学，指出了该同步过程具有节约成本和提高热 效的巨大经济价值，有良好的工业化应用潜力。研究成果对于解决日益严重的石油 能源危机，有着重要的现实意义。 1.2.2.2 脂肪酸甲酯高值化 由于生物柴油产品（脂肪酸甲酯）自身含有大量双键，可通过聚合、缩聚等技 术手段生产高性能的精细化工品。因此，基于生物柴油产品自身结构特点开发出一 条经济可行的工艺路线，走生物柴油炼制道路，才是生物柴油产业可持续发展的关 键所在。通过文献调研，脂肪酸甲酯高值化产品可归纳为二聚酸甲酯及其相关产品 的制备。 （1）二聚酸甲酯 二聚酸甲酯是由含双键不饱和脂肪酸甲酯在催化剂作用下，聚合而成的一种二 聚体。美国 20 年代就研究二聚酸，40 年代已有商品生产，80 年代有 7 家公司生产 各种规格的产品，97 年年产量约 9 万吨，日本、德、英等国也都成万吨地生产二聚 酸。我国从 70 年代起研制二聚酸，主要用于聚酰胺树脂的生产。目前生产二聚酸甲 酯所用催化剂一般为活性白土或蒙脱土，sturwold 等人28报道了白土催化二聚化方 法，并详细列出了不同类型白土催化剂效果，如蒙脱土、高岭土、锂蒙脱土、多元 高岭土、多水高岭土、水硅酸铝矿及海泡石等，其中以含 75%以上蒙脱土的膨润土 结果最优。同时，诸多文献29相继报道了一些新型的催化剂及合成工艺路线。如采 用含 12%- 14%沸石的硅酸铝催化剂，催化剂用量 5%- 20%，将妥尔油脂肪酸甲酯进 行二聚化反应，反应温度 250- 270 c，反应时间 1.5- 4 h，二聚酸收率达 60%以上，二 聚酸选择性 93%- 96%。以活性白土为配方，辅以粘合剂、助剂等加压成型制得的粒 状活性白土是一种有效的催化剂。 在催化剂用量 12%， 反应时间 6 h， 反应温度 220 c 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的条件下，对大豆油脂肪酸为原料催化合成的二聚酸产率可达 81.3%。新型合成工艺 路线主要为：有机过氧化物法、氯化氢法、强酸性离子交换树脂法、对羟基酸使用 的脱水催化剂法，以及把磷酸吸附在合成硅酸铝上的固定床连续聚合法以及中孔分 子筛法等。李红娟等30以一系列自制硅铝酸为催化剂，研究脂肪酸甲酯聚合成二聚 酸甲酯的反应。研究表明，al- mcm- 41(si/al=120)分子筛的催化效果较好，二聚体 得率可达 40%，此工艺为二聚酸甲酯的合成工艺提供了一条新的生产路线。二聚酸 甲酯合成工艺中，产品分离提纯是最为关键的步骤。分子蒸馏和短程蒸馏技术是获 得高纯度二聚酸甲酯的主要方式，利用分子蒸馏技术可使产品的纯度达到 95%以上。 分析二聚酸甲酯含量的方法包括层析法和色谱法两类31。层析法有许多优点， 但也存在一定的缺点。纸色谱法和薄层色谱法虽然可以对二聚酸进行分离，但难以 做到再次定量。高温短柱的二聚酸甲酯气相色谱法，因分析时处于高温有些样品易 发生降解，从二聚体中分离三聚体不够彻底。近年来，高效液相色谱法因其快速、 灵敏，已逐渐得到广泛的应用。美国 union camp 公司在 1986 年研制出的高效液相 色谱- 火焰离子检测器法，不需附加其他条件，测定每个试样仅需 25 min，而且绝对 测定精度可达 0.5 面积百分率以下。随着检测技术的不断进步完善，蒸发光散射检测 器的出现为二聚酸的检测提供了更好的分析途径。凝胶渗透色谱法定量二聚酸含量， 具有操作简便、快速、重现性好的特点，但因采用紫外检测器，会受试样构型的影 响，使测定结果产生偏差。若采用示差折光检测器则不受试样构型影响，但需在恒 温条件下操作才能减少测定误差。 二聚酸甲酯的应用领域相当广泛，在机械、汽车、电子、电机、化工、涂料、 日化、纺织、印刷、航空航天、土木建筑、医药等行业中都有应用，通常可用作涂 料流手剂、石油开采表面活性剂、纺织抗静电剂、铁矿石浮选捕集剂、复合固体火 箭燃料、发动机绝缘结构材料和印刷油墨等。研究表明，二聚酸甲酯可以制备非反 应型聚酰胺树脂、反应型聚酰胺树脂、表面活性剂、二聚酸/乙二醇单酯、聚氨酯、 环氧树脂等多种高性能精细化学品。 目前我国二聚酸主要是作为合成二聚酸聚酰胺树脂的原料，其中作为热熔胶和 油墨树脂生产原料的占绝大部分。由二聚酸聚酰胺配制的油墨具有光泽性好、粘接 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 性能强、醇稀释性优良以及胶凝性低、干得快、气味小的特点，是玻璃纸、聚乙烯 和聚丙烯薄膜等包装材料印刷不可缺少的油墨。二聚酸聚酰胺树脂的另一重要用途 是制作热熔粘合剂，广泛用于制鞋、制罐，电器制品的粘结。其他用途，可制备能 变型涂料、民用水基胶、织物抗静剂、透明蜡烛及洗涤剂等。熊远钦等32采用醇溶 性聚酰胺树脂与甲基丙烯酸甲酯(mma)、丙烯酸(aa)反应，合成水性油墨用接枝共 聚物- 自乳化聚酰胺树脂，并结合相反转技术制备水性聚酰胺乳液。制备的产品兼具 丙烯酸、聚酰胺两种物质的优良特性，其性能与进口产品性能相当，能满足水性油 墨生产要求。陈续明等33采用二聚酸、共聚酸、乙二胺与哌嗪合成出可用于热熔胶 的二聚酸型聚酰胺(pa)树脂，研究了上述合成组成与 pa 树脂基本性能之间的关系， 同时也探讨了合成组成对 pa 树脂用作热熔胶时的剪切强度、剥离强度等的影响。结 果表明，作为热熔胶树脂的含哌嗪的聚酰胺树脂，随着二聚酸与共聚酸摩尔比的减 小，树脂软化点升高，拉伸强度增大，熔融粘度增加，热失重温度降低。 目前，国外对二聚酸为原料的新型功能性高分子的研究较多，在许多高科技领 域如医药、化妆品、电子、智能材料等行业的应用研究已经展开。 以二聚酸和环氧氯丙烷在强碱作用下反应制得的二聚酸二缩水甘油酯类环氧树 脂是当代电子工业走向小型、轻、薄、部件组装立体化的重要材料。由这种材料制 成的积层板，性能优于普通环氧树脂制成的积层板。heucher reimer 等人34报道， 由二聚酸制得的聚酰胺 pvc(聚氯乙烯)热稳定剂，在电子产品中，添加 0.2%- 10%可 使 pvc 电缆材料和 pvc 密封塑料性能得到明显改善。二聚酸加氢得到的氢化二聚 酸也是一种重要的电子材料。以氢化二聚脂肪酸为原料，用光气法合成聚酯碳酸酯 材料，具有透明性好、亲水性小、耐热性优良和双折射率小等特点，适用于高密度 数据存储盘片的材料35。以二聚酸、对苯二甲酸、1，4- 丁二醇为原料制得的嵌段聚 酯，其中含有约 74 的柔性链段，是一种柔软透明的弹性体。这种弹性体可以代替硅 树脂，应用于外科手术中的肌腱修复术，具有很好的生物相容性36。 （2）生物柴油基精细化学品 基于生物柴油中不饱和脂肪酸甲酯聚合成二聚体，继而缩聚制备聚酰胺尼龙、 聚酯多元醇等多种高附加值产品，可以提高生物柴油综合效益。如二聚酸酰胺尼龙 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 (dapa)是一种重要的长链尼龙，除了普通长链尼龙的主链长、酰胺基密度低、无序 区多、柔软、透明、质轻、吸水率低、成型稳定等共同特点外，还具有低温性能好、 成本低、清洁、可生物降解的优点。国外生产 dapa 的厂家很多，但国内仅有普通 二聚酸酰胺树脂的生产报道。根据我国国家工程塑料“十五”规划和业内专家对各 个行业的需求分析，2005 年我国聚酰胺的年生产能力为 13 万吨。2002- 2005 年国内 聚酰胺市场需求量年均增长率保持在 10%- 13%之间，主要用于机械、交通运输、电 子仪表、化工等行业。2005 年，我国的二聚酸聚酰胺的消费量已达 17- 19 万吨。据 专家估计37，我国二聚酸酰胺会在很长一段时间内呈现出供不应求的局面。 聚酯多元醇是聚氨酯生产的重要工程原料，是利用二聚酸与乙二醇缩聚反应而 得到的。聚氨酯工程材料是我国近十年来发展最快的合成材料之一。据统计38，聚 氨酯在我国的消费量， 1990 年是 117 kt， 1993 年上升到 270 kt， 1997 年猛增到 560 kt， 2003 年已达到 700 kt（其中用作发泡材料的约 350- 400 kt） 。随着聚氨酯的迅速发展， 我国聚酯多元醇的需求量增加也相应增加。目前，我国聚酯多元醇市场售价约为 1.2 万/吨。 1.3 课题来源和主要研究内容 本课题是国家 863 重点项目“工业酶的分子改造和工程化技术”的重大课题“脂 肪酶工程技术” （课题编号：2006aa020203）和武汉市重点攻关项目“生物柴油专 用脂肪酶工程菌即催化工艺研究” （课题编号：200720422138）的部分研究内容。 本文拟以木本油料作物乌桕梓油为研究对象，系统分析乌桕梓油的理化特性和 化学组成，创新乌桕梓油酶法制备新工艺，围绕提高酶法制备乌桕梓油生物柴油综 合经济效益，推进生物柴油高值化等方面开展创新研究，重点探讨基于生物柴油制 备高附加值的聚酰胺树脂固化剂技术，以期解决传统酶法产品附加值低、产业链短 等共性问题，为实现生物柴油高值化和延长产业链提供强有力的技术支撑，对促进 生物柴油产品的多元化开发和可持续发展以及我国农林业结构调整，实践社会主义 新农村建设等都具有十分重要的现实意义。 主要研究内容如下： 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 （1）乌桕梓油原料理化特性及脂肪酸组成、甘油酯结构的分析 （2）以杂醇油为酰基受体酶法制备生物柴油新工艺 （3）不饱和脂肪酸甲酯的尿素包合法富集技术研究 （4）基于乌桕梓油生物柴油的二聚化及应用研究 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 乌桕梓油理化特性研究 乌桕（sapium sebiferum (linn.) roxb.）为大戟科乌桕属，约有 1500 年的栽培历 史，是我国特有的木本油料树种，与油茶、油桐和核桃并称为我国四大木本油料。 我国主要栽培区为长江流域以南部分省份，如浙江、湖北、四川、贵州、安徽、云 南、江西、福建等。现在美国、日本、印度等国均有分布，是一种生物柴油的良好 原料 39。乌桕油分为皮油（又叫桕油）和梓油，含量分别为 12- 35%(wt/wt)和 13- 32%(wt/wt)，整粒种子含油量约为 45%(wt/wt)左右。自 20 世纪 50 年代以来，国 内外就开始对乌桕资源进行开发利用研究。如国外 narang、jeffrey和 gunstone 等人 40,41对乌桕籽油的理化特性进行了广泛研究。结果表明，乌桕籽油因含有毒酚类物 质而不宜用作食用油，并且不同产地乌桕籽油的理化特性差异较大。国内华中科技 大学、南昌大学等机构42,43也对不同产地乌桕梓油理化特性及其在生物柴油方面的 应用进行研究。研究显示，乌桕梓油可以制备出性能优良的生物柴油。然而，至今 为止，尚无关于乌桕梓油甘油酯组成，以及各组分脂肪酸种类与含量和甘油三酯种 类的详细文献报道。 因此，为了弄清乌桕梓油的性质和化学组分，本文以湖北大悟县产乌桕梓油 为原料，利用薄层层析、气质联用等现代技术手段，全面剖析乌桕梓油脂质成分 构成、甘油酯组成以及脂肪酸指纹图谱，为今后综合利用乌桕梓油提供科学基础 数据。 2.1 材料与方法 2.1.1 材料与试剂 乌桕梓油：湖北省大悟县工业用油公司提供。 氯仿、丙酮、甲醇、正己烷、koh 等实验试剂均为分析纯，上海国药集团化学 试剂有限公司提供。 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.1.2 仪器与设备 设备名称 型号 生产厂家 高速冷冻离心机 5415d 上海安亭科学仪器总厂 恒温水浴锅 dkb- 501a 上海精宏实验设备有限公司 ph 计 delta 320- s 梅特勒- 托利多仪器有限公司 电子天平 ar1530 梅特勒- 托利多仪器有限公司 双向磁力加热搅拌器 79- 2 金坛市正基仪器有限公司 气质联用仪 7890a/5975c agilent 低温毛细管柱（30m0.25mm0.25m） innowax agilent 高温毛细管柱（30m0.25mm0.1m） db- 1 ht agilent 旋涡混匀器 vortex- 2 scientificindustries 公司 2.1.3 乌桕梓油基本理化性质分析44 酸价的测定 gb/t 5530- 1998；过氧化值的测定 gb/t 5538- 1995；比重的测定 gb/t 5526- 85；皂化值的测定 gb/t 5534- 1995；碘值的测定 gb/t 5532- 1995；水分 及挥发物的测定 gb/t 5528- 85。 2.1.4 乌桕梓油中性脂质分析 2.1.4.1 柱色谱分离中性脂质 （1）硅胶柱制备 称量 40 g制备好的硅胶于 250 ml 的烧杯中，加入 100 ml 氯仿，用玻璃棒缓慢 搅拌至无气泡产生，将匀浆转入层析柱内。打开活塞使溶剂降至硅胶层上 2 cm，关 闭活塞。 （2）层析分离 将样品小心倒入硅胶柱中，打开活塞，调节流动相溶剂流量为1 ml/min，再用 氯仿冲洗烧杯，当液面降至硅胶层上2 cm时，将洗涤液倒入柱内，弃去流出物。加 入氯仿，并用150 ml的圆底烧瓶收集流出液，流出液含有中性脂，当全部氯仿都加 入柱子中且液面降至硅胶层上2 cm时，开始加入丙酮，用第二只烧瓶收集流出物， 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 流出物中含有糖脂，当丙酮全部加入柱中且液面降至硅胶层上2 cm时，开始加入甲 醇，收集流出物于第三只圆底烧瓶中，流出物为磷脂。将各级收集物减压浓缩去除 溶剂，为了彻底浓缩除去溶剂，将浓缩后的各级剩余物用少量氯仿溶解并转移至的 称量瓶中，此项步骤重复4- 5次以确保所有油脂彻底转移，减压浓缩溶剂至干后，冷 却称重。每次实验重复2次，并且2次差值小于0.002 g。 （3）薄层层析纯度检测 将柱层析分离的上述各流出物进行薄层色谱分析，以确定流出物为同种物质。 具体步骤为：先将硅胶g层析板于110 c烘箱内活化1 h，置干燥器内冷却备用。然后 用毛细管在活化后的硅胶板上点样，自然晾干后，重复点样1次，最后置于放有展开 剂的层析缸中展层，展开剂为：正己烷：乙醚：甲醇80:20:3，展层完成后，用饱 和碘蒸汽显色，根据rf 值定性判断流出物是中性脂质、糖脂和磷脂。 2.1.5 乌桕梓油脂肪酸组成 gc 指纹图谱 采用气相色谱法分析乌桕梓油中性脂质、糖质和磷脂中各脂肪酸组成，具体步 骤如下： （1）完全甲酯化 取油样两滴，置于10 ml具塞试管中，加入0.5 mol/l koh- ch3oh溶液2 ml，在 75 c水浴中皂化15 min，待油滴溶解后，放冷；加入15% bf3- ch3oh溶液2 ml，在 75 c水浴中皂化2 min，放冷；加入正己烷2 ml，振荡；加入饱和nacl溶液2 ml，取 上清液进行气相色谱分析。 （2）gc色谱条件 色谱仪gc- 9790，fid检测器，innowax毛细管柱（30m0.25mm0.25m）； 载气n2， 体积流量100 ml/min， 尾吹40 ml/min； 燃烧气h2， 30ml/min； 柱前压0.1 mpa， 分流75 ml/min，汽化温度240 c，检测器温度280 c。采用二级柱程序升温，起始温 度160 c保持2 min，接着以5 c/min升到210 c，然后3 c /min升到230 c，保持1 min， 进样量1 l。 2.1.6 甘油三酯组成 gc- ms分析 利用高温气相色谱/ei 质谱直接分析乌桕梓油中甘油酯组成，从其丰富的碎片信 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 息确定各甘油酯组成。 色谱条件：db- 1 ht（30 m0.25 mm0.1 m）毛细管色谱柱（j&w scientific usa） ，载气为高纯氦气，流量 1 ml/min，分流比 1:10，进样量为 1 l，溶剂延迟 2 min。进样口温度 365 c，接口温度 320 c，柱温 200 c，保持 3 min，以 10 c/min 速率升高到 350 c，保持 1 min，再以 2 c/min 速率升高到 365 c，保持 10 min。 质谱条件：离子源为 ei 源，电子能量为 70 ev，离子源温度 230 c，四极杆温 度 150 c，扫描范围：50- 1050 amu，电子倍增器电压 1600 v，分流比 1:10，溶剂延 迟 2 min。 2.2 结