酶法催化合成生物柴油的研究进展

1、收稿日期 :2005-03-28基金项目 :广东省科技攻关重点引导项目 (2004B33401007 作者简介 :汪 勇 (1977- , 讲 师 /硕 士 ; 主要 从事 油脂 产品综合利用方面的研究与教学工作。文章编号 :1003-7969(2006 01-0065-04 中图分类号 :TQ645 文献标识码 :A酶法催化合成生物柴油的研究进展汪 勇 1, 欧仕益 1, 温 勇 2, 刘鹏展 1, 薛 枫 1(1. 暨南大学食品科学与工程系 , 510632广州市黄埔大道西 601号 ;2. 华南环境 科学研究所 , 510655广州市员村西街七号大院 摘要 :生物柴油是一种可再生 、 可

2、生物降解 、 无毒的清洁能源 , 可以部分替代石油柴油 。 酶法合 成生物柴油和传统碱法 、 酸法催化相比 , 具有反应条件温和 、 不产生废水 、 反应产物容易分离等优 点 。 对脂肪酶的种类 、 特性和酶法催化酯交换合成生物柴油的主要工艺进行了介绍 , 同时展望了酶 法催化合成生物柴油的前景 。关键词 :生物柴油 ; 酶催化 ; 脂肪酶 ; 酯交换生物柴油就是长碳链脂肪酸单酰酯类物质 , 主 要是甲醇或者乙醇等短碳链醇和脂肪酸或者甘油三 酯经过酯化或者酯交换来生产 , 商品化的生物柴油 最主要的成分是脂肪酸甲酯。生物柴油和石油柴油 相比 , 具有可再生、 易生物降解、 无毒、 不污染环境等

3、 特点。它可以作为一个重要的新能源取代或者部分 替代石油柴油 1。工业化生产生物柴油的方法一般是化 学催化 法。主要用碱或者酸催化甲醇和甘油三酯酯交换生 产脂肪酸甲酯。碱催化法由于转化率高 , 反应速度 快等特点 , 在工业上已经成功应用。但是碱催化法 对甘油三酯原料的品质要求较高 , 如果甘油三酯中 存在一定量的游离脂肪酸和水就会影响反应的速度 和转化率 , 同时增加产物分离的难度。酸催化可以 用来催化成本低廉的但酸值很高的餐饮废油脂转化 成脂肪酸甲酯 , 但是反应速度相对较慢 , 设备要求较 高。化学催化法存在耗能高、 甘油回收困难以及产 生较多废水等问题 2, 3。酶法催化合成生物柴油

4、, 对原料品质没有特别 要求。酶法不仅可以催化精炼的动植物油 , 同时也 可以催化酸值较高且有一定水分含量的餐饮废油转 化成生物柴油。酶法反应具有条件温和 , 副产品分 离工艺较为简单 , 废水少 , 设备要求低等优点 , 日益 受到人们的重视 4。 本文对酶法合成生物柴油所用 脂肪酶的种类 , 催化反应工艺做一综述。1 脂肪酶简介 5脂肪酶 (EC3. 1. 1. 3 是一类可以催化甘油三酯 合成和分解的酶的总称 , 它同时还可以催化酯交换反 应 , 广泛分布于动物、 植物和微生物组织和器官中。工业化的脂肪酶主要有动物脂肪酶 (主要来自 动物的胰脏 和微生物脂肪酶。微生物脂肪酶种类 较多 ,

5、 一般通过发酵法生产 , 按微生物种类不同 , 又 分为真菌类脂肪酶和细菌类脂肪酶。真菌类脂肪酶 主要 有 酵 母 (如 :Candida rugosa 和 Candida cylin dracea 脂肪 酶 , 根 酶 (如 :Rhizopus oryzae 和 Rhizo pus japonicus 脂肪 酶和 曲 霉 (如 :As pergillus niger 脂肪 酶 , 在催化合成生物柴油反应过程中 , 不同的脂肪酶 活性和特异性不完全相同。脂肪酶按催化特异性可以分为三类 , 第一类脂 肪酶对甘油酯上的酰基的位置没有选择性 , 可以水 解甘油三酯中的所有酰基 , 得到脂肪酸和甘油。

6、第 二类脂肪酶水解甘油三酯中的 1、 3位酰基 , 得到脂 肪酸、 甘油二酯 (1, 2-甘油二酯和 2, 3-甘油二酯 和单甘酯 (2-单甘酯 。第三类脂肪酶对脂肪酸种 类和链长有特异性。用于催化合成生物柴油的脂肪酶主要是真菌类 脂肪酶 , 这些酶生产较为方便 , 和动物脂肪酶相比具 有更高的活性。由于商业化的脂肪酶成本较高 , 在 合成生物柴油时 , 许多研究者都在致力于用固定化 的方法来降低成本。通过吸附、 交联、 包埋等方法来 固定化脂肪酶 , 固定化酶可以在反应结束后从体系 中分离回收 , 重新催化新的反应。这样可以实现酶的长期使用 , 降低工艺成本。 2 酶法合成生物柴油的工艺 2

7、. 1 脂肪酶的甲醇失活效应652006年第 31卷 第 1期 中 国 油 脂柴油 , 一般都是在非水相体系中反应。在非水相体 系中 , 酶的活力高、 甘油三酯的转化效率高。最简单 的非水相体系是无溶剂体系 , 即直接把酶加到底物 甲醇和甘油三酯中催化酯交换反应。无疑这种反应 体系工艺简单 , 产物容易分离 , 成本相对较低。理论 上酯交换 1mol 的甘油三酯需要 3mol 的甲醇 , 但是 由于甲醇在甘油三酯中的溶解度有限 , 当甲醇和甘 油三酯摩尔比超过 1 1(即甲醇和脂肪酸摩尔比 1 3 时 , 一部分不能溶解在油中的细小甲醇微滴会造 成脂肪酶 (绝大多数微生物脂肪酶 不可逆失活。醇

8、 的碳原子数越少 , 在油中溶解度也就越低 , 造成酶不 可逆失活的能力就越强6。由于甲醇对酶的失活效应 , 反应体系中甲醇和脂肪酸的摩尔比越大 , 甘油三 酯的转化率越低 (见图 1 。为了防止脂肪酶在甲醇 中的不可逆失活 , 可以分 3次添加反应所需要的甲 醇 , 每次添加反应所需要量的 1/3 。图 1 用固定化脂肪酶催化植物油甲酯化 ,不同甲醇用量与转化率的关系6当向体系中添加有机 溶剂 7(如正己 烷等 或 水8, 9时 , 脂肪酶对 甲醇的耐受能力有一定程 度的提高 , 但是并不能提高反应的总转化率。也可以用 乙酸甲酯替代甲醇作为酶法催化酯交换的底物 , 即 使乙酸甲酯和油的摩尔比

9、为 12 1, 也不会造成脂肪 酶 (Candida antarctica 的失活 , 甘油三酯的转化率可 达 92%10。2. 2 间歇式酶法催化酯交换在无溶剂反应体系 , 考虑到过多的甲醇会使脂 肪酶失活 , 可以采用分步间歇式的方法向反应体系 中添加甲醇 , 按添加的次数可分为三步法和两步法。 三步法是分 3次每次添加反应所需甲醇量的 1/3, 首 先把 精 炼 植 物 油、 1/3mol 平 衡 量 的 甲 醇 和 4%(W % 的固定化脂肪酶 (Candida antarctica 混合 , 在 30 下反应 10h; 然后再加入 1/3量的甲醇 , 再反应 14h; 最后再加入 1

10、/3量的甲醇 , 反应 24h 。三步总 反应时间为 48h, 油的转化率为 97. 3%。两步法的 第一步和三步法一样 , 先添加 1/3量的甲醇反应 10h, 醇在脂肪酸甲酯中的溶解度较大 , 第二步可以把剩 余 2/3量的甲醇一起加入到反应体系中 , 反应 24h 。 两步法总反应时间为 34h, 转化率为 96. 8%。这两 种方法中的固定化酶都可以循环使用超过 100d, 两 步法由于总反应时间短 , 用同样量的酶 , 它比三步法 的产率高 25%6。当用餐饮废油为原料时 , 废油同精炼油相比 , 有 水分含量高 (1 98g/kg 、 游离脂肪酸含量高 (2. 5% 以及含有甘油一

11、酯和二酯 (4. 6% 等特点 , 这种废油 不能用碱催化的方法来生产生物柴油。用三步间歇 式工艺催化废油和甲醇酯交换合成生物柴油 , 具体 步骤和反应条件同用精炼油做原料一样 , 但是废油 的起始反应速度较慢 , 原因是水的存在会抑制酶的 活性。随着反应物甘油的产生 , 水分子逐渐进入甘 油层 , 酶的 活性 提高。三步 间歇式 总反 应时 间为 48h, 油的转化率为 90. 4%。造成转化率较低的原 因是废油的部分脂肪酸由于经过高温处理 , 已经聚 合、 环氧化或者降解 , 酶不能催化这些已经发生了化 学变化的脂肪酸 11。当用大豆毛油替代精炼油作为底物和甲醇进行 酯交换合成生物柴油时

12、, 大豆毛油基本不发生反应 , 原因是毛油中的磷脂吸附到固定化酶的载体上 , 阻 止酶和底物的接触。当以脱胶油作为原料时 , 开始 两步的 反应 速 度只 有精 炼 油的 1/2, 总转 化 率为90%左右 , 固定化酶只能循环使用 50d, 原因是脱胶 油中仍然含有一定量的非水化磷脂 12。对于一些对甲 (乙 醇有一定耐受能力的微生物 脂肪酶来说 , 可以把反应所需要的甲 (乙 醇直接加 到体系中 , 一次即可完成间歇式酶法催化合成。在 无溶剂体系中 , 假单胞菌 (Pseudomonas fluorescens 脂 肪酶表现出很好的甲醇耐受能力。当油醇摩尔比为 1 4. 5时 , 该酶仍然

13、具有很好的活力 , 转化率可以超 过 90%13。 Chromobacterium viscosum 菌产的脂肪酶 催化 Jatro pha (大戟属植物 油和乙醇合成生物柴油 , 在油醇摩尔比为 1 4, 温度 40 下反应 8h, 油的转 化率为 62%14。固定化脂肪酶 (Candida antarctica 催化棉籽油 和甲 醇合成 生物 柴油 , 当酶 的用 量为 30%(W% 、 油醇摩尔比为 1 4、 反应时间为 7h 、 反 应温度为 50 时 , 油的转化率为 91. 5%。当用异戊 醇替代甲醇时 , 转化率可以达到 94%15。Shieh 等 16人用响应面试验设计方法 ,

14、 考察反应 时间、 温度、 酶用量、 醇油摩尔比、 水含量等因素对根 酶 (Rhizomuco r miehei 脂肪酶催化大豆油和甲醇合成 生物柴油的影响。经过响应面分析 , 在最佳的反应条 等 1766中 国 油 脂 2006年第 31卷第 1期单胞菌 (Pseudomonas fluorescens 脂肪酶催化红花籽油 和醇酯交换合成生物柴油 , 当以甲醇或乙醇作为底物 时 , 需要添加 1, 4-二氧杂环乙烷作为溶剂使得甲醇 或者乙醇溶解在红花籽油中。当用正丙醇和正丁醇 作为底物时 , 不需要添加溶剂。酶在 60时 , 活性最 高。醇的碳原子数越多 , 转化率越高。固定化细胞催化剂作为

15、一种新技术也已经开始 应用到酶法催化生物柴油当中。 Hama 等 18人用固 定化根霉 (Rhizopus oryzae 细胞作为细胞催化剂来催 化大豆油和甲醇合成生物柴油 , 根霉细胞膜的脂肪 酸组成不同 , 催化反应的转化率也不同 , 细胞膜的脂 肪酸成分可以通过调整培养基中的脂肪酸成分来改 变。发现亚油酸强化的细胞膜甲酯化的效率较高 , 但是棕榈酸强化的细胞膜表现出很好的酶催化稳定 性。脂肪酸的组成影响细胞膜的通透性和强度 , 当 细胞膜中油酸和棕榈酸比例为 2 1时 , 细胞催化的 稳定性和转化率较好 , 细胞循环使用 10次以上 , 转 化率都在 55%左右 (反应时间为 2. 5h

16、 。当把固定 化根酶细胞和生物量支撑颗粒 (主要成分是琼脂 通 过戊二醛交联后 , 催化大豆油和甲醇酯交换。油的 转化率可以提高到 70%83%19, 如果分步加入反 应所需要的甲醇 , 则油的转化率可以超过 90%20。 2. 3 连续式酶法催化酯交换用 两步间歇式酶法催化甘油三酯和甲醇酯交换 合成生物柴油 , 反应需要搅拌才能得到较高的转化 率。搅拌力会破坏固定化酶的载体 , 使得酶不能一直 长期使用。可以用固定床生物反应器来组建连续化 酶法催化合成生物柴油的工艺 (见图 2 , 精炼油和 1/ 3mol 平衡量的甲醇先进入第一个固定床生物反应器 (3g 固定化酶 。第一步反应得到的产物必

17、须过夜让 甘油从体系中分离出来 , 否则混有甘油会聚集在第二 步反应的反应器的底部 , 覆盖脂肪酶 , 使得反应速度 降低 , 从而导致甲醇富集。富集的甲醇会导致酶的不 可逆失活 , 使得反应无法进行。第一步反应物中的油 层再和 1/3量的甲醇混合进入第二个反应器 , 得到第 二部反应产物 , 同理静置分层油层和剩下的 1/3量的 甲 醇 进入第 三个反应 器。 3个反 应器 的流速 都是 6mL/h, 反应温度 30, 反应器 中的固定化酶都是 3g, 最终的产物中脂肪酸甲酯的含量为 93%左右。 反应经过 100d 后 , 酶的活力几乎没有下降 6。 当用废油作为原料时 , 反应条件和用精

18、炼油一 样。前两个反应器中酶的量为 3g, 但是第三个反应 器中的固定化酶的量为 4. 5g, 目的是为了提高最终 反应的转化率。经过三步催化 , 产物中脂肪酸甲酯 d , 力和新鲜酶制剂一样 11。Dossat 等 21人用单级固定床反应器酶法连续催 化高油酸型葵花籽油和丁醇合成脂肪酸丁醇作为生 物柴油 , 把 20mL 油和 100mL 丁醇溶解在 正己烷 中 , 用恒流泵把混合液体输入进反应器中 , 在最初的 5h 内 , 转化率都在 95%左右。但是 14h 后 , 转化率 下降到低于 10%, 原因是产物甘油吸附在酶的载体 上 , 严重影 响了脂肪酶 (Rhizomucor mieh

19、ei 的 活力。 用丁醇和水的混合试剂清洗反应器中的甘油 , 可以 消除甘油对反应的负面影响 , 重新恢复酶的活力。图 2 连续式固定床生物反应器酶法催化合成生物柴油工艺 6 1 第 一步底 物罐 (油和 1/3mol 平衡量 的甲醇 2 第 二步底物罐 (第一步反应物的油层和 1/3mol 平衡量的甲醇 3 第三步底物 罐 (第二步反应 产物的油 层和 1/3mol 平衡 量 的甲醇 4. 固定床生物反应器 A 5. 固定床生物反应器 B 6. 恒流泵 7. 产物罐3 展 望酶法催化合成生 物柴油不仅可以用精炼植物 油 , 而且可以用餐饮废油作为原料 , 比碱法具有更好 的适应性。同时反应条

20、件温和 , 产物分离简单 , 不产 生工艺废水。用连续化的生物反应器工艺 , 酶可以 长期使用而不失活 , 从而大大降低了酶的成本。 但是不管是间歇式还是连续式酶法反应 , 和碱 法催化反应相比 , 其转化率都较低。间歇式还存在 反应周期较长的缺点。相信日后通过基因工程改造会得到活力更强、 对甲醇耐受能力更强的酶 , 从而进一步提高反应转 化率和缩短反应周期。酶法催化合成生物柴油由于 其特有的优点 , 一定具有良好的工业化应用前景。 参考文献 :1 M a F, Hanna M A. Biodiesel production:a review J. Bioresour. Technol. 19

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