專利名稱：一種生物催化“一鍋法”制備生物柴油的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油脂化學(xué)工程、生物化學(xué)工程、生物能源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及生物催化制備 生物柴油技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種生物催化"一鍋法"制備生物柴油的工藝方法。
背景技術(shù)：
石油資源短缺導(dǎo)致的能源危機以及其過度利用導(dǎo)致的環(huán)境危機已引起世界各國的普遍 關(guān)注，尋找可再生的綠色環(huán)保能源已成為各國能源戰(zhàn)略的重中之重。生物柴油是一種綠色 可再生能源，它是油脂原料在催化劑存在的情況下通過酯化或轉(zhuǎn)酯化而制成的脂肪酸烷基 酯。生物柴油的燃燒性能可以與傳統(tǒng)的石油基柴油相媲美，其燃燒后發(fā)動機排放出的尾氣 里有害物質(zhì)比傳統(tǒng)石化柴油降低了 50%。因此，世界各國都在大力發(fā)展生物柴油。
傳統(tǒng)地生物柴油是通過酸或堿催化的酯交換反應(yīng)而制備的，然而化學(xué)法制備工藝復(fù)雜、 設(shè)備要求高、反應(yīng)條件難以控制、醇必須過量；后續(xù)工藝必須有相應(yīng)的醇回收裝置，能耗高； 色澤深，脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質(zhì)；酯化產(chǎn)物難于回收，成本高；生產(chǎn)過程有 廢液排放，環(huán)境污染嚴(yán)重。為解決上述問題，人們開始將目光轉(zhuǎn)向用生物催化法合成生物柴 油，即用脂肪酶作為催化劑進(jìn)行酯化或酯交換反應(yīng)制備生物柴油。然而，生物催化法也存在 問題 一方面，傳統(tǒng)的酶法制備時都用短鏈醇作為酰基受體，但是短鏈醇如甲醇在非水相中 溶解度很低會以小液滴的形式存在從而毒害生物催化劑脂肪酶，造成脂肪酶的活力損失和穩(wěn) 定性的下降；另一方面，目前國內(nèi)外的研究報道多使用精制油脂作為原料，如大豆油、葵花 籽油、菜籽油、棉籽油、紅花油、蓖麻油等，因此在生物柴油的制備成本中油脂原料的成本 就占70%以上，從而導(dǎo)致整個工藝的成本很高限制了大規(guī)P漠工業(yè)化。
考察整個生物柴油制備工藝過程，是否有必要先將油脂提取出來進(jìn)行精制后作為生物 柴油制備原料是個值得考慮的問題，完全可以篩選合適的溶劑進(jìn)行"一鍋法"制備生物柴 油，這樣可以省略掉油脂的提取和精制步驟從而簡化整個工藝流程以達(dá)到降低工藝成本的目的。
碳酸酯類可以作為?；荏w用于生物柴油的制備(Su， E.Z" Zhang, M丄，Zhang, J.G.， Gao, J. F.， Wei, D. Z. 2007. Biochem. Eng. J. 36, 167-173 ),其參與的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)是不可逆反應(yīng)，油脂轉(zhuǎn) 化速度快、轉(zhuǎn)化率高。醋酸酯類也可以作為?；荏w用于生物柴油的制備(Du,W.,Xu,Y.Y.,Liu, D. H., Zeng， J. 2004, J. Mol. Catal. B: Enzym. 30 (3-4)， 125-129; Modi, M.K" Reddy,丄R.C" Rao, B.V.S.K., Prasad, R.B.N. 2007， Bioresour. Technol. 98, 1260-1264 )。使用碳酸酯類和醋酸酯 類作為?；荏w避免了短鏈醇對脂肪酶的毒害作用。此外，碳酸酯類和醋酸酯類也是很好的 油脂提取溶劑。綜合上述背景介紹，以碳酸酯類或醋酸酯類既作為油脂的提取溶劑又作為油 脂轉(zhuǎn)酯化或酯化的酰基受體，通過生物催化"一鍋法"制備生物柴油的將是一種非常有前景 的工藝方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供一種生物催化"一鍋法"制備生物 柴油的工藝方法，該工藝方法設(shè)計巧妙，操作簡單方便，能快速制備生物柴油，從而大大提 高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，適于工業(yè)化大規(guī)j莫應(yīng)用。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種生物催化"一鍋法"制備生物柴油的工藝方法，其特 點是，將含油脂原料破碎后，加入既作為油脂提取溶劑又作為油脂轉(zhuǎn)酯化或酯化酰基受體的 合適溶劑，以及生物催化劑，進(jìn)行反應(yīng)從而荻得所述生物柴油。
較佳地，所述合適溶劑是短鏈碳酸酯和/或短鏈醋酸酯。
更佳地，所述的短鏈碳酸酯選自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯和碳酸二丁酯的 一種或幾種；所述的短鏈醋酸酯選自醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸正丙酯、醋酸異丙酯、醋酸 正丁酯、醋酸異丁酯、醋酸正戊酯和醋酸異戊酯的一種或幾種。
較佳地，所述合適溶劑的添加比例為每克所述含油脂原料中添加3 30毫升所述合適溶劑。
較佳地，所述生物催化劑為來源于動物、植物或微生物的脂肪酶或含脂肪酶的材料。 較佳地，所述生物催化劑的加入量為所述含油脂原料理論含油量重量的3~30%。 較佳地，所述反應(yīng)的溫度為15~65°C,反應(yīng)的時間為4~24小時。
較佳地，所述含油脂原料來自于植物體、動物體、微生物體、藻類以及其它含油脂的工 業(yè)廢棄物或殘渣的 一種或幾種。
因此，本發(fā)明的具體生產(chǎn)過程為 (1)含油脂原料進(jìn)行適當(dāng)破碎；
(2 )按每克含油脂原料3 ~ 30毫升的比例加入選定的合適溶劑；
(3 )加入基于含油脂原料理論含油量重量3-30 %的生物催化劑，于15 ~ 65 °C反應(yīng)4 ~ 24小時，即可生產(chǎn)出生物柴油。本發(fā)明的有益效果具體如下
1. 新型?；荏w的使用。以碳酸酯類作為?；荏w時，碳酸酯與甘油酯轉(zhuǎn)酯反應(yīng)的中 間產(chǎn)物碳酸單?；ヒ坏┥裳杆俜纸獬纱己投趸迹趸?故出，從而使反 應(yīng)不斷正向進(jìn)行，因此油脂轉(zhuǎn)化速度快，轉(zhuǎn)化率高，達(dá)到近100%。以醋酸酯類作為 ?；荏w，產(chǎn)物中沒有甘油生成，從而避免了其副作用；此外，碳酸酯類或醋酸酯 類代替?zhèn)鹘y(tǒng)的短鏈醇作為?；荏w，避免了傳統(tǒng)方法中短鏈醇對生物催化劑的毒害 作用，從而延長了生物催化劑的壽命和增加了生物催化劑的重復(fù)使用性；
2. 碳酸酯類或醋酸酯類作為新型油脂提取溶劑的應(yīng)用。碳酸酯類和醋酸酯類是集清潔 性與安全性于一體的綠色溶劑，他們對油脂均有很好的溶解性能，可以替代傳統(tǒng)的 易燃、易爆溶劑用于油脂的提??；
3. "—鍋法"制備生物柴油技術(shù)的開發(fā)。以碳酸酯類或醋酸酯類既作為油脂的提取溶 劑又作為油脂轉(zhuǎn)酯化或酯化的?；荏w，利用生物催化劑催化"一鍋法"制備生物 柴油，將油脂的提取與油脂的酯化或轉(zhuǎn)酯化工藝合二為一，設(shè)計巧妙，操作簡單方 便，避免了油脂的提取精煉，工藝步驟大大簡化，能快速制備生物柴油，從而大大 提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，適于工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用；
4. 本發(fā)明不管從生產(chǎn)工藝還是從生產(chǎn)成本上看，都具有極好的工業(yè)化應(yīng)用前景。
具體實施例方式
為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實施例詳細(xì)說明。 實施例1
將油菜籽適當(dāng)粉碎后，取10克與30毫升碳酸二甲酯在具塞三角瓶中混合均勻，置于 控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到15°C，加入理論含油量3。/。的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng)20-24小時， 生物柴油得率達(dá)到85%以上。此處使用的生物催化劑為來源于植物蓖麻籽的脂肪酶，將蓖 麻籽在暗處發(fā)芽三天后搗碎勻漿，再于IO, 000轉(zhuǎn)/分鐘離心30分鐘，收集上層脂質(zhì)體，用 5倍體積的乙醚萃取脂類后的脂質(zhì)體于真空冷凍干燥機中干燥后作為生物催化劑。
實施例2
將油菜籽適當(dāng)粉碎后，取10克與60毫升碳酸二乙酯在具塞三角瓶中混合均勻，置于 控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到25°C,加入理論含油量6%的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng)15-20小時， 生物柴油得率達(dá)到90%以上。此處使用的生物催化劑同實施例1 。實施例3將油菜籽適當(dāng)粉碎后，取10克與120毫升醋酸曱酯在具塞三角瓶中混合均勻，置于控 溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到35°C,加入理論含油量12%的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng)10-15小時， 生物柴油得率達(dá)到92%以上。此處使用的生物催化劑同實施例1 。實施例4將油菜籽適當(dāng)粉碎后，取10克與240毫升醋酸乙酯在具塞三角瓶中混合均勻，置于控 溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到50°C,加入理論含油量24%的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng)4-10小時， 生物柴油得率達(dá)到95%以上。此處使用的生物催化劑同實施例1。實施例5將屠宰業(yè)含脂肪下腳料經(jīng)適當(dāng)粉碎后，取10克與50毫升碳酸二丙酯在具塞三角瓶中 混合均勻，置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到20°C，加入理論含油量5 %的生物催化劑開始反應(yīng)， 反應(yīng)20-24小時，生物柴油得率達(dá)到83%以上。此處使用的生物催化劑為來源于動物胰臟 的脂肪酶，以豬胰臟為原料，通過有機溶液提取去除脂類、沉淀蛋白，再利用鹽析和凝膠 層析分離純化蛋白，采用真空冷凍干燥獲得豬胰脂肪酶酶粉，將酶粉溶于pH 7.0的磷酸緩 沖液中，再加入大孔吸附樹脂吸附6個小時，過濾得固定化脂肪酶作為生物催化劑。實施例6將屠宰業(yè)含脂肪下腳料經(jīng)適當(dāng)粉碎后，取10克與100毫升碳酸二丁酯在具塞三角瓶中 混合均勻，置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到30°C,加入理論含油量10%的生物催化劑開始反應(yīng)， 反應(yīng)15-20小時，生物柴油得率達(dá)到87%以上。此處使用的生物催化劑同實施例5。實施例7將屠宰業(yè)含脂肪下腳料經(jīng)適當(dāng)粉碎后，取10克與200毫升醋酸正丙酯在具塞三角并瓦中 混合均勻，置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到4(TC,加入理論含油量20%的生物催化劑開始反應(yīng)， 反應(yīng)10-15小時，生物柴油得率達(dá)到90%以上。此處使用的生物催化劑同實施例5。實施例8將屠宰業(yè)含脂肪下腳料經(jīng)適當(dāng)粉碎后，取10克與260毫升醋酸正丁酯在具塞三角瓶中 混合均勻，置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到55°C，加入理論含油量26%的生物催化劑開始反應(yīng)， 反應(yīng)4-10小時，生物柴油得率達(dá)到92%以上。此處使用的生物催化劑同實施例5。實施例9將含油微生物細(xì)胞適當(dāng)破碎后，取10克與70毫升碳酸二曱酯在具塞三角瓶中混合均 勻，置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到25。C,加入理論含油量7%的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng) 20-24小時，生物柴油得率達(dá)到88%以上。此處使用的生物催化劑為來源于解脂耶氏酵母的 脂肪酶，解脂耶氏酵母經(jīng)3.7升發(fā)酵罐發(fā)酵4天后，發(fā)酵液離心收集上清，用丙酮沉淀得 脂肪酶粗粉，將粗粉溶于pH 7.0的磷酸緩沖液中，再加入大孔吸附樹脂吸附6小時后，過 濾得固定化脂肪酶作為生物催化劑。實施例10將含油微生物細(xì)胞適當(dāng)破碎后，取10克與140毫升碳酸二乙酯在具塞三角瓶中混合均 勻，置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到35°C,加入理論含油量14%的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng) 15-20小時，生物柴油得率達(dá)到90%以上。此處使用的生物催化劑同實施例9。實施例11將含油微生物細(xì)胞適當(dāng)破碎后，取10克與220毫升醋酸異丙酯在具塞三角瓶中混合均 勻，置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到45°C，加入理論含油量22%的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng) 10-15小時，生物柴油得率達(dá)到94%以上。此處使用的生物催化劑同實施例9。實施例12將含油微生物細(xì)胞適當(dāng)破碎后，取10克與280毫升醋酸異丁酯在具塞三角瓶中混合均 勻，置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到60°C,加入理論含油量28%的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng) 4-10小時，生物柴油得率達(dá)到98%以上。此處使用的生物催化劑同實施例9。實施例13將含油藻類細(xì)胞適當(dāng)破碎后，取10克與90毫升碳酸二丙酯在具塞三角瓶中混合均勻， 置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到30°C，加入理論含油量9%的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng)20-24小時，生物柴油得率達(dá)到84%以上。此處使用的生物催化劑為將熒光假單胞菌脂肪酶LIP68 基因展示于畢氏酵母表面而獲得的表面展示脂肪酶全細(xì)胞生物催化劑。脂肪酶LIP68基因 連接在畢氏酵母表面展示載體上，導(dǎo)入畢氏酵母構(gòu)建表面展示LIP68基因的工程菌，工程 菌經(jīng)發(fā)酵后離心收集菌體真空冷凍干燥后直接作為生物催化劑。實施例14將含油藻類細(xì)胞適當(dāng)破碎后，取IO克與160毫升碳酸二丁酯在具塞三角瓶中混合均勻， 置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到40°C,加入理論含油量16%的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng)15-20 小時，生物柴油得率達(dá)到91%以上。此處使用的生物催化劑同實施例13。實施例15將含油藻類細(xì)胞適當(dāng)破碎后，取IO克與240毫升醋酸正戊酯在具塞三角瓶中混合均勻， 置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到50°C,加入理論含油量24%的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng)10-15 小時，生物柴油得率達(dá)到95%以上。此處使用的生物催化劑同實施例13。實施例16將含油藻類細(xì)胞適當(dāng)破碎后，取10克與300毫升醋酸異戊酯在具塞三角瓶中混合均勻， 置于控溫?fù)u床上調(diào)節(jié)溫度到65°C，加入理論含油量30%的生物催化劑開始反應(yīng)，反應(yīng)4-10 小時，生物柴油得率達(dá)到97%以上。此處使用的生物催化劑同實施例13。綜上，本發(fā)明的生物催化"一鍋法"制備生物柴油的工藝方法設(shè)計巧妙，操作簡單方便， 能快速制備生物柴油，從而大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，適于工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種 修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖
應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限 制性的。
權(quán)利要求
1.一種生物催化“一鍋法”制備生物柴油的工藝方法，其特征在于，將含油脂原料破碎后，加入既作為油脂提取溶劑又作為油脂轉(zhuǎn)酯化或酯化?；荏w的合適溶劑，以及生物催化劑，進(jìn)行反應(yīng)從而獲得所述生物柴油。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生物催化"一鍋法"制備生物柴油的工藝方法，其特征在于，所述 合適溶劑是短鏈?zhǔn)克狨ズ?或短鏈醋酸酯。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的生物催化"一鍋法"制備生物柴油的工藝方法，其特征在于，所述 的短鏈碳酸酯選自碳酸二曱酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯和碳酸二丁酯的一種或幾種；所 述的短鏈醋酸酯選自醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸正丙酯、醋酸異丙酯、醋酸正丁酯、醋酸 異丁酯、醋酸正戊酯和醋酸異戊酯的一種或幾種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生物催化"一鍋法"制備生物柴油的工藝方法，其特征在于，所述 合適溶劑的添加比例為每克所述含油脂原料中添加3 30毫升所述合適溶劑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生物催化"一鍋法"制備生物柴油的工藝方法，其特征在于，所述 生物催化劑為來源于動物、植物或微生物的脂肪酶或含脂肪酶的材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生物催化"一鍋法"制備生物柴油的工藝方法，其特征在于，所述 生物催化劑的加入量為所述含油脂原料理論含油量重量的3~30%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生物催化"一鍋法"制備生物柴油的工藝方法，其特征在于，所述 反應(yīng)的溫度為15 ~ 65 °C,反應(yīng)的時間為4 ~ 24小時。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生物催化"一鍋法"制備生物柴油的工藝方法，其特征在于，所述 含油脂原料來自于植物體、動物體、微生物體、藻類以及其它含油脂的工業(yè)廢棄物或殘渣 的一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物催化“一鍋法”制備生物柴油的工藝方法，將含油脂原料破碎后，加入既作為油脂提取溶劑又作為油脂轉(zhuǎn)酯化或酯化?；荏w的合適溶劑，以及生物催化劑，進(jìn)行反應(yīng)從而獲得生物柴油，較佳地，合適溶劑是短鏈碳酸酯和/或短鏈醋酸酯，每克含油脂原料中添加3～30毫升，生物催化劑為來源于動物、植物或微生物的脂肪酶或含脂肪酶的材料，加入量為含油脂原料理論含油量重量的3～30％，反應(yīng)溫度為15～65℃，反應(yīng)時間為4～24小時，含油脂原料來自于植物體、動物體、微生物體、藻類以及其它含油脂的工業(yè)廢棄物或殘渣的一種或幾種，本發(fā)明設(shè)計巧妙，操作簡單方便，能快速制備生物柴油，從而大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，適于工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。
文檔編號C12P7/64GK101619329SQ20091005558
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者尤朋永, 蘇二正, 魏東芝 申請人:華東理工大學(xué)