有机溶剂体系固定化脂肪酶催化合成生物柴油

向 150 mL 具塞锥形瓶中加入 2. 0 g大豆色拉
第 25卷第 2期
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
赵希岳等 有机溶剂体系固定化脂肪酶催化合成生物柴油
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油 、0. 09 mL 甲醇 , 0. 1 g固定化酶 , 6. 0 mL 石油醚和 0. 1 g水 , 30、40、50、60、70 ℃下反应 10 h。 1. 2. 6 酶量对酯交换反应的影响
关键词 生物柴油 固定化 Cand ida an ta rctica脂肪酶 大豆色拉油 有机溶剂 中图分类号 : TQ645 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 - 0174 (2010) 02 - 0074 - 04
生物柴油 (B iodiesel)是指以油料作物 、野生油料 植物和工程微藻等植物油脂以及动物油脂 、餐饮垃 圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化 柴油的再生性柴油燃料 [ 1 ] ,其具有无毒 ,可再生 ,较 好的润滑性和安全性等优点 [ 2 - 5 ] ,随着石油资源的日 益枯竭以及人类环境保护意识的不断加强 ,这种清 洁可再生能源的发展得到越来越多人的关注 ,是一 种理想的石化柴油替代品 [ 6 ] 。
向 150 mL 具塞锥形瓶中加入 2. 0 g大豆色拉 油 、0. 09 mL 甲醇和 6. 0 mL 石油醚 ,分别向各瓶中加 入 0. 04、0. 08、0. 10、0. 16、0. 20 g固定化酶 , 40 ℃下 反应 24 h。 1. 2. 7 固定化酶的操作稳定性和使用寿命
甲醇分三次加入 ,先加入 1 mol甲醇到反应体系 中 ,反应 6 h,再加入 1 mol甲醇 ,反应 8 h后 ,再加入 1 mol甲醇 ,反应 16 h。 1. 3 分析方法 1. 3. 1 原料分析
1 材料与方法
1. 1 主要试剂 固定化 Cand ida an ta rctica脂肪酶 :美国 Sigma公
基金项目 :中国石化集团总公司基金 (102019) ,江苏省精细石油 化工重点实验室基金 (200403)
收稿日期 : 2009 - 02 - 23 作者简介 :赵希岳 ,男 , 1965年出生 ,博士 ,副教授 ,生物工程的教
2010年 2月 第 25卷第 2期
中国粮油学报
Journal of the Chinese Cereals and O ils A ssociation
Vol. 25, No. 2 Feb. 2010
有机溶剂体系固定化脂肪酶催化合成生物柴油
赵希岳 陈巧丽 蔡志强 杨百科 黄凌云
(江苏省精细石油化工重点实验室 江苏工业学院 ,常州 213164)
转化率随反应时间的变化结果见图 6。在一定 的酶浓度范围内 ,酶浓度越大 ,酶与底物接触的几率 越大 ,酶反应速度越快 ,但是当酶浓度增大到一定程
图 6 酶量对酯交换反应的影响
2. 7 固定化酶的操作稳定性和使用寿命 图 7是固定化酶催化大豆色拉油酯交换反应的
过程曲线 。反应分三步进行 :首先将大豆色拉油与 甲醇按物质的量比 1 ∶1 的比例混合进行反应 ,当反 应 6 h后体系中甲酯的含量达到最大时 ,再加入与油 脂等物质的量甲醇继续反应 ,当反应进行到 14 h并 且体系中甲酯的含量再一次达到最大 ,再加入等物 质的量甲醇继续反应至体系中甲酯的含量不再增大 为止 。整个过程大约需要 30 h,总醇油物质的量比 为 3 ∶1,产物的转化率达到 88. 4%。
度 ,其对反应速度影响较小 。从图 6 可知 ,在所研究 的范围内 ,酶促反应初速度随酶量的增加而增大 ,当 酶用量小于 0. 1 g时 ,酶量的变化对反应的影响较为 显著 ,酶量由 0. 04 g增加到 0. 1 g时 ,产物的转化率 接近理论产率所需的反应时间由 24 h减少到 6 h;酶 量高于 0. 1 g时 ,其变化对反应的影响甚小 。酶量对 产物的转化率的影响随着反应时间的延长而减小 , 反应 24 h后在所研究的各种酶量条件下 ,产物的转 化率均接近理论值 。当酶量为 0. 1 g (即为大豆色拉 油质 量 的 5% ) 时 , 反 应 6 h 产 物 转 化 率 达 到 28. 84%。综合考虑反应速度及酶的成本 ,反应体系 的酶量以 0. 1 g为宜 。
摘 要 探讨了有机溶剂体系固定化 Cand ida an ta rctica 脂肪酶催化大豆色拉油合成生物柴油的过程 。 将固定化 Cand ida an ta rctica脂肪酶置于有机溶剂体系中催化合成生物柴油的效果较好 。研究发现 ,在 40 ℃ 下反应 10 h,固定化 Cand ida an ta rctica 脂肪酶以石油醚作为有机溶剂转化率最高 ,当总醇油物质的量比为 3 ∶1,固定化酶占 5% (相对于油质量 ) ,加入 5%质量分数的水时固定化酶反应活性最高 ,酯化率可以达到 88. 4%。固定化酶重复使用 10次仍具有较高活性 。
石油醚体系的转化率最高 ,为 27. 03% ,异辛烷
图 3 甲醇含量对酯交换反应的影响
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2. 4 水含量对酯交换反应的影响 在酯交换反应过程中 ,水能溶解部分置换产生
的甘油 ,从而减少反应体系中甘油的含量 ,加速反应 的进行 ,结果如图 4所示 。但是 ,反应体系中过多的 水不仅会使酶聚集成团 ,增大传质阻力 ,降低酶的催 化效率 ,而且会加速酶的失活过程 。同时 ,水的存在 还将导致甲酯水解副反应的发生 。因此 ,控制酯交 换反应体系中的水含量非常重要 。由图 4 可以看 出 ,体系中水的加入量为 0. 1 g (即为大豆色拉油质 量的 5% )时 ,转化率最高 。
在有机溶剂体系中甲醇对脂肪酶有抑制作用 , 结果如图 3 所示 。当醇油物质的量比为 1 ∶1 时 ,反 应的转化率最高 ,达到 31. 2% ,当体系中甲醇含量低 于这个比例时 ,由于底物浓度不足因而造成反应转 化率较低 ,而当甲醇含量高于这个比例时则会引起 固定化酶的不可逆失活 。
图 1 有机溶剂对酯交换反应的影响
反应体系中加入有机溶剂可以稀释体系中的甲醇 , 从而降低甲醇对脂肪酶的抑制作用 ,提高生物柴油的产 率。但是 ,溶剂的加入量不是越多越好 ,结果见图 2。
图 2 溶剂含量对酯交换反应的影响
由图 2 可知 , 当体系中石油醚的加入量小于 6. 0 mL ,随着溶剂量的增加 ,酯交换反应的转化率呈 上升趋势 ,但是当体系中石油醚的加入量大于 6. 0 mL ,随着溶剂量的增加 ,酯交换反应的转化率反而降 低 。这可能是由于体系中加入石油醚的量过多 ,大 大地稀释了反应底物的浓度 ,减少了它们的接触机 率 ,从而使转化率降低 。所以 ,在本体系中 ,石油醚 的最佳加入量为 6. 0 mL。 2. 3 甲醇含量对酯交换反应的影响
用脂肪酶代替酸碱催化合成生物柴油的报道已 有很多 [ 7 - 8 ] ,酶法合成生物柴油具有条件温和 、醇用 量小 、产品易于收集 、无污染物排放等优点 [ 9 - 10 ] 。脂 肪酶在水溶液中它能催化油脂和其它酯类的水解反 应 ,在有机介质中也能催化水解反应的逆反应 。脂 肪酶在有机合成中具有极大的应用潜力 [ 11 - 12 ] 。
图 7 固定化酶催化色拉油酯交换反应曲线
在上述反应条件下考察了固定化酶的操作稳定 性 ,实验结果见图 8。从图中可以看出 ,固定化酶连 续使用 10批次后 ,酶活力基本没有下降 。
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图 8 固定化酶的操作稳定性
3 结论
在有机溶剂体系中 ,酶法催化合成生物柴油的 效果较好 。采用石油醚作为有机溶剂 ,使用 5% (相 对于油质量 )固定化酶 ,加入 5%的水 , 40 ℃下反应 , 甲醇分三次流加 ,反应 30 h后转化率达到 88. 4% ,并 且固定化酶连续使用 10次仍具有较高的活性 。
对原料从酸价 、杂质 、水分 ,皂化值几个方面进 行分析 [ 2 ] 。 1. 3. 2 产品分析
采用气相色谱分析 。利用上分 1102GC 型气相 色谱仪 , F ID 检测器 , CDMC21色谱工作站 , 1μL 微量 注样器 , PEG20M 30 m ×0. 32 mm ( I. D. ) ×0. 5 μm ( film thickness)聚乙二醇毛细管柱 , OV - 17 固定相 。 色谱柱采用分流进样方式 。柱温采用程序升温 : 初 始温度 120 ℃,以升温速率 10 ℃ /m in升到 170 ℃, 保 持 4 m in, 再 以 升 温 速 率 5 ℃ /m in 升 至 终 温 230 ℃,保持 4 m in,进样器温度 280 ℃,检测器温度 280 ℃,载气为干燥的高纯氮气 ,燃气为高纯氢气 ,助 燃气为压缩空气 。
向 150 mL 锥行瓶中加入 2. 0 g大 豆色 拉油 、 0. 09 mL甲醇 (醇油物质的量比 1 ∶1) , 0. 1 g固定化 酶 ,并向瓶中分别加入 2. 0、4. 0、6. 0、8. 0、10. 0 mL石 油醚 , 40 ℃下反应 10 h。 1. 2. 3 甲醇含量对酯交换反应的影响
2 结果与分析
2. 1 有机溶剂对酯交换反应的影响 体系中加入有机溶剂后 ,反应底物的浓度降低 ,
与酶的接触面积增大 ,酯交换反应的转化率明显提 高 。不同溶剂对脂肪酶酯交换反应的影响不同 ,结 果见图 1。
体系的转化率最低 ,仅为 9. 04%。与有机溶剂的疏 水性越强 ,脂肪酶的活性越高 ,催化酯交换反应效果 越好相一致 [ 9 ] 。但是 ,反应体系中 ,反应底物 (甲醇 ) 的亲水性太强 ,在反应中起着控制因素的作用 [ 10 ] 。 因此导致异辛烷体系的转化率较低 。所以 ,在以后 的反应体系中选用石油醚作为有机溶剂 。 2. 2 溶剂含量对酯交换反应的影响
采用有机溶剂作为反应介质 ,利用固定化 Can2 d ida an ta rctica脂肪酶催化油脂原料进行转酯反应合 成生物柴油 。探讨了不 同的有机溶剂 、溶剂含量 、酶 用量 、水含量 、甲醇含量 、温度 、以及固定化 Candida an ta rctica脂肪酶的寿命等因素对生物柴油合成的影响 。