噴射流回路反應器中液體酶催化制備生物柴油

引言

生物柴油是一種綠色清潔的生物燃料，通常以動植物油脂為原料，用堿性催化劑催化與短鏈醇（甲醇或乙醇）進行酯交換反應得到。但堿催化對反應原料品質要求高，不含有游離脂肪酸和水。地溝油由于自身含有較高游離酸和水不能直接用堿催化生產工藝。與之相比，酶催化具有綠色、低能耗和容易分離等優(yōu)點，酶能在有水的環(huán)境中發(fā)生酯化和酯交換反應，是以地溝油為原料生產生物柴油的更適宜方法。酶又分為固定化酶和液體酶，固定化酶由于制備工藝復雜，價格昂貴不利于工業(yè)生產，液體酶可以有效控制生產成本，更適宜工業(yè)化生產。

噴射流回路反應器又叫做噴射環(huán)流反應器，在相對低能耗下具有優(yōu)異的混合和傳質性能，提高反應效率，在多相反應體系中的應用具有良好的表現(xiàn)。廣泛應用于氫化反應、污水處理、微生物發(fā)酵等領域。目前，利用噴射流回路反應器進行液體脂肪酶催化制備生物柴油的研究鮮有報道。

本研究以地溝油、甲醇為原料，國產液體脂肪酶為催化劑，使用噴射流回路反應器制備生物柴油，考察了醇油比、加酶量、加水量、反應時間、反應溫度對生物柴油產率的影響，為使用噴射流回路反應器進行酶法生產生物柴油的工業(yè)化生產提供了技術支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

液體脂肪酶（假絲酵母，E.C 3.1.1.3，酶活力 100000 u/mL ）青島蔚藍生物技術公司提供、地溝油（唐河生物科技有限公司提供）、月桂酸甲酯（GC）、正己烷（GC）、無水甲醇、石油醚、無水乙醇、無水硫酸鈉、氫氧化鈉等均為分析純。

C2010-PLUS氣相色譜儀（日本島津）、噴射流回路反應器DN-1（江蘇七禾機械設備有限公司）、高速臺式離心機（上海飛鴿TGL-16）

1.2 實驗方法

1.2.1 生物柴油的制備

將500g地溝油（酸值127.12mgKOH/g）投入反應釜中，打開循環(huán)泵和冷凝系統(tǒng)，待反應系統(tǒng)內達到預設溫度且溫度穩(wěn)定后，利用柱塞泵將一定量的液體脂肪酶溶液（10ml/min）打入到回路反應器的外循環(huán)管路中，酶（液）進完后用進料泵將甲醇以2ml/min的速度打入到外循環(huán)管路中反應一定時間。定時取樣，取樣品上層液體GC分析。

1.2.2地溝油理化性質的測定

地溝油的含水量、酸值、碘值、環(huán)氧值、參照國標測定。酸值：127.12 mgKOH/g；碘值：87.4gI2 /100 g；含水量：1.35%；環(huán)氧值: 1.81mol/100g；

1.2.3脂肪酸組成的測定

對地溝油進行甲酯化，離心得上層清液進行氣相色譜分析

氣相色譜儀型號：GC2010-PLUS；色譜柱型號：DB-1HT 毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.1 μm)；進樣口溫度：250℃；檢測器溫度：300℃；載氣：N2；載氣流速：1.2 mL/min；氫氣：40 ml/min；空氣：400 ml/min；進樣量：1 μL；

柱箱升溫程序：柱箱初溫100℃，保留3min,然后以15℃/min升至220℃并保留10min。

脂肪酸出峰順序為：棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸，使用面積歸一法

分析各脂肪酸相對含量（棕櫚酸25.85%；硬脂酸7.4%；油酸32.1%；亞油酸31.3%；亞麻酸3.35%）。

1.3 生物柴油產率的測定

生物柴油產率的計算選擇采用氣相色譜法，以月桂酸甲酯作為內標物確定樣品中生物柴油的含量。

以月桂酸甲酯作為內標物，配制了不同質量配比的生物柴油標樣和內標物的混合溶液（4:1，2:1，1:1，1:2，1:4），通過氣相色譜儀檢測得出峰面積比，建立峰面積比與質量比之間的關系。

此標準曲線的決定系數(shù)（R²）為0.9929，說明擬合精度較高，數(shù)據(jù)精度較為準確。通過擬合公式，我們成功建立了峰面積比與質量比之間的關系，便于后續(xù)生物柴油產率計算

式中m為測試樣品中的生物柴油質量；m_ML為內標物的質量；A 為生物柴油的峰面積；A_ML 為內標物的峰面積。

生物柴油產率計算

將生物柴油與內標物以一定比例混合，通入氣相色譜儀檢測峰面積，分析得到生物柴油的質量。在隨后的生物柴油產率計算過程中，為了計算方便，本文規(guī)定：反應的原料油與生成的生物柴油質量相同。即忽略各種差異，不考慮其他物質的生成。因此，生物柴油產率經上式可得                

式中X為生物柴油的產率;m為生物柴油產物質量;M為反應原料油的質量; 中ΣA 為所有脂肪酸甲酯峰面積之和；m_ML為內標物的質量；A_ML 為內標物的峰面積。

結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 醇油比的影響

液體脂肪酶催化地溝油與甲醇的酯交換反應屬于可逆反應，甲醇含量的增加可以為反應提供更多的?；荏w，促進酯交換反應向正向進行。隨著醇油摩爾比從3:1增大到6:1，生物柴油的產率也從73.63%增加到95.29%。當醇油比提高至7:1時，生物柴油的產率卻從95.29%下降到91.53%，這是因為甲醇對液體脂肪酶有一定的毒性，反應體系中過量的甲醇會導致液體脂肪酶結構發(fā)生變化，變性失活，降低液體脂肪酶的催化活性。最合適的醇油摩爾比是6:1,對比傳統(tǒng)堿催化工藝所需要消耗的10:1甚至更高的醇油比,本工藝具有較高的甲醇利用率，降低了生產成本，減少了原料浪費。采用柱塞泵打入甲醇，也減弱了甲醇毒性對于液體脂肪酶的活性抑制作用，同時提高了甲醇的轉化率。

2.1.2 反應時間的影響

隨著反應時間的增加，生物柴油產率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在反應時間為3h時，生物柴油最大產率為95.24%。反應在前兩個小時內生物柴油產率增長較快，在第三個小時達到反應平衡后生物柴油產率逐漸降低，因為酯交換反應是一個可逆反應，因此在達到反應平衡后，生物柴油含量增大，逆反應速度大于正反應速度，反應向逆反應方向移動，導致生物柴油轉化率下降，因此，綜合考慮，選擇反應時間為3h作為最適合的反應時間。

經噴射流回路反應器強化后，反應時間降低至3h，對比恒溫水浴搖床和機械攪拌的24h甚至36h,采用本裝置的反應時間僅需3h,反應效率提升很大，有效減少能源消耗，提高資源利用率。

2.1.3 加水量的影響

隨著體系中水含量的增加（5%-10%），生物柴油的產率從91.19%增大到94.38%，當繼續(xù)提高體系中水含量時，生物柴油的產率反呈現(xiàn)下降的趨勢，從94.38%降低到88.28%。對于液體脂肪酶催化的酯交換反應來說，水的存在是必需的，因為醇油兩相是互不相容的，適量水的加入可以形成液體脂肪酶-水-甲醇活性液滴，有效增大酶與地溝油的接觸面積，提高了反應的傳質效率，而且能夠激發(fā)液體脂肪酶的催化活性，同時水的加入也降低了甲醇的濃度，減弱了對酶的活性抑制，最大化發(fā)揮了酶的催化活性。但過量的水的加入，不僅會稀釋反應物濃度，而且會促進反應體系中水解反應的進行，從而導致酯化反應的逆向進行，降低了生物柴油的產率。因此，確定加水量為油重的10%為最佳加水量。

2.1.4 反應溫度的影響

生物柴油的轉化率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并且在溫度為45 ℃時，生物柴油有最大的轉化率，其轉化率為94.38%。隨著溫度的升高，反應體系中的分子運動速率不斷增大，物質碰撞的幾率也就不斷增大，液體脂肪酶也由于溫度的升高達到了能夠更好發(fā)揮轉酯活性的構象。但是當溫度繼續(xù)上升時，雖然反應體系中的分子運動速率不斷增大，但隨著溫度繼續(xù)升高，液體脂肪酶會發(fā)生變性，導致部分酶失活，從而使反應體系中酶的催化活性降低，所以此時的生物柴油的產率下降。所以本實驗的最佳反應溫度為45 ℃。

2.1.5 酶添加量的影響

當液體脂肪酶添加量從0.2%升至0.5%時，生物柴油的產率逐步提高，從72.92%上升到94.38%，酶的添加量增大時，反應中酶提供的活性位點也增多，增大了甲醇與地溝油的反應速率，進而升高了生物柴油的產率。當酶添加量繼續(xù)增大到0.6%時，生物柴油的產率卻下降到了92.30%，原因是當?shù)孜餄舛缺３植蛔儠r，過量的酶的加入不會增大酶促反應速率，反而過量酶的加入導致反應體系中酶產生聚集，酶與油接觸面積減少，限制了反應的傳質速率。因此酶添加量為0.5%時為最合適酶添加量。

結論

本研究采用噴射流回路反應器，以液體脂肪酶為催化劑催化地溝油和甲醇反應合成生物柴油，在單因素實驗優(yōu)化得最佳反應條件為地溝油與甲醇摩爾比為6:1，加酶量0.5%（以原料油重量計），反應溫度為45 ℃，加水量10%，在最佳優(yōu)化條件下反應3h，生物柴油產率可達94.3%，為使用噴射流回路反應器進行酶法生產生物柴油的工業(yè)化生產提供了技術支持。

文章來源：  《上海輕工業(yè)》   http://12-baidu.cn/w/kj/30978.html