生物酶法制備生物柴油研究綜述

1、生物酶法制備生物柴油研究綜述分?jǐn)?shù)低于0.0005 %，十六烷值高達(dá)73.6，在0#柴油中添加了 20%的生物柴油后，尾氣排放中 CO 降低了28%，未燃燒的碳?xì)浠衔锝档土?36 %，NOx降低了24 %，全負(fù)荷煙度下降幅度達(dá)到 0.20.9 Rb。 蔡志強(qiáng)等 10探究了固定化脂肪酶分別催化酯化與醇解兩種方法合成生物柴油的最佳工藝條件。 研究發(fā) 現(xiàn)，酯化工藝的最佳工藝條件是：2%固定化脂肪酶，溫度為 30 ，油酸甲醇=11（摩爾比），分 2 次等摩爾流加甲醇，反應(yīng)時(shí)間 24 h，或分 3 次等摩爾流加甲醇，反應(yīng)時(shí)間 36 h，酯化率都可以達(dá)到 95%以上；醇解的最佳工藝條件是：4%固定化脂肪酶

2、，溫度為 30 ，菜籽油甲醇=13（摩爾比），分 3 次等摩爾流加甲醇，反應(yīng)時(shí)間為 48 h，酯化率可以達(dá)到 95%以上，去除下層甘油后，菜籽油甲酯純度可達(dá) 98%。 安永磊等 11利用固定化脂肪酶催化餐飲廢油與乙醇反應(yīng)制備生物柴油。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了酯化反應(yīng)的最佳條件：反應(yīng)溫度 47 ，有機(jī)溶劑為正己烷，醇油比 31，5 次投加乙醇，酶用量為 0.3 g，反應(yīng)時(shí)間 32 h 時(shí)，生物柴油產(chǎn)率可達(dá) 81%。 徐桂轉(zhuǎn)等 12利用固定化脂肪酶 Novozym 435，在無(wú)有機(jī)溶劑存在的情況下，催化菜籽油與甲醇酯交換反應(yīng)制取生物柴油。研究得到了菜籽油間歇酯交換反應(yīng)的適宜工藝條件：轉(zhuǎn)速200 r/min，

3、反應(yīng)溫度：50 ，甲醇菜籽油=15（摩爾比），酶用量 10%（與菜籽油的質(zhì)量比）。 反應(yīng)分兩次加入等量甲醇，即先加入總量一半的甲醇，反應(yīng) 10 h（菜籽油的酯交換率達(dá)到 47%）；再加入剩下全部甲醇，反應(yīng)26 h（酯交換率達(dá)到 80%）。 唐鳳仙等 13以戊二醛交聯(lián)殼聚糖固定的 A.niger Li-38脂肪酶催化棉籽毛油合成生物柴油取得了不錯(cuò)的效果。 研究發(fā)現(xiàn)該固定化酶的貯藏穩(wěn)定性較好，室溫放置 12 d, 酶活性仍能保持 80%以上。固定化酶在 3070 ，pH=5.56.5 之間較穩(wěn)定，其熱穩(wěn)定性和 pH 穩(wěn)定性較游離酶有所提高。固定化酶可重復(fù)使用 7 次，轉(zhuǎn)化率保持在80%以上。 洪鯤

4、等 14研究了兩種脂酶順序催化制備生物柴油的生產(chǎn)工藝。結(jié)果表明：固相化細(xì)菌 A007 脂酶催化甘油三酯（TAG）水解的最適條件為：含水量 40%、脂酶用量100 U/g、反應(yīng)溫度 30 、反應(yīng)時(shí)間 12 h，此時(shí) TAG水解率和游離脂肪酸 （FFA） 含量分別為 93.3%和90.1%；在催化 FFA 甲酯化過(guò)程中，固相化 Candidaantarctica 脂酶在 FFA甲醇=15 時(shí)可達(dá)到最佳效果；在第二次甲酯化時(shí)，加入甘油有利于提高FFA 酯化率，經(jīng)過(guò) 24 h 反應(yīng)，可將總酯化率從無(wú)甘油時(shí)的 96.9%提高到 98.6%。 2.2 液體脂肪酶法早在 1970 年代許多學(xué)者就發(fā)現(xiàn)脂肪酶在

5、油水界面上催化反應(yīng)速率較快，A. M. Brzozowski 等 15將此現(xiàn)象解釋為“界面活化效應(yīng)”。一般而言，脂肪酶活性位點(diǎn)為一個(gè)蓋子所罩住，界面活化效應(yīng)是指將此蓋子打開(kāi)使催化活性位點(diǎn)暴露出來(lái)。液體脂肪酶通過(guò)催化兩相（油相/水相）體系界面的轉(zhuǎn)酯/酯化反應(yīng)制備生物柴油。 基于雙相體系、油水界面活性效應(yīng)的特點(diǎn)，液體酶法催化制備生物柴油的反應(yīng)速率較快，不受底物、產(chǎn)物的擴(kuò)散限制，產(chǎn)物、副產(chǎn)物易分離。此外，液體脂肪酶生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉 16。 許多學(xué)者對(duì)脂肪酶的蓋式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探究。薛龍吟等 17比較了黑曲霉脂肪酶與黑曲霉酯酶的 3-D 結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)兩者在蓋子結(jié)構(gòu)域存在顯著差異。他們利用PCR 技術(shù)對(duì)

6、黑曲霉脂肪酶的 4 個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行誘變，以期獲得開(kāi)蓋型黑曲霉脂肪酶。4 個(gè)重組質(zhì)粒導(dǎo)入畢式酵母 GS115 菌株進(jìn)行異源表達(dá)后，僅 pPC19K-anl-D99P和 pPC19K-anl-K108E 實(shí)現(xiàn)了活性表達(dá)。 李堂等 18研究脂肪酶催化菜籽油乙醇解反應(yīng)的幾個(gè)主要影響因素的結(jié)果表明，采用正己烷作溶劑，能有效增加反應(yīng)體系中乙醇與菜籽油的互溶性，使反應(yīng)物充分接觸，有效降低乙醇的局部濃度，減小其對(duì)酶的毒害作用，消除酶的團(tuán)聚現(xiàn)象，改善脂肪酶所處微環(huán)境。 2.3 全細(xì)胞法酶法生產(chǎn)生物柴油進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用的最大障礙是脂肪酶的成本太高，一個(gè)很有前景的解決方法是以全細(xì)胞生物催化劑的形式利用脂肪酶 19。 清華

7、大學(xué)的曾靜等 20利用霉菌 R. oryzae IFO 細(xì)胞催化植物油脂與甲醇醇解反應(yīng)合成生物柴油，通過(guò)探究培養(yǎng)過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)以及該細(xì)胞催化劑對(duì)醇解反應(yīng)活性的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的催化活性隨細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中添加油脂的不同而變化。在優(yōu)化的操作參數(shù)（大豆精制油 20 g/L，蛋白胨 70 g/L，NaNO31.2 g/L，KH2PO41.2 g/L，MgSO47H2O 0.5 g/L，培養(yǎng)溫度 35 ，搖床轉(zhuǎn)速 130 r/min）下培養(yǎng)得到的細(xì)胞催化劑能有效催化大豆油與甲醇三步轉(zhuǎn)化酯化反應(yīng)生成生物柴油，最終得率可達(dá)86%。 3 結(jié)語(yǔ)生物柴油的研究因當(dāng)今世界石油危機(jī)而得到大力發(fā)展。生物柴油技術(shù)的

8、研發(fā)利用對(duì)世界能源結(jié)構(gòu)、我國(guó)巨大的能源需求、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、資源的可持續(xù)利用都有著至關(guān)重要的意義。酶法催化制備生物柴油具有清 60江西林業(yè)科技 2012 年第 1 期生物酶法制備生物柴油研究綜述鄭青荷（南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，江蘇南京 210037）摘 要：就生物酶法制備生物柴油的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了扼要概括，探討了固定化脂肪酶法、液體酶法和全細(xì)胞催化法制備生物柴油的最新工藝進(jìn)展。 關(guān)鍵詞：生物酶；生物柴油；固定化脂肪酶；液體酶；全細(xì)胞 分類號(hào)： TQ645：TQ514 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：10062505(2012)01005903收稿日期：2011- 11- 14作者簡(jiǎn)介：鄭青荷，女，在讀

9、本科生，研究方向：生物化學(xué)。 生物柴油是利用動(dòng)植物油脂的低碳醇在催化劑的作用下經(jīng)酯交換反應(yīng)生成的脂肪酸酯 1。作為一種新型環(huán)保的可再生替代燃油燃料，生物柴油在近幾十年來(lái)已成為學(xué)者們熱衷的研究對(duì)象。生物柴油與化石燃料相比，具有低閃點(diǎn)、低含硫量、溫室氣體凈排放量為零等優(yōu)勢(shì)，可以替代普通柴油更為清潔、安全地使用，極具發(fā)展前景。 生物柴油的合成需要催化劑的參與，催化劑可以為酸、堿或酶。酸催化法對(duì)原料油脂要求較高，會(huì)產(chǎn)生大量廢酸，且催化劑難以回收利用；堿催化法要求原料酸價(jià)小于1，含水量小于 0.5%，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，易皂化；相比之下，酶催化反應(yīng)條件溫和，對(duì)原料油脂的品質(zhì)基本無(wú)要求，反應(yīng)產(chǎn)物易分離，應(yīng)用較為

10、廣泛 2。 油脂與醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)通常使用的酶催化劑為脂肪酶。脂肪酶在自然界中來(lái)源豐富，現(xiàn)已能從 60 多種微生物中獲取相應(yīng)脂肪酶 3。 目前商業(yè)化的脂肪酶種 類繁多，主要包括 Lipase A K, Lipase P S, LipozymeRM IM, Lipase PS-30, Novozym 435等。脂肪酶的來(lái)源不同，反應(yīng)工藝往往不同。 1 酶法制備生物柴油的影響因素直接影響酶法制備生物柴油轉(zhuǎn)化速率的因素包括：油醇比、酶種類、酶用量、反應(yīng)溫度、水含量等。反應(yīng)時(shí)間不直接影響酶法制備生物柴油的轉(zhuǎn)化率，但直接影響反應(yīng)平衡程度和反應(yīng)產(chǎn)物飽和度等，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，生物柴油的轉(zhuǎn)化率最后趨于一定

11、值 4。 酶活性直接受反應(yīng)體系中甲醇含量的影響。當(dāng)?shù)孜餅榛旌衔飼r(shí)，反應(yīng)體系中甲醇的含量可適當(dāng)提高。為避免酶失活，可將甲醇分次加入。盛梅等 5研究固定化酶催化菜籽油與甲醇合成生物柴油的反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)溶劑的使用可以明顯改善固定化脂肪酶的活性和穩(wěn)定性。同時(shí)，分批加入甲醇可以避免一次性加入時(shí)過(guò)量甲醇對(duì)固定化脂肪酶活性的抑制作用。 李俐林等 6用叔丁醇作為反應(yīng)介質(zhì)，利用固定化脂肪酶催化優(yōu)質(zhì)原料甲醇醇解反應(yīng)制備生物柴油，消除了甲醇和甘油對(duì)酶的負(fù)面影響，酶的使用壽命顯著延長(zhǎng)。 陳志鋒等 7研究固定化脂肪酶 Novozym 435 催化高酸廢油脂與乙酸甲酯酯交換制備生物柴油時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致酶促交換反應(yīng)速率和甲酯

12、產(chǎn)率顯著下降的主要原因是廢油脂中高含量的游離脂肪酸與乙酸甲酯反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物乙酸對(duì)酶有抑制作用。此外，實(shí)驗(yàn)證明在反應(yīng)體系中添加適量的有機(jī)堿不僅能大大提高酯交換反應(yīng)速率和甲酯產(chǎn)率，還能顯著提高固定化酶的操作穩(wěn)定性。 2 酶法制備生物柴油的方法與工藝2.1固定化脂肪酶法脂肪酶固定化技術(shù)具有以下特點(diǎn)：酶活性、穩(wěn)定性高；易從產(chǎn)品中分離出，因此可重復(fù)使用。固定化脂肪酶一般以硅藻土為載體，通過(guò)吸附法制備。其中吸附法由于方法簡(jiǎn)單且成本較低，被認(rèn)為是大規(guī)模固定脂肪酶的最優(yōu)方法 8。 王鈺等 9以地溝油為原料，固定化假絲酵母脂肪酶為催化劑催化轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)制備生物柴油。對(duì)所制備生物柴油的組成及物理、化學(xué)性能的檢測(cè)結(jié)

13、果體現(xiàn)出了生物柴油優(yōu)良的特性：合成的生物柴油純度達(dá)到了97.8%以上，精制后的產(chǎn)品閃點(diǎn)高于 170 ，硫的質(zhì)量 59潔、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的應(yīng)用潛力。 酶法催化 制備生物柴油主要有固定化脂肪酶法、液體脂肪酶法、全細(xì)胞法等方法。然而，利用這些方法合成生物柴油的大規(guī)模應(yīng)用還面臨著諸多的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。 如：原料、酶 催化劑成本較高，反應(yīng)條件嚴(yán)格，反應(yīng)速率較低等，解決這些問(wèn)題還需要做大量的研究工作。 參考文獻(xiàn) : 1 Gerpen J V. Biodiesel: small scale production and quality require-ments. Methods Mol Biol,

14、2009,581:281- 290. 2 王巍杰,楊永強(qiáng),吳尚卓.脂肪酶催化合成生物柴油的研究進(jìn)展J.生物技術(shù)通報(bào),2010,(3):54- 57. 3 Prentice I C,Farquhar G D,Fasham M J R, et al. The carbon cycleto the Third Assessment. Climate Change 2001:The ScientificBasis R. WMO and UNEP Report of the Intergovernmental Panelon Climate Change,2001:56- 58. 4 呂鵬梅,袁振宏,馬

15、隆龍,等.酶法制備生物柴油的動(dòng)力學(xué)及其影響因素J.現(xiàn)代化工,2006,26(Sup):19- 24. 5 盛梅,郭登峰.固定化酶催化菜籽油合成生物柴油穩(wěn)定性研究J.中國(guó)油脂,2005,30(5):68- 78. 6 李俐林,杜偉,劉德華,等.新型反應(yīng)介質(zhì)中脂肪酶催化多種油脂制備生物柴油J.過(guò)程工程學(xué)報(bào),2006,6(5):799- 803. 7 陳志峰,吳虹,宗敏華.固定化脂肪酶催化高酸廢油脂酯交換生產(chǎn)生物柴油J.催化學(xué)報(bào),2006,27(2):146- 150. 8 廖昌瓏,王曉艷,黃遵錫.脂肪酶酶法合成生物柴油的研究進(jìn)展J.現(xiàn)代化工,2009,29(2):30- 36. 9 王鈺,孫海洋,

16、王芳,等.酶催化地溝油生產(chǎn)的生物柴油的性能研究J. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào) ,2007,34(Sup):111- 117. 10 蔡志強(qiáng),鄔國(guó)英,林西平,等. 固定化脂酶催化合成生物柴油的 研究J. 中國(guó)油脂 ,2004,29(8):29- 32. 11 安永磊,唐唯森,高松. 酶法催化餐飲廢油制備生物柴油的研究J. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào) /地球科學(xué)報(bào),2006,36(Sup):147- 150. 12 徐桂轉(zhuǎn),劉會(huì)麗,張百良,等. 利用菜籽油酶法生產(chǎn)生物柴油的 初步研究J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(8):162- 165. 13 唐鳳仙,李春,李元元,等.酶法酯交換棉籽毛油合成生物柴油J.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),

17、2010,31(11):1397- 1401. 14 洪鯤,乙引,張習(xí)敏,等.生物柴油的雙脂酶催化生產(chǎn)工藝研究J.中國(guó)油脂,2010,35(2):51- 55. 15 Brzozowski A M, Derewenda U, Derewenda S Z, et al. A modelfor interfacial activation in lipases from structure of a fungal li-pase- inhibitor complex J. Nature, 1991,351:491- 494. 16 陳新,里偉,杜偉,等.生物酶法制備生物柴油研究現(xiàn)狀及展望J.現(xiàn)代化

18、工,2007,27(8):23- 29. 17 薛龍吟,林瑞鳳,舒正玉,等.黑曲霉脂肪酶蓋子結(jié)構(gòu)域突變對(duì)其活性的影響J.生物技術(shù)通報(bào),2010(2):173- 177. 18 李堂,周建紅,黃朋,等.正己烷體系中酶催化菜籽油制備乙酯生物柴油J.中國(guó)油脂,2007(12):45- 47. 19 劉汝寬,楊喜平,王瑞霞.制備生物柴油的催化劑研究進(jìn)展J. 中國(guó)糧油學(xué)報(bào),2006,21(3):273- 276. 20 曾靜,杜偉,徐圓圓,等.培養(yǎng)過(guò)程參數(shù)對(duì)霉菌 Rhizopus orzae I-FO 細(xì)胞催化植物油脂合成生物柴油的影響研究J.食品與發(fā)酵工業(yè),2005,31(10):17- 24. Research Progress of Biodiesel Production by Bio-enzymatic MethodZHENG Qinghe(College of Chemical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037, China)Abstract: The research progress of biodiesel production b