(固定化的詳細方法以及多種因素對酯交換反應影響)有機溶劑體系

1、2010年2月第25卷第2期中國糧油學報Journal of the Ch i n ese Cerea ls and O ils A ssoc i a ti o n Vo. l 25, N o . 2Feb. 2010有機溶劑體系固定化脂肪酶催化合成生物柴油趙希岳 陳巧麗 蔡志強 楊百科 黃凌云(江蘇省精細石油化工重點實驗室江蘇工業(yè)學院, 常州 213164摘 要 探討了有機溶劑體系固定化Ca nd i d a an t a rctic a 脂肪酶催化大豆色拉油合成生物柴油的過程。將固定化Candi d a anta rctic a 脂肪酶置于有機溶劑體系中催化合成生物柴油的效果較好。研究發(fā)現(xiàn)

2、, 在40e 下反應10h, 固定化Candida antarctic a 脂肪酶以石油醚作為有機溶劑轉(zhuǎn)化率最高, 當總醇油物質(zhì)的量比為3B 1, 固定化酶占5%(相對于油質(zhì)量, 加入5%質(zhì)量分數(shù)的水時固定化酶反應活性最高, 酯化率可以達到88. 4%。固定化酶重復使用10次仍具有較高活性。關(guān)鍵詞 生物柴油 固定化Candida anta rctic a 脂肪酶 大豆色拉油 有機溶劑中圖分類號:T Q 645 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010 02-0074-04 生物柴油(Biod iese l 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動物油脂、餐飲垃圾油等

3、為原料油通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料1司; 大豆色拉油:市售; 其他試劑均為分析純。1. 2 試驗方法1. 2. 1 有機溶劑對酯交換反應的影響向150mL 具塞錐形瓶中加入0. 1g 酶, 分別向瓶中加入2. 0mL 正己烷、環(huán)己烷、石油醚、正庚烷和異辛烷浸泡酶顆粒, 浸泡時間為06h , 過濾, 用大豆色拉油洗滌, 最后放入大豆色拉油中浸泡06h 。向錐形瓶中加入2. 0g 大豆色拉油, 0. 09mL 甲醇(醇油物質(zhì)的量比1B 1 進行酯交換反應, 反應在搖床中進行, 轉(zhuǎn)速為170r/mi n , 溫度40e 下反應時間10h 。1. 2. 2 溶劑含量對酯交換反應

4、的影響向150mL 錐行瓶中加入2. 0g 大豆色拉油、0. 09mL 甲醇(醇油物質(zhì)的量比1B 1, 0. 1g 固定化酶, 并向瓶中分別加入2. 0、4. 0、6. 0、8. 0、10. 0mL 石油醚, 40e 下反應10h 。1. 2. 3 甲醇含量對酯交換反應的影響向150mL 具塞錐形瓶中加入2. 0g 大豆色拉油、0. 1g 固定化酶、6. 0mL 石油醚和0. 1g 水, 改變甲醇的加入量, 40e 下反應5h 。1. 2. 4 水含量對酯交換反應的影響向150mL 具塞錐形瓶中加入2. 0g 大豆色拉油、0. 09mL 甲醇, 0. 1g 固定化酶和6. 0mL 石油醚, 分

5、別向各瓶中加入0、0. 1、0. 2、0. 3、0. 4g 固定化酶, 40e 下反應6h 。1. 2. 5 溫度對酯交換反應的影響向150mL 具塞錐形瓶中加入2. 0g 大豆色拉, 其具有無毒, 可再生, 較2-5好的潤滑性和安全性等優(yōu)點, 隨著石油資源的日益枯竭以及人類環(huán)境保護意識的不斷加強, 這種清潔可再生能源的發(fā)展得到越來越多人的關(guān)注, 是一種理想的石化柴油替代品有很多7-86。用脂肪酶代替酸堿催化合成生物柴油的報道已, 酶法合成生物柴油具有條件溫和、醇用9-10量小、產(chǎn)品易于收集、無污染物排放等優(yōu)點。脂肪酶在水溶液中它能催化油脂和其它酯類的水解反應, 在有機介質(zhì)中也能催化水解反應的

6、逆反應。脂肪酶在有機合成中具有極大的應用潛力11-12。采用有機溶劑作為反應介質(zhì), 利用固定化Can 2d i d a antarctica 脂肪酶催化油脂原料進行轉(zhuǎn)酯反應合成生物柴油。探討了不同的有機溶劑、溶劑含量、酶用量、水含量、甲醇含量、溫度、以及固定化Cand i d a antarctic a 脂肪酶的壽命等因素對生物柴油合成的影響。1 材料與方法1. 1 主要試劑固定化Candida a nt a rctic a 脂肪酶:美國Sig ma 公基金項目:中國石化集團總公司基金(102019, 江蘇省精細石油化工重點實驗室基金(200403收稿日期:2009-02-23作者簡介:趙希岳

7、, 男, 1965年出生, 博士, 副教授, 生物工程的教學和研究油、0. 09mL 甲醇, 0. 1g 固定化酶, 6. 0mL 石油醚和0. 1g 水, 30、40、50、60、70e 下反應10h 。1. 2. 6 酶量對酯交換反應的影響向150mL 具塞錐形瓶中加入2. 0g 大豆色拉油、0. 09mL 甲醇和6. 0mL 石油醚, 分別向各瓶中加入0. 04、0. 08、0. 10、0. 16、0. 20g 固定化酶, 40e 下反應24h 。1. 2. 7 固定化酶的操作穩(wěn)定性和使用壽命甲醇分三次加入, 先加入1mol 甲醇到反應體系體系的轉(zhuǎn)化率最低, 僅為9. 04%。與有機溶劑

8、的疏水性越強, 脂肪酶的活性越高, 催化酯交換反應效果越好相一致9。但是, 反應體系中, 反應底物(甲醇10的親水性太強, 在反應中起著控制因素的作用。因此導致異辛烷體系的轉(zhuǎn)化率較低。所以, 在以后的反應體系中選用石油醚作為有機溶劑。2. 2 溶劑含量對酯交換反應的影響反應體系中加入有機溶劑可以稀釋體系中的甲醇, 從而降低甲醇對脂肪酶的抑制作用, 提高生物柴油的產(chǎn)中, 反應6h, 再加入1mol 甲醇, 反應8h 后, 再加入1mol 甲醇, 反應16h 。1. 3 分析方法1. 3. 1 原料分析對原料從酸價、雜質(zhì)、水分, 皂化值幾個方面進行分析2。1. 3. 2 產(chǎn)品分析采用氣相色譜分析。

9、利用上分1102GC 型氣相色譜儀, FI D 檢測器, CD MC21色譜工作站, 1L L 微量注樣器, PEG20M 30m 0. 32mm (I . D . 0. 5L m (fil m th ickness 聚乙二醇毛細管柱, O V -17固定相。色譜柱采用分流進樣方式。柱溫采用程序升溫:初始溫度120e , 以升溫速率10e /mi n 升到170e , 保持4m i n , 再以升溫速率5e /mi n 升至終溫230e , 保持4m i n , 進樣器溫度280e , 檢測器溫度280e , 載氣為干燥的高純氮氣, 燃氣為高純氫氣, 助燃氣為壓縮空氣。2 結(jié)果與分析2. 1

10、有機溶劑對酯交換反應的影響體系中加入有機溶劑后, 反應底物的濃度降低, 與酶的接觸面積增大, 酯交換反應的轉(zhuǎn)化率明顯提高。不同溶劑對脂肪酶酯交換反應的影響不同, 結(jié)果見圖1 。圖1 有機溶劑對酯交換反應的影響石油醚體系的轉(zhuǎn)化率最高, 為27. 03%, 異辛烷率。但是, 溶劑的加入量不是越多越好, 結(jié)果見圖2 。圖2 溶劑含量對酯交換反應的影響由圖2可知, 當體系中石油醚的加入量小于6. 0mL , 隨著溶劑量的增加, 酯交換反應的轉(zhuǎn)化率呈上升趨勢, 但是當體系中石油醚的加入量大于6. 0mL , 隨著溶劑量的增加, 酯交換反應的轉(zhuǎn)化率反而降低。這可能是由于體系中加入石油醚的量過多, 大大地稀

11、釋了反應底物的濃度, 減少了它們的接觸機率, 從而使轉(zhuǎn)化率降低。所以, 在本體系中, 石油醚的最佳加入量為6. 0mL 。2. 3 甲醇含量對酯交換反應的影響在有機溶劑體系中甲醇對脂肪酶有抑制作用, 結(jié)果如圖3所示。當醇油物質(zhì)的量比為1B 1時, 反應的轉(zhuǎn)化率最高, 達到31. 2%, 當體系中甲醇含量低于這個比例時, 由于底物濃度不足因而造成反應轉(zhuǎn)化率較低, 而當甲醇含量高于這個比例時則會引起 固定化酶的不可逆失活。圖3 甲醇含量對酯交換反應的影響2. 4 水含量對酯交換反應的影響在酯交換反應過程中, 水能溶解部分置換產(chǎn)生的甘油, 從而減少反應體系中甘油的含量, 加速反應的進行, 結(jié)果如圖4

12、所示。但是, 反應體系中過多的水不僅會使酶聚集成團, 增大傳質(zhì)阻力, 降低酶的催化效率, 而且會加速酶的失活過程。同時, 水的存在還將導致甲酯水解副反應的發(fā)生。因此, 控制酯交換反應體系中的水含量非常重要。由圖4可以看出, 體系中水的加入量為0. 1g(即為大豆色拉油質(zhì)度, 其對反應速度影響較小。從圖6可知, 在所研究的范圍內(nèi), 酶促反應初速度隨酶量的增加而增大, 當酶用量小于0. 1g 時, 酶量的變化對反應的影響較為顯著, 酶量由0. 04g 增加到0. 1g 時, 產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率接近理論產(chǎn)率所需的反應時間由24h 減少到6h ; 酶量高于0. 1g 時, 其變化對反應的影響甚小。酶量對產(chǎn)物

13、的轉(zhuǎn)化率的影響隨著反應時間的延長而減小, 反應24h 后在所研究的各種酶量條件下, 產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率均接近理論值。當酶量為0. 1g(即為大豆色拉量的5% 時, 轉(zhuǎn)化率最高。圖4 水含量對酯交換反應的影響2. 5 溫度對酯交換反應的影響不同反應溫度對酯交換反應的影響如圖5 所示。圖5 溫度對酯交換反應的影響溫度是影響酶催化反應的一個重要參數(shù), 選擇適當?shù)姆磻獪囟炔粌H可以提高反應速度, 還有助于延長酶的使用壽命, 有利于反應平衡向產(chǎn)物生成的方向移動。在一定的溫度范圍內(nèi), 溫度升高, 反應物碰撞頻率增加, 酶反應速度加快; 但溫度超過一定范圍時, 由于酶蛋白變性, 酶活性下降, 酶反應速度反而下降。由

14、上圖可知, 反應的最佳溫度為50e , 因為40e 和50e 在相同反應時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率相差不大, 所以選擇該體系的反應溫度為40e 。2. 6 酶量對酯交換反應的影響轉(zhuǎn)化率隨反應時間的變化結(jié)果見圖6。在一定的酶濃度范圍內(nèi), 酶濃度越大, 酶與底物接觸的幾率越大, 酶反應速度越快, 但是當酶濃度增大到一定程油質(zhì)量的5% 時, 反應6h 產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率達到28. 84%。綜合考慮反應速度及酶的成本, 反應體系的酶量以0. 1g 為宜。圖6 酶量對酯交換反應的影響2. 7 固定化酶的操作穩(wěn)定性和使用壽命圖7是固定化酶催化大豆色拉油酯交換反應的過程曲線。反應分三步進行:首先將大豆色拉油與甲醇按物質(zhì)的量比1

15、B 1的比例混合進行反應, 當反應6h 后體系中甲酯的含量達到最大時, 再加入與油脂等物質(zhì)的量甲醇繼續(xù)反應, 當反應進行到14h 并且體系中甲酯的含量再一次達到最大, 再加入等物質(zhì)的量甲醇繼續(xù)反應至體系中甲酯的含量不再增大為止。整個過程大約需要30h , 總醇油物質(zhì)的量比為3B 1, 產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率達到88. 4% 。圖7 固定化酶催化色拉油酯交換反應曲線在上述反應條件下考察了固定化酶的操作穩(wěn)定性, 實驗結(jié)果見圖8。從圖中可以看出, 固定化酶連續(xù)使用10批次后, 酶活力基本沒有下降。 C atalysis B :Enzy m atic , 2002, 17(6:133-1425C -J Sh i

16、eh , H -F Liao , C -C Lee . Opti m izati on of li pase-cata lyzed b i odiese l by response surface m etho dol ogyJ.B ioreso u rce Technolo gy , 2003, 88(2 :103-1066H Nouredd i n, i X Gao , R S Ph il kana .I mm o b ili zed P seudo 2monas cepac i a li pase f or biodiese l f ue l productio n fro m soy

17、2bean oil J.B i oresource Technology , 2005, 96(7 :769-777圖8 固定化酶的操作穩(wěn)定性7Yo m iW a tanabe , P raphan P i nsirodo m, Tos h i h iro Nagao , e ta. l Convers i on of ac i d oil by-produced in vegetable oil refi 2ni ng to bio d i esel f ue l by i m m obilized Candida antarctica li 2pase J.Journal of Molec

18、u l a r Ca talysis B :Enzy m ati c ,2007, 44(3 :99-1058Shwe ta Shah , Munish war N Gupta . Lipase catalyzed prepara 2tio n of b i odiese l fro m Jatro pha oil i n a sol vent free system J.P rocess B i ochem istry , 2007, 42(3 :409-4149黃凌云, 趙希岳, 蔡志強, 等. 預處理固定化脂肪酶催化合成生物柴油J.中國油脂, 2007, 32(7:52-12910蔡志強

19、, 楊廣花, 趙希岳, 等. 固定化酶催化高酸廢油脂合成生物柴油的研究J.中國糧油學報, 2008, 23(4:160-16211M oham ed M. Sou m anou , Uwe T .ment i n li pase-Bornscheuer .I mpro ve 2cata l yzed sy n t hesis of fa tty acid me t hyl es 23 結(jié)論在有機溶劑體系中, 酶法催化合成生物柴油的效果較好。采用石油醚作為有機溶劑, 使用5%(相對于油質(zhì)量 固定化酶, 加入5%的水, 40e 下反應, 甲醇分三次流加, 反應30h 后轉(zhuǎn)化率達到88. 4%, 并

20、且固定化酶連續(xù)使用10次仍具有較高的活性。參考文獻1鄧利, 譚天偉, 王芳. 脂肪酶催化合成生物柴油的研究J.生物工程學報, 2003, 19(1:97-1012蔡志強, 鄔國英, 林西平, 等. 固定化脂酶催化合成生物柴油J.中國油脂, 2004, 29(8:29-323Ed ward C rabbe , C ir il o Nolasco-H i polito , Genta Kobayash, iet a. l B i odiese l productio n fro m crude pa l m oil and eva l uatio n of butanol extractio n

21、and f ue l properties J.P rocess B io 2che m i stry , 2001, 37(1:65-714Yu ji Shi m ada , Yo m iW a tanabe , Ak i o Sugi hara , et a. l Enzy 2m atic alco hol ys i s for bio d i esel f uel productio n and appli catio n of the reacti on to oil processi ngJ.Jo u rna l ofM olecu l arte rs fro m sunfl o w

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