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            無溶劑體系中酶催化小桐籽油制備生物柴油

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            2023年12月27日發(作者:春節作文)

            無溶劑體系中酶催化小桐籽油制備生物柴油

            第27卷第4期 化學反應_T程與工藝 Chemical Reaction Engineering and Technology Vol 27.No 4 Aug.2011 2011年8月 文章編號:1001--7631(2011)04—0322—05 無溶劑體系中酶催化小桐籽油制備生物柴油 伍世夏 ,劉幽燕 ,李青云 ,石滿 (1.廣西大學化學化工學院,廣西南寧530004;2.廣西生物煉制重點實驗室,廣西南寧530003) 摘要t考察了無溶劑體系中固定化脂肪酶Novozym 435催化小桐籽油制得生物柴油的工藝條件。結果表明,加入 硅膠有利于提i島反應速率和轉化率,且當硅膠存在時,甲醇可一一次性加入,簡化J 實驗的操作步驟。當無外加水 分存在時,甲醇與小桐籽油的物質的量之比為3.固定化酶用量為小桐籽油質量的7%,硅膠加入量與小桐籽油質 量比0.4,在40"C ̄ll轉速15O r/min的條什下,酶催化小桐籽油制崳生物柴油反應性能較好,反應24 h后,其轉化 率為89%,連續反應lO個批次后,固定化酶活力基本不變。 關鍵詞:生物柴油小桐籽油固定化酶無溶劑 中圖分類號l TQ645;TQ426.97 文獻標識碼:A 目前,制備牛物柴油的原料大多是高品質的食用級植物油,如美國用大豆油、英國用菜籽油,然m, 高價的食用級植物汕增加了生物柴汕的原料成本,從而限制其在經濟欠發達地區的推廣應用[1】。岡此,開 發和利用廉價的非食用油脂作為原料,可大大增加生物柴油的經濟實用性。近年來,小桐籽油被認為是具 有巨大發展潛力的生物柴油原料。在我I玉l,小桐樹主要分布于J’。‘東、J 西和云南等省區,它對環境的適應 性較強,可在高熱、干早少雨等各種貧瘠的-十地上生存l 。小桐籽汕岡含有毒性的佛波酯而成為非食J{{性 油脂,其脂肪酸組成與理化性質與大豆油相似,含有44.0%油酸、34.0%亞油酸、l2.8%棕櫚酸 I 7.3%硬 脂酸L3J。無溶劑體系對環境污染小、節約成本、轉化效率 寄,且產物的分離提純簡單, 而在產業化中具 有較強的競爭性[4】。賀芹 比較了 同商品化脂肪酶和自制的華根霉全細胞脂肪酶(Rhizo pus chinensis CCTCCM20lO2l,RCL)催化油脂的轉化效率,發現RCL能有效應用于丸溶劑體系中催化合成牛物柴油, 甲醇分3次加入,在最佳條件下所得甲酯的收率可達93%。Kose16]在無溶劑體系中采用吲定化脂肪酶催化 棉籽油的醇解反應,發現當反應溫度為5O℃,醇和油物質的量之比4,酶用量為30%,反應7 h時,甲酯 收率高達91.5%。許多學者研究采用分步加入甲醇的方法來減輕其對脂肪酶的毒性,為了簡化操作,奉工 作通過在體系巾添加硅膠,將甲醇一次性加入,考察以小桐籽油為原料在無溶劑體系巾脂肪酶催化制備生 物柴油的_T藝條件。 1實驗部分 1.I小桐籽油的轉酯化反應 在50 mL具塞三角瓶巾,依次加入1 g小桐籽汕、150 甲醇和0.4 g硅膠,置于40℃和150 r/min 空氣浴搖床中預熱20 min,然后加入固定化脂肪酶Novozym 435,開始反應并計時。每隔一定時 取出 收稿日期:201l一04.13:修訂日期:2011-05.31 作者簡介:伍世夏(1986-),女,碩士研究生:劉幽燕【1971-),女,教授。E.mail:liuyouyangx@163 corn 基金項目;廣iJli自然科學基金(0991001);廣兩理工科學實驗中心最點項目(LGZX201008) 

            第27卷第4期 伍世夏等.無溶劑體系中酶催化小桐籽油制備生物柴油 323 20 laL樣品,并用80 IxL石油醚溶解,然后加入十三酸甲酯內標物混合均勻,用氣相色譜分析其中的脂肪 酸甲酯含量。 制備生物柴油的轉酯化反應式如下: H 2 ——oOc——R1 R1一c0O——R‘ H:CDOH I Catalyst He~。。c—R 2 +3R‘OH;= R2--COO—R. + HC——-—0H H2 ——00c——R3  lR3--CO0---R’ H 2C—1 OH triglyceride alcohol biodiesel glycerol 1.2固定化酶穩定性 以24 h為一個批次,在每一批反應結束時,分離出產物、硅膠和固定化酶。用少量L內酮洗滌固定化 脂肪酶表面兩次,靜置,待丙酮揮發后,加入新物料進行下…批次的反應,以考察固定化酶的穩定性。 1.3分析方法 采用Aglient 6890s型氣相色譜儀分析產物的含量,檢測器為火焰離子化檢測器(FID),色譜柱為HP-1 非極性毛細管柱(30 mx0.53 mmx0.88岬)。汽化室溫度為280℃,檢測室溫度為290℃。柱溫采用程序 升溫:初始溫度l50℃,以20 ̄C/min升至200℃,再以2 ̄C/min升至230℃并保持1 min,最后以1O℃/arin 升溫至260℃,保持8 min。載氣為高純氮氣,流速為36 mL/min。 2結果與討論 2.1溶劑對轉酯化反應的影響 有機溶劑可降低底物汕脂的粘度,增強傳質效果,而+日.可以增大與酶的接觸面積,從而提高轉酯化效率。 在疏水性較強的石油醚有機溶劑中進行反應,脂肪酶可以保持較i岳的活性,但與無溶劑體系相比,有機溶 劑體系中的底物濃度低,會導致反應速率的減慢【7】。在醇和小桐籽油物質的量之比為3,酶用量為小桐籽 油質量的7% ̄11硅膠與小桐籽油的質量比為0.4的條件下,比較石油醚溶劑體系和無溶劑體系中酶催化小 桐籽油的轉酯化反應,結果如圖l所示。由圖可知,反應24 h u,l‘無溶劑體系的轉化率達89%,而有溶劑 體系的轉化率僅為60%。表明無溶劑體系的反應速率高于石汕醚溶劑體系的反應速率。這與文獻【8】的結 果不同,可能與原料油特性及反應操作方式不同有關。此外,由于無溶劑體系生產對環境污染小、可節約 生產成本,因此在后續實驗rf1采用無溶劑體系制備生物柴油。 100 1O0 80 80 60 蓋 60 40 5 40 0 20 20 0 0 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 t,h f,h 圖1有機溶劑對轉酯化反應的影響 圖2硅膠對轉酯化反應的影響 Fig.1 Effect oforganic solvent on tansesteriifcation reaction Fig.2 Effect ofsilica gel on tansesteriifcation reaction 

            324 化學反應:【程與:I 藝 201 1年8月 2.2硅膠對轉酯化反應的影響 在甲醇和小桐籽汕物質的量之比為3,酶用量為小桐籽油質量7%的條#I ̄-F,考察硅膠對轉酯化反應 的影響,結果見圖2。山圖可知,當體系中無硅膠存在時,轉酯化反應的初速率較小,反應24 h轉化率為 50%,且延長反應時間對甲酯得率無明顯影響。這是因為…‘次性加入過量的甲醇塒脂肪酶產生了毒害作用 。 當體系中存在硅膠時,反應的初速率較大,反應24 h所得的甲酯得率比米加硅膠的高30%左 。這是由 于硅膠是一種極性較強的多孔物質,具有較大的比表面積,可通過吸附平衡來控制甲醇的濃度 ,避免甲 醇對脂肪酶的毒害作用,使轉化率大大提高【lo】。 2.3酶用量對轉酯化反應的影響 在甲醇和小桐籽油物質的量之比為3,硅膠與小桐籽油的質量比為0.4的條件下,考察酶用量對轉酯 化反應的影響,結果見圖3。由圖可知,當酶用量(基于小桐籽油的質量)由3%增 7%R,J‘,酶量的變化 對轉酯化反應的影響較為顯著,此時反應速率隨著酶濃度的增加而增火,轉化率也不斷增人;當酶 }_}j量高 于7%時,反應速率變化不明顯,而總的轉化率有所下降。這是由于在一?定的范圍內,酶用量越大,底物 與酶活性位點接觸的機會越多,催化反應速率就越大,當酶用量達到一定量時,增加酶用量,底物 酶活 性位點接觸的機會增加有限,反應速率變化不大,而進一步增加酶, 過量的酶會與硅膠團聚,導致反應過 r. 程中的傳質阻力增加。因此,綜合考慮反應速率和固定化酶的成木, 選擇酶的用量為7%較合適。 5; __∞ L;● 蓋 5 U 暑 ‘西 璽 5 0 2 4 6 t,h Molar ratio of methanol to oiI 圖3酶用量對轉酯化反應的影響 Fig.3 Effect oflipase dosage on transesteriicatifon reaction 圖4甲醇和小桐籽油物質的量之比對轉酯化反應的影響 Fig.4 Effect ofmolar ratio ofmethanol to oil on transesteriicatfion reaction 2.4醇油比對轉酯化反應的影響 在酶用量為小桐籽汕質量的7%、硅膠與小桐籽汕的質量比為0.4的條件下,考察醇和小桐籽油物質 的量之比對轉酯化反應的影響,結果見圖4。由圖可知,醇油比小于3時,轉化率隨著醇油比的增加而增 大;在醇汕比為3~4時,轉化率幾乎不受醇汕比的影響,均能保持在87%左右:若繼續增人醇油比,轉 化率急劇下降,當醇油比為6時,轉化率僅有10%。這是山_rJ:甲醇濃度較低時,轉酯化反應不完全, 甲 醇濃度較高時,會剝奪維持脂肪酶柔性結構的必需水,從而破壞維持蛋白功能構象的氫鍵體系,使酶的活 性降低或喪失…】。從原料的經濟性考慮,選擇醇油比為3較合適。 2.5外加水對轉酯化反應的影響 一定量的水分是維持酶的構象以及發揮其催化作用所必需的,但過多的水分會使酶分子聚集成 ,增 大傳質 力,降低酶的催化效率,而且還會影響反應平衡,促使酯化反應逆向進行,降低甲酯得率【I引,兇 此,反應體系中的水分含量需嚴格控制。本實驗所用小桐籽油中水的質量分數為0.18%,在 醇¥11d ̄桐籽 

            第27卷第4期 伍世夏等.無溶劑體系中酶催化小桐籽油制備生物柴油 325 油物質的量之比為3,酶用量為小桐籽油質量的7%,硅膠與小桐籽油的質量比為0.4的條件下,考察外加 水量對轉酯化反應的影響,結果如圖5所示。可見,當沒外加水時,轉化率高達86.9%,隨著水分逐漸增 高,轉化率逐漸下降,當水的質量分數為1.5%時,轉化率為60%。說明小桐籽油本身所含殘留的微量水 分已足夠維持脂肪酶的催化活性,無需外加水到反應體系中。 100 r… 。。卜 ~ ;蓋 5 0 60 ~l一一一 -J 景 瑩 40 20 瑩 若 0 0 0 O 0.5 1.0 1 5 20 O.0 02 0 4 0.6 0 8 MaSSfraction of 怕ter.% Mass r酬oofsilica geIto oI/幻. ’) 圖5水的質量分數對轉酯化反應的影響 Fig.5 Effect ofwater mass fraction on transesterification reaction 圈6硅膠用量對轉酯化反應的影響 Fig.6 Effect ofsilica gel dosage on transesteriicatiton reaction ∞ ∞ ∞ 柏 ∞ O 2.6硅膠用量對轉酯化反應的影響 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 在甲醇和小桐籽油物質的量之比為3,酶用量為小桐籽油質量的7%的條件下,考察硅膠用量對轉酯 化反應的影響,結果如圖6所示。可以看出,隨著硅膠加入量的增加,轉化率先增大后減小的,當硅膠與 小桐籽油的質量比為0.4時,轉化率最大。當硅膠與小桐籽油的質量比小于O.4時,轉化率隨硅膠用量的 增加而增大。這是岡為硅膠加入=亳=少,吸附甲醇的最也相對較少,此時液相主體中存在的大量甲醇仍然會 對酶有一定的毒害作用。當硅膠與小桐籽汕的質量比大于0.4時,轉化率反而有所降低。這可能是硅膠量 過大,對甲醇的I吸附量隨之增人, 從而導致體系中甲醇的濃度低,反應速率減慢。 2.7固定化酶的穩定性 在甲醇和小桐籽油物質的量之比為3,酶用量為小 桐籽油質量的7%、硅膠與小桐籽汕的質量比為0.4的條 件下,進行連續批次反應,考察吲定化酶Novezym 435 的穩定性,結果見圖7。由圖可知,同定化酶重復使用l0 次后,轉化率仍保持在85%左右。說明該酶使用多次后, O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 酶活力基本沒有損失,具有較好的穩定性。 Batch 3結論 在反應體系中不加溶劑而添加硅膠,將甲醇一?次性 圖7固定化酶的穩定性 Fig.7 Stability ofimmobilized lipase 加入,與小桐籽汕在脂肪酶催化作用下制備生物柴汕,發現采用無溶劑體系中酶促小桐籽油轉酯化的反應 效率高,脂肪酶催化性能穩定,且該工藝對環境污染小、可節約牛產成本,因此具有較好的應用前景。 參考文獻: 【I】Canakci M,Sanli H Biodiesel production from various feed stocks and their effects on the fuel properties[J]Journal of Industrial Microbiology nd Biaotechnology2008,35(5):43 1-44 1. ,f2】 Karmakar A,Karmakar S,Mukherjee S Properties of various plants and animals feedstocks for biodiesel production【J】l Bioresource 

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