酶促餐饮业高酸废油脂酯交换生产生物柴油的研究

摘要

餐饮业废油脂是餐饮业的副产品，以其为原料生产生物柴油，不仅可减少环境污染，还可大大降低生物柴油的生产成本。然而餐饮业废油脂游离脂肪酸浓度高，不适用于化学转化工艺。酶法反应条件温和、产物易分离、无污染物排放，且对原料要求低，能以廉价的餐饮业废油脂为原料，因此日益受到人们的青睐。目前，酶法生产生物柴油一般采用以甲醇为酰基受体的醇解法，但高浓度甲醇易使酶失活，而且副产物甘油聚集于固定化酶载体表面，对反应产生严重的副作用。以乙酸甲酯替代甲醇为酰基受体进行酶促酯交换反应转化率高、酶的操作稳定性好，具有更广阔的工业应用前景。本论文探讨了固定化脂肪酶催化餐饮业高酸废油脂与乙酸甲酯进行酯交换反应生产生物柴油的可行性，系统研究了各相关因素对该反应的影响，并尝试在反应体系中添加有机碱或无机碱以提高酶反应速度和酶的操作稳定性，同时还探讨了利用酶促酯交换反应与醇解反应相结合的方法提高酶的催化效率。 固定化酶Novozym 435和Lipozyme RM IM均能有效催化餐饮业废油脂与乙酸甲酯的酯交换反应。以Novozym 435为催化剂时，反应最适的乙酸甲酯/脂肪酸摩尔比、脂肪酶量、反应温度分别为16:3、49。2U/g<,oil>和40℃。以Lipozyme RMIM为催化剂时，反应最适的乙酸甲酯/脂肪酸摩尔比、脂肪酶量、反应温度分别为16:3、78.4 U/g<,oil>和35～40℃。 在优化条件下，固定化脂肪酶Novozym 435催化高酸废油脂酯交换反应24 h后的甲酯产率为77.5％，低于以精制玉米油为原料的甲酯产率(86.2％)。当反应体系中的水含量低于0.05％时，酶反应速度和甲酯产率无明显变化，而当水含量高于0.05％时，酶反应速度和甲酯产率随着水含量的增加而降低。磷脂的存在对反应的甲酯产率影响甚微，但会降低酶反应速度。游离脂肪酸对反应有较大影响，甲酯产率随着游离脂肪酸含量的增加而急剧下降。乙酸甲酯与游离脂肪酸反应产生的副产物——乙酸是导致酶反应速度和甲酯产率显著下降的原因。 在反应体系中添加适量的有机碱或无机碱可有效提高酶促高酸废油脂的酯交换反应速度和甲酯产率。在所研究的五种碱中，三羟甲基氨基甲烷、三乙胺及碳酸氢钾的效果较好。三羟甲基氨基甲烷和三乙胺的最适添加量均为油重的10％，反应12h后的甲酯产率分别为85.9％和80.8％；碳酸氢钾的最适添加量为油重的l5％，反应12h后的甲酯产率为84.4％。有机碱的加入还增强了酶的操作稳定性，添加三羟甲基氨基甲烷和三乙胺，反应10批次后Novozym 435的相对酶活由对照值86％分别提高到97％和93％。在Lipozyme RM IM促酯交换反应中，当游离脂肪酸含量小于30％时，游离脂肪酸对酶反应的影响甚小；而游离脂肪酸含量大于30％时，酶反应速度随着游离脂肪酸含量的增加而明显降低。进一步研究表明低含量的乙酸对Lipozyme RMIM无明显的抑制作用，故无须在该反应体系添加有机碱或无机碱。 添加甲醇可有效提高Lipozyme RM IM促酯交换反应速度和甲酯产率，当甲醇/脂肪酸摩尔比为2:3时，反应48 h的甲酯产率为89.8％，比不添加甲醇的对应值提高了24％。在反应体系中添加甲醇对酶的操作稳定性影响不大，反应10批次后，Lipozyme RM IM的相对酶活力为86％，略高于对照值(83％)。 分离纯化后的生物柴油主要性能指标完全达到德国生物柴油标准(DINV51606)，优于我国O<'[＃]>柴油(GB 252-2000)的主要性能指标。 本研究为开辟生物柴油生产的新途径、降低生物柴油的生产成本奠定了一定理论基础。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章材料与方法

第三章脂肪酶Novozym 435催化餐饮业高酸废油脂酯交换反应的研究

第四章脂肪酶Lipozyme RM IM催化餐饮业高酸废油脂酯交换反应的研究

结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况

致谢

附录