油菜生物柴油的酶促合成新技术研究

摘要

当前，生物柴油作为环境友好、可以再生的清洁液体燃料之一，正倍受世界各国的关注和开发利用。生物柴油的生产原料主要是植物油脂。油菜由于具有许多独特的优势而成为我国发展生物柴油比较理想的原料油来源。 在生物柴油的各种生产方法中，生物酶法最有前景。但现已开发的生物酶法大多存在生产成本高、酶寿命短、反应速度慢和转酯率低等瓶颈问题而难以实现产业化。因此，急需开发具有产业化前景的生物柴油酶促合成新技术。 本论文从降低成本、改善酶反应体系入手，以菜籽油为原料，先建立了能快速、准确地判断生物柴油合成反应程度的气相色谱分析法，然后循序渐进地研究了有机溶剂-水双液相体系、有机溶剂微水体系以及无溶剂体系中酶促菜籽油醇解合成生物柴油的机理和工艺条件，继而创新性地开发出了醇解催化酶再生技术和菜籽油酶促交酯化技术，经过精制后获得了符合有关标准的生物柴油产品。 1．建立了快速准确测定油菜生物柴油合成反应程度的气相色谱法 油菜生物柴油的主要成分是棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯、亚麻酸甲酯、花生一烯酸甲酯和芥酸甲酯。实验表明，它们具有良好分离效果的气相色谱条件是：使用HP-innowax毛细管色谱柱(30m<'*>0.25mm<'*>0.25μm)，初始柱温170℃并保持0.5min，然后以5℃/min升温至200℃，再以15℃/min升温至240℃并保持5min。在此条件下以十三酸甲酯为内标，能快速准确地测得产品中各脂肪酸甲酯的含量和反应程度。 2．研究了有机溶剂—水双液相体系中菜籽油酶促醇解的机理与工艺条件 正交试验结果表明，在有机溶剂-水双液相体系中，Lipozyme TLIM酶比Novozym 435酶更有效地催化菜籽油的醇解反应；在醇油摩尔比4：1、温度40℃、甲醇分三次加入时，其最佳醇解反应条件是：溶剂(石油醚)3mL/g、TLIM酶7％(w/w)、水20％(w/w)、时间18h；醇解反应程度与各影响因素之间均存在高度显著的三阶多项式回归关系；油脂的醇解反应伴随有油脂水解负反应发生，使得反应转酯率最多只有75％左右。 3．研究了有机溶剂微水体系中菜籽油酶促醇解的机理与工艺条件 以Lipozyme TLIM酶为催化剂、以不同质量等级的油脂为原料、以不同短碳醇为酰基受体，研究了有机溶剂微水体系中菜籽油酶促醇解生产生物柴油的机理和工艺条件。正交实验结果表明，油脂的醇解反应伴随有油脂水解反应和脂肪酸酯化反应；四级油是比一级油、二级油和三级油更好的生物柴油原料油，乙醇是比甲醇更好的酰基受体；其最佳反应条件是：以四级油为原料、添加20％的Lipozyme TLIM酶、乙醇(醇油摩尔比4：1)分三次均量加入、于40℃下反应10h，此时的转酯率达到86.2％。 4．创立了无溶剂体系中菜籽油醇解催化酶再生技术，并优化了工艺条件 以四级菜籽油为原料，考察了无溶剂体系中酶种类、短碳醇种类、温度、时间以及酶再生剂种类等对醇解反应程度和酶活稳定性的影响。结果表明，固定化脂肪酶Lipozyme TLIM比Novozym 435表现出更好的醇解催化行为，乙醇是比甲醇具有更好综合优势的酰基受体，ZSJ1是比ZSJ2具有更好再生效果的酶活再生剂，30℃最有利于酶活激发并维持酶活稳定的适宜温度。对反应系统中的酶进行定期再生处理，可使反应时间缩短到9h，此时的酶促醇解转酯率达到90％以上，而且酶被重复应用15批次后的相对活力仍保持在96％以上。 5．创立了菜籽油酶促交酯化制备生物柴油的新技术 基于菜籽油酶促醇解的转酯率不够高、酶活稳定性不够理想、酶再生操作麻烦，创立了菜籽油酶促交酯化制备生物柴油的新技术。先考察了酶种类、酶量、底物摩尔比、温度、时间对交酯化反应的影响，然后应用二次回归正交旋转组合试验法对酶量、底物摩尔比、温度、时间等因素进行了优化设计，回归模型为：Y=91.9417+1.1125X<,1>+0.5458X<,3>-2.6490X<,1><'2>-3.3740X<,2><'2>-2.7990X<,3><'2>-2.7490X<,4><'2>研究结果表明，在交酯化反应体系中，固定化酶Lipozyme TLIM比Novozym435表现出更好的催化行为；四级菜籽油酶促交酯化的最佳工艺条件是：40℃、Lipozyme TLIM酶量40％(w/w)、底物摩尔比14：1、反应时间12h/批；单批反应的交酯化率达91.7％，而且酶可以一批接着一批地使用而很少发生酶活损失现象，从而为酶法生物柴油产业化提供技术依据。 6．研究了油菜生物柴油粗品的碱炼精制工艺条件，得到了基本符合有关生物柴油标准要求的精制产品。 采用正交优化设计法得到粗品生物柴油的最佳碱炼工艺条件是：超量碱量0.35％、碱液浓度15％、碱炼初温50℃。此条件下的生物柴油精炼率为94.5％、酸价为0.40mgKOH/g。红外光谱和气相色谱分析表明，油菜生物柴油的分子结构为长链酯类结构，其化学成分中18碳和16碳脂肪酸甲酯含量占60％以上，基本符合矿物柴油替代品对化学组成和分子结构的要求。在燃料特性指标方面，除了粘度偏大、十六烷值偏小外，其余指标均符合德国生物柴油标准要求以及我国生物柴油标准(初稿)要求。可以采取加强真空精馏操作、添加十六烷值改进剂等措施来降低粘度、提高十六烷值。

目录

文摘

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论文说明：缩略语注释

声明

第一章绪论

1选题的目的及意义

1.1生物柴油是当今世界各国积极开发的新型绿色能源

1.2油菜是我国发展生物柴油比较理想的原料来源

1.3油菜是湖南省发展生物柴油的优势资源

1.4生物酶法是工业化制备生物柴油最有前途的工艺方法

2国内外生物柴油制备技术综述

2.1直接混合法

2.2微乳液法

2.3高温热裂解法

2.4酯交换法

2.5超临界醇反应法

2.6生物柴油制备方法的对比

3脂肪酶应用研究进展

3.1脂肪酶概述

3.2脂肪酶的催化特性

3.3固定化脂肪酶的优越性

3.4固定化脂肪酶在油脂工业上的应用

4主要研究内容、研究思路和预期目标

4.1主要研究内容

4.2研究思路

4.3预期研究目标

参考文献

第二章气相色谱法判断油菜生物柴油合成反应程度的研究

1材料与方法

1.1实验材料与试剂

1.2仪器与设备

1.3色谱条件与试样分析方法

1.4标准系列溶液的配制

1.5生物柴油合成反应试样的制备与测定

1.6完全甲酯化试样的制备与测定

2结果与讨论

2.1脂肪酸甲酯的色谱分离与定性分析

2.2标准工作曲线与回归分析

2.3完全甲酯化试样的脂肪酸甲酯总量

2.4回收率测定

2.5试样测定与精密度实验

3结论

参考文献

第三章有机溶剂-水双液相体系中菜籽油酶促醇解制备生物柴油的研究

1材料与方法

1.1材料、药品与试剂

1.2基本反应体系与产物处理过程

1.3分析测定方法

2结果与讨论

2.1原料油品质

2.2固定化酶的筛选

2.3有机溶剂种类的筛选

2.4总醇油摩尔比的确定

2.5短链醇对酶活的抑制作用与减轻措施

2.6反应温度的确定

2.7双液相体系正交试验结果及其分析

2.8正交试验方差分析

2.9工艺条件优化与验证试验

2.10反应机理分析

3结论

参考文献

第四章有机溶剂微水体系中菜籽油酶促醇解制备生物柴油的研究

1材料与方法

1.1材料、药品与试剂

1.2基本反应体系与产物处理过程

1.3分析测定方法

1.4正交试验因素水平表

2结果与讨论

2.1正交试验结果及其分析讨论

2.2验证实验

2.3酶活稳定性实验

2.4反应机理分析

3.结论

参考文献

第五章无溶剂体系中菜籽油酶促醇解制备生物柴油的研究

1材料与方法

1.1材料与试剂

1.2主要仪器设备

1.3基本反应体系与产物处理过程

1.4气相色谱条件与试样分析方法

1.5转酯率的计算

1.6酶活保持率(相对活力)

2结果与讨论

2.1固定化脂肪酶的筛选

2.2最适反应温度的确定

2.3酰基受体的筛选

2.4反应时间的确定

2.5脂肪酶再生剂的筛选

2.6验证试验和酶活稳定性试验

3结论

参考文献

第六章菜籽油酶促交酯化制备生物柴油的研究

1材料与方法

1.1材料与试剂

1.2主要仪器设备

1.3基本反应体系与产物处理过程

1.4色谱条件与试样分析方法

1.5交酯率的计算

1.6交酯化工艺条件优化试验设计

2结果与讨论

2.1酶的筛选/Lipase screening

2.2底物摩尔比的影响/Effect of molar ratio of short chain ester to oil

2.3酶量的影响/Effect of enzyme quantity

2.4温度的影响/Effect of temperature

2.5反应时间的影响/Effect of Reaction time

2.6二次回归正交旋转组合设计试验结果分析

2.7验证试验

2.8酶的重复利用/Repeated use of the lipase

2.9反应历程分析

3小结

参考文献

第七章生物柴油精制工艺研究与品质分析

1材料与方法

1.1材料与试剂

1.2仪器与设备

1.3碱炼精制工艺的操作过程

1.4精制产品的红外检测

1.5精制产品的化学组成分析

1.6样品的理化指标检测方法

2结果与讨论

2.1生物柴油粗品碱炼工艺参数的优化

2.2精制产品的红外光谱分析

2.3精制产品的化学成分检测结果与讨论

2.4油菜生物柴油精制品的燃料特性指标检测结果与讨论

3.结论

参考文献

第八章总结、创新点与后续研究计划

1总结

2.主要创新点

3.后续研究计划

附录

致谢

作者简介

在读期间科研学术成果(论文)目录