2023年12月27日发(作者:春节作文)
第27卷第4期 化学反应_T程与工艺 Chemical Reaction Engineering and Technology Vol 27.No 4 Aug.2011 2011年8月 文章编号:1001--7631(2011)04—0322—05 无溶剂体系中酶催化小桐籽油制备生物柴油 伍世夏 ,刘幽燕 ,李青云 ,石满 (1.广西大学化学化工学院,广西南宁530004;2.广西生物炼制重点实验室,广西南宁530003) 摘要t考察了无溶剂体系中固定化脂肪酶Novozym 435催化小桐籽油制得生物柴油的工艺条件。结果表明,加入 硅胶有利于提i岛反应速率和转化率,且当硅胶存在时,甲醇可一一次性加入,简化J 实验的操作步骤。当无外加水 分存在时,甲醇与小桐籽油的物质的量之比为3.固定化酶用量为小桐籽油质量的7%,硅胶加入量与小桐籽油质 量比0.4,在40"C ̄ll转速15O r/min的条什下,酶催化小桐籽油制嵛生物柴油反应性能较好,反应24 h后,其转化 率为89%,连续反应lO个批次后,固定化酶活力基本不变。 关键词:生物柴油小桐籽油固定化酶无溶剂 中图分类号l TQ645;TQ426.97 文献标识码:A 目前,制备牛物柴油的原料大多是高品质的食用级植物油,如美国用大豆油、英国用菜籽油,然m, 高价的食用级植物汕增加了生物柴汕的原料成本,从而限制其在经济欠发达地区的推广应用[1】。冈此,开 发和利用廉价的非食用油脂作为原料,可大大增加生物柴油的经济实用性。近年来,小桐籽油被认为是具 有巨大发展潜力的生物柴油原料。在我I玉l,小桐树主要分布于J’。‘东、J 西和云南等省区,它对环境的适应 性较强,可在高热、干早少雨等各种贫瘠的-十地上生存l 。小桐籽汕冈含有毒性的佛波酯而成为非食J{{性 油脂,其脂肪酸组成与理化性质与大豆油相似,含有44.0%油酸、34.0%亚油酸、l2.8%棕榈酸 I 7.3%硬 脂酸L3J。无溶剂体系对环境污染小、节约成本、转化效率 寄,且产物的分离提纯简单, 而在产业化中具 有较强的竞争性[4】。贺芹 比较了 同商品化脂肪酶和自制的华根霉全细胞脂肪酶(Rhizo pus chinensis CCTCCM20lO2l,RCL)催化油脂的转化效率,发现RCL能有效应用于丸溶剂体系中催化合成牛物柴油, 甲醇分3次加入,在最佳条件下所得甲酯的收率可达93%。Kose16]在无溶剂体系中采用吲定化脂肪酶催化 棉籽油的醇解反应,发现当反应温度为5O℃,醇和油物质的量之比4,酶用量为30%,反应7 h时,甲酯 收率高达91.5%。许多学者研究采用分步加入甲醇的方法来减轻其对脂肪酶的毒性,为了简化操作,奉工 作通过在体系巾添加硅胶,将甲醇一次性加入,考察以小桐籽油为原料在无溶剂体系巾脂肪酶催化制备生 物柴油的_T艺条件。 1实验部分 1.I小桐籽油的转酯化反应 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硅胶,置于40℃和150 r/min 空气浴摇床中预热20 min,然后加入固定化脂肪酶Novozym 435,开始反应并计时。每隔一定时 取出 收稿日期:201l一04.13:修订日期:2011-05.31 作者简介:伍世夏(1986-),女,硕士研究生:刘幽燕【1971-),女,教授。E.mail:liuyouyangx@163 corn 基金项目;广iJli自然科学基金(0991001);广两理工科学实验中心最点项目(LGZX201008)
第27卷第4期 伍世夏等.无溶剂体系中酶催化小桐籽油制备生物柴油 323 20 laL样品,并用80 IxL石油醚溶解,然后加入十三酸甲酯内标物混合均匀,用气相色谱分析其中的脂肪 酸甲酯含量。 制备生物柴油的转酯化反应式如下: 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固定化酶稳定性 以24 h为一个批次,在每一批反应结束时,分离出产物、硅胶和固定化酶。用少量L内酮洗涤固定化 脂肪酶表面两次,静置,待丙酮挥发后,加入新物料进行下…批次的反应,以考察固定化酶的稳定性。 1.3分析方法 采用Aglient 6890s型气相色谱仪分析产物的含量,检测器为火焰离子化检测器(FID),色谱柱为HP-1 非极性毛细管柱(30 mx0.53 mmx0.88岬)。汽化室温度为280℃,检测室温度为290℃。柱温采用程序 升温:初始温度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 升温至260℃,保持8 min。载气为高纯氮气,流速为36 mL/min。 2结果与讨论 2.1溶剂对转酯化反应的影响 有机溶剂可降低底物汕脂的粘度,增强传质效果,而+日.可以增大与酶的接触面积,从而提高转酯化效率。 在疏水性较强的石油醚有机溶剂中进行反应,脂肪酶可以保持较i岳的活性,但与无溶剂体系相比,有机溶 剂体系中的底物浓度低,会导致反应速率的减慢【7】。在醇和小桐籽油物质的量之比为3,酶用量为小桐籽 油质量的7% ̄11硅胶与小桐籽油的质量比为0.4的条件下,比较石油醚溶剂体系和无溶剂体系中酶催化小 桐籽油的转酯化反应,结果如图l所示。由图可知,反应24 h u,l‘无溶剂体系的转化率达89%,而有溶剂 体系的转化率仅为60%。表明无溶剂体系的反应速率高于石汕醚溶剂体系的反应速率。这与文献【8】的结 果不同,可能与原料油特性及反应操作方式不同有关。此外,由于无溶剂体系生产对环境污染小、可节约 生产成本,因此在后续实验rf1采用无溶剂体系制备生物柴油。 100 1O0 80 80 60 盖 60 40 5 40 0 20 20 0 0 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 t,h f,h 图1有机溶剂对转酯化反应的影响 图2硅胶对转酯化反应的影响 Fig.1 Effect oforganic solvent on tansesteriifcation reaction Fig.2 Effect ofsilica gel on tansesteriifcation reaction
324 化学反应:【程与:I 艺 201 1年8月 2.2硅胶对转酯化反应的影响 在甲醇和小桐籽汕物质的量之比为3,酶用量为小桐籽油质量7%的条#I ̄-F,考察硅胶对转酯化反应 的影响,结果见图2。山图可知,当体系中无硅胶存在时,转酯化反应的初速率较小,反应24 h转化率为 50%,且延长反应时间对甲酯得率无明显影响。这是因为…‘次性加入过量的甲醇埘脂肪酶产生了毒害作用 。 当体系中存在硅胶时,反应的初速率较大,反应24 h所得的甲酯得率比米加硅胶的高30%左 。这是由 于硅胶是一种极性较强的多孔物质,具有较大的比表面积,可通过吸附平衡来控制甲醇的浓度 ,避免甲 醇对脂肪酶的毒害作用,使转化率大大提高【lo】。 2.3酶用量对转酯化反应的影响 在甲醇和小桐籽油物质的量之比为3,硅胶与小桐籽油的质量比为0.4的条件下,考察酶用量对转酯 化反应的影响,结果见图3。由图可知,当酶用量(基于小桐籽油的质量)由3%增 7%R,J‘,酶量的变化 对转酯化反应的影响较为显著,此时反应速率随着酶浓度的增加而增火,转化率也不断增人;当酶 }_}j量高 于7%时,反应速率变化不明显,而总的转化率有所下降。这是由于在一・定的范围内,酶用量越大,底物 与酶活性位点接触的机会越多,催化反应速率就越大,当酶用量达到一定量时,增加酶用量,底物 酶活 性位点接触的机会增加有限,反应速率变化不大,而进一步增加酶, 过量的酶会与硅胶团聚,导致反应过 r. 程中的传质阻力增加。因此,综合考虑反应速率和固定化酶的成木, 选择酶的用量为7%较合适。 5; __∞ L;● 盖 5 U 暑 ‘西 玺 5 0 2 4 6 t,h Molar ratio of methanol to oiI 图3酶用量对转酯化反应的影响 Fig.3 Effect oflipase dosage on transesteriicatifon reaction 图4甲醇和小桐籽油物质的量之比对转酯化反应的影响 Fig.4 Effect ofmolar ratio ofmethanol to oil on transesteriicatfion reaction 2.4醇油比对转酯化反应的影响 在酶用量为小桐籽汕质量的7%、硅胶与小桐籽汕的质量比为0.4的条件下,考察醇和小桐籽油物质 的量之比对转酯化反应的影响,结果见图4。由图可知,醇油比小于3时,转化率随着醇油比的增加而增 大;在醇汕比为3~4时,转化率几乎不受醇汕比的影响,均能保持在87%左右:若继续增人醇油比,转 化率急剧下降,当醇油比为6时,转化率仅有10%。这是山_rJ:甲醇浓度较低时,转酯化反应不完全, 甲 醇浓度较高时,会剥夺维持脂肪酶柔性结构的必需水,从而破坏维持蛋白功能构象的氢键体系,使酶的活 性降低或丧失…】。从原料的经济性考虑,选择醇油比为3较合适。 2.5外加水对转酯化反应的影响 一定量的水分是维持酶的构象以及发挥其催化作用所必需的,但过多的水分会使酶分子聚集成 ,增 大传质 力,降低酶的催化效率,而且还会影响反应平衡,促使酯化反应逆向进行,降低甲酯得率【I引,凶 此,反应体系中的水分含量需严格控制。本实验所用小桐籽油中水的质量分数为0.18%,在 醇¥11d ̄桐籽
第27卷第4期 伍世夏等.无溶剂体系中酶催化小桐籽油制备生物柴油 325 油物质的量之比为3,酶用量为小桐籽油质量的7%,硅胶与小桐籽油的质量比为0.4的条件下,考察外加 水量对转酯化反应的影响,结果如图5所示。可见,当没外加水时,转化率高达86.9%,随着水分逐渐增 高,转化率逐渐下降,当水的质量分数为1.5%时,转化率为60%。说明小桐籽油本身所含残留的微量水 分已足够维持脂肪酶的催化活性,无需外加水到反应体系中。 100 r… 。。卜 ~ ;盖 5 0 60 ~l一一一 -J 景 莹 40 20 莹 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. ’) 图5水的质量分数对转酯化反应的影响 Fig.5 Effect ofwater mass fraction on transesterification reaction 圈6硅胶用量对转酯化反应的影响 Fig.6 Effect ofsilica gel dosage on transesteriicatiton reaction ∞ ∞ ∞ 柏 ∞ O 2.6硅胶用量对转酯化反应的影响 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 在甲醇和小桐籽油物质的量之比为3,酶用量为小桐籽油质量的7%的条件下,考察硅胶用量对转酯 化反应的影响,结果如图6所示。可以看出,随着硅胶加入量的增加,转化率先增大后减小的,当硅胶与 小桐籽油的质量比为0.4时,转化率最大。当硅胶与小桐籽油的质量比小于O.4时,转化率随硅胶用量的 增加而增大。这是冈为硅胶加入=亳=少,吸附甲醇的最也相对较少,此时液相主体中存在的大量甲醇仍然会 对酶有一定的毒害作用。当硅胶与小桐籽汕的质量比大于0.4时,转化率反而有所降低。这可能是硅胶量 过大,对甲醇的I吸附量随之增人, 从而导致体系中甲醇的浓度低,反应速率减慢。 2.7固定化酶的稳定性 在甲醇和小桐籽油物质的量之比为3,酶用量为小 桐籽油质量的7%、硅胶与小桐籽汕的质量比为0.4的条 件下,进行连续批次反应,考察吲定化酶Novezym 435 的稳定性,结果见图7。由图可知,同定化酶重复使用l0 次后,转化率仍保持在85%左右。说明该酶使用多次后, O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 酶活力基本没有损失,具有较好的稳定性。 Batch 3结论 在反应体系中不加溶剂而添加硅胶,将甲醇一・次性 图7固定化酶的稳定性 Fig.7 Stability ofimmobilized lipase 加入,与小桐籽汕在脂肪酶催化作用下制备生物柴汕,发现采用无溶剂体系中酶促小桐籽油转酯化的反应 效率高,脂肪酶催化性能稳定,且该工艺对环境污染小、可节约牛产成本,因此具有较好的应用前景。 参考文献: 【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
326 嗍 Technology,2010,101(19):7201-72l0. 吲 =。 化学反应工程与工艺 … 201 1年8月 Shah S,Gupta M N Lipase catalyzed preparation of biodiesel from Jatropha oil in a solvent tree system[J]Process Biochemistry,2007, 42(3):409.414. Dongning D,Masayasu S.Repeated production of fatty acid methyl ester with activated bleaching earth in solvent-tree system[J].Process Biochemisty,2006,41(r8):1849-1853 贺芹,徐岩,滕云,等.华根霉全细胞脂肪酶催化合成生物柴油【J】催化学报,2008,29(1):23.28. He Qin,Xu Yan,Teng Yun,et a1.Bidioesel production catalyzed by whole—cell lipase from rhizopus chinensis[J]Chinese Journal of Catalysis, 2008,29(1):23—28 Kose O,Tuter M,Aksoy H,et al Immobilized candida antarctica lipase-catalyzed alcoholysis of cotton seed oil in a solvent.free medium[J] Bioresource Technology,2002,83(2):125—129. 高静,王芳,谭天伟,等.固定化脂肪酶催化废油合成生物柴油【J].化1:学报,2005,56(9):I727.1730. Gao Jing,Wang Fang,Tan Tianwei,et a1.Synthesis of biodiesel from waste oil by immobilized lipase[J]Journal of Chemical Industy and rEngineering,2005,56(9):1727・1730 Talukder M R,Wu J C,Nguyen T B V,et a1.Novozym 435 for production of biodiesel from unrefined palm oil:comparison of methanolysis methods[J].Journal ofMolecular Catalysis B:Enzymatic,2009,60(3.4):106.112. Szczesna A M,Kubiak A,Antczak et a1 Enzymatic biodiesel synthesis-key factors affecting efficiency of the process[J1 Renewable Energy,2009,34(5):l1 85,1 I 94. 陈敏,刘幽燕,庾乐,等.酶催化茶油转酯化反应制备生物柴油的研究【J】.现代化工,2008,28(2):153.155. Chen Min,Liu Youyan,Yu Le,et a1.Study on enzyme catalyzed transesterefication of camellia oil for biodiesel production[J]Modern Chemical Industry,2008,28(2):1 53—1 55 Yue W,Linghua Z-Ectoine improves yield of biodiesel catalyzed by immobilized lipase[J1.Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic 2010,62(1):90-95. 余旭亚,黄遵锡.生物酶法制备生物柴油的研究进展【J].中国油脂,2009,34(6):48—53 Yu Xuya,Huang Zunxi.Research progress on biodiesel production by bio—enzymatic catalysis[J]China Oils and Fats,2009,34(6):48.53. Lipase—Catalyzed Preparation of Biodiesel from Jatropha Oil in Solvent—free System Wu Shixia’Liu Youyan’ ,,Li Qingyun’,Shi Man (1.College ofChemistry and Chemical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China; 2.Guangxi Key Laboratory of Biorefinery,Nanning 530003,China) Abstract:The preparation conditions of biodiesel from Jatropha oil catalyzed by immobilized lipase(Novozym 435)were investigated in a solvent-free system.The results showed that the silica gel in the system could improve the reaction rate of transesteriifcation and the conversion of the Jatropha oiland the methanol could be ,added in one step,which simplified the process.The appropriate conditions for the transesteriifcation were molar ratio of methanol to oil 3,enzyme mass fraction 7%based on oil massmass ratio of silica gel to oil 0.4,40℃ ,and l50 r/min.The conversion of oil with 0.1 8%of water reached 89%after reaction 24 h.The catalytic performance of the immobilized enzyme was stable and the activity of enzyme decreased little after being reused 10 times Key words:biodiesel;Jatropha oil;immobilized lipase;transesterification
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