生物酶法制备生物柴油综述

1、生物酶法制备生物柴油研究综述赵文超（中北大学化工与环境学院牛物工程专业030051）摘要：就生物酶法制备生物柴油的研究现状进行了扼要概括，探讨了固定化脂肪酶法、液体酶法和全细胞催化法制备生物柴油的最新工艺进展。关键词：生物酶；生物柴油；固定化脂肪酶；液体酶；全细胞分类号：tq645： tq514作者简介：赵文超，男，在读木科生，研究方向：生物工程。生物柴汕是利用动植物汕脂的低碳醉在催化剂的作用下经酯交换反应生成的脂肪酸酯1。 作为一种新型环保的可再生替代燃油燃料，生物柴油在近儿十年來已成为学者们热衷的研究 对象。牛物柴汕与化石燃料相比，具有低闪点、低含硫量、温室气体净排放量为零等优势, 可以替

2、代普通柴汕更为清洁、安全地使用，极具发展前景。生物柴汕的合成需要催化剂的参 与，催化剂可以为酸、碱或酶。酸催化法对原料油脂要求较高，会产生大量废酸，仇催化剂 难以回收利用；碱催化法要求原料酸价小于1,含水量小于0. 5%,生产工艺复杂，易皂 化；和比之下，腮催化反应条件温和，対原料油脂的品质基本无要求，反应产物易分离，应 用鮫为广泛2。油脂与醇进行酯交换反应通常使用的酶催化剂为脂肪酶。脂肪酶在口然界 屮来源丰富，现已能从60多种微生物屮获取相应脂肪酶3。目前商业化的脂肪酶种类繁多，主要包括 lipase a k, lipase p s, lipozymerm im, lipase ps-30,

3、 novozym 435 等。脂肪酶的来源不同，反应工艺往往不同。1酶法制备生物柴油的影响因素直接影响酶法制备生物柴油转化速率的因素包扌舌：汕醇比、酶种类、酶用量、反应温度、水含量等。反应时间不直接影响酶法制备牛物柴 汕的转化率，但肓接影响反应平衡程度和反应产物饱和度等，随着反应时间的延长，生物柴油的转化率最后趋于一定值4。酶活性直接受反应体系中卩醇含量的影 响。当底物为混合物时，反应体系中甲醇的含量可适当提高。为避免酶失活，可将甲醇分次加入。盛梅等5研究固定化酶催化菜籽油与甲醇合成生物柴油 的反应时发现，有机溶剂的使用可以明显改善固定化脂肪酶的活性和稳定性。同时，分批加 入甲醇可以避免次性加

4、入时过量甲醇对固定化脂肪酶活性的抑制作用。李俐林等6用叔丁 醇作为反应介质，利用固定化脂肪酶催化优质原料卩醇酹解反应制备生物柴油，消除了川醇 和甘汕对酶的负面影响，酶的使用寿命显苦延长。陈志锋等7研究固定化脂肪酶novozym 435催化高酸废油脂与乙酸甲酣酯交换制备牛物柴油时发现，导致腮促交换反应速率和甲酯 产率显著下降的主要原因是废油脂中肓含量的游离脂肪酸与乙酸甲酯反应产生的副产物乙 酸对酶有抑制作用。此外，实验证明在反应体系屮添加适呈的有机碱不仅能人人提高酯交换 反应速率和甲酯产率，还能显著提高固定化酶的操作稳定性。2酶法制备生物柴油的方法少工艺2.1固定化脂肪陆法脂肪酶固定化技术具有以

5、卜-特点：酶活性、稳定性高；易从产品屮分离岀，因此可重复使卅。 固定化脂肪酶一般以硅藻土为载体，通过吸附法制备。其中吸附法由于方法简单且成本较低, 被认为是大规模固定脂肪酶的最优方法。王铤等以地沟汕为原料，固定化假丝酵母脂 肪酶为催化剂催化转酯化反应制备生物柴油。对所制备生物柴油的组成及物理、化学性能的 检测结果体现出了生物柴油优良的特性：合成的生物柴油纯度达到了 97. 8%以上，精制后的 产品闪点高于170 °c,硫的质量59 分数低于0. 0005%,十六烷值高达73.6,在0#柴 油中添加了 20%的生物柴油后，尾气排放中co降低了 28%,未燃烧的碳氢化介物降低了 36%,

6、 nox降低了 24 %,全负荷烟度下降幅度达到0. 20.9rb。蔡志强等10探究了固定化脂肪 廨分别催化酯化与醇解两种方法合成牛物柴油的最住工艺条件。研究发现，酯化工艺的最佳 工艺条件是：2%固定化脂肪酚，温度为30 °c,油酸：甲醇二1 ： 1 （摩尔比），分2等摩尔流 加甲醇，反应时间24 h,或分3次等摩尔流加甲醇，反应时间36 h,酯化率都可以达到95% 以上；醇解的最佳工艺条件是：4%固定化脂肪酶，温度为30 °c,菜籽汕:甲醇二1 : 3 （摩 尔比）,分3次等摩尔流加甲醇,反应时间为48 h,酯化率可以达到95%以上，去除下层甘 油后，菜籽油甲酯纯度可达9

7、8%。安永磊等11利用固定化脂肪陆催化餐饮废油与乙醇反应 制备牛物柴汕。通过实验获得了酯化反应的最住条件：反应温度47 °c,有机溶剂为正己烷, 醇汕比3 : 1, 5次投加乙醇，酶用量为0.3g,反应时间32 h时，生物柴汕产率可达81%。 徐桂转等12利用固定化脂肪酶novozym 435,在无冇机溶剂存在的情况下，催化菜籽油与 甲醇酯交换反应制取生物柴油。研究得到了菜籽油间歇酯交换反应的适宜工艺条件：转速 200 r/min ,反应温度：50 °c,叩醇：菜籽油=1 ： 5 （摩尔比），酶用量10% （与菜籽油的 质量比）。反应分两次加入等量甲醇，即先加入总量一半的甲

8、醇，反应10 h （菜籽汕的酯交 换率达到47%）；再加入剩下全部甲醇,反应26 h （酯交换率达到80%）。唐凤仙等13以戊 二醛交联壳聚糖固定的a.niger li-38脂肪酶催化棉籽毛油合成生物柴油取得了不错的效 果。研究发现该固定化酶的贮藏稳定性较好，室温放置12 d,酶活性仍能保持80%以上。固 定化腮在3070 °c, ph二5.56.5之间较稳定，其热稳定性和ph稳定性较游离酶有所提高。 固定化酶可重复使用7次，转化率保持在80%以上。洪鲍等14研究了两种脂酶顺序催化制 备生物柴汕的生产工艺。结果表明：固相化细菌a007脂酶催化甘汕三酯（tag）水解的最 适条件为：含水

9、量40%、脂酶用® 100 u/g、反应温度30 °c、反应时间12 h,此时tag水 解率和游离脂肪酸（ffa）含量分别为93. 3%和90. 1%；在催化ffa甲酯化过程中，固相化 candidaantarctica脂酶在ffa ：甲醇二1 ： 5时可达到最佳效果;在第二次甲酯化时,加入 甘油有利于提高ffa酯化率,经过24 h反应,可将总酯化率从无甘油时的96. 9%提高到 98. 6%o2. 2液体脂肪酶法早在1970年代许多学者就发现脂肪陋在油水界面上催化反应速率较快，a. m. brzozowski 等15将此现彖解释为“界面活化效应”。一般而言，脂肪酶活性位点

10、为一个盖了所罩住， 界面活化效应是指将此盖子打开使催化活性位点眾露出來。液体脂肪酶通过催化两相（汕相 /水相）体系界而的转酯/酯化反应制备牛物柴油。基于双相体系、油水界而活性效应的特点, 液体酶法催化制备生物柴油的反应速率较快，不受底物、产物的扩散限制，产物、副产物易 分离。此外，液体脂肪酶生产工艺简单，成木低廉16。许多学者对脂肪酶的盖式结构进行 了探究。薛龙吟等17比较了黑曲霉脂肪酚与黑曲霉酯陋的3-d结构后发现两者在盖子结 构域存在显著差异。他们利用pcr技术对黑曲霉脂肪酶的4个位点进行诱变，以期获得开 盖型黑曲霉脂肪酶。4个重组质粒导入毕式酵母gs115菌株进行界源表达后，仅 ppc1

11、9k-anl-d99p和ppc19k-anl-k108e实现了活性表达。李堂等18研究脂肪酶催化菜籽 汕乙醉解反应的几个主要影响因素的结果表明，采用正己烷作溶剂，能有效增加反应体系小 乙醇与菜籽油的互溶性，使反应物充分接触，有效降低乙醇的局部浓度，减小其対陋的毒害 作用，消除酶的团聚现彖，改善脂肪酚所处微环境。2. 3全细胞法酶法牛产生物柴汕进入商业化应用的最大障碍是脂肪酶的成本太高，一个很有前景的解决方 法是以全细胞生物催化剂的形式利用脂肪陋19。清华大学的曾静等20利用霉菌r. oryzae tfo细胞催化植物油脂与叩醇醇解反应合成生物柴油，通过探究培养过程中各项参 数对细胞牛长以及该细胞

12、催化剂对醇解反应活性的影响，发现细胞的催化活性随细胞培养过 程中添加油脂的不同而变化。在优化的操作参数(大豆精制油20 g/l,蛋白豚70 g/l, nano3 1.2 g/l, kh2p04 1.2 g/l, mgs04 7h20 0.5 g/l,培养温度 35 °c,摇床转速 130 r/min) 下培养得到的细胞催化剂能有效催化大豆油与甲醇三步转化酯化反应牛成牛物柴油，最终得 率可达86%o3结语牛物柴汕的研究因当今世界石汕危机而得到大力发展。牛物柴汕技术的研发利用对世界能源 结构、我国巨大的能源需求、生态环境保护、资源的可持续利用都有着至关重要的意义。陋 法催化制备生物柴油具

13、有清60 洁、环保、高效等优点，具有很大的应用潜力。陋法催 化制备牛物柴汕主要有固定化脂肪酶法、液体脂肪酶法、全细胞法等方法。然而，利川这些 方法合成生物柴汕的人规模应用还而临着诸多的问题与挑战。如：原料、酶催化剂成木较高, 反应条件严格，反应速率较低等，解决这些问题还需要做大屋的研究工作。参考文献：i gerpen j v. biodiesel: small scale production and quality requirements.methods mol biol,2009,581:281-290.2 王巍杰，杨永强，吴尚卓.脂肪酶催化合成生物柴油的研究进展j.生物技术通 报,20

14、10,(3):54- 57.3 prentice i c,farquhar g d,fashammj r, ct al. the carbon cyclcto the third assessment. climate change 2001 :the scientificbasis r. wmo and unep report of the intergovernmental paneion climate change,2001:56- 58.4 吕鹏梅，袁振宏，马隆龙，等.酶法制备生物柴汕的动力学及其影响因素j.现代化 i,2006,26(supii):19- 24.5 盛梅,郭登峰.固

15、定化酶催化菜籽油合成生物柴油稳定性研究j.中国油脂,2005,30(5):68- 78.61李俐林，杜伟，刘德华，等.新型反应介质中脂肪酶催化多种油脂制备生物柴油j.过程丄程 学报,2006,6(5):799- 803.7 陈志峰，吴蛀，宗敏华.固定化脂肪酶催化高酸废汕脂酯交换生产生物柴汕j.催化学 报,2006,27(2): 146- 150.8 廖昌珑，王哓艳,黄遵锡.脂肪酚酶法合成生物柴油的研究进展jj.现代化工,2009,29(2):30- 36.9 王锂,孙海洋，王芳，等.酶催化地沟汕生产的生物柴汕的性能研究卩.北京化工人学学 报,2007,34(s upll):lll- 117.1

16、0 蔡志强，郭国英，林西平，等.固定化脂iw催化合成生物柴油的研究j中国油 hs,2004,29(8):29- 32.11 安永磊，唐唯森，高松.酶法催化餐饮废汕制备牛物柴汕的研究j1.吉林人学学报/地球科学 报,2006,36(sup): 147- 150.12 徐桂转，刘会丽,张百良，等.利用菜籽油酶法生产生物柴油的初步研究j.农业工程学 报,2006,22(8): 162- 165.13j唐凤仙，李春，李元元，等.酶法酯交换棉籽毛油合成牛物柴油山.太阳能学 报,2010,31(11):1397- 1401.14 洪鲍，乙引，张习敏，等.生物柴油的双脂酶催化生产工艺研究j.中国油脂,201

17、0,35(2):51- 55.15 brzozowski a m, dcrcwcnda u, dcrcwcnda s z, ct al. a modclfor interfacial activation in lipases from structure of a fungal lipase-inhibitor complex j. nature, 1991,351:491- 494.16 陈新，里伟，杜伟，等.牛物酶法制备牛物柴汕研究现状及展望j现代化工,2007,27(8):2329.17 薛龙吟，林瑞风,舒正玉，等.黑dii霉脂肪酶盖子结构域突变对其活性的影响j.生物技术通 报,201

18、0(2): 173- 177.18 李堂,周建红，黄朋，等.正己烷体系中他催化菜籽油制备乙酯生物柴油j.中国油 脂,2007( 12):45- 47.19 刘汝宽，杨喜平，王瑞霞.制备生物柴油的催化剂研究进展j.中国粮油学 报,2006,21(3):273- 276.l20j曾静，杜伟，徐圆圆，等.培养过程参数対霉菌rhizopus orzae ifo细胞催化植物油脂合成生 物柴油的影响研究j食品与发酵工业,2005,3k10): 17- 24.research progress of biodiesel production by bio-enzymatic methodzheng qinghc(college of chemical engineering, nanjing forestry university, nanjing jiangsu 210037, china) abstract: the research progress of biodiesel production