固定化细胞磁稳定流化床反应器制备生物柴油

1、第 27卷 第 10期 农 业 工 程 学 报 V ol.27 No.10 238 2011年 10月 Transactions of the CSAE Oct. 2011固定化细胞磁稳定流化床反应器制备生物柴油李丽萍,陈冠益 ,黄业千(天津大学环境科学与工程学院,天津 300072摘 要:为了探索生物酶法制备生物柴油新工艺,克服现有工艺的不足,采用超顺磁性全细胞催化剂在自制的磁稳定流 化床中对废油脂连续生产生物柴油进行了试验研究。考察了改变磁场强度、进料醇油摩尔比、催化剂用量及流量等因素 对连续酯交换反应的影响,进而得到单级磁流化床酯交换反应的最佳工艺条件:磁稳态操作,醇油摩尔比为 1 1,

2、催化 剂用量为原料油质量的 12%,进料流量为 42.6 mL/min。四级磁流化床连续系统最终转酯化率达到 85%以上,连续反应 200 h后四级出口的甲酯产率仍在 80%以上。这说明全细胞催化剂在磁稳定流化床中活性较高,使用寿命较长,该系统具 有良好的操作稳定性。关键词:生物柴油,生物催化剂,流化床,固定化,超顺磁性中图分类号:S216 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2011-10-0238-05李丽萍, 陈冠益, 黄业千. 固定化细胞磁稳定流化床反应器制备生物柴油J. 农业工程学报, 2011, 27(10:238-242. Li Liping, Chen Guanyi,

3、 Huang Yeqian. Biodiesel production in magnetically stabilized fluidized bed reactor by whole-cell bio-catalystJ. Transactions of the CSAE, 2011, 27(10: 238-242. (in Chinese with English abstract0 引 言生物柴油是由动植物油脂酯交换得到的可再生替代 能源。生物酶法合成生物柴油具有反应条件温和、无污 染物排放、原料油适应性广等优点,是近年来的研究热 点 1-4。目前生物酶法制备生物柴油工艺大多停留在试验

4、 室阶段,且一般为间歇操作。没有实现工业化的主要瓶 颈在于反应过程中脂肪酶易失活,使用寿命短,从而导 致生产成本过高,仅有的连续化工艺都采用固定床填充 反应器 5-7, 真正进行连续化生产还存在转酯化效率不高、 催化剂难于回收等问题。因此,亟需配套工业化反应器 研制的突破以及成熟工艺路线的开拓。采 用 全 细 胞 生 物 催 化 剂 (whole-cell biocatalyst, WCB 不仅可以免去脂肪酶分离纯化的工艺,杜绝了酶 法在此过程中的大量损失,还可以节省大量的设备投资 和运行费用 8-10。 Nakashima 等 11-13最早采用生物质载体 固定丙酮干燥的 Rhizopus

5、chinensis细胞制得全细胞生物 催化剂,并通过循环发酵流化床制备生物柴油。 Ban 10等将 Rhizopus oryzae IFO4697细胞固定于聚氨酯泡沫颗 粒,最终甲酯转化率与采用胞外酶催化相当。全细胞催化 剂相对于胞外脂肪酶催化剂的主要不足在于增加了传质阻收稿日期:2011-01-01 修订日期:2011-05-01基金项目:天津市科技发展计划重点项目(06YFGZSH00400 ;科技部 863高新技术项目(2007AA05Z413作者简介:李丽萍(1986- ,女,河北廊坊人,主要从事生物柴油生产工 艺的研究。天津 天津大学环境科学与工程学院, 300072。磁流化床 (m

6、agnetically fluidized bed, MFB 是将流 态化技术与电磁技术相结合,采用磁性颗粒作为床层介 质并附加磁场的流化床系统。与普通的流化床相比,磁 流化床可有效控制相间返混,具有固体颗粒装卸方便、 物料分布均匀、传热传质效率高及流动性和稳定性能好 等特点 16,目前研究主要应用在废水处理、生物大分子 的提纯、化工催化等方面,已经显示出巨大的工业化运 用价值。而将磁流化床用于生物柴油的制备还未见报 道。本文采用超顺磁性全细胞催化剂在自制的磁稳定流 化床中对废油脂连续制备生物柴油进行了试验研究,探 索采用该系统进行生物柴油连续化生产的工艺路线,为 今后实现细胞催化工业化提供有

7、参考价值的试验结果。1 材料与方法1.1 主要材料采用化学共沉淀法合成纳米 Fe 3O 4磁性微粒, 以该颗 粒作为磁性基质,采用戊二醛共价交联壳聚糖制备 Fe 3O 4/CS复合微球,通过溶胀 -吸附法,固定本试验室培 育的 R.oryzae 细胞,制备出一种新型的具有超顺磁性的 全细胞生物催化剂。本试验所采用的原料油为天津益生能生物柴油有限 公司提供的地沟油,其物理化学性质如表 1所示。第 10期 李丽萍等:固定化细胞磁稳定流化床反应器制备生物柴油 239表 1 废油脂的主要物理化学特性Table 1 Major physical and chemical properties of wa

8、ste oil酸值 /(mg·g-1皂化值 /(mg·g-1粘度 /(Pa·s (40 5.961980.01405乙醇、石油醚、油酸、磷酸二氢钾(分析纯;甲 醇(色谱纯;肉豆蔻酸甲酯、棕榈油酸甲酯、棕榈酸 甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯、硬脂酸甲酯 (standard 。 1.2 主要仪器单级循环磁稳态流化床反应系统及四级磁稳定流化 床反应系统如图 1, 2所示。 1. 循环水泵 2. 磁流化床反应器 3. 空气压缩机 4. 恒流泵 5. 甲醇 6. 原料油 7. 加热搅拌器图 1 单级磁稳定流化床反应系统Fig.1 Schematic of single-stag

9、e magnetically stabilized fluidizedbed reactor 1. 循环水泵 2. 原料油罐 3. 甲醇罐 4. 加热搅拌器 5. 空气压缩机 6. 恒流泵 7. 产品罐图 2 四级磁稳定流化床反应系统Fig.2 Schematic of four-stage magnetically fluidized bed reactorsystem1.3 试验方法试验采用磁稳定流化床生物反应器,以单级或多级 运行。反应前反应器先通过高温蒸汽灭菌 20 min,冷却 后填充超顺磁性 R.oryzae 全细胞催化剂,地沟油经过抽 滤 -活性白土吸附预处理后与无水甲醇按一定比

10、例在三口 瓶中混合,并用恒温磁力搅拌器搅拌预热,然后由恒流 泵以一定流量从流化床底部流加,在反应器中与细胞催 化剂接触并反应。反应温度为 35,由恒温循环水浴控 制。 采用自然 pH 值, 体系的含水率通过磷酸缓冲溶液控首先采用单级反应系统,分别改变磁场强度、进料 醇油摩尔比、催化剂用量及流量等因素,考察不同因素 对连续酯交换反应的影响,从而得到单级酯交换反应的 最佳工艺条件。在单级放大循环试验的基础上,通过试验获得的最 佳反应级数,建立由四级磁流化床串联的反应系统,上 一级的产物与等摩尔的最佳甲醇量混合后导入下一级反 应器,依次反应完毕后产物经重力分离甘油,即为连续 化制备的粗生物柴油。本试

11、验采用气质联用对产品组分进行定性分析,以 测定产物的主要成分,然后以主要脂肪酸甲酯作为标准 品,采用蒸发光散射高效液相色谱检测法 (HPLC-ELSD对生物柴油产品进行定量分析 17。甲酯产率的计算公式为%100%=×样品中脂肪酸甲酯含量甲酯产率 油脂理论上完全甲酯化后脂肪酸甲酯的含量 2 结果与分析2.1 单级影响因素试验本试验在醇油摩尔比为 1 1的条件下考察了不同磁 场强度下的甲酯产率,结果如表 2所示。表 2 不同磁场强度对甲酯产率的影响Table 2 Effects of different magnetic field strengthes on methylester

12、production rate磁场强度 H /(A·m-11 5923 1854 7776 369甲酯产率 /%18.7 22.3 31.1 31.8 26.8由表 2可以看出,随着磁场强度的增加,甲酯产率先增加后降低。当无磁场(H =0 A/m或磁场强度较小 (H =1 592 A/m时,由于催化剂粒径小、质量轻,分散 于油相中不易沉降,因此在三相分离器中难以分离,不 少颗粒被出口液体带出。同时,床体内产生的气泡很大, 对催化剂的物理损害较大,且造成了严重的返混,虽然 传质效果最好,但是催化效果不佳,转酯化效果差,甲 酯产率分别为 18.7%和 22.3%。当采用较高的磁场强度 (

13、H =3 185、 4 777 A/m时,床层稳定,气泡小而均匀, 床层膨胀有一定的空隙,催化剂之间形成磁链,因此液 -固相间传质效果好 18,酯化效果好,甲酯产率较高。当 进一步增大外加磁场强度(H =6 369 A/m时,床层高度 下降,床层界面之间波动较剧烈,磁链收缩,催化剂以农业工程学报 2011年 240磁聚形式存在,由于团聚导致比表面积成倍减少,部分 催化剂颗粒甚至被包围不能参与反应,液 -固相间传质效 果差, 因此转酯化效率也不高, 出口甲酯产率仅为 26.8%。 因此,磁流化床生物反应器制备生物柴油的最优操 作形式为链式的磁稳态操作,床层稳定有利于转酯化反 应的进行。根据转酯化

14、反应化学计量式, 理论上转化 1 mol甘油 三酸酯需要 3 mol甲醇。 由图 3可以看出, 随着醇油摩尔 比的增大,甲酯产率先增大,然后急剧降低。这与酶促 合成生物柴油反应动力学的理论 19一致。由此可见,体 系中过量的甲醇会对细胞催化剂的活性起到相当大的抑 制作用,从而影响了转酯化反应的进行。因此,单次循 环最佳醇油摩尔比为 1 1。 图 3 醇油摩尔比对甲酯产率的影响Fig.3 Effects of methanol to oil molar ratioes on methyl ester production rate本试验对不同流量下催化剂用量对甲酯产率的影响 做了初步的研究,结果

15、如图 4所示。 图 4 不同流量下催化剂用量对甲酯产率的影响Fig.4 Effects of amount of catalyst on methyl ester production rate under different feed rates在磁流化床的操作中,流量的大小与底物在床体内 的停留时间密切相关。图 5为采用链式磁稳态操作,醇 油摩尔比为 1 1,催化剂用量为 12%条件下不同流量的 试验结果。 图 5 流量对甲酯产率的影响Fig.5 Effects of flow rates on methyl ester production rate在磁流化床的操作过程中,当进料流量和外

16、加磁场 强度一定时,通过在磁稳操作区内调节表观气速可以改 变床层的膨胀比。 图 6 床层膨胀比对甲酯产率的影响Fig.6 Effects of bed expansion ratio onmethyl ester production rate如图 6所示,床层的膨胀比对催化反应的结果影响 不大,在一定范围内随着膨胀比的增加甲酯产率增大。 原因可能是膨胀比的增大,导致固体颗粒之间的空隙增 加,液 -固相间传质效率提高,使得转化率提高。但当床 层膨胀比大于 2.5后, 甲酯产率降低, 一方面可能是由于 空隙率过大导致部分床层出现短路,致使底物未经反应 就流出反应器,另一方面气速增大可能导致对催化

17、剂的 物理伤害增大,使得产率下降。2.2 单级流化床循环试验为了构建可以连续化生产生物柴油的反应系统,需 要确定连续反应器所采用的级数。为此,在单因素试验第 10期 李丽萍等:固定化细胞磁稳定流化床反应器制备生物柴油241的基础上,利用单级磁稳定流化床反应器进行循环试验, 等量流加甲醇,保证每次循环反应体系中醇油摩尔比均 为1 1 。图 7 循环次数对甲酯产率的影响Fig.7 Effects of reaction cycles on methyl ester production rate图 7为循环次数对甲酯产率的影响。由试验结果可 知,随着循环次数的增加,甲酯产率依次提高,当循环 超过四

18、次以后,甲酯产率基本保持恒定。因此,综合考 虑转酯化效率和停留时间,采用四次循环反应可以取得 最佳的经济效益。2.3 四级磁流化床连续化制备生物柴油根据单级磁流化床循环试验结果,将四次循环转酯 化反应设计为四级串联磁流化床连续式反应系统,用于 生物柴油的全细胞催化连续生产。系统稳定运行后,各 级流化床出口的甲酯产率如表 3所示。表 3 磁稳态操作时各级磁流化床的甲酯产率Table 3 Methyl ester production rates at all levels of the fluidizedbed when using magnetic steady-state operation

19、流化床 一级流化床二级流化床三级流化床四级流化床甲酯产率 /%22 49 71 87由表 3可以看出,采用四级磁稳定流化床反应系统 的转酯化效率和采用胞外酶催化的效果相当 1,20-21,高于之前整体细胞催化研究的试验结果 14,22,可见磁稳定流化床非常适于细胞催化,全细胞催化剂在磁稳定流化床中 具有很高的活力,可以有效地减小传质阻力和消除甲醇 的抑制作用。 图 8 四级磁流化床反应系统连续运行甲酯产率Fig.8 Methyl ester production rates of four-stage continuousmagnetically fluidized bed reactor s

20、ystem图 8表示四级磁流化床反应系统连续反应 200 h四级 出口的甲酯产率, 反应超过 200 h后甲酯产率仍在 80%以 上,可见该反应系统具有较高的稳定性。3 结 论本文采用超顺磁性全细胞催化剂在自制的磁稳定流 化床中对废油脂连续生产生物柴油进行了试验研究,采 用单级磁流化床催化废油脂转酯化的优化工艺为:采用 磁稳态操作,醇油摩尔比为 1 1,催化剂用量为原料油 质量的 12%,进料流量为 42.6 mL/min。连续化工艺所需 要的最佳反应级数为四级,连续化试验废油脂的转酯化 率达到 85%以上, 连续反应 200 h后四级出口的甲酯产率 仍在 80%以上。参 考 文 献1Shim

21、ada Y, Watanabe Y, Samukawa T, et al. Conversion of vegetable oil to biodiesel using immobilized candida antarctica lipaseJ. Journal of the American Oil Chemists Society, 1999, 76(10: 789-793.2Fukuda H, Kondo A, Noda H. Biodiesel fuel production by transesterification of oilsJ. Journal of Bioscience

22、 and Bioengineering, 2001, 92(5: 405-416.3Wardle D A. Global sale of green air travel supported using biodieselJ. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2003, 7(1: 1-64.4Du W, Xu Y Y, Liu D H, et al. Comparative study on lipase-catalyzed transformation of soybean oil for biodiesel production with

23、 different acyl acceptorsJ. Journal of Molecular Catalysis B-Enzymatic, 2004, 30(3/4: 125-129. 5Shimada Y, Watanabe Y, Sugihara A. Enzymatic alcoholysis for biodiesel fuel production andapplication of the reaction to oil processingJ. Journal of Molecular Catalysis B-Enzymatic, 2002, 79(17: 133-142.6

24、 聂开立,王芳,邓利 . 间歇及连续式固定化酶反应生产生物柴油 J. 生物加工过程, 2005, 3(1:58-62.Nie Kaili, Wang Fang, Deng Li. Synthesis of biodiesel using immobilized lipase in batch and continous reactorsJ. Chinese Journal of Bioprocess Engineering, 2005, 3(1: 58-62. (in Chinese with English abstract7Hama S, Yamaji H, Fukumizu T, et

25、al. Biodiesel fuel production in a packed-bed reactor using lipase-producing rhizopus oryzae cells immobilized within biomass support particlesJ. Biochemical Engineering Journal, 2007, 34(3: 273-278.8Zeng J, Du W, Liu X Y, et al. Study on the effect of cultivation parameters and pretreatment on Rhiz

26、opus oryzae cellcatalyzed transesterification of vegetable oils for biodiesel productionJ. Journal of Molecular Catalysis B-Enzymatic, 2006, 43(7: 15-18.9Li W, Du W, Liu D H. Rhizopus oryzae IFO 4697 whole cell catalyzed methanolysis of crude and acidified rapeseed oils for biodiesel production in t

27、ert-butanol systemJ. Process Biochemistry, 2007, 42(11: 1481-1485.10Ban K, Kaieda M, Matsumoto T, et al. Whole cell biocatalyst for biodiesel fuel production utilizing rhizopus oryzae cells农业工程学报 2011年 242immobilized within biomass support particlesJ. Biochemical Engineering Journal, 2001, 8(1: 39-4

28、3.11 Nakashima T, Fukuda H, Kyotani S. Culture conditions for intracellular lipase production by rhizopus chinensis and its immobilization within biomass support particlesJ. Journal of Fermentation and Bioengineering, 1988, 66(4: 441-448. 12 Nakashima T, Fukuda H, Nojima Y, et al. Intracellular lipa

29、se production by Rhizopus chinensisusing biomass support particles in a circulating bed fermentorJ. Journal of Fermentation and Bioengineering, 1989, 68(1: 19-24.13 Nakashima T, Kyotani S, Izumoto E, et al. Cell aggregation as a trigger for enhancement of intracellular lipase production by a rhizopu

30、s speciesJ. Journal of Fermentation and Bioengineering, 1990, 70(2: 85-89.14 Hama S, Yamaji H, Kaieda M, et al. Effect of fatty acid membrane composition on whole cell biocatalysts for biodiesel-fuel productionJ. Biochemical Engineering Journal, 2004, 21(2: 155-160.15 Oda M, Kaieda M, Hama S, et al.

31、 Facilitatory effect of immobilized lipase-producing Rhizopus oryzae cells on acyl migration in biodiesel-fuel productionJ. Biochemical Engineering Journal, 2005, 23(1: 45-51.16 赵培忠, 侯家涛, 王助良 . 磁流化床技术的研究与应用 J.能源研究与利用, 2008, (4:24-27.Zhao Peizhong, Hou Jiatao, Wang Zhuliang. Research and application

32、on magetically fluidized bedJ. Energy Research and Application, 2008, (4: 24-27. (in Chinese with English abstract17 李克亚 . 生物柴油制备试验及数学模型研究 D. 天津:天 津大学环境科学与工程学院, 2008.Li Keya. Study on the Waste Oil-based Biodiesel Productionand Mathematical ModelingD. Tianjin: School of Environmental Science and Tec

33、hnology, Tianjin University, 2008. (in Chinese with English abstract18 慕旭宏,宗保宁,闵恩泽.气液固三相磁稳定流化床的操 作状态对反应结果的影响 J. 化学反应工程与工艺, 1997, 13(2:198-201.Mu Xuhong, Zong Baoning, Min Enze. Effect of the operating state on reations in a three-phase magnetically stabilized fluized bed reactiorJ. Chemical Reaction

34、 Engineering and Technology, 1997, 13(2:198-201. (in Chinese with English abstract19 罗文, 袁振宏, 谭天伟 . 酶促合成生物柴油反应动力学 J.石油化工, 2007, 36(12:1277-1281.Luo Wen, Yuan Zhenhong, Tan Tianwei. Kinetics of enzymatic transesterification of triglyceride for biodiesel oil productionJ. Petrochemical Technology, 2007

35、, 36(12: 1277-1281. (in Chinese with English abstract20 Dossat V, Combes D, Marty A. Continuous enzymatic transesterification of high oleic sunflower oil in a packed bed reactor: influence of the glycerol productionJ. Enzyme and Microbial Technology, 1999, 25(3/5: 194-200.21 Li L L, Du W, Liu D H, e

36、t al. Lipase-catalyzed transesterification of rapeseed oils for biodiesel production with a novel organic solvent as the reaction mediumJ. Journal of Molecular Catalysis B-Enzymatic, 2006, 43(1/4: 58-62.22 Matsumoto T, Takahashi S, Kaieda M, et al. Yeast whole-cell biocatalyst constructed by intracellular overproduction of Rhyzopus oryzaelipase is applicable to biodiesel fuel productionJ. Applied Microbiology and Biotechnology, 2001, 57(4: 515-520.Biodiesel production in magnetically stabilized fluidized bed reactor by whole-cell bio-catalystLi Liping, Chen Gua