专利名称：一种以萌发的油料作物种子为原料自催化制备生物柴油的方法
技术领域：
本发明涉及制备生物柴油技术领域。具体为一种以萌发的油料作物种子为原料自 催化制备生物柴油的方法。
背景技术：
随着工业与经济的发展，对石油、煤炭等矿物质能源的需求量越来越大，而石油资 源的日益枯竭和人们环保意识的提高，大大促进了世界各国加快柴油替代燃料的开发步 伐，尤其是进入了二十世纪九十年代，生物柴油作为一种具有优越的环保性、低CO2排放性、 无毒性的绿色可再生能源受到了各国的重视。因此大力开发柴油替代能源生物柴油具有特 别重要的战略意义。生物柴油的生产方法包括化学法与生物催化法，目前常用的已经用于的大规模产 业化生产的方法是主要是化学法，这类方法虽具有反应时间短，产率高的优点，但是同时存 在着生产能耗高、操作工艺复杂、反应条件苛刻难以控制；催化剂流失严重、回收难、废液排 放对环境污染严重；产物脂肪酸酯化物纯度低，难分离；产物中不饱和脂肪酸高温易变质， 影响生物柴油稳定性等缺点。而生物催化法作为一种反应条件温和、环境友好、操作简单、 酯化产物易分离且品质高的绿色催化方法广泛受到人们关注。生物催化法主要是指酶催 化，也就是利用脂肪酶催化酯化和酯交换反应制备生物柴油。然而，一直限制生物催化法不 能广泛应用于大规模产业化生产的原因在于生产成本过高。首先，生物催化剂固定化酶要 比一般的酸碱催化剂价格高几倍到十几倍，同时底物短链醇对脂肪酶有一定毒害作用，从 而使脂肪酶的活性损失稳定性下降。这样无形中增加了生物柴油的生产成本。其次，目前 以植物油作为底物制备生物柴油的方法，大多数是利用精制后的油，底物油料的提取与精 制过程(脱酸、脱胶、脱色)带来的成本较高。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有的生物柴油制备工艺中存在的生物催化剂固定 化酶价格昂贵，原料底物油成本较高，底物短链醇对脂肪酶有毒害作用，从而使脂肪酶的活 性损失稳定性下降等缺陷，本发明提供了一种以萌发的油料作物种子自催化制备生物柴油 的方法，该方法无需外加催化剂、工艺简单、绿色环保，大大的降低了生产成本，适应了工业 化生产的需要。本发明的技术方案如下一种以萌发的油料作物种子为原料自催化制备生物柴油的方法，包括以下步骤(1)含油种子萌发过程取含油作物种子在清水中浸泡12h，随后在温度15 35°C条件下黑暗中萌发培养，时间2 6天。(2)萌发的含油种子粉末制备将上面得到的萌发的种子在-50 _20°C冷冻干燥 12 48h后进行破碎，破碎后的萌发种子粉末粒径小于1mm。
(3)自催化反应过程取上步得到的萌发的含油种子粉末，然后依次加入有机溶 剂和短链醇，其中有机溶剂量为每克萌发含油种子粉末加入1 15ml有机溶剂，短链醇 的加入量为萌发含油种子粉末质量的2 10%，置于控温往复水浴摇床中，在温度15 40°C，摇床转速ISOrpm条件下进行酯化及酯交换反应4 24h，最后得到生物柴油，生物柴 油产率为40-70%。所述的含油作物种子包括麻疯树籽、黄连木籽、棉籽、蓖麻籽、千年桐籽、菜籽、文 冠果、花生、大豆、小麦或咖啡豆。所述的有机溶剂选自正己烷、环己烷、石油醚、叔丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、碳酸 二甲酯、碳酸二乙酯中的一种或几种溶剂。所述的短链醇选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的一种或几种。本发明方法的效果与益处具体如下(1)无需外加催化剂。目前酶催化制备生物柴油的方法，多数采用外加脂肪酶为催 化剂，脂肪酶价格昂贵，而本发明利用萌发的含油种子做原料，含油种子中即具有大量的油 脂可以作为底物，又具有植物脂肪酶可以作为催化剂，无需外加脂肪酶催化剂。从脂肪酶对 底物特异选择性来看，植物脂肪的催化该植物自身的油脂进行反应，在一定程度上要优于 微生物脂肪酶的催化活性。因此，以萌发的含油种子自催化制备生物柴油的方法可以在无 需外加催化剂条件下制备生物柴油，而是利用萌发的种子自身产生的脂肪酶为催化剂，生 产成本可以降低15-20%。(2)有机溶剂的多功能作用。有机溶剂不仅作为含油种子的油脂提取剂同时还 充当脂肪酶的保护剂。它可以有效的将油脂完全提取出，使得油脂的提取过程与酯化反应 过程有机的结合成一步完成，同时明显的避免了作为酰基受体的短链醇对脂肪酶的抑制作 用。测得反应后种子粉残留油脂含量为反应前的2-14%，酶活为反应前的95. 83-98. 62%, 从经济效益上考虑，降低了操作成本，提高了催化剂的性能。(3)本发明通过萌发种子自身脂肪酶的催化作用，消除了来自外加催化剂方面的 成本投入；将油脂的提取过程与酯化反应过程合二为一，消除了来自油脂提取精制方面带 来的成本投入。如此巧妙的设计以及简化的工艺，可以降低成本25-30%，为解决生物催化 法应用于大规模产业化生产的成本问题提供有力的帮助。
具体实施例方式(本发明所用油料作物种子均为市售新鲜种子，萌发率在60%以上，未经萌发的 含油种子只有蓖麻籽具有水解酶活，值为12. 69U/g，其他含油种子在萌发之前均无水解酶 活性，其中麻疯树籽、黄连木籽、文冠果均购自江苏省沭阳东湖花卉l·:艺中心，千年树籽购 自广西融安县正果油用植物种植园，其他购自天津利丰种子站。实施例1将麻疯树籽在清水中浸泡12h后，取出后置于垫有湿润纱布的培养皿中，在温度 25°C，黑暗条件下萌发4天。萌发的种子在_40°C冷冻干燥24h后破碎，(破碎后的萌发种 子粉末粒径小于1mm，以下实施例同)，取4g破碎的种子粉放入具塞三角瓶中，加入IOml 正己烷，再加入甲醇，甲醇加入量为萌发含油种子粉末质量的6%。混合均勻置于控温往复 水浴摇床中，在温度30°C，摇床转速ISOrpm条件下振荡反应，经24h反应后高速离心，上清液即含产物生物柴油。根据国标GB/T 17377-2008利用气相色谱检测，生物柴油产率为 70. 13%。利用索氏提取仪测得反应后种子粉残留油脂含量为反应前的2. 05%，说明该有 机溶剂能够充分提取萌发种子中的油脂。利用橄榄油乳化液测定脂肪酶水解酶活的方法， 测得未经萌发的麻疯树种子粉末没有水解酶活性，反应前萌发的该种子粉末的水解酶活为 60. 73U/g，反应后的种子粉末水解酶活为反应前的98. 62%，说明该有机溶剂对脂肪酶有较 好的保护作用。(测试仪器及方法以下实施例同)实施例2将麻疯树籽在清水中浸泡12h后，取出后置于垫有湿润纱布的培养皿中，在温度 300C，黑暗条件下萌发2天。萌发的种子在_30°C冷冻干燥36h后破碎，取4g破碎的种子粉 放入具塞三角瓶中，加入8ml环己烷，再加入乙醇，乙醇加入量为萌发含油种子粉末质量的 5%。混合均勻置于控温往复水浴摇床中，在温度35°C，摇床转速ISOrpm条件下振荡反应， 经15h反应后高速离心，上清液即含产物生物柴油。根据国标GB/T 17377-2008利用气相 色谱检测，生物柴油产率为53. 28%。测得反应后种子粉末残留油脂含量为反应前的5. 52%，未经萌发的麻疯树种子粉 末没有水解酶活性，反应前萌发含油种子粉末的水解酶活为21. 35U/g，反应后的水解酶活 为反应前的97. 83%。实施例3将麻疯树籽在清水中浸泡12h后，取出后置于垫有湿润纱布的培养皿中，在温度 220C，黑暗条件下萌发3天。萌发的种子在_50°C冷冻干燥12h后破碎，取4g破碎的种子粉 放入具塞三角瓶中，加入15ml石油醚，再加入乙醇，乙醇加入量为萌发含油种子粉末质量 的7%。混合均勻置于控温往复水浴摇床中，在温度30°C，摇床转速ISOrpm条件下振荡反 应，经4h反应后高速离心，上清液即含产物生物柴油。根据国标GB/T 17377-2008利用气 相色谱检测，生物柴油产率为54. 36%。测得反应后种子粉末残留油脂含量为反应前的8. 10%，未经萌发的麻疯树种子粉 末没有水解酶活性，反应前萌发含油种子粉末的水解酶活为35. 08U/g，反应后的水解酶活 为反应前的97. 83%。实施例4将黄连木籽在清水中浸泡12h后，取出后置于垫有湿润纱布的培养皿中，在温度 250C，黑暗条件下萌发4天，萌发的种子在_20°C冷冻干燥48h后破碎，取4g破碎的种子粉 放入具塞三角瓶中，加入10ml(正己烷+叔丁醇)(二者摩尔比为1 1)，再加入甲醇，甲醇 加入量为萌发含油种子粉末质量的4%。混合均勻置于控温往复水浴摇床中，在温度35°C， 摇床转速ISOrpm条件下振荡反应，径20h反应后高速离心，上清液即含产物生物柴油。根 据国标GB/T 17377-2008利用气相色谱检测，生物柴油产率为66. 25%。测得反应后该种子粉残留油脂含量为反应前的10. 37%，未经萌发的黄连木籽粉 末没有水解酶活性，反应前萌发含油种子粉末的水解酶活为33. 82U/g，反应后的水解酶活 为反应前的96. 79%。实施例5将黄连木籽在清水中浸泡12h后，取出后置于垫有湿润纱布的培养皿中，在温度32 °C，黑暗条件下萌发3天。萌发的种子在-35 °C冷冻干燥30h后破碎，取4g破碎的种子粉 放入具塞三角瓶中，加入IOml乙酸甲酯，再加入丙醇，丙醇加入量为萌发含油种子粉末质 量的8%。混合均勻置于控温往复水浴摇床中，在温度25°C，摇床转速ISOrpm条件下振荡 反应，经18h反应后高速离心，上清液即含产物生物柴油。根据国标GB/T 17377-2008利用 气相色谱检测，生物柴油产率为59. 61%。测得反应后该种子粉残留油脂含量为反应前的6. 04%，未经萌发的黄连木籽粉末 没有水解酶活性，反应前萌发含油种子粉末的水解酶活为23. 08U/g，反应后的水解酶活为 反应前的98. 25%。实施例6
将蓖麻籽在清水中浸泡12h后，取出后置于垫有湿润纱布的培养皿中，在温度 20 0C，黑暗条件下萌发3天。萌发的种子在-25 °C冷冻干燥30h后破碎，取4g破碎的种子粉 放入具塞三角瓶中，加入15ml乙酸乙酯，再加入异丙醇，异丙醇加入量为萌发含油种子粉 末质量的10%。混合均勻置于控温往复水浴摇床中，在温度30°C，摇床转速ISOrpm条件下 振荡反应，经IOh反应后高速离心，上清液即含产物生物柴油。根据国标GB/T 17377-2008 利用气相色谱检测，生物柴油产率为52. 31%。测得反应后该种子粉残留油脂含量为反应前的4. 52%，未经萌发的蓖麻籽粉末水 解酶活为12. 69U/g，反应前萌发含没种子粉末的水解酶活为55. 48U/g，反应后的水解酶活 为反应前的98. 49%。实施例7将蓖麻籽在清水中浸泡12h后，取出后置于垫有湿润纱布的培养皿中，在温度 15°C，黑暗条件下萌发6天。萌发的种子在_50°C冷冻干燥24h后破碎，取4g破碎的种子粉 放入具塞三角瓶中，加入5ml碳酸二甲酯，再加入甲醇，甲醇加入量为萌发含油种子粉末质 量的2 %。混合均勻置于控温往复水浴摇床中，在温度35°C，摇床转速ISOrpm条件下振荡 反应，经4h反应后高速离心，上清液即含产物生物柴油。根据国标GB/T 17377-2008利用 气相色谱检测，生物柴油产率为40. 26%。测得反应后该种子粉残留油脂含量为反应前的14. 75%，未经萌发的蓖麻籽粉末 水解酶活为12. 69U/g，反应前萌发含油种子粉末的水解酶活为22. 78U/g，反应后的水解酶 活为反应前的97. 41%实施例8将蓖麻籽在清水中浸泡12h后，取出后置于垫有湿润纱布的培养皿中，在温度 250C，黑暗条件下萌发4天。萌发的种子在_20°C冷冻干燥36h后破碎，取4g破碎的种子粉 放入具塞三角瓶中，加入8ml碳酸二乙酯，再加入乙醇，乙醇加入量为萌发含油种子粉末质 量的7%。混合均勻置于控温往复水浴摇床中，在温度30°C，摇床转速ISOrpm条件下振荡 反应，经24h反应后高速离心，上清液即含产物生物柴油。根据国标GB/T 17377-2008利用 气相色谱检测，生物柴油产率为65. 36%。测得反应后该种子粉残留油脂含量为反应前的6. 53%，未经萌发的蓖麻籽粉末水 解酶活为12. 69U/g，反应前萌发含油种子粉末的水解酶活为47. 81U/g，反应后的水解酶活 为反应前的97. 38%。实施例9
将千年桐籽在清水中浸泡12h后，取出后置于垫有湿润纱布的培养皿中，在温度 200C，黑暗条件下萌发5天。萌发的种子在_40°C冷冻干燥24h后破碎，取4g破碎的种子粉 放入具塞三角瓶中，加入10ml(正己烷+环乙烷)(二者摩尔比为1 1)，再加入甲醇，甲醇 加入量为萌发含油种子粉末质量的5%。混合均勻置于控温往复水浴摇床中，在温度30°C， 摇床转速ISOrpm条件下振荡反应，经20h反应后高速离心，上清液即含产物生物柴油。根 据国标GB/T 17377-2008利用气相色谱检测，生物柴油产率为64. 79%。测得反应后该种子粉残留油脂含量为反应前的5. 50%，未经萌发的千年桐籽粉末没有水解酶活性，反应前萌发含油种子粉末的水解酶活为42. 08U/g，反应后的水解酶活为 反应前的98. 16%。实施例10将千年桐籽在清水中浸泡12h后，取出后置于垫有湿润纱布的培养皿中，在温度 32 0C，黑暗条件下萌发3天。萌发的种子在-35 °C冷冻干燥25h后破碎，取4g破碎的种子粉 放入具塞三角瓶中，加入IOml (叔丁醇+石油醚)(二者摩尔比为1 1)，再加入丙醇，丙醇 加入量为萌发含油种子粉末质量的9%。混合均勻置于控温往复水浴摇床中，在温度25°C， 摇床转速ISOrpm条件下振荡反应，经15h反应后高速离心，上清液即含产物生物柴油。根 据国标GB/T 17377-2008利用气相色谱检测，生物柴油产率为53.92%。测得反应后该种子粉残留油脂含量为反应前的9. 13%，未经萌发的千年桐籽粉末 没有水解酶活性，反应前萌发含油种子粉末的水解酶活为36. 88U/g，反应后的水解酶活为 反应前的95. 83%。实施例11将棉籽在清水中浸泡12h后，取出后置于垫有湿润纱布的培养皿中，在温度15°C， 黑暗条件下萌发4天。萌发的种子在_40°C冷冻干燥20h后破碎，取4g破碎的种子粉放具 塞三角瓶中，加入12ml (碳酸二甲酯+正己烷)(二者摩尔比为1 1)，再加入甲醇，甲醇加 入量为萌发含油种子粉末质量的7%。混合均勻置于控温往复水浴摇床中，在温度25°C，摇 床转速ISOrpm条件下振荡反应，经8h反应后高速离心，上清液即含产物生物柴油。根据国 标GB/T 17377-2008利用气相色谱检测，生物柴油产率为42. 57%。测得反应后该种子粉残留油脂含量为反应前的4. 34%，未经萌发的棉籽粉末没有 水解酶活性，反应前萌发含油种子粉末的水解酶活为35. 68U/g反应后的水解酶活为反应 前的 98. 26%。
权利要求
一种以萌发的油料作物种子为原料自催化制备生物柴油的方法，其特征为包括以下步骤(1)含油种子萌发过程取含油作物种子在清水中浸泡12h，随后在温度15～35℃条件下黑暗中萌发培养，时间2～6天。(2)萌发的含油种子粉末制备将上面得到的萌发的种子在-50～-20℃冷冻干燥12～48h后进行破碎，破碎后的萌发种子粉末粒径小于1mm。(3)自催化反应过程取上步得到的萌发的含油种子粉末，然后依次加入有机溶剂和短链醇，其中有机溶剂量为每克萌发含油种子粉末加入1～15ml有机溶剂，短链醇的加入量为萌发含油种子粉末质量的2～10％，置于控温往复水浴摇床中，在温度15～40℃，摇床转速180rpm条件下进行酯化及酯交换反应4～24h，最后得到生物柴油，生物柴油产率为40～70％。
2.如权利要求1所述以萌发的油料作物种子为原料自催化制备生物柴油的方法，其特 征为所述的含油作物种子为麻疯树籽、黄连木籽、棉籽、蓖麻籽、千年桐籽、菜籽、文冠果、 花生、大豆、小麦或咖啡豆。
3.如权利要求1所述以萌发的油料作物种子为原料自催化制备生物柴油的方法，其特 征为所述的有机溶剂选自正己烷、环己烷、石油醚、叔丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、碳酸二甲 酯、碳酸二乙酯中的一种或几种溶剂。
4.如权利要求1所述以萌发的油料作物种子为原料自催化制备生物柴油的方法，其特 征为所述的短链醇选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的一种或几种。
全文摘要
本发明为一种以萌发的油料作物种子为原料自催化制备生物柴油的方法。该方法，包括以下步骤取含油作物种子在清水中浸泡12h，随后在温度15～35℃条件下黑暗中萌发培养，然后在-50～-20℃冷冻干燥12～48h后进行破碎，然后依次加入有机溶剂和短链醇，其中有机溶剂量为每克萌发含油种子粉末加入1～15ml有机溶剂，短链醇的加入量为萌发含油种子粉末质量的2～10％，置于控温往复水浴摇床中，进行酯化及酯交换反应4～24h，最后得到生物柴油，生物柴油产率为40～70％。本发明无需外加催化剂，有机溶剂不仅作为含油种子的油脂提取剂同时还充当脂肪酶的保护剂，将油脂的提取过程与酯化反应过程合二为一，消除了来自油脂提取精制方面带来的成本投入。
文档编号C11C3/04GK101812379SQ201010146299
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者姜艳军, 顾翰琦, 高静 申请人:河北工业大学