专利名称：一种回收非固定化脂肪酶催化油脂制备生物柴油工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于生物燃料合成领域，特别涉及一种回收非固定化脂肪酶催化油脂制备生物 柴油工艺，在利用非固定化脂肪酶催化可再生油脂原料制备生物柴油过程中，回收非 固定化脂肪酶用于生物柴油制备的工艺。
背景技术：
生物柴油是由生物油脂原料通过转酯反应生成的长链脂肪酸酯类物质，作为一种 清洁的可再生生物燃料，生物柴油的研究和应用已经受到了广泛的关注。
目前生物柴油主要是用化学法生产，即用动植物油脂和一些低碳醇(甲醇或乙醇) 在碱或者酸性催化剂作用下进行转酯反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯。化学法制 备生物柴油存在如下一些不可避免的缺点①油脂原料中的游离脂肪酸和水严重影响
反应的进行;②甲醇在油脂中溶解性不好，易导致乳化液的形成从而使得后续处理过程 复杂;③工艺要求甲醇用量大大超过反应摩尔比，过量甲醇的蒸发回流增大过程能耗。
由于利用生物酶法合成生物柴油具有反应条件温和、无污染物排放、油脂原料中 的游离脂肪酸和少量水不影响酶促反应等优点，符合绿色化学的发展方向，因而日益 受到人们的重视。但同化学方法相比，生物酶的成本过高，这已成为制约酶法产业化 生产生物柴油的主要瓶颈。
固定化脂肪酶可以重复使用，这可以在一定程度上降低酶的使用成本。但固定化 酶的制备成本很高，其中绝大部分成本归结于酶的下游过程操作成本，即酶的分离， 纯化和固定化。故直接利用非固定化脂肪酶(如液体脂肪酶和游离酶粉)作为催化剂， 则可以有效省去酶的分离，纯化和固定化等程序，可以大幅度降低酶的制备成本。然 而，在利用非固定化脂肪酶作为催化剂转化可再生油脂原料制备生物柴油的过程中， 能否实现这些非固定化脂肪酶的多次回用是降低酶成本的关键，也是非固定化脂肪酶 能否最终应用于生物柴油制备领域的主要制约因素。
本发明提出在利用非固定化脂肪酶(包括液体脂肪酶和非固定化酶粉)作为催化 剂转化可再生油脂原料制备生物柴油的过程中，利用萃取技术对上述非固定化脂肪酶 进行回收，回收后的脂肪酶可以继续用于下一批次的催化反应。该发明可以有效解决 非固定化脂肪酶的回用，大大降低非固定化脂肪酶的使用成本。该工艺在生物柴油制 备领域具有非常重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种回收非固定化脂肪酶催化油脂制备生物柴油工艺，在 利用非固定化脂肪酶(包括液体脂肪酶和脂肪酶粉)转化可再生油脂原料制备生物柴 油的过程中，前面一批次反应结束后，利用萃取技术对非固定化脂肪酶进行回收。萃 取过程中的萃取相为反应后生成的油相(主要为生物柴油)以及反应原料(动植物油
脂)。该发明有效解决了非固定化脂肪酶在催化动植物油脂制备生物柴油过程中的回用 问题，可以大幅度降低酶法制备生物柴油的生产成本，具有重要的工业应用前景。
本发明是以短链醇R0H作为反应酰基受体，利用非固定化脂肪酶作为催化剂催化 油脂原料与上述短链醇进行转酯反应合成生物柴油，反应结束后，离心，加速包括脂 肪酶在内的水相同油相(主要为生物柴油，还有少许中间产物及未反应完全的油脂) 的分离，取走中间乳化层(70%以上的酶蛋白集中于乳化层)，还有25-30%的酶蛋白分 布在下层水相，然后再用上层油相或利用反应原料油脂去萃取下层水相中的酶蛋白， 萃取过程中形成新的乳化层，其中大部分酶又重新分布在新的乳化层，根据需要可多 次重复该萃取步骤直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的乳化层， 然后直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。该过程能进行脂肪酶的有效回收， 达到了重复回用脂肪酶的目的。
本发明的工艺为加入基于油脂4-9摩尔的短链醇(可以采取间歇分批多次加入 或连续流加的方式，保证单次加入量不超过3摩尔即可)、加入基于油脂质量1%_20% 的水，以及基于单位油脂质量20-200个酶活单位的非固定化脂肪酶，不同来源的脂肪 酶可以组合使用，装入适于酶反应的任何生化反应器中，温度控制在30'C 65'C，反 应5 — 15小时后，油脂原料转化生成生物柴油的得率超过95%。反应结束后，离心，取 走中间乳化层(70%以上的酶蛋白集中于乳化层)，还有25-30%的酶蛋白分布在下层水 相，然后再用上层油相或利用反应原料油脂去萃取下层水相中的酶蛋白，油相同水相 的相比为0.1-4,萃取过程中形成新的乳化层，然后对该乳化层进行回收，再可根据需 要多次重复该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的乳 化层，然后直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。该过程能进行脂肪酶的有 效回收，达到了重复回用脂肪酶的目的。
本发明所述脂肪酶为非固定化脂肪酶，包括来源于酵母细胞，霉菌细胞，细菌或 其它微生物的液体脂肪酶或其它形式的游离脂肪酶如酶粉。
本发明所述油脂为生物油脂包括植物油脂、动物油脂、废食用油、油脂精练下脚 料和微生物油脂。
本发明所述植物油脂为蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉子油、米 糠油、麻风树油，文冠果油、小桐子油。
本发明所述动物油脂为鱼油、猪油。
本发明所述微生物油脂为酵母油脂，微藻类油脂。
本发明所述短链醇R0H中R为具有1-5个碳原子的烷基。
本发明所述短链醇为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或戊醇。
本发明的有点在于，有效减少了酶的损失，达到了重复回用脂肪酶的目的。
具体实施例方式
下面通过实施例来进一步说明本发明。
实施例1
将摩尔比为4: 1的甲醇和菜籽油(菜籽油9.65g)，加入基于油脂质量1%的水，
装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至40'C后，加入基 于单位油脂质量40个酶活单位的来源于X^^^7/"s 07加e的液体脂肪酶，反应转速控 制在600rpm,甲醇在6个小时内匀速加入，8小时生物柴油得率为85%。反应结束后， 离心，取走中间乳化层，然后再用上层油相去萃取下层水相中的酶蛋白，油相同水相 的相比为0.5，萃取过程中形成新的乳化层，对该乳化层进行回收，可根据需要多次重 复该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的各乳化层， 然后直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。 实施例2
将摩尔比为9: l的甲醇和猪油(猪油9.65g)，加入基于油脂质量10%的水，装入 具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至7(TC后，加入基于单 位油脂质量70个酶活单位的来源于^:;7^g///^ oo;加e的脂肪酶粉，反应转速控制在 500rpm,甲醇在8个小时内匀速加入，10小时生物柴油得率为98%。反应结束后，离心， 取走中间乳化层，然后再用上层油相去萃取下层水相中的酶蛋白，油相同水相的相比 为l，萃取过程中形成新的乳化层，再对该乳化层进行回收，可根据需要多次重复该萃 取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的乳化层，然后直接 利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。
实施例3
将摩尔比为6: l的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量15%的水， 装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至5(TC后，加入单 位油脂质量100个酶活单位的来源于^^wg说^ 0^加e的液体脂肪酶，反应转速控制 在800rpm,甲醇在8个小时内非匀速加入(前3个小时添加方式为0小时加入2摩尔 甲醇，反应l小时后再加入l摩尔，2小时后再加入2摩尔，4小时后再加入1摩尔) 8小时生物柴油得率为95%。反应结束后，离心，取走中间乳化层，然后再用上层油相 去萃取下层水相中的酶蛋白，油相同水相的相比为2，萃取过程中形成新的乳化层，对 该乳化层进行回收，再可根据需要多次重复该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95% 以上。然后合并上述操作中的乳化层，然后直接利用回收到的乳化层进行下一批次的 催化。
实施例4
将摩尔比为4: 1的甲醇和麻风树油(麻风树油9.65g),加入基于油脂质量2%的 水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至4(TC后，加 入单位油脂质量40个酶活单位的来源于C朋c/Wa ""tar"/c"的脂肪酶粉，反应转速控制 在1000rpm，甲醇在3个小时内匀速加入，6小时生物柴油得率为85%。反应结束后，离 心，取走中间乳化层，然后再用上层油相去萃取下层水相中的酶蛋白，油相同水相的 相比为5，萃取过程中形成新的乳化层，对该乳化层进行回收，再可根据需要多次重复 该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的乳化层，然后 直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。
实施例5
将摩尔比为9: 1的乙醇和藻类油脂(藻类油脂9.65g)，加入基于油脂质量8%的 水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至3(TC后，加 入单位油脂质量20个酶活单位的来源于OmAWfl cmtor"/cfl的液体脂肪酶，反应转速控 制在400rpm，甲醇在10个小时内非匀速加入，15小时生物柴油得率为93%。反应结束 后，离心，取走中间乳化层，然后再用反应原料油脂去萃取下层水相中的酶蛋白，油 相同水相的相比为O.l，萃取过程中形成新的乳化层，对该乳化层进行回收，再可根据 需要多次重复该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的 乳化层，然后直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。
实施例6
将摩尔比为6: l的乙醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量10%的水， 装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至50。C后，加入单 位油脂质量100个酶活单位的来源于OmJ/cfe "wtor"ca的液体脂肪酶，反应转速控制 在300rpm，甲醇在8个小时内匀速加入，10小时生物柴油得率为95%。反应结束后，离 心，取走中间乳化层，然后再用反应原料油脂去萃取下层水相中的酶蛋白，油相同水 相的相比为l，萃取过程中形成新的乳化层，对该乳化层进行回收，再可根据需要多次 重复该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的乳化层， 然后直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。
实施例7
将摩尔比为8: l的甲醇和潲水油(潲水油9.65g),加入基于油脂质量16%的水， 装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至5(TC后，加入单 位油脂质量300个酶活单位的来源于^ izoM/cor则'e力w'的液体脂肪酶和40个酶活单 位的来源于朋teo;^ oo^ae的液体脂肪酶，反应转速控制在500rpm，甲醇在10个小时 内匀速加入，12小时生物柴油得率为95%。反应结束后，离心，取走中间乳化层，然 后再用反应原料油脂去萃取下层水相中的酶蛋白，油相同水相的相比为2，萃取过程中 形成新的乳化层，对该乳化层进行回收，再可根据需要多次重复该萃取步骤，直至酶 蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的乳化层，然后直接利用回收到的乳 化层进行下一批次的催化。
实施例8
将摩尔比为9: l的甲醇和潲水油(潲水油9.65g),加入基于油脂质量20%的水， 装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至6(TC后，加入单 位油脂质量200个酶活单位的来源于7T e/mM77ces J朋收&o卯s的液体脂肪酶，反应 转速控制在1000rpm，甲醇在12个小时内匀速加入，14小时生物柴油得率为95%。反应 结束后，离心，取走中间乳化层，然后再用反应原料油脂去萃取下层水相中的酶蛋白， 油相同水相的相比为3，萃取过程中形成新的乳化层，对该乳化层进行回收，再可根据 需要多次重复该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的 乳化层，然后直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。
实施例9
将摩尔比为7: l的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量10%的水， 装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至6(TC后，加入单 位油脂质量200个酶活单位的来源于朋/zo戸;y 07zae的液体脂肪酶，反应转速控制在 1500rpm,甲醇在3个小时内匀速加入，5小时生物柴油得率为95%。反应结束后，离心， 取走中间乳化层，然后再用反应原料油脂去萃取下层水相中的酶蛋白，油相同水相的 相比为5，萃取过程中形成新的乳化层，对该乳化层进行回收，再可根据需要多次重复 该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的乳化层，然后 直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。
实施例10
将摩尔比为7: l的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量15%的水， 装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至5(TC后，加入单 位油脂质量30个酶活单位的来源于的液体脂肪酶和20个酶活单位 的来源于C""力V/a a"torc/ica的酶粉，反应转速控制在800rpm,甲醇在8个小时内非匀 速加入(前3个小时添加方式为0小时加入2摩尔甲醇，反应1小时后再加入1摩尔， 2小时后再加入2摩尔，4小时后再加入1摩尔)8小时生物柴油得率为95%。反应结 束后，离心，取走中间乳化层，然后再用反应原料油脂去萃取下层水相中的酶蛋白， 油相同水相的相比为4，萃取过程中形成新的乳化层，对该乳化层进行回收，再可根据 需要多次重复该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的 乳化层，然后直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。
实施例ll
将摩尔比为7: l的甲醇和潲水油(潲水油9.65g)，加入基于油脂质量10%的水， 装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于可自动控温的往复摇床中加热至6(TC后，加入实 施例9中回收的脂肪酶，反应转速控制在1500rpm，甲醇在3个小时内匀速加入，5小 时生物柴油得率为94%。反应结束后，离心，取走中间乳化层，然后再用反应原料油脂 去萃取下层水相中的酶蛋白，油相同水相的相比为3，萃取过程中形成新的乳化层，对 该乳化层进行回收，再可根据需要多次重复该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95% 以上。然后合并上述操作中的乳化层，然后直接利用回收到的乳化层进行下一批次的 催化。
根据上述实施例，该工艺是以短链醇ROH作为反应酰基受体，利用非固定化脂肪 酶作为催化剂催化油脂原料与上述短链醇进行转酯反应合成生物柴油，反应结束后， 离心，加速包括脂肪酶在内的水相同油相(主要为生物柴油，还有少许中间产物及未 反应完全的油脂)的分离，取走中间乳化层(70%以上的酶蛋白集中于乳化层)，还有 25-30%的酶蛋白分布在下层水相，然后再用上层油相或利用反应原料油脂去萃取下层 水相中的酶蛋白，萃取过程中形成新的乳化层，对该乳化层进行回收，再可根据需要 多次重复该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合并上述操作中的乳化 层，然后直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。该过程能进行脂肪酶的有效 回收，达到了重复回用脂肪酶的目的。其特征在于加入基于油脂4-9摩尔的短链醇
(可以采取间歇分批多次加入或连续流加的方式，保证单次加入量不超过3摩尔即可)、 加入基于油脂质量1%-20%的水，以及基于单位油脂质量20-200个酶活单位的非固定化 脂肪酶，不同来源的脂肪酶可以组合使用，装入适于酶反应的任何生化反应器中，温 度控制在3(TC 65'C，反应5—15小时后，油脂原料转化生成生物柴油的得率超过95呢。 反应结束后，离心，取走中间乳化层(70%以上的酶蛋白集中于乳化层)，还有25-30% 的酶蛋白分布在下层水相，然后再用上层油相或利用反应原料油脂去萃取下层水相中 的酶蛋白，油相同水相的相比为0.5-4，萃取过程中形成新的乳化层，对该乳化层进行 回收，再可根据需要多次重复该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95%以上。然后合 并上述操作中的乳化层，然后直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。该过程 能进行脂肪酶的有效回收，达到了重复回用脂肪酶的目的。
权利要求
1. 一种回收非固定化脂肪酶催化油脂制备生物柴油工艺，其特征在于加入基于油脂4-9摩尔的短链醇ROH，加入基于油脂质量1％-20％的水，以及基于单位油脂质量20-200个酶活单位的非固定化脂肪酶，不同来源的脂肪酶单独或组合使用，装入适于酶反应的任何生化反应器中，温度控制在30℃～65℃，反应5—15小时后，油脂原料转化生成生物柴油的得率超过95％；反应结束后，离心，取走中间乳化层，然后再用上层油相或利用反应原料油脂去萃取下层水相中的酶蛋白，油相同水相的相比为0.1-4，萃取过程中形成新的乳化层，再对该乳化层进行回收，根据需要多次重复该萃取步骤，直至酶蛋白的回收率达到95％以上；然后合并上述操作中的乳化层，直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶为非固定化脂肪酶，非 固定化脂肪酶包括液体脂肪酶或脂肪酶酶粉。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶来源于酵母，霉菌，细 菌或其它微生物的脂肪酶。
4. 根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶来源于Ca/7G^/a的脂肪酶。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，短链醇的添加方式采取间歇分批多 次加入或连续流加的方式。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油脂原料为生物油脂，生物油 脂包括植物油脂、动物油脂、废食用油、油脂精练下脚料或微生物油脂。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述植物油脂为蓖麻油、菜籽油、 大豆油、花生油、玉米油、棉子油、米糠油、麻风树油，文冠果油或小桐子油；所述 动物油脂为鱼油或猪油。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述微生物油脂为酵母油脂或微藻 类油脂。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短链醇R0H中R为具有1-5个 碳原子的烷基。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短链醇为甲醇、乙醇、丙醇 或丁醇或戊醇。
全文摘要
一种回收非固定化脂肪酶催化油脂制备生物柴油工艺，属于生物燃料合成领域。工艺为加入基于油脂4-9摩尔的短链醇，加入基于油脂质量1％-20％的水，以及基于单位油脂质量20-200个酶活单位的非固定化脂肪酶，装入生化反应器中，温度在30℃～65℃，反应5-15小时后，油脂原料转化生成生物柴油的得率超过95％；反应结束后，离心，取走中间乳化层，再用上层油相或利用反应原料油脂去萃取下层水相中的酶蛋白，萃取过程中形成新的乳化层，再对该乳化层进行回收，至酶蛋白的回收率达到95％以上；然后合并上述操作中的乳化层，直接利用回收到的乳化层进行下一批次的催化。优点在于，有效减少了酶的损失，达到了重复回用脂肪酶。
文档编号C10G3/00GK101381614SQ20081022431
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月17日 优先权日2008年10月17日
发明者刘德华, 丹 吕, 伟 杜 申请人:清华大学