專利名稱：由固定化脂肪酶-透水膜生物反應(yīng)器制備生物柴油的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于膜分離技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種利用固定化脂肪酶的選擇性透 水聚合物膜制備生物柴油的方法。
背景技術(shù)：
生物柴油作為一種可代替柴油的環(huán)保燃料油，受到國內(nèi)外的高度重視。目 前，制備生物柴油的方法主要有化學(xué)合成法、生物酶法、超臨界流體法和工程 微藻法等。其中固定化酶法制備生物柴油具有效率高、能耗低(反應(yīng)條件溫和)、 選擇性好、醇用量小、副產(chǎn)物少、環(huán)境友好(無需進(jìn)行廢液處理)等優(yōu)點(diǎn)。酶 法制備生物柴油主要使用脂肪酶，而脂肪酶的特點(diǎn)是在催化過程中需要維持一 定的必需水。生物柴油的制備一般采用甲醇或乙醇(即低碳醇)作為酰基受體， 它們能夠奪取脂肪酶的必需水進(jìn)而破壞維持酶蛋白功能構(gòu)象的氬鍵體系，從而 導(dǎo)致酶活性下降乃至失活。避免脂肪酶必需水被剝奪的最常見的手段是分批添加低碳醇，對(duì)此專利CN1276962C以及"預(yù)處理固定化脂肪酶催化合成生物柴油，，(黃凌云等，《中國 油脂》，2007， 32(7): 47-50)等資料中有所描述。改用短鏈脂肪酸酯替代低碳 醇作為?；荏w也可以在一定程度上避免脂肪酶必需水的脫除，CN1181161C、 CN1325606C、 CN1190471C等專利公開了上迷方法。專利US6398707B1則公開 了一種釆用不少于三個(gè)碳原子的醇來"清洗，，固定化酶以恢復(fù)酶活的方法。由 此可見，現(xiàn)有工藝主要是采取措施來避免或降低脂肪酶必需水的脫除。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種制備生物柴油的方法，將固定化脂肪酶的選擇性 透水膜膜組件組裝為酶-膜生物反應(yīng)器，油脂與低碳醇的混合物走膜組件的殼 程，流速為l-20L/h,同時(shí)流速為1-100L/h的水走膜組件的管程，為固定化 脂肪酶提供必需水，在固定化脂肪酶的催化作用下油脂與低碳醇循環(huán)反應(yīng)2~ 10h后即轉(zhuǎn)化為生物柴油。本發(fā)明基于固定化脂肪酶的選擇性透水膜來制備生物柴油。在科研實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)親水聚合物分離膜具有一定的水優(yōu)先透過性能。CN1276962C公開了 一種通 過膜過濾技術(shù)將生物柴油制備與甘油轉(zhuǎn)化為丙二醇兩個(gè)過程偶聯(lián)起來的方法， 該方法的主要目的是偶聯(lián)生產(chǎn)丙二醇，生物酶催化制備生物柴油過程中仍然采 用分批加料或滴加的方式來避免脂肪酶的失活。雖然聚合物分離膜用于生物柴 油制備以及選擇性透水膜用于滲透汽化等方面均有公開報(bào)道，但尚未有采用選 擇性透水膜對(duì)脂肪酶主動(dòng)提供必需水以保持酶活來制備生物柴油的方法，更沒 有可以具體實(shí)施的工藝和實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明所用的選擇性透水膜包括殼聚糖膜、聚乙烯醇膜、纖維素膜、海 藻酸鈉膜、聚丙烯酸膜、聚曱基丙烯酸膜、聚丙烯酰胺膜、含糖聚合物膜以及 它們的共混膜或復(fù)合膜。所述選擇性透水膜既可以是交聯(lián)的，也可以是沒有交聯(lián)的，交聯(lián)劑的種類 沒有特別的要求。所述含糖聚合物的聚合單體包括以下幾種烯丙基葡萄糖(見結(jié)構(gòu)式(I))、 2-葡萄糖酰胺基乙基曱基丙烯酸酸酯(見結(jié)構(gòu)式(II))、 2-丙烯酰胺基乙基乳糖苷 (見結(jié)構(gòu)式(III))或]^乳糖基-^^-甲基(4-乙烯基苯基)脲(見結(jié)構(gòu)式(IV))。則 (iv)所述共混膜可以由殼聚糖、聚乙烯醇、纖維素、海藻酸鈉、聚丙烯酸、聚 曱基丙烯酸、聚丙烯酰胺、含糖聚合物中的兩種或兩種以上制成，各種組分之 間的組成比例沒有特別的要求，還可以包含交聯(lián)劑，且交聯(lián)劑的種類沒有特別 的要求。所述復(fù)合膜的基膜可以為聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、5聚醚砜、聚酰亞胺等。該制備生物柴油的方法包括如下步驟(1) 將固定化脂肪酶的膜組件聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。 所述脂肪酶可以為本領(lǐng)域通用的脂肪酶，例如來源于Camfe/a脂肪酶。(2) 將5L油脂與低碳醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐1,經(jīng)泵2走膜組件3殼程， 流速為1 ~ 20 L/h。所述油脂為生物油脂，包括魚油、豬油、蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生 油、玉米油、棉籽油、米糠油、藻類油脂、廢食用油和煉油腳料中的一種或多 種的混合物；所述低碳醇為曱醇或乙醇或它們的混合物。所述油脂與低碳醇的體積比為1: 1~1: 9。(3) 水由儲(chǔ)罐9走膜組件3管程，并透過中空纖維膜為固定化脂肪酶提供微 量水，水的流速為1 ~ 100L/h,不斷循環(huán)。(4) 在固定化脂肪酶的催化作用下，油脂與低碳醇循環(huán)2 10h后反應(yīng)生成 生物柴油，由閥門4經(jīng)分液器5收集于生物柴油儲(chǔ)罐6;副產(chǎn)物甘油經(jīng)分液器5 進(jìn)入甘油儲(chǔ)罐7。本發(fā)明的效果和益處在于采用選擇性透水膜對(duì)脂肪酶主動(dòng)提供必需水以保 持酶活來制備生物柴油，同時(shí)在線抑制產(chǎn)物甘油在酶表面的吸附，從而有效提 高了固定化脂肪酶的活性，能夠高效制備生物柴油。而且，避免了溶劑清洗與 分批加料，符合綠色化學(xué)的發(fā)展方向，能降低成本、簡化工藝、實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明制備生物柴油裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參照

本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施方式，其中原料儲(chǔ)罐1中的油脂與低碳醇的混合物經(jīng)泵2走固定化酶膜組件3的殼程，循環(huán)反應(yīng)一定時(shí)間后經(jīng)閥門4 進(jìn)入分液器5，分液后生物柴油進(jìn)入生物柴油儲(chǔ)罐6,甘油進(jìn)入甘油儲(chǔ)罐7;水 由水儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走固定化酶膜組件3的管程，循環(huán)使用。其中殼程指固定化 酶膜組件3的中空纖維膜之間或中空纖維膜與殼體之間的空間；管程指固定化 酶膜組件3的中空纖維膜內(nèi)部空間。以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述，但所述實(shí)例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。 實(shí)施例1將固定化脂肪酶(來源于Ca"A^7 a"tor"/c")的殼聚糖膜制成膜組件，聯(lián) 入酶-膜生物反應(yīng)器。將2.5 L魚油與2.5 L曱醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐1,經(jīng) 泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管程，流速 為5 L/h。循環(huán)4 h后生物柴油得率約為95%。實(shí)施例2將固定化脂肪酶(來源于i /^omwcw m/e/ze/)的交聯(lián)聚乙烯醇膜制成膜組 件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2L豬油與3L曱醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐1， 經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管程，流 速為5L/h。循環(huán)4h后生物柴油得率約為96%。實(shí)施例3將固定化脂肪酶(來源于77^rmom_yces /a"wg/wosws )的纖維素膜制成膜組件， 聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2L蓖麻油與3L曱醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐1，經(jīng) 泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管程，流速 為5 L/h。循環(huán)4 h后生物柴油得率約為98%。實(shí)施例4將固定化脂肪酶(來源于^^Mo/^n'"ac印ac^)的交聯(lián)海藻酸鈉膜制成膜 組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2 L大豆油與3 L甲醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐 1,經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管程， 流速為5 L/h。循環(huán)4 h后生物柴油得率約為97%。實(shí)施例5將固定化脂肪酶(來源于戶ewcfowo"asy z/omscmy )的交聯(lián)聚丙烯酸膜制成 膜組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2L花生油與3L曱醇的混合物注入原料儲(chǔ) 罐1,經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管 程，流速為5L/h。循環(huán)4h后生物柴油得率約為98%。實(shí)施例6將固定化脂肪酶(來源于^spe^7to "/ger)的交聯(lián)聚甲基丙烯自制成膜 組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2L玉米油與3L曱醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐 1 ，經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管程， 流速為5L/h。循環(huán)4h后生物柴油得率約為96%。實(shí)施例7將固定化脂肪酶(來源于Mwcor附z'e/z")的交聯(lián)聚丙烯酰胺膜制成膜組件， 聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2 L棉籽油與3 L曱醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐1 ，經(jīng) 泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管程，流速 為5L/h。循環(huán)4h后生物柴油得率約為96%。實(shí)施例8將固定化脂肪酶(來源于Cam^fen^oM)的交聯(lián)聚烯丙基葡萄糖膜制成膜 組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2L米糠油與3L曱醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐 1，經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管程， 流速為5 L/h。循環(huán)4 h后生物柴油得率約為96%。實(shí)施例9將固定化脂肪酶(來源于C""^fe a"torcricfl)的交聯(lián)聚(2-葡萄糖酰胺基乙 基甲基丙烯酸酸酯)膜制成膜組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2L藻類油脂與 3 L甲醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐1,經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h;水由 儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管程，流速為5L/h。循環(huán)4h后生物柴油得率約為97%。實(shí)施例10將固定化脂肪酶(來源于Om^c/a awtarc"ca)的交聯(lián)聚(2-丙烯酰胺基乙基 乳糖苷)膜制成膜組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2 L廢食用油與3 L曱醇的 混合物注入原料儲(chǔ)罐l,經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng) 泵8走膜組件3管程，流速為5 L/h。循環(huán)6 h后生物柴油得率約為96°/。。實(shí)施例11將固定化脂肪酶(來源于Ca"必i"a"加幼'cfl)的交聯(lián)聚(N-乳糖基-N,N-曱 基(4-乙烯基苯基)脲)膜制成膜組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2L煉油腳料 與3 L甲醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐1，經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h; 水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管程，流速為5L/h。循環(huán)6h后生物柴油得率約 為95%。實(shí)施例12將固定化脂肪酶(來源于Ow&^ 的交聯(lián)聚乙烯醇/海藻酸鈉共 混膜制成膜組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將1L魚油、1L米槺油與3L曱醇 的混合物注入原料儲(chǔ)罐l，經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h;水由儲(chǔ)罐9 經(jīng)泵8走膜組件3管程，流速為5L/h。循環(huán)4h后生物柴油得率約為98%。實(shí)施例13將固定化脂肪酶(來源于Oiw^faa"加c"ca)的殼聚糖/聚酯復(fù)合膜制成膜 組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將1 L菜籽油、0.2 L豬油、0.8 L大豆油與3 L 曱醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐1，經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h;水由儲(chǔ) 罐9經(jīng)泵8走膜組件3管程，流速為5 L/h。循環(huán)4 h后生物柴油得率約為97%。實(shí)施例14將固定化脂肪酶(來源于Cfl"^^a"torc"ca)的殼聚糖/聚丙烯復(fù)合膜制成 膜組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2L菜籽油與3L曱醇的混合物注入原料儲(chǔ) 罐1 ，經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管 程，流速為5 L/h。循環(huán)4 h后生物柴油得率約為97°/0。實(shí)施例15將固定化脂肪酶(來源于Ca"^fea"加幼'ca)的殼聚糖/聚乙烯復(fù)合膜制成 膜組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2L菜籽油與3L曱醇的混合物注入原料儲(chǔ) 罐l，經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3管 程，流速為5L/h。循環(huán)4h后生物柴油得率約為97%。實(shí)施例16將固定化脂肪酶(來源于Om^/fl a"tor"/ca)的交聯(lián)聚丙烯酸/聚偏氟乙烯 復(fù)合膜制成膜組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2 L菜籽油與2 L曱醇、1L乙 醇的混合物注入原料儲(chǔ)罐1，經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5L/h;水由儲(chǔ)罐9 經(jīng)泵8走膜組件3管程，流速為5 L/h。循環(huán)4 h后生物柴油得率約為97%。實(shí)施例17將固定化脂肪酶(來源于Ca"&丄的殼聚糖/聚丙烯腈復(fù)合膜制 成膜組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2L菜籽油與3L乙醇的混合物注入原料 儲(chǔ)罐1,經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為20 L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組件3 管程，流速為100L/h。循環(huán)2h后生物柴油得率約為96%。實(shí)施例18將固定化脂肪酶(來源于Ow^/a a"加加'ca)的交聯(lián)聚乙烯醇/聚醚砜復(fù)合 膜制成膜組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將2L菜籽油與3L曱醇的混合物注入 原料儲(chǔ)罐1 ，經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為5 L/h;水由儲(chǔ)罐9經(jīng)泵8走膜組 件3管程，流速為40L/h。循環(huán)4h后生物柴油得率約為96%。實(shí)施例19將固定化脂肪酶(來源于Ca"AVfe a"torc"ca)的交聯(lián)聚烯丙基葡萄糖/聚酰 亞胺復(fù)合膜制成膜組件，聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器。將0.5 L菜籽油與4.5 L甲醇 的混合物注入原料儲(chǔ)罐l，經(jīng)泵2走膜組件3殼程，流速為1 L/h;水由儲(chǔ)罐9 經(jīng)泵8走膜組件3管程，流速為lL/h。循環(huán)10h后生物柴油得率約為100%。
權(quán)利要求
1、一種由固定化脂肪酶-透水膜生物反應(yīng)器制備生物柴油的方法，采用選擇性透水膜對(duì)脂肪酶主動(dòng)提供必需水以保持酶活來制備生物柴油，其特征在于將固定化脂肪酶的選擇性透水膜膜組件組裝為酶-膜生物反應(yīng)器，油脂與低碳醇的混合物走膜組件的殼程，流速為1～20L/h，同時(shí)流速為1～100L/h的水走膜組件的管程，為固定化脂肪酶提供必需水，在固定化脂肪酶的催化作用下油脂與低碳醇循環(huán)反應(yīng)2～10h后即轉(zhuǎn)化為生物柴油。
2、 按權(quán)利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反應(yīng)器制備生物柴油的方 '法，其4爭(zhēng)4正在于戶斤述的月旨肪酶為來源于Cawcfe/a awtorcrica 、 i^izowwcw m/e/ e/、v4s/ erg/〃Ms m'ger、 Mwcw柳'e/ze/或Cawc^a n/gosa的月旨肪酵。
3、 按權(quán)利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反應(yīng)器制備生物柴油的方 法，其特征在于選擇性透水膜為殼聚糖膜、聚乙烯醇膜、纖維素膜、海藻酸鈉 膜、聚丙烯酸膜、聚曱基丙烯酸膜、聚丙烯酰胺膜、含糖聚合物膜或它們的共 混膜、復(fù)合膜。
4、 按權(quán)利要求3所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反應(yīng)器制備生物柴油的方 法，其特征在于共混膜可以由殼聚糖、聚乙烯醇、纖維素、海藻酸鈉、聚丙烯 酸、聚曱基丙烯酸、聚丙烯酰胺、含糖聚合物中的兩種或兩種以上制成。
5、 按權(quán)利要求4所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反應(yīng)器制備生物柴油的方 法，其特征在于含糖聚合物的聚合單體為烯丙基葡萄糖、2-葡萄糖酰胺基乙基曱 基丙烯酸酸酯、2-丙歸酰胺基乙基乳糖苷或N-乳糖基-N,N-曱基(4-乙烯基苯基) 脲，其結(jié)構(gòu)式依次由如下的(I)、 (n)、 (m)和(iv)所表述(<formula>formula see original document page 2</formula>
6、 按權(quán)利要求3所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反應(yīng)器制備生物柴油的方 法，其特征在于復(fù)合膜的基膜為聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯 腈、聚醚砜、聚酰亞胺。
7、 按權(quán)利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反應(yīng)器制備生物柴油的方 法，其特征在于所述選擇性透水膜是交聯(lián)的，或是沒有交聯(lián)的。
8、 按權(quán)利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反應(yīng)器制備生物柴油的方 法，其特征在于所述油脂為魚油、豬油、蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、 玉米油、棉籽油、米糠油、藻類油脂、廢食用油和煉油腳料中的一種或混合物。
9、 按權(quán)利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反應(yīng)器制備生物柴油的方 法，其特征在于所述低碳醇為曱醇或乙醇或它們的混合物。
10、 按權(quán)利要求1所述的由固定化脂肪酶-透水膜生物反應(yīng)器制備生物柴油的方法，其特征在于所述油脂與低碳醇的體積比為1: 9。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用選擇性透水膜對(duì)脂肪酶主動(dòng)提供必需水以保持酶活來制備生物柴油的方法。將固定化脂肪酶的選擇性透水膜膜組件聯(lián)入酶-膜生物反應(yīng)器，油脂與低碳醇的混合物走膜組件的殼程，水則走膜組件的管程，水透過膜維持固定化脂肪酶的必需水，同時(shí)固定化脂肪酶催化油脂轉(zhuǎn)化為生物柴油。由于本發(fā)明的方法能夠主動(dòng)維持固定化脂肪酶的必需水，同時(shí)在線抑制產(chǎn)物甘油在酶表面的吸附，從而有效提高了固定化脂肪酶的活性，可高效制備生物柴油。而且，避免了溶劑清洗與分批加料，符合綠色化學(xué)的發(fā)展方向，能降低成本、簡化工藝、實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C12M1/40GK101255347SQ20081006031
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者萬靈書, 劉振梅, 徐志康 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)