專(zhuān)利名稱(chēng)：一種生物柴油的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物柴油的制備方法。
背景技術(shù)：
通過(guò)將植物油或動(dòng)物油中的主要成分三?；视?甘油三酸酯)進(jìn)行酯化或轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)生成長(zhǎng)鏈脂肪酸單酯，是目前生產(chǎn)生物柴油的主要途徑，其中，占生物柴油絕大部分的長(zhǎng)鏈脂肪酸甲酯是一種新型的可再生能源，這種新型的可再生能源無(wú)硫無(wú)氮，且氧含量高，燃燒后發(fā)動(dòng)機(jī)排放出的尾氣里有害物質(zhì)可比傳統(tǒng)石化柴油降低一半以上，不但具有保護(hù)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，而且燃燒性能可以與傳統(tǒng)的石油系柴油媲美，因此，生物柴油的研究和推廣發(fā)展相當(dāng)迅猛。目前，生物柴油主要采用化學(xué)法生產(chǎn)，即采用動(dòng)、植物油脂(主要成分為三酰基甘油)與低碳醇(甲醇或乙醇等)在堿性或酸性催化劑作用下直接進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，生成相應(yīng)的長(zhǎng)鏈脂肪酸單酯(例如，脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯等)。化學(xué)法制備生物柴油存在以下一些不可避免的缺點(diǎn)(I)油脂原料中的游離脂肪酸和水對(duì)三?；视偷霓D(zhuǎn)酯化反應(yīng)不利，會(huì)影響轉(zhuǎn)酯化的轉(zhuǎn)化率；(2)低碳醇，如甲醇在油脂中溶解性不好，易形成乳化液，導(dǎo)致產(chǎn)物后處理過(guò)程復(fù)雜；(3)為了使酯化反應(yīng)更加完全，通常情況下，低碳醇，如甲醇用量會(huì)超過(guò)理論摩爾比很多，過(guò)量甲醇的蒸餾回收過(guò)程能耗很大。生物柴油擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模遇到的另一個(gè)瓶頸是原料來(lái)源問(wèn)題，為了避免和食用油爭(zhēng)原料，食用油生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)品(如皂化酸化油)和從餐飲業(yè)回收的廢油已成為最受關(guān)注的生物柴油原料。這類(lèi)原料的主要特點(diǎn)是成分復(fù)雜，其中除了三?；视椭猓€含有大量游離脂肪酸，此外還有單酰基甘油和雙?；视偷炔糠瞩；视?。原料的復(fù)雜性增加了對(duì)反應(yīng)的要求，要達(dá)到與幾乎全部是三?；视偷男迈r油脂同樣高的脂肪酸甲酯的收率，需要克服更多的困難。如CN1412278A公開(kāi)了一種用高酸值廢棄動(dòng)、植物油生產(chǎn)生物柴油的方法，該方法包括在酸性催化劑的作用下與低碳醇進(jìn)行反應(yīng)，包括脫水、酯化、酯交換、分相、脫色等步驟，但是，甲醇過(guò)量問(wèn)題更突出，而且得到的生物柴油產(chǎn)品顏色深，此外，還存在廢堿液排放等問(wèn)題。又如CN101070480A公開(kāi)了一種制備生物柴油的工藝方法，該方法采用高溫高壓的亞超臨界酯化的方法消除了廢催化劑的處理問(wèn)題，且轉(zhuǎn)化率較高，但目的酯化產(chǎn)物要通過(guò)蒸餾才能與高沸點(diǎn)副產(chǎn)物分離，因此能耗較高，而且還存在設(shè)備投資大和副產(chǎn)物較多等問(wèn)題。此外，用離子液體催化菜籽油的酯化在三頸瓶中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已見(jiàn)報(bào)道(李勝清等，湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，48 (2) :438 441)，但存在醇摩爾比過(guò)高(15 I)，反應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)(18h)，即使如此，菜籽油的酯化率也只能達(dá)到94%，因?yàn)椴俗延驮系姆悬c(diǎn)比酯化產(chǎn)物高得多，要將酯化產(chǎn)物與剩余菜籽油分離必須蒸出全部酯化產(chǎn)物，大幅度增加了能耗，因此單獨(dú)的離子液體催化法對(duì)于生物柴油生產(chǎn)來(lái)說(shuō)尚不具備應(yīng)用價(jià)值。采用生物酶法合成生物柴油具有反應(yīng)條件溫和、無(wú)污染物排放、油脂原料中的游 離脂肪酸和一定量的水不會(huì)影響酶促反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，從綠色化學(xué)的角度考慮更具競(jìng)爭(zhēng)力，越來(lái)越受到生物柴油研究單位和生產(chǎn)企業(yè)的重視。脂肪酶是一種特殊的酯鍵水解酶，可作用于三酰基甘油的酯鍵，使三?；视退?轉(zhuǎn)酯化)為雙?；视?、單?；视?、甘油和游離脂肪酸。按對(duì)底物酯鍵可作用的位置可以把脂肪酶劃分為位置特異性脂肪酶和非位置特異性脂肪酶。在非位置特異性脂肪酶的催化作用下，三?；视蜕系娜齻€(gè)酯鍵都可以水解，最終產(chǎn)物是脂肪酸和甘油(Bioresource Technology, 96, 2005 :769_777 ；J. ofMolecularCatalysis B Enzymatic, 16, 2001 :53_58)。位置特異性脂肪酶僅能催化特定位置酯鍵的水解，大多是對(duì)sn-Ι和sn-3位有特異性，水解位點(diǎn)為sn_l或sn_3位，或同時(shí)作用于sn-Ι和sn-3位，但對(duì)sn_2位酯鍵不起作用，水解產(chǎn)物為游離脂肪酸、雙?；视王AG-1, 2 (diacylglyceride-1, 2)和單酸基甘油酯 MAG-2 (monoacy I glyceride-2)的混合物。但由于?；D(zhuǎn)移的原因，產(chǎn)物中也會(huì)有DAG-1，3和MAG-1。最近幾年，關(guān)于生物酶法酯化劣質(zhì)生物柴油原料的專(zhuān)利和文獻(xiàn)報(bào)道很多，但大都局限于采用固定化脂肪酶為催化劑。如CN101020836A公開(kāi)了一種采用1，3_位置專(zhuān)一性固定化脂肪酶轉(zhuǎn)酯化植物油的方法。KR100673837公開(kāi)了一種采用1，3_位置專(zhuān)一性脂肪酶和非位置專(zhuān)一性脂肪酶的混合固定化脂肪酶轉(zhuǎn)酯化大豆油和餐飲廢油的方法。其中，所述固定化脂肪酶雖然在回收方面有優(yōu)勢(shì)，但是存在下述難以克服的問(wèn)題。首先，固定化過(guò)程中難免會(huì)造成酶的流失，因此，處理成本較高，且處理過(guò)程常常要使用有機(jī)溶劑。此外，酯化 反應(yīng)副產(chǎn)的親水性甘油很容易附著在固定化酶的內(nèi)孔及外表面，而屏蔽了酶的活性位點(diǎn)，阻礙酶活性的發(fā)揮，造成酯化率的下降。另外，由于固定化脂肪酶組成的大部分是載體，所以單位催化劑質(zhì)量的酶活力較低(< 100U/g)，因此，在酯化過(guò)程中要添加大量脂肪酶催化齊U，催化劑和生物柴油原料的質(zhì)量比高達(dá)O. 3-1. 0，這樣高比例的催化劑不僅大幅度消減了反應(yīng)器的有效空間，限制了平均每克原料油脂的酶活力(< 100U/g)，造成反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)；而且催化劑成本昂貴，由于生物柴油是大宗車(chē)用燃料，產(chǎn)品價(jià)格不能超過(guò)市售生物柴油，所以固定化脂肪酶很難被生物柴油的工業(yè)化生產(chǎn)所承受。再有，因?yàn)轶w系中的水含量少，使得低碳醇，如甲醇或乙醇不易溶解，妨礙了甲醇與油相的充分接觸。針對(duì)甲醇和乙醇等短鏈醇在油脂原料中溶解性較差，不利于反應(yīng)進(jìn)行的問(wèn)題，有人采用疏水性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑如已烷、環(huán)己烷、石油醚等作反應(yīng)介質(zhì)試圖提高原料油脂的溶解度，在一定程度上改善了酯化反應(yīng)(Journal of Molecular Catalysis B Enzymatic, 2002,17 133-142) 但是，在固定化脂肪酶催化體系中，這些疏水性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑仍不能有效溶解甲醇等低碳醇以及副產(chǎn)物甘油，達(dá)到保證酶的反應(yīng)活性、延長(zhǎng)酶的壽命，提高生物柴油收率的目的。為此，CN1557913A公開(kāi)了一種用叔丁醇和二氧六環(huán)等相對(duì)親水的有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)來(lái)進(jìn)一步改善酯化原料溶解性問(wèn)題的生物柴油的制備方法。但是，無(wú)論添加哪種有機(jī)溶劑來(lái)解決固定化脂肪酶反應(yīng)體系中由于水含量較少造成的甲醇等短鏈醇的溶解度低的問(wèn)題，都難以應(yīng)用于生物柴油的大規(guī)模生產(chǎn)中。這是因?yàn)樯鲜鲇袡C(jī)溶劑都是毒性溶劑，在生產(chǎn)過(guò)程中大量使用不僅對(duì)操作人員有害，對(duì)環(huán)境的危險(xiǎn)性也不容忽視。還有，溶劑回收的能耗會(huì)進(jìn)一步增加生物柴油的生產(chǎn)成本，造成加劇生物柴油規(guī)模擴(kuò)大的瓶頸問(wèn)題。另外，固定化脂肪酶催化體系對(duì)水含量要求較為嚴(yán)格，所以不能直接利用回收的甲醇(回收的甲醇通常為甲醇與水的混合物)，而無(wú)論蒸餾脫水或分子篩脫水都要額外消耗更多能耗，進(jìn)一步增加了生物柴油的生產(chǎn)成本。為了盡早實(shí)現(xiàn)用脂肪酶催化法生產(chǎn)生物柴油的工業(yè)化和綠色化，可以考慮用脂肪酶的水溶液代替固定化酶，用水而不是有機(jī)溶劑來(lái)充分溶解甲醇等低碳醇，從而實(shí)現(xiàn)高酯化率的水相生物柴油的生產(chǎn)。對(duì)采用脂肪酶水溶液的酯化和轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，前人已經(jīng)做過(guò)一些細(xì)致的基礎(chǔ)性研究工作，如特開(kāi)2000-270886公開(kāi)了一種采用位置特異性和位置非特異性脂肪酶轉(zhuǎn)酯化高碳脂肪酸三?；视偷姆椒āＬ亻_(kāi)2009-65887公開(kāi)了通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇和培養(yǎng)脂肪酶，可以實(shí)現(xiàn)部分?；视蚆AG和DAG的基本完全酯化的方法。上述方法實(shí)施時(shí)，均要先將酶固定化，再酯化，耗時(shí)較長(zhǎng)才能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率；且酶的用量較多，催化劑成本非常高。此外，上述方法均沒(méi)有涉及殘留的游離脂肪酸(FFA)的處理問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的能夠得到具有較低的酸值、較高的生物柴油轉(zhuǎn)化率，且反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)時(shí)間短、酶催化劑用量較少的生物柴油的制備方法。生物柴油對(duì)酸值(也就是殘留FFA)的要求非常嚴(yán)格，一般情況下，生物柴油的酸值不能大于O. 8mgK0H/g。因此，本發(fā)明的發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中的方法得到的生物柴 油因殘留FFA酯化不完全，酸值較高，不合格的問(wèn)題較普遍，采用水溶液酶催化酯化方法制備生物柴油，由于體系中含有水，更難完全避免轉(zhuǎn)酯化產(chǎn)物脂肪酸一元醇酯(或其它低碳醇酯)的部分水解，從而只用脂肪酶催化的方法很難避免轉(zhuǎn)酯化產(chǎn)物酸值偏高的問(wèn)題。另夕卜，如果原料油脂的酸值過(guò)高(如，酸值大于150K0H/g的酸化油)，也會(huì)導(dǎo)致得到的轉(zhuǎn)酯化產(chǎn)物的酸值高的問(wèn)題更難解決。本發(fā)明提供了一種生物柴油的制備方法，其中，該方法包括下述步驟(I)在脂肪酶水溶液的存在下，將原料油脂與一元醇反應(yīng)，反應(yīng)的條件包括一元醇與按照原料油脂水解產(chǎn)物脂肪酸計(jì)的摩爾比為1-3 I ;以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的酶量為100-500U，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的比活力為200-1000U/ml ；反應(yīng)的溫度為20-60°C，反應(yīng)的時(shí)間為4-20小時(shí)；(2)從步驟(I)所得產(chǎn)物中分離出上層油相以及含有脂肪酶和甘油的水相。本發(fā)明提供的生物柴油的制備方法采用一定量的脂肪酶水溶液作為催化劑，在一定的條件下，能夠?qū)⒃嫌椭械母视椭舅狨?，特別是可以?xún)?yōu)選將劣質(zhì)原料油脂中的單酰基甘油酯、雙?；视王ズ腿；视王ネ瑫r(shí)有效地轉(zhuǎn)化為脂肪酸一元醇酯，生物柴油的轉(zhuǎn)化率較高。另外，本發(fā)明的方法中所述脂肪酶水溶液的比活力較高，因此酶的用量較少、反應(yīng)時(shí)間更短，因此，生物柴油的生產(chǎn)效率較高。而且，無(wú)需用有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，不僅解決了一元醇不易溶解而影響生物柴油產(chǎn)率的問(wèn)題，還有益于減少對(duì)人的毒害和對(duì)環(huán)境的污染，且特別適合含水較多的體系。再者，由于所述反應(yīng)的反應(yīng)溫度低，因此，反應(yīng)條件更為溫和。更重要的是，優(yōu)選情況下，本發(fā)明采用離子液體作為催化劑，能夠進(jìn)一步催化轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)分離出的上層油相中的殘余游離脂肪酸與一元醇的反應(yīng)，以使其全部轉(zhuǎn)化為脂肪酸一元醇酯，從而大大降低了生物柴油產(chǎn)品的酸值，提高了生物柴油產(chǎn)品的質(zhì)量。優(yōu)選情況下，在離子液體催化步驟中，雖然在降低生物柴油產(chǎn)品酸值時(shí)，需要不斷補(bǔ)充新鮮一元醇，來(lái)實(shí)現(xiàn)更低酸值的目的，但是，可以將回收的一元醇和水的混合物冷卻后直接用于前述的脂肪酶水溶液的催化步驟，無(wú)需進(jìn)行一元醇精餾提純、脫水的步驟，因此，一元醇的消耗量減少，而且沒(méi)有帶來(lái)額外的能耗。另外，無(wú)論是脂肪酶水溶液的催化步驟還是離子液體的催化步驟，產(chǎn)物分離都可以采用簡(jiǎn)單的沉降分離目的產(chǎn)物的方法，不需要用蒸餾的方法回收有機(jī)溶劑或過(guò)量的一元醇，而顯著降低了能耗。因此，本發(fā)明提供的方法無(wú)論從溶劑的綠色化還是從低碳能耗方面都具有突出的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供的方法不僅拓展了制備生物柴油用原料的來(lái)源，更重要的是，優(yōu)選情況下，通過(guò)采用脂肪酶水溶液催化法和離子液體催化方法的適當(dāng)組合，一方面保證了生物柴油的產(chǎn)率和質(zhì)量，另一方面從消除有機(jī)溶劑、降低甲醇用量和降低能耗三方面向生物柴油生產(chǎn)方法的綠色化又邁進(jìn)了一步，并使這兩種催化酯化方法同時(shí)具有了工業(yè)化價(jià)值。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式
部分予以詳細(xì)說(shuō)明。


附圖是用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與下面的具 體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中圖1是為采用本發(fā)明的方法制備生物柴油的工藝流程示意圖；圖2是為采用本發(fā)明的方法制備生物柴油的工藝流程示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式
僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。按照本發(fā)明，所述生物柴油的制備方法包括下述步驟(I)在脂肪酶水溶液的存在下，將原料油脂與一元醇反應(yīng)，反應(yīng)的條件包括一元醇與按照原料油脂水解產(chǎn)物脂肪酸計(jì)的摩爾比為1-3 I ;以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的酶量為100-500U，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的比活力為200-1000U/ml ；反應(yīng)的溫度為20-60°C，反應(yīng)的時(shí)間為4-20小時(shí)；(2)從步驟(I)所得產(chǎn)物中分離出上層油相以及含有脂肪酶和甘油的水相。按照本發(fā)明，為了避免采用固定化酶催化劑時(shí)，體系含水量較少會(huì)使得一元醇不易溶解而影響生物柴油產(chǎn)率的問(wèn)題，本發(fā)明優(yōu)選采用脂肪酶水溶液作為步驟(I)的酶催化劑體系，而無(wú)需為了提高一元醇的溶解性而使用有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，從而避免了有毒的有機(jī)溶劑對(duì)人體健康和環(huán)境保護(hù)的影響。按照本發(fā)明，所述脂肪酶水溶液中的脂肪酶可以是各種可以用于生物酶法酯化生物柴油原料方法中的可溶解于水的脂肪酶和/或產(chǎn)酶微生物，通過(guò)使用產(chǎn)酶微生物分泌得到所需脂肪酶。其中，所述脂肪酶可以為特異性脂肪酶和/或非位置特異性脂肪酶；所述產(chǎn)酶微生物可以為分泌特異性脂肪酶的微生物和/或分泌非特異性酶的微生物。其中，所述特異性脂肪酶包括1，3-位置特異性脂肪酶、單酰基甘油酯特異性脂肪酶和雙?；视王ヌ禺愋灾久?，所述1，3_位置特異性脂肪酶通?？梢詾槊赘?Rhizopus oryzae)、干根酶(Rhizopus nives)和德氏根酶(Rhizopus delemar)中的一種或多種；所述分泌1，3_位置特異性脂肪酶的微生物可以選自黑曲霉(Aspergillus niger)、解脂假絲酵母(Candidalipolytica)和突光假單胞菌(Pseudomonas fIuorescens)中的一種或多種；所述對(duì)單酰基甘油酯以及雙?；视王ゾ哂刑禺愋缘闹久竿ǔ？梢詾榭ㄩT(mén)柏青霉(Penicilliumcamembertii);所述分泌對(duì)單?；视王ゼ半p酰基甘油酯具有特異性的脂肪酶的微生物可以選自米曲霉(Aspergillus oryzae)、卡曼貝爾青霉(Penicillium Camemberti)和假單孢菌(Pseudomonas sp.)中的一種或多種；所述非位置特異性脂肪酶一般可以為假絲酵母皺裙酶(Candida rugosa);所述分泌非位置特異性脂肪酶的微生物可以選自白地霉(Geotrichum candidum)、圓弧青霉(Penicillium cyclopium)和金黃色釀胺葡萄球菌(Staphylococcus aureus)中的一種或多種。由于使用產(chǎn)酶微生物分泌得到的酶可能會(huì)含有各種副產(chǎn)物，因此優(yōu)選直接加入酶，即優(yōu)選為特異性脂肪酶(可以選自1，3-位置特異性脂肪酶、單?；视王ヌ禺愋灾久负碗p?；视王ヌ禺愋灾久钢械囊环N或多種)或者特異性脂肪酶和非位置特異性脂肪酶的混合物。按照本發(fā)明，所述酶活力單位(U)指的是脂肪酶促使原料油脂中的甘油酯中的?；D(zhuǎn)化為脂肪酸的活性，具體定義為在下述方法的測(cè)試條件下，單位時(shí)間(min)內(nèi)脂肪酶的酶解催化作用使甘油酯釋放出單位(ymol)脂肪酸所需的脂肪酶酶量為I酶活力單位 (U)。本發(fā)明中，所述比活力指每毫升脂肪酶水溶液所含的脂肪酶的酶活力單位數(shù)。按照本發(fā)明，所述酶活力單位的測(cè)定方法可以采用下述NaOH滴定法測(cè)定單雙酰脂肪酶酶活。(I) O. 05M NaOH的配置先用無(wú)CO2水配置5M的NaOH儲(chǔ)液；再準(zhǔn)確稀釋50倍后，稱(chēng)取100°C烘至恒重的鄰苯二甲酸氫鉀0. 38g，溶于80ml無(wú)CO2水中，標(biāo)定出其準(zhǔn)確濃度，再推算出儲(chǔ)液濃度；0. 05M的NaOH溶液以無(wú)CO2水用儲(chǔ)液現(xiàn)用現(xiàn)配；(2) PVA-單硬脂酸甘油酯乳化液底物的配置將單硬脂酸甘油酯12g，100ml 2重量％ PVA1750 (聚乙烯醇)混合，加熱溶化，用超聲波乳化(功率300W，超聲3s，間歇4s，30次，循環(huán)2次)；(3)取5ml步驟⑵得到的乳化液底物，4ml 0.1M pH6. O的磷酸鈉緩沖液加入到150ml三角瓶中，置于恒溫水浴搖床45°C, 130rpm溫育5min ；(4)取Iml待測(cè)的稀釋酶液加入到步驟(3)的乳化液底物與緩沖液的混合液中，在45°C、130rpm下反應(yīng)IOmin后加入15ml無(wú)水乙醇終止反應(yīng)；(5)滴加4滴酚酞作指示劑，用0. 05M NaOH滴定酶解產(chǎn)生的脂肪酸，至反應(yīng)液變粉紅色停止；空白樣操作方法與上述步驟一致，不同的是，在步驟(4)中，等量的稀釋酶液與無(wú)水乙醇先混合使酶失活，在步驟(3)的乳化液底物與緩沖液的混合液?jiǎn)为?dú)反應(yīng)IOmin后，再加入失活的稀釋酶液。并按照下式計(jì)算脂肪酶的活力酶活力表示單位U= cFFA(y mol/ml (g))/tcFFA (μ mol/ml (g)) = (Hi1-Hi0) / s式中Hi1 :滴定被測(cè)脂肪酶催化指定底物(?；视?水解產(chǎn)物消耗的NaOH的微摩爾數(shù)；m0 :滴定參比空白樣消耗的NaOH微摩爾數(shù)；s :被測(cè)脂肪酶催化劑的容積(原液酶，ml)或質(zhì)量(固定化酶，g)t :脂肪酶催化反應(yīng)時(shí)間(min)
根據(jù)上述方法可以測(cè)定出脂肪酶的活力單位，并根據(jù)脂肪酶水溶液的體積計(jì)算出比活力，進(jìn)而通過(guò)稀釋(加水)或濃縮(加脂肪酶)調(diào)整酶液達(dá)到規(guī)定的比活力。按照本發(fā)明，步驟⑴中，所述脂肪酶水溶液的濃度(脂肪酶水溶液中脂肪酶的比活力)的可選擇范圍較寬，只要保證其中的脂肪酶的酶量能夠充分催化原料油脂與一元醇的轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)即可；優(yōu)選情況下，以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的酶量為100-500U，更優(yōu)選情況下，以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的酶量為200-400U。優(yōu)選情況下，所述脂肪酶水溶液中脂 肪酶的比活力可以為200-1000U/ml ;更優(yōu)選情況下，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的比活力為300-600U/ml。優(yōu)選情況下，當(dāng)原料油脂為酸值較高的酸化油等廢棄原料油脂時(shí)，由于其中除了含有主要成分三?；视王ブ猓€含有部分雙?；视王ズ蛦熙；视王?，為了達(dá)到充分轉(zhuǎn)酯化原料油脂中的甘油酯的目的，所述脂肪酶優(yōu)選為1，3_位置特異性脂肪酶以及對(duì)單?；视王ズ碗p?；视王ゾ哂刑禺愋缘闹久傅幕旌衔铮M(jìn)一步優(yōu)選，所述脂肪酶水溶液中所述1，3-位置特異性脂肪酶與對(duì)單?；视王ゼ半p酰基甘油酯有特異性的脂肪酶的酶活力之比(或相同比活力(酶濃度)水溶液的體積比)為1-10 I。按照本發(fā)明，在步驟(I)中，在脂肪酶水溶液催化劑的存在下，將原料油脂與一元醇反應(yīng)的條件還包括一元醇與按照原料油脂水解產(chǎn)物脂肪酸計(jì)的摩爾比為1-3 1，優(yōu)選為1-2 :1 ;反應(yīng)的溫度為20-60°C，優(yōu)選為30-50°C;反應(yīng)的時(shí)間為4_20小時(shí)，優(yōu)選為6_12小時(shí)。其中，在脂肪酶水溶液催化劑的存在下，將原料油脂與一元醇反應(yīng)的反應(yīng)溫度為在室溫下即可以反應(yīng)，因此，其反應(yīng)條件較為溫和，并且，在較短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)即可以達(dá)到較高的生物柴油的轉(zhuǎn)化率，例如，在反應(yīng)4小時(shí)后，生物柴油的轉(zhuǎn)化率即可以達(dá)到85%，優(yōu)選可以達(dá)到90%左右甚至以上。按照本發(fā)明，在步驟⑴中，為了避免由于一元醇的過(guò)量而導(dǎo)致脂肪酶中毒，以使得脂肪酶最大限度地發(fā)揮其催化作用，優(yōu)選情況下，在脂肪酶水溶液的存在下，所述將一元醇與原料油脂反應(yīng)的方式優(yōu)選為將一元醇逐步加入到原料油脂中?？梢愿鶕?jù)該步驟的反應(yīng)時(shí)間以及物料的流量選擇合適的一元醇加入時(shí)間，優(yōu)選分2-3次加入，加入時(shí)間為上一次加入的一元醇幾乎完全耗盡時(shí)最好。進(jìn)一步優(yōu)選情況下，為了使得步驟(I)中原料油脂與一元醇的反應(yīng)更充分，可以在攪拌下或往復(fù)搖床中反應(yīng)，優(yōu)選在攪拌下進(jìn)行。按照本發(fā)明，在步驟(2)中，從步驟(I)所得產(chǎn)物中分離出含有脂肪酶催化劑的甘油相和輕質(zhì)油相的分離方法可以為本領(lǐng)域技術(shù)公知的各種常規(guī)的分離方法，優(yōu)選為將步驟(I)所得產(chǎn)物進(jìn)行靜置沉降或離心分離。所述靜置沉降或離心分離的條件包括靜置沉降或離心分離的溫度為40-90°C，進(jìn)一步優(yōu)選為45-80°C，靜置沉降或離心分離的時(shí)間優(yōu)選為10-120分鐘，進(jìn)一步優(yōu)選為10-60分鐘。按照本發(fā)明，優(yōu)選情況下，本發(fā)明的方法還包括步驟(3):在離子液體的存在下，將步驟(2)得到的上層油相與一元醇反應(yīng)，反應(yīng)的條件使得所述上層油相的酸值低于O.8mgK0H/g。按照本發(fā)明，優(yōu)選情況下，在步驟(3)中，在離子液體的存在下，為了保證所述輕質(zhì)油相的酸值低于O. 8mgK0H/g, 一方面要控制反應(yīng)的條件，使得在所述反應(yīng)條件下，不斷地將反應(yīng)體系中生成的水從反應(yīng)系統(tǒng)中帶出，以打破化學(xué)平衡，促進(jìn)游離脂肪酸的進(jìn)一步反應(yīng)，優(yōu)選情況下，在步驟(3)中，將步驟(2)得到的上層油相與一元醇的反應(yīng)溫度可以為40-120°C，更優(yōu)選為80-110°C ;反應(yīng)壓力可以為O. OlMPa-lMPa，優(yōu)選為O. 02-0. 5MPa。在步驟(3)中，優(yōu)選情況下，所述反應(yīng)的條件還包括離子液體與所述上層油相的摩爾比可以為O. 001-0. 05 I，進(jìn)一步優(yōu)選為O. 003-0. 03 I。其中，一元醇通常為過(guò)量，且其用量只要能保證將步驟(2)分離得到的所述上層質(zhì)油中游離脂肪酸除去，以保證所述上層油脂相的酸值低于O. 8mgK0H/g即可。例如，所述一元醇與所述上層油相的摩爾比可以為1-3 1，進(jìn)一步優(yōu)選為1-2 1，以在上述條件下可以快速使所述輕質(zhì)油脂相的酸值低于0.8mgK0H/g，此外，所述將一元醇可以一次加入(或間歇式加入)或泵送加入步驟(2)得到的輕質(zhì)油相。另一方面，為了保證在不斷分離水分的同時(shí)，保證與所述上層油脂反應(yīng)的一元醇在反應(yīng)混合物中具有一定的反應(yīng)濃度而使反應(yīng)向正方向進(jìn)行，該方法還包括在步驟(3)中，以常壓或減壓蒸餾的方式將部分一元醇與反應(yīng)過(guò)程中生成的水的混合物蒸出，以在反應(yīng)的同時(shí)分離生成的水。所述常壓或減壓蒸餾的方法可以為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方法和條件進(jìn)行，只要能夠不斷分離部分一元醇與反應(yīng)過(guò)程中生成的水的混合物即可。
按照本發(fā)明，優(yōu)選情況下，該方法還包括在步驟(3)中，將蒸出的一元醇與水的混合物冷卻并返回步驟(1)，以將回收的一元醇和水的混合物冷卻后直接用于前述的脂肪酶水溶液的催化步驟(I)中作為步驟(I)的原料，而無(wú)需進(jìn)行一元醇的精餾提純、脫水的步驟，因此，一元醇的消耗量較少，而且沒(méi)有帶來(lái)額外的能耗。按照本發(fā)明，在步驟(3)中，所述離子液體可以選自為烷基甲基咪唑磺酸鹽B酸型離子液體中的一種或多種，所述烷基的碳原子數(shù)可以為0-8(CnH2n，η = 0，2，4，6，8)。優(yōu)選情況下，為了進(jìn)一步兼顧離子液體的酸性和水溶性，所述離子液體為丁基甲基咪唑磺酸鹽B酸型離子液體。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選在向所得到的上層油相中加入離子液體和一元醇，并反應(yīng)一段時(shí)間后，所得到的上層油相中的游離脂肪酸轉(zhuǎn)化為脂肪酸低碳酯，得到的反應(yīng)產(chǎn)物可以通過(guò)簡(jiǎn)單的靜置沉降和/或離心分離即可以將步驟(3)所得的產(chǎn)物進(jìn)行分離，從而避免了閃蒸分離產(chǎn)物的過(guò)程，進(jìn)一步節(jié)約了能耗。即，分離后得到的上層的油層為生物柴油相(酸值低于O. 8mgK0H/g的輕質(zhì)油相)，下層為離子液體相。按照本發(fā)明，該方法還包括從步驟(3)所得產(chǎn)物中分離出含有酸值低于0.8mgK0H/g的上層油相以及離子液體相。優(yōu)選在步驟(3)中，將部分一元醇與生成的水的混合物不斷采出，但是，仍然可能殘存少量的一元醇，該殘存的一元醇和水仍處于下層的離子液體相中。所述含有離子液體和少量一元醇和水的下層可以繼續(xù)直接回用于所述步驟(3)的反應(yīng)。但是，如果采用組分比較復(fù)雜的酸化油等作為油脂原料時(shí)，在將下層離子液體相回用前優(yōu)選先用二氯乙烷等有機(jī)溶劑洗脫反應(yīng)中生成的高沸點(diǎn)雜質(zhì)后再回用。按照本發(fā)明，在步驟(3)中，所述在離子液體的存在下，將步驟(2)得到的輕質(zhì)油相與一元醇的反應(yīng)可以為間歇式進(jìn)行也可以為連續(xù)式進(jìn)行，只要能夠保證得到的生物柴油的酸值低于O. 8mgK0H/g即可。如圖1所示，按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施方式
，將原料油脂、甲醇和脂肪酶水溶液在酯化反應(yīng)器中反應(yīng)，得到上層油脂相和含有脂肪酶的甘油相，將分離出的上層油脂相投入降酸反應(yīng)器中，并在攪拌下與甲醇和離子液體反應(yīng)，回收的甲醇與水的混合物冷卻后返回至酯化反應(yīng)器中作為反應(yīng)原料，反應(yīng)結(jié)束后，分離出上層油相，得到生物柴油產(chǎn)品O如圖2所示，按照本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施方式
，通過(guò)將多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)制備得到多級(jí)降酸值反應(yīng)器，也實(shí)現(xiàn)連續(xù)式降低酸值酯化反應(yīng)。將原料油脂、甲醇和脂肪酶水溶液在酯化反應(yīng)器中反應(yīng)，得到上層油脂相和含有脂肪酶的甘油相，將分離出的上層油脂相投入串聯(lián)的多級(jí)降酸反應(yīng)器的第一級(jí)降酸反應(yīng)器中，并在攪拌下與甲醇和離子液體反應(yīng)，回收的甲醇和水的混合物，冷卻后返回至酯化反應(yīng)器中作為反應(yīng)原料，反應(yīng)一段時(shí)間后(如酸值降低至O. lmgKOH/g左右)，分離出上層油相，并將分離出的上層油相繼續(xù)投入到第二級(jí)降酸反應(yīng)器中，反應(yīng)一段時(shí)間后(如酸值降低至O. 05mgK0H/g左右)，即得到精制的生物柴油產(chǎn)品。本發(fā)明中，所述油脂可以是各種油脂原料，例如各種動(dòng)物油和植物油。當(dāng)本發(fā)明的方法采用酸值大于50mg KOH/g,通常為50-200mg KOH/g的油脂原料時(shí)，例如，所述油脂原料 可以選自地溝油、酸化油、餐飲業(yè)廢棄油和廢棄動(dòng)物油中的一種或多種。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，一方面，能夠最大限度地除去廢棄油脂中的游離脂肪酸以及其它雜質(zhì)，與現(xiàn)有的采用廢棄油脂制備生物柴油的方法相比，生物柴油的轉(zhuǎn)化率和生物柴油品質(zhì)得到顯著提高，另一方面，廢棄油脂的成本低廉，還降低了工藝成本和工藝要求。按照本發(fā)明，所述酸值是指，中和I克有機(jī)物中的酸性成分所需要KOH的質(zhì)量(mg)。酸值的大小反映了試樣中游離酸(主要指脂肪酸)含量的多少。按照本發(fā)明，所述步驟(I)和步驟(3)中的一元醇可以為碳原子數(shù)為1-4的脂肪族一元醇，例如可以是甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇和丁醇中的一種或多種，優(yōu)選為甲醇。以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。另外需要說(shuō)明的是，在上述具體實(shí)施方式
中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容。下面將通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。下述實(shí)施例中酸值的測(cè)定方法為GB/T5530-2005。實(shí)施例1本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明提供的生物柴油的制備方法。(I)將酸化油(食用油精制過(guò)程中的皂化副產(chǎn)品，組成和主要性質(zhì)見(jiàn)《現(xiàn)代化工》，2008，28增刊(2)，73-78) 282g (按GB/T5530-2005規(guī)定分子量按油酸計(jì)，視為I摩爾)、甲醇64g(甲醇和酸化油摩爾比為2 I)和脂肪酶水溶液混合反應(yīng)，其中，將甲醇等分為3份，分別在第O小時(shí)、第3小時(shí)和第6小時(shí)加入反應(yīng)體系中。所述脂肪酶水溶液為1，3位置特異性脂肪酶A水溶液(來(lái)源于干根酶(Rhizopus niveus),商購(gòu)自Amano Enzyme公司的產(chǎn)品F3G，脂肪酶A水溶液中脂肪酶的比活性為600U/ml) IOOml和對(duì)MAG具有特異性以及對(duì)DAG具有特異性的脂肪酶B水溶液(來(lái)源于卡門(mén)柏青霉(Penicillium camembertii),商購(gòu)自Amano Enzyme公司產(chǎn)品G50，脂肪酶B水溶液中脂肪酶的比活性為600U/ml的水溶液)20ml (以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的總酶量為255U)，在30°C，200轉(zhuǎn)/分搖床下反應(yīng)12h。(2)在12000rpm/5min條件下，將步驟(I)的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行離心分離，分離出上層油相和下層水相。目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯和殘余游離脂肪酸在上層輕質(zhì)油相中，脂肪酶催化齊U、副產(chǎn)物甘油和殘留的微量甲醇在下層水相中。上層油相的酸值為19. 7mgK0H/g，經(jīng)核磁共振波譜法檢出上層油相中的剩余游離脂肪酸含量為9. 9(mol) %，目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯的含量為90.1 (mol) %，三酰基甘油酯、雙?；视王ズ蛦熙；视王ゾ丛谏蠈虞p質(zhì)油相中被檢出，說(shuō)明甘油脂肪酸酯的轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)完全。比較上述實(shí)施例與KR100673837所述對(duì)比技術(shù)可知，由于本發(fā)明所采用的催化劑脂肪酶水溶液比活力很高(如600U/ml)，大大超過(guò)了等質(zhì)量固定化脂肪酶催化劑(比活性約為100U/g，或更低)，所以加入的脂肪酶水溶液和固定化脂肪酶質(zhì)量相等時(shí)，僅需大約一半的時(shí)間(如12h)就能達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率?？紤]到脂肪酶水溶液的制備成本和酶損耗均 明顯低于固定化脂肪酶，說(shuō)明本發(fā)明的方法可以大幅度提高生物柴油的生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本。實(shí)施例2本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明提供的生物柴油的制備方法。按照實(shí)施例1的方法制備生物柴油，不同的是，該方法還包括下述步驟將實(shí)施例1制備得到的上層油相50g(約含游離脂肪酸5g)、離子液體丁基甲基咪唑磺酸鹽B酸型離子液體(產(chǎn)品牌號(hào)Basionics AC 28，生產(chǎn)廠BASF，純度> 94. 5% )0. 4g，甲醇Ilg(約14ml，甲醇與上層油相的摩爾比為2 I)加入裝有攪拌器、滴液漏斗、蒸餾頭和冷凝管的反應(yīng)器中，冷凝管的另一端連接甲醇收集器。在O. lMPa，90°C下反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中未反應(yīng)的甲醇和反應(yīng)生成的水被蒸出反應(yīng)器，收集在甲醇收集罐中，同時(shí)用計(jì)量泵緩慢注入新鮮甲醇，控制流量保持補(bǔ)加甲醇量和被蒸出的甲醇量相等，8h (餾出物中已不含水份)后，停止補(bǔ)加甲醇、加熱和攪拌，靜置降溫分層。上層油相為目的產(chǎn)物生物柴油，下層為含有微量甲醇和水的離子液體相。上層油樣的酸值為O. 61mgK0H/g，符合生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)核磁共振波譜法檢測(cè)，上層油相中只有目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯的譜峰，未見(jiàn)游離脂肪酸、三酰基甘油酯、雙酰基甘油酯和單?；视王?，說(shuō)明游離脂肪酸已低于檢出限，基本完全轉(zhuǎn)化成了目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯，脂肪酸甲酯的含量為99. 7(mol) %。實(shí)施例3本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明提供的生物柴油的制備方法。取與實(shí)施例2相同的酸化油282g、甲醇64g(甲醇和酸化油的摩爾比為2 :1)和脂肪酶水溶液混合反應(yīng)，其中，將甲醇等分為3份分別在0、3、6小時(shí)加入反應(yīng)體系中。所述脂肪酶水溶液為與實(shí)施例1相同的脂肪酶A水溶液120ml，所述脂肪酶A水溶液中脂肪酶的比活力為600U(以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶A水溶液中脂肪酶的酶量為255U)，其余反應(yīng)條件與實(shí)施例1相同，反應(yīng)產(chǎn)物上層油相的酸值為25. 3mgK0H/g，核磁共振波譜法檢出上層油相的目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯的含量為61. 4(mol) %，游離脂肪酸含量為12. 7(mol) %，三?；视王ズ碗p?；视王サ暮糠謩e為8. 6(mol) %、17. 3(mol) %，未見(jiàn)單?；视王プV峰，說(shuō)明只用1，3-位置特異性脂肪酶A不能做到三酰基和雙?；视王ネ瑫r(shí)完全轉(zhuǎn)酯化。
(3)將上述制備得到的輕質(zhì)油相50g(約含游離脂肪酸和未完全反應(yīng)的甘油酯約20g)、離子液體丁基甲基咪唑磺酸鹽B酸型離子液體(產(chǎn)品牌號(hào)Basionies AC 28，生產(chǎn)廠:BASF，純度>94. 5%)1.5g，甲醇17g(約22ml，甲醇與上層油相的摩爾比約為3 I)加入裝有攪拌器、蒸餾頭和冷凝管的密閉反應(yīng)器中，在O. 5MPa、120°C下反應(yīng)(甲醇與水冷凝回流)，2h后同時(shí)打開(kāi)蒸餾頭聯(lián)通冷凝管和流出物收集器回收甲醇和水，未見(jiàn)餾出物后停止加熱和攪拌，靜置降溫分層。上層油相的酸值為O. 77mgK0H/g，核磁共振波譜圖中羰基碳譜區(qū)(182-172)只有目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯的譜峰。未見(jiàn)游離脂肪酸和單酰基甘油酯譜峰，三?；视王ズ碗p?；视王サ暮恳卜謩e降低到1. O(mol) %和3. 2(mol) %，說(shuō)明游離脂肪酸和單?；视王ヒ训陀跈z出限，目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯的含量從61. 4(mol) %提高到了 95. 8(mol) %o實(shí)施例4本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明提供的生物柴油的制備方法。按照與實(shí)施例2相同的方法制備生物柴油，不同的是，在步驟(I)中，所述脂肪酶A水溶液中脂肪酶的比活力為750U/ml，脂肪酶A水溶液的體積為80ml，所述脂肪酶B水溶液中脂肪酶比活力為750U/ml，脂肪酶B水溶液的體積為16ml (以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的總酶量為255U)，反應(yīng)時(shí)間為20h。得到的上層油相的酸值為
9.6mgK0H/g，核磁共振波譜法檢出反應(yīng)產(chǎn)物上層油樣中游離脂肪酸含量為5.1 (mol) %,目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯含量為94. 9 (mol) %，三?；视王?、雙?；视王ズ蛦熙；视王ゾ丛谏蠈虞p質(zhì)油相中被檢出，說(shuō)明甘油脂肪酸酯的轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)完全。以每克原料油脂計(jì)，脂肪酶的總酶量雖然同為255U，但因含水少，所以酯化反應(yīng)更完全。在步驟(3)中，將上述制備得到的上層油相50g(約含游離脂肪酸2.5g)、甲醇6g(約7ml，甲醇與上層油相的摩爾比為3 I)及離子液體丁基甲基咪唑磺酸鹽B酸型離子液體(產(chǎn)品牌號(hào)Basionics AC 28，生產(chǎn)廠BASF，純度> 94. 5% )0· 25g加入裝有攪拌器、滴液漏斗、蒸餾頭和冷凝管的密閉反應(yīng)器中。在0.05MPa，50°C下反應(yīng)，反應(yīng)器與冷凝管另一端連接的甲醇儲(chǔ)罐連通，在反應(yīng)過(guò)程中，一邊用計(jì)量泵緩慢注入新鮮甲醇，一邊蒸出甲醇和反應(yīng)生成的水，控制流量保持補(bǔ)加甲醇量和被蒸出的甲醇量相等，8h (餾出物中已不含水份)后，停止補(bǔ)加甲醇、加熱和攪拌，靜置降溫分層。上層油相的酸值為0.55mgK0H/g，符合生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)核磁共振波譜圖中羰基碳譜區(qū)(182-172)只有目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯的譜峰。未見(jiàn)游離脂肪酸甘油酯、三?；视王?、雙?；视王ズ蛦熙；视王サ淖V峰，說(shuō)明游離脂肪酸已低于檢出限，基本完全轉(zhuǎn)化成了目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯，脂肪酸甲酯的含量為99. 71 (mol) %。實(shí)施例5本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明提供的生物柴油的制備方法。(I)將酸值為1.22mgK0H/g的棕櫚油(購(gòu)自中國(guó)糧油進(jìn)出口總公司)256g、甲醇48g(甲醇和棕櫚油(按照棕櫚酸分子量計(jì)算)的摩爾比為1.5 :1)和脂肪酶水溶液混合反應(yīng)，其中，將甲醇I次在第O小時(shí)全部加入反應(yīng)體系中。所述脂肪酶水溶液為1，3位置特異性脂肪酶A水溶液(來(lái)源于干根酶(Rhizopus niveus),商購(gòu)自Amano Enzyme公司的產(chǎn)品F3G，脂肪酶A水溶液中脂肪酶的比活性為600U/ml)75ml和對(duì)MAG具有特異性以及 對(duì)DAG具有特異性的脂肪酶B水溶液(來(lái)源于卡門(mén)柏青霉(Penicillium camembertii),商購(gòu)自Amano Enzyme公司產(chǎn)品G50，脂肪酶B水溶液中脂肪酶的比活性為600U/ml的水溶液)15ml (以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的總酶量為21川)，在401，200轉(zhuǎn)/分搖床下反應(yīng)20h。(2)將步驟(I)的反應(yīng)產(chǎn)物混合物靜置O. 5h，分離出上層油相和下層水相。目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯和殘余游離脂肪酸在上層輕質(zhì)油相中，脂肪酶催化劑、副產(chǎn)物甘油和未反應(yīng)的甲醇在下層水溶液相中。上層油相的酸值為15. 5mgK0H/g，核磁共振波譜法檢出上層油相的剩余游離脂肪酸的含量為9. 4(mol) %,目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯的含量為90. 6 (mol) %,三?；视王?、雙?；视王ズ蛦熙；视王ゾ丛谏蠈佑拖嘀斜粰z出，說(shuō)明甘油脂肪酸酯的轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)完全。(3)將上述制備得到的上層油相50g(約含游離脂肪酸4. 7g)、甲醇19g(約24ml，甲醇與上層油相的摩爾比為3 I)及離子液體丁基甲基咪唑磺酸鹽B酸型離子液體(產(chǎn)品 牌號(hào)Basionics AC 28，生產(chǎn)廠BASF，純度> 94. 5% )0. 3g加入裝有攪拌器、蒸餾頭和冷凝管的密閉反應(yīng)器中，在O. 5MPa、120°C下反應(yīng)(甲醇與水冷凝回流)，lh后同時(shí)打開(kāi)蒸餾頭聯(lián)通冷凝管和流出物收集器回收甲醇和水，O. 5h(未見(jiàn)餾出物)后，停止加熱和攪拌，靜置降溫分層。上層油相的酸值為O. 71mgK0H/g，核磁共振波譜圖中羰基碳譜區(qū)(182-172)只有目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯的譜峰。未見(jiàn)游離脂肪酸甘油酯、三酰基甘油酯、雙酰基甘油酯和單?；视王サ淖V峰，說(shuō)明游離脂肪酸已低于檢出限，基本完全轉(zhuǎn)化成了目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯，脂肪酸甲酯的含量為99. 57 (mol) %。實(shí)施例6 本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明提供的生物柴油的制備方法。(I)將酸值為1.22mgK0H/g的棕櫚油(購(gòu)自中國(guó)糧油進(jìn)出口總公司)256g、甲醇96g(甲醇和棕櫚油(按照棕櫚酸分子量計(jì)算)的摩爾比為3 I)和脂肪酶水溶液混合反應(yīng)，其中，將甲醇等分成3份，分別在第O小時(shí)、第3小時(shí)和第6小時(shí)加入反應(yīng)體系中。所述脂肪酶水溶液為I，3位置特異性脂肪酶A水溶液(來(lái)源于干根酶(Rhizopus niveus),商購(gòu)自Amano Enzyme公司的產(chǎn)品F3G，脂肪酶A水溶液中脂肪酶的比活力為300U/ml) 200ml和對(duì)MAG具有特異性以及對(duì)DAG具有特異性的脂肪酶B水溶液(來(lái)源于卡門(mén)柏青霉(Penicillium camembertii),商購(gòu)自Amano Enzyme公司產(chǎn)品G50,脂肪酶B水溶液中脂肪酶的比活性為500U/ml的水溶液)50ml (以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的總酶量為293U)，在50°C，200轉(zhuǎn)/分搖床下反應(yīng)20h。(2)在12000rpm/5min條件下，將步驟(I)的反應(yīng)產(chǎn)物混合物進(jìn)行離心分離，分離出上層油相和下層水相。目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯和殘余游離脂肪酸在上層油相中，脂肪酶催化劑、副產(chǎn)物甘油和未反應(yīng)的甲醇在下層水溶液相中。上層油相的酸值為20. 5mgK0H/g，核磁共振波譜法檢出上層油樣的剩余游離脂肪酸含量為10. 3(mol) %，目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯的含量為89. 7 (mol) %，三酰基甘油酯、雙?；视王ズ蛦熙；视王ゾ丛谏蠈虞p質(zhì)油相中被檢出，說(shuō)明甘油脂肪酸酯的轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)完全。(3)按照?qǐng)D1，將上述制備得到的上層油相和甲醇(甲醇與上層油相的摩爾比為3 I)及離子液體丁基甲基咪唑磺酸鹽B酸型離子液體(產(chǎn)品牌號(hào)Basionics AC 28，生產(chǎn)廠BASF，純度> 94. 5% )加入圖1所示裝有攪拌器的離子液體催化酯化反應(yīng)器(離子液體和上層油相的質(zhì)量比為0.006 I)中，在0. lMPa、100°C下反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中，一邊用計(jì)量泵緩慢注入新鮮甲醇，一邊蒸出甲醇和反應(yīng)生成的水，上層油相溢流到沉降罐，靜置降溫分層，根據(jù)上層油相的酸值調(diào)整蒸餾溫度和新鮮甲醇計(jì)量泵控制甲醇的注入和蒸出速度使上層油相的酸值保持在O. 6±0. lmgKOH/g，脂肪酸甲酯的含量為99. 7 (mol) %。實(shí)施例7本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明提供的生物柴油的制備方法。按照實(shí)施例5的方法制備生物柴油，不同的是，在步驟(3)中，按照?qǐng)D2，將所述上層油相連續(xù)進(jìn)行兩次甲酯化反應(yīng)(先進(jìn)入帶攪拌的第一甲酯化反應(yīng)器，然后產(chǎn)物再溢流進(jìn)入第一沉降分離罐，甲酯化產(chǎn)物在第一沉降分離罐中靜置分層，上層油相從上部溢出，將下層含有離子液體和甲醇的水相從罐底放出繼續(xù)循環(huán)使用，將油樣被繼續(xù)送入帶攪拌的第二甲酯化反應(yīng)器，然后將產(chǎn)物進(jìn)入第二沉降分離罐，甲酯化產(chǎn)物在第二沉降分離罐中靜置分層，上層油相從罐上部溢出，下層含有離子液體和甲醇的水相從罐底放出繼續(xù)循環(huán)使用。第一酯化反應(yīng)器的條件包括上層油相、甲醇和離子液體的質(zhì)量比為1: 0.3 : 0.006，反應(yīng)溫度為110°C，壓力為O. 2MPa，第二甲酯化反應(yīng)器的條件除反應(yīng)溫度為45°C，壓力為 O.1MPa外，其余同第一酯化反應(yīng)器。物料在兩個(gè)酯化反應(yīng)器中的停留時(shí)間均為lh。第一酯化反應(yīng)后得到的上層油相的酸值為O. 70mgK0H/g，第二酯化反應(yīng)后得到的上層油相的酸值為O. 48mgK0H/g，脂肪酸甲酯的含量為99. 71 (mol) %。同時(shí)，在第一甲酯化反應(yīng)和第二甲酯化反應(yīng)過(guò)程中，將蒸出的水和甲醇冷凝后返回步驟(I)的脂肪酶水溶液的催化轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)中，既減少了排放物，又節(jié)約了甲醇。實(shí)施例8本實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明提供的生物柴油的制備方法。按照實(shí)施例6的方法制備生物柴油，不同的是，在步驟(3)中，第一甲酯化反應(yīng)器和第二甲酯化反應(yīng)器的條件完全相同，上層油相、甲醇和離子液體的質(zhì)量比保持在1: O. 3 : O. 003，離子液體和甲醇的不足由計(jì)量泵補(bǔ)充。反應(yīng)溫度為80°C，壓力為O. 05MPa，物料在兩個(gè)酯化反應(yīng)器中的停留時(shí)間均為3h。第一甲酯化反應(yīng)后得到的上層油相的酸值為O. 60mgK0H/g，第二甲酯化反應(yīng)后得到的上層油相的酸值為O. 42mgK0H/g，脂肪酸甲酯的含量為99. 79 (mol) %。對(duì)比例I本對(duì)比例用于說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)的生物柴油的制備方法。將與實(shí)施例2所用相同的酸化油282g、甲醇96g(甲醇和按油酸計(jì)的酸化油的摩爾比為3 I)和離子液體(產(chǎn)品牌號(hào)Basionics AC 28，生產(chǎn)廠BASF，純度>94.5% )22. 5g加入裝有滴液漏斗、蒸餾頭和冷凝管的密閉反應(yīng)器中，反應(yīng)時(shí)間為24小時(shí)，其余反應(yīng)條件與實(shí)施例2步驟(3)相同。反應(yīng)結(jié)束后上層油相的酸值為45. OmgKOH/g，核磁共振波譜法檢出目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯含量為54.6(mol) %，游離脂肪酸的含量為22. 6 (mol) %，單酰基甘油酯、雙?；视王ズ腿；视王サ暮糠謩e為0. 5(mol) %,13.1 (mol) % >9. 2 (mol) %。對(duì)比例2本對(duì)比例用于說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)的生物柴油的制備方法。將與實(shí)施例2所用相同的酸化油282g、甲醇480g(甲醇和按油酸計(jì)的酸化油的摩爾比為15 I)和離子液體(產(chǎn)品牌號(hào)Basionics AC 28，生產(chǎn)廠BASF，純度>94. 5% )22. 5g加入裝有滴液漏斗、蒸懼頭和冷凝管的密閉反應(yīng)器中，反應(yīng)時(shí)間為24小時(shí)，其余反應(yīng)條件與實(shí)施例2步驟(3)相同。反應(yīng)結(jié)束后上層油相的酸值為O. 7mgK0H/g，核磁共振波譜法檢出目的產(chǎn)物脂肪酸甲酯含量為93. 6(mol) %，未見(jiàn)游離脂肪酸和單?；视王プV峰，雙?；视王ズ腿；视王サ暮糠謩e為3. 6 (mol) %、2. 8 (mol) %。由上述結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明的方法能夠?qū)⒃嫌椭械母视椭舅狨?，特別是劣質(zhì)原料油脂中的單?；视王?、雙?；视王ズ腿；视王ネ瑫r(shí)轉(zhuǎn)化為脂肪酸一元醇酯，生物柴油的轉(zhuǎn)化率較高，且沒(méi)有剩余不完全轉(zhuǎn)酯化產(chǎn)物。盡管如實(shí)施例3所述，只采用單一脂肪酶A進(jìn)行催化酯化后，甘油骨架上殘留?；^多，未能將雙?；视王ズ腿；视王ネ瑫r(shí)全部轉(zhuǎn)化為脂肪酸一元醇酯，因此，脂肪酸甲酯的収率不如對(duì)比例I所示的單獨(dú)采用離子液體進(jìn)行催化酯化的結(jié)果，但是，單一脂肪酶催化酯化產(chǎn)物再經(jīng)離子液體催化酯化后，甘油骨架上殘留酰基大幅度減少，脂肪酸甲酯(FAME)的収率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了對(duì)比例1，由此說(shuō)明，采用本發(fā)明提供的組合酯化法，無(wú)論采用復(fù)合脂肪酶水溶液，還是采用單一脂肪酶水溶液進(jìn)行催化酯化反應(yīng)，均優(yōu)于單獨(dú)采用離子液體催化酯化的方法，所得的生物 柴油的產(chǎn)率更高。由對(duì)比例2可知，在單獨(dú)采用離子液體催化酯化的方法中，即使大幅度提高醇油比到15 1，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)到24時(shí)，單獨(dú)采用離子液體催化雖然可以基本完全轉(zhuǎn)化游離脂肪酸，脂肪酸甲酯含量也可以從54. 6 (mol) %提高到93. 6 (mol) %，但是，一些不能完全轉(zhuǎn)酯化產(chǎn)物仍留在產(chǎn)物中，所以要得到高純度的脂肪酸甲酯必須將其全部蒸餾，才能與部分轉(zhuǎn)酯化的剩余的甘油酯分離，這一分離步驟要大幅度額外增加消耗。此外，本發(fā)明各實(shí)施方案均未加入反應(yīng)物以外的有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，一元醇過(guò)量也很少，不僅解決了過(guò)量溶劑蒸餾帶來(lái)的能耗問(wèn)題，還有益于減少對(duì)人的毒害和對(duì)環(huán)境的污染，且特別適合含水較多的體系。再者，由于所述反應(yīng)的反應(yīng)溫度低，甚至可以在室溫下進(jìn)行，反應(yīng)條件溫和，能耗減少，從而二氧化碳等產(chǎn)熱能時(shí)排放的溫室氣體就少，具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。更重要的是，本發(fā)明采用少量離子液體作為催化劑，進(jìn)一步催化轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)分離出的上層油相中的殘余游離脂肪酸與一元醇的反應(yīng)，以使其全部轉(zhuǎn)化為脂肪酸一元醇酯，從而使生物柴油產(chǎn)品的酸值明顯低于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的上限，提高了生物柴油產(chǎn)品的收率和質(zhì)量。此外，按照實(shí)施例7和實(shí)施例8的連續(xù)式深度脫除游離脂肪酸的方式可以進(jìn)一步降低生物柴油的酸值，可以得到游離脂肪酸極低的優(yōu)質(zhì)脂肪酸甲酯。上述反應(yīng)方式特別適合用于大規(guī)模生產(chǎn)。單獨(dú)的脂肪酶催化和單獨(dú)的離子液體催化等現(xiàn)有技術(shù)的方法雖然能使游離脂肪酸基本上完全酯化，但三?；㈦p?；蛦熙；视王ゲ荒芡瑫r(shí)完全轉(zhuǎn)酯化，生物柴油的產(chǎn)率較低，特別是在較低醇油比下，本發(fā)明所述組合酯化法的優(yōu)點(diǎn)更為突出。
權(quán)利要求
1.一種生物柴油的制備方法，其特征在于，該方法包括下述步驟(1)在脂肪酶水溶液的存在下，將原料油脂與一元醇反應(yīng)，反應(yīng)的條件包括一元醇與按照原料油脂水解產(chǎn)物脂肪酸計(jì)的摩爾比為1-3 I ;以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的酶量為100-500U，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的比活力為200-1000U/ml ;反應(yīng)的溫度為20-60°C，反應(yīng)的時(shí)間為4-20小時(shí)；(2)從步驟(I)所得產(chǎn)物中分離出上層油相以及含有脂肪酶和甘油的水相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其中，在步驟(I)中，一元醇與按照原料油脂水解產(chǎn)物脂肪酸計(jì)的摩爾比為1-2 I ;以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的酶量為200-400U，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的比活力為300-600U/ml ;反應(yīng)的溫度為 30-50°C，反應(yīng)的時(shí)間為6-12小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其中，在步驟(I)中，所述脂肪酶選自特異性脂肪酶、分泌特異性脂肪酶的微生物、非位置特異性脂肪酶和分泌非位置特異性脂肪酶的微生物中的一種或多種，其中，所述特異性脂肪酶選自米根酶(Rhizopus oryzae)、干根酶 (Rhizopus nives)和德氏根酶(Rhizopus delemar)中的一種或多種；所述分泌特異性脂肪酶的微生物選自黑曲霉(Aspergillus niger)、解脂假絲酵母(Candida lipolytica)、 突光假單胞菌(Pseudomonas fIuorescens)、卡門(mén)柏青霉(Penicillium camembertii)、 米曲霉(Aspergillus oryzae)、卡曼貝爾青霉(Penicillium Camemberti)和假單抱菌(Pseudomonas sp.)中的一種或多種；所述非位置特異性脂肪酶為假絲酵母皺裙酶 (Candida rugosa);所述分泌非位置特異性脂肪酶的微生物選自白地霉(Geotrichum candidum)、圓弧青霉(Penicillium cyclopium)和金黃色釀胺葡萄球菌(Staphylococcus aureus)中的一種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其中，該方法還包括步驟(3):在離子液體的存在下，將步驟(2)得到的上層油相與一元醇反應(yīng)，反應(yīng)的條件使得所述上層油相的酸值低于 O.8mgK0H/g。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中，該方法還包括在步驟(3)中，以常壓或減壓蒸餾的方式將部分一元醇與反應(yīng)過(guò)程中生成的水的混合物蒸出，以在反應(yīng)的同時(shí)分離生成的水。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中，在步驟(3)中，所述反應(yīng)的溫度為 40-120°C，反應(yīng)的壓力為 O. Ol-1MPa0
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中，在步驟(3)中，所述反應(yīng)的條件還包括離子液體與上層油相的摩爾比為O. 001-0. 05 I ;所述一元醇與所述上層油相的摩爾比為 1-3:1。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或7所述的制備方法，其中，在步驟(3)中，所述離子液體為烷基甲基咪唑磺酸鹽B酸型離子液體，所述烷基的碳原子數(shù)為0-8。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其中，該方法還包括在步驟(3)中，將蒸出的一元醇與水的混合物冷卻并返回步驟(I)作為步驟(I)的原料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的制備方法，其中，在步驟(I)和步驟(3)中，所述一元醇各自獨(dú)立地為碳原子數(shù)為1-4的脂肪族一元醇。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中，該方法還包括從步驟(3)所得產(chǎn)物中分離出酸值低于O. 8mgK0H/g的上層油相以及離子液體相，并將離子液體相回用于該步驟的反應(yīng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其中，所述油脂原料選自地溝油、酸化油、餐飲業(yè)廢棄油和廢棄動(dòng)物油中的一種或多種；所述原料油脂的酸值為50-200mg KOH/g。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生物柴油的制備方法，其中，該方法包括下述步驟(1)在脂肪酶水溶液的存在下，將原料油脂與一元醇反應(yīng)，反應(yīng)的條件包括一元醇與按照原料油脂水解產(chǎn)物脂肪酸計(jì)的摩爾比為1-3∶1；以每克原料油脂計(jì)，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的酶量為100-500U，所述脂肪酶水溶液中脂肪酶的比活力為200-1000U/ml；反應(yīng)的溫度為20-60℃，反應(yīng)的時(shí)間為4-20小時(shí)；(2)從步驟(1)所得產(chǎn)物中分離出上層油相以及含有脂肪酶和甘油的水相。采用本發(fā)明的方法能夠得到具有較低酸值和較高轉(zhuǎn)化率的生物柴油，而且反應(yīng)條件溫和，能耗低，且適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C12P7/64GK103013677SQ20111028040
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者彭樸, 葸雷 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院