酶法催化蓖麻油生产生物柴油的研究.docx

1、酶法催化蓖麻油生产生物柴油的研究酶法催化蓖麻油生产生物柴油的研究安徽农业科学,JournalofAnluiA.Sci.2008,36(16):69506952责任编辑理雪莲责任校对况玲玲酶法催化蓖麻油生产生物柴油的研究高利飞,王昌禄,陈勉华,刘小改(天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津市食品营养与安全重点实验室,天津300457)摘要目的优化酶法催化蓖麻油生产生物柴油的条件.方法从种植蓖麻试验地土壤中分离出l株脂肪酶产生茵(Pseudomonassp.)H-4,以其发酵液制备的固定化酶为催化剂,催化蓖麻油与甲醇转酯化生产生物柴油,研究该酶的转酯能力.结果薄层检测和气相色谱检测表明,该脂肪酶

2、具有催化蓖麻油与甲醇发生酯交换反应制备蓖麻油酸甲酯的功能.随着反应时间的延长,酯交换率不断升高.甲醇分3次加入,酯交换率最高(78%).反应温度40,酯交换率最高(8l%).酶添加量O.6g,酯交换率最高(85%).结论在醇油摩尔比3:l,甲醇分3次加入,固定化酶添加量0.6g,反应温度40,150r/min条件下反应10h,油脂的酯交换率达85%.关键词生物柴油;蓖麻油;甲醇;脂肪酶;催化剂中图分类号$216文献标识码A文章编号0517661l(2008)160695003PraryStudyoneroingBiodieselwitlICastorOilbyEnzymaticCatalysi

3、sGAOLi-feietal(CollegeofFoodEngineeringandBiotechnology,TiinUniversityofScienceandTechnology,TiinKeyLaboratoryofFood一tionandSafety,Tiain300457)AbstractObjectiveThepurposewastooptimizetheconditionofproducingbiodleselwithcastoroilbyenzymaticcatalysis.IMethodJH-4,astrainofPseudomonassp.-wasisolatedfrom

4、thesoilplantedcastor.WithimmobilizedenzymepreparedfromthefermentationbrothofH-4ascatalyzer,thetransesterificationofcastoroilandmethylalcoholwascatalyzedtoproducebiodieselSOastostudyitstransesterificationability,ResultTLCandGCdeteetionsshowedthatthelipasehadfunctionofcatalyzingtransosterificationreac

5、tionofcastorollandmethylalcoholtoproducerlclnoleinacidmethylester.Theesterexchangingrateincreasedcontinuallyalongwiththeprolongingofreactiontime.Whenmethylalcoholwasaddedseparatelyfor3times,theesterexchangingmtewas78%.WhenthereactiontemperatureWas40,theesterexchangingmtewas81%.Whentheenzymeadditionw

6、asO.6g,theesterexchangingmtewas85%.1ConelusionUnderthereactionconditionwiththemoleratioofalcoholtooilbeing3:1,addingmethylalcoholseparatelyfor3timeswithintervalof3handO.6gimmobilizedenzyme,reactingat40and150r/rain,theesterexchangingmteoftheoilreached85%.KeywordsBiodiesel;Castoroil;Methylalcohol;Lipa

7、se;Catalyzer随着地球上煤炭,石油等不可再生化石能源储量的日益减少以及燃烧造成的污染日益严重,风能,太阳能,生物能等清洁的可再生能源日益受到人们的关注.生物柴油是近年来迅速发展的一种新兴的生物能,由可再生的油脂原料,如植物或动物油脂,经合成(酯交换)所得的长链脂肪酸甲酯,是可代替柴油的一种环保燃料油.目前,生物柴油的工业化生产一般采用化学法,即利用动,植物油脂与短链醇在强酸或强碱的作用下制备,但该法存在反应时醇量必须过量,能量消耗高,对原料要求苛刻,下游处理过程繁杂和废碱液污染环境等缺点_2j.脂肪酶催化合成生物柴油因要求的醇用量小,反应条件温和,无污染物排放,产品容易分离而倍受关注

8、4-6.根据KevinJ.Harrington的研究I7j,作为柴油替代品的理想物质应具有以下分子结构:较长的碳直链;双键数目尽可能少,最好只有1个双键,且双键位于碳分子链的末端或者是均匀分布在碳分子中;含有一定含量的氧元素,最好是酯类,酚类,醇类化合物;分子结构尽可能没有或只有很少的碳支链;分子中不含有芳香烃结构.蓖麻油主要成分是蓖麻油酸甘油脂(80%以上),其化学名称为12.羟基.9.十八烯酸,分子式为c(cH,)(OH)CHCH2CH:CH(CH2)COOH_8J,以蓖麻油为原料制备石化柴油的替代物生物柴油具有可行性.笔者以蓖麻油为原料,从某蓖麻种植试验地土壤中分离出l株产脂肪酶菌株,发

9、酵后提取脂肪酶,催化蓖麻油与甲醇发生酯交换反应生产生物柴油,初步研究了该酶的转酯能力.作者简介高利飞(1982一),女,河北张家口人,硕士研究生,研究方向:农副产品生物转化.*通讯作者.收稿日期20O803291材料与方法1.1试验材料蓖麻油购自内蒙古通辽化工厂,固定化脂肪酶自制(从蓖麻种植试验地土壤中筛选分离出1株产脂肪酶菌株(Pseudomonassp.)H.4,发酵后提取脂肪酶,固定在硅藻土上),蓖麻油酸甲酯标准品为色谱纯,甲醇,正己烷,氯仿,丙酮等均为分析纯.1.2试验方法1.2.1脂肪酶固定化.准确称取10.00g硅藻土,加入10.0ogpH值7.5的磷酸缓冲液,置于70烘箱中,干燥

10、后精确称取8.57g,与20ml发酵液混合,室温条件下放置,干燥后制成固定化粗酶9l9.1.2.2酯交换反应.1.2.2.1转酯反应体系.5ml正己烷,4ml蓖麻油,1.35ml甲醇(甲醇,蓖麻油摩尔比3:1),一定量固定化脂肪酶,反应一定时问后取上层混合液进行分析.1.2.2.2转酯能力检测.薄层层析检测.吸附剂:硅胶板GF254;展开剂:三氯甲烷:丙酮(24:1,V/V);显色剂:碘;点样量:510l.气相色谱检测.气相色谱分析条件:CBP毛细管柱(50Ill0.25Bin,0.25胛),进样口温度280,起始柱温120,保持5min,升温速度为5C/min,结束柱温240,检测器温度28

11、0,进样量为1,载气N2,流量1.0ml/min,分流比为20:1.,r1.2.2.3分析方法.定性分析方法.比较蓖麻油酸甲酯标准品与产物在硅胶板上的R值,初步分析以H4制备的脂肪酶是否具有转酯能力,并利用标准品的峰保留时间及峰形与产物峰保留时间及峰形对比,确认该酶的转酯能力.定量分析方法.油脂的酯交换率计算公式:酯交换%,=100(1)36卷l6期高利飞等酶法催化蓖麻油生产生物柴油的研究69512结果与分析2.1转酯能力的测定2.1.1薄层层析检测.在1.2.2.1的反应体系中催化蓖麻油进行转酯反应,测定转酯能力,结果见图1.注:1为蓖麻油酸甲酯标准品,2为转酯反应产物.Note:1.Sta

12、ndardofmethyloleateincastor-oilp1;2.Productsofinterestfication.图1蓖麻油酸甲酯的薄层层析定性检测Fig.1Qualitativedetectionofmethyloleateincasr-oilplant由图1可知,蓖麻油酸甲酯标准品与转酯反应产物的R值相近,初步认为从种植蓖麻的土壤中筛选的H.4菌株产生的脂肪酶具有催化蓖麻油与甲醇发生酯交换反应的功能.2.1.2气相色谱检测.对蓖麻油酸甲酯标准品及转酯反应产物进行气相色谱检测,结果见图2和图3.由图2,3可知,转酯反应产物图谱中1的峰保留时间及峰形与蓖麻油酸甲酯标准品图谱的峰保留

13、时间及峰形一致,说明该脂肪酶具有催化蓖麻油发生转酯反应制备蓖麻油酸甲酯的功能.暑时间TiI【Ierain图2蓖麻油酸甲酯标准品气相色谱Fig.2Gasdlromatogramofmethyloleateincasr-oilplant2.2油脂酯交换率的测定2.2.1反应时间对酯交换率的影响.由图4可知,醇油摩尔比为理论反应比例3:1,在37,150r/min的条件下进行反应,随着反应时间的延长,油脂的酯交换率不断升高.前6h反应速度增长很快,8h后反应速度变慢,接近平衡,10h时油脂的酯交换率达到最大,为72%,因此,确定910h作为反应时间.2.2.2甲醇添加次数对酯交换率的影响.由图5可知

14、,醇油摩尔比为理论反应比例3:1,在37oC,150r/min的条件下反应10h,甲醇1次性加入时油脂转化率较低,甲醇过量对脂肪酶有毒害作用,减弱其催化功能.甲醇分3次加入,脂交换率最高,为78%,大于3次添加次数对脂交换率影响不大.2.2.3反应温度对酯交换率的影响.由图6可知,醇油摩尔比为理论反应比例3:1,甲醇分3次加入,150r/min条件下反应10h,反应温度40qC时脂交换率最高,达81%.提高温度增加了反应物分子的热能,加速了反应速度,酶活性也随之增高,脂交换率升高,但当温度增加到一定程度时,酶本身蛋白质结构的分子热能增加,导致维系酶三维结构的非共价键相互作用破裂,最终造成酶变性

15、,降低了其催化活性.时间Tilmmin注:1为转酯反应产物中的蓖麻油酸甲酯.Note:1.Methyloleateincastor-oilplantintheproductsofinterestefiIi-cation.图3转酯反应产物气相色谱rig.3GasdaromatogramoftheproductsofinteresterificaUonb0许普羹巷曰-b0许詈羹藿目-反应时间ReactiontiI【Ieh图4反应时间对酯交换率的影响ng.4Effectsofreactionthne蚰esterard1aI咖rate甲醇添加次数AddiI1gtimsofrmthanol次图5甲醇添加次数对酯交换率的影响Fig.5Effectsofa【ldiIlgtimesofmethanolonesterard珊I咖rate2,2,4酶添加量对酯交换率的影响.由图7可知,醇油摩尔比为理论反应比例3:1,甲醇分3次加入,在40,150r/lTlin的条件下反应10h,酶添加量0,6g(油脂质量