酶法制备脂肪酸甲酯的研究

论文摘要

脂肪酸甲酯是重要的化工中间体,具有广泛的应用领域,如可用来合成多种表面活性剂;用作洗涤剂以及其他许多化学制品的原料;用作高级润滑油的添加剂、机械加工的切削油、冷却液等。目前,脂肪酸甲酯最主要的作用就是作为生物柴油进行开发,将脂肪酸或脂肪转化为脂肪酸甲酯用作生物柴油可为潲水油等提供有效利用途径,因而更具有重要的食品安全意义。脂肪酸甲酯一般通过动植物油脂和甲醇的酯交换反应获得,根据催化剂性质,可将脂肪酸甲酯的制备方法分为酸催化法、碱催化法和酶催化法等。酶催化具有能耗低、产品回收简单、无污染等优点,是最具潜力的制备方法之一。本文从降低生产成本、提高反应效率着手,以菜籽油为原料,以凯泰脂肪酶为催化剂,研究了脂肪酸甲酯的酶法制备工艺,研究内容及结论如下:对游离酶催化酯交换反应的条件进行了研究。首先探讨了反应体系和甲醇添加方式,确定了反应体系为乳化体系,甲醇分三次加入反应体系中。其次以甲酯得率为指标,通过单因素实验研究了水分含量、醇油摩尔比、反应温度、反应时间、酶用量等因素对酯交换反应的影响,并在单因素实验的基础上选择了水分含量、反应温度和醇油摩尔比等影响较显著的三个因素,采用响应面实验设计和分析方法,进一步对酶催化酯交换反应条件进行了优化。结果表明,游离酶催化酯交换反应的最适条件为:反应时间16h、酶用量400IU/g,水分含量21.5%、反应温度41℃、醇油摩尔比4.75:1,在此工艺条件下,甲酯得率为84.02%。研究了凯泰脂肪酶的固定化。以酶的活力回收率为指标,首先对大孔树脂D101、大孔树脂AB-8、大孔树脂X-5、硅藻土、壳聚糖、海藻酸钠等固定化载体材料进行了筛选,结果表明,海藻酸钠是最合适的固定化载体。然后通过单因素实验和正交实验,对海藻酸钠固定化脂肪酶的条件进行了优化,结果表明,海藻酸钠固定化脂肪酶的最佳工艺条件为:海藻酸钠浓度为1.25%,CaCl2浓度为12%,脂肪酶用量为200IU/g,注射器针头外径0. 65mm。此条件下固定化脂肪酶时,酶活力回收率为74.36%。在乳化反应体系中,对固定化脂肪酶催化菜籽油与甲醇的酯交换反应条件进行了优化。利用响应面设计和分析方法对酯交换反应条件进行优化的结果表明,固定化酶催化酯交换反应的最佳工艺条件为:水分含量34%、反应温度44℃、醇油摩尔比7.6:1、反应时间20h、固定化酶用量400IU/g。在此工艺条件下甲酯得率达到84.89%。固定化酶连续使用5次之后,甲酯得率仍能达到68.35%。GC-MS对所得样品的分析结果表明,脂肪酸甲酯主要有棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、亚油酸甲酯、油酸甲酯、芥酸甲酯,其中油酸甲酯含量最高。通过碱炼工艺对所得脂肪酸甲酯粗品进行初步提纯。考察了加碱量和碱炼的初始温度两个因素对产品酸价的影响。结果表明当加碱量为0.070g/g油、初始温度60℃的条件下,产品酸价为0.45mgKOH/g油,达到了生物柴油.标准对酸价的规定。比较游离脂肪酶与固定化脂肪酶催化酯交换反应,固定化酶对甲醇具有更好的耐受性;在酶活性相当的条件下,固定化酶能达到与游离酶相同的催化效率;固定化酶能反复利用,与游离酶相比,降低了生产成本。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.1.1 脂肪酸甲酯的用途
• 1.1.2 脂肪酸甲酯的原料来源
• 1.1.3 酶法制备脂肪酸甲酯是最具潜力的工艺方法
• 1.2 脂肪酸甲酯的制备方法
• 1.2.1 化学法
• 1.2.2 超临界甲醇（SC-CO2）法
• 1.2.3 酶催化法
• 1.3 国内外脂肪甲酯开发利用现状
• 1.4 酶法制备脂肪酸甲酯
• 1.4.1 脂肪酶的筛选
• 1.4.2 脂肪酶的固定化
• 1.4.3 酶法制备脂肪酸甲酯的研究现状
• 1.5 酯交换反应转化率的测定
• 1.5.1 以反应物测定转化率
• 1.5.2 以反应产物测定转化率
• 1.6 影响酶法制备脂肪酸甲酯产业化发展的因素
• 1.6.1 寻找新的合适的原料
• 1.6.2 寻找合适的脂肪酶
• 1.6.3 寻找合适的酰基受体
• 1.7 本文的主要研究内容及工艺流程
• 1.7.1 游离酶催化酯交换反应的工艺条件优化
• 1.7.2 脂肪酶的固定化研究
• 1.7.3 固定化脂肪酶催化酯交换反应的工艺条件研究
• 1.7.4 脂肪酸甲酯的初步纯化
• 2 游离酶催化制备FAME 的工艺条件的探讨
• 2.1 引言
• 2.2 材料与试剂
• 2.2.1 实验仪器
• 2.2.2 实验药品与试剂
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 原料油品质分析
• 2.3.2 基本反应体系
• 2.3.3 甲醇添加方式
• 2.3.4 产品处理方法
• 2.3.5 分析方法
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 原料油品质
• 2.4.2 反应体系的选择
• 2.4.3 甲醇添加方式的选择
• 2.4.4 单因素实验
• 2.4.5 中心组合设计（CCD）
• 3 脂肪酶的固定化
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与仪器
• 3.2.1 主要实验仪器
• 3.2.2 主要实验试剂
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 硅藻土固定化酶的制备
• 3.3.2 大孔树脂（D101、AB-8、X-5）固定化脂肪酶的制备
• 3.3.3 壳聚糖固定化脂肪酶的制备
• 3.3.4 海藻酸钠包埋法制备固定化脂肪酶
• 3.3.5 酶活力测定方法
• 3.3.6 固定化酶活力回收率的测定
• 3.3.7 海藻酸钠包埋法固定化脂肪酶
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 固定化载体的选择的结果与讨论
• 3.4.2 包埋法固定脂肪酶的条件的结果与讨论
• 3.5 小结
• 4 固定化酶催化制备FAME 的工艺条件的探讨
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与仪器
• 4.2.1 实验材料与试剂
• 4.2.2 实验仪器
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 固定化脂肪酶的制备
• 4.3.2 酯交换反应
• 4.3.3 分析方法
• 4.3.4 脂肪酸甲酯的GC/MS 分析
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 单因素试验结果与讨论
• 4.4.2 中心组合设计（CCD）
• 4.4.3 质谱分析结果
• 4.5 小结
• 5 产品的纯化精炼
• 5.1 引言
• 5.2 实验试剂与仪器
• 5.2.1 实验试剂
• 5.2.2 实验仪器
• 5.3 实验方法与结果
• 5.3.1 实验方法
• 5.3.2 实验结果与讨论
• 5.4 小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况
• 致谢