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本文采用吸附法固定化价格低廉的国产脂肪酶,通过筛选适宜的载体和优化固定化条件,制备了能高效催化油脂的转酯反应且价格便宜的固定化脂肪酶。探讨了采用此固定化脂肪酶催化玉米油转酯生产生物柴油的可行性,并考察了各反应条件对该反应的影响。同时,对固定化脂肪酶的操作稳定性进行了初步的研究。在以上研究的基础上,进一步考察了用固定化脂肪酶催化餐饮业高酸废油脂转酯生产生物柴油的可行性,并通过对转酯反应过程的优化,进一步提高了固定化脂肪酶的催化效率和操作稳定性。
采用吸附法对来源于扩展青霉Penicillium expansum的脂肪酶进行了固定化。从20种不同来源的树脂中筛选出固定化效率高且价格低廉的D4020树脂作为载体,系统研究了固定化条件对固定化效率及固定化酶转酯活力的影响。结果表明,最适加酶量、缓冲液pH和吸附时间分别为0.7 g/g、9.4和4 h。在固定化过程中添加冻干保护剂,有可能提高酶活,但也有可能降低酶活,与加入的冻干保护剂的种类和浓度有关。冻干时添加0.5%的半乳糖有助于提高固定化酶的转酯活力。在上述优化条件下,固定化脂肪酶PEL的转酯活力为404.0 U/g,而所用的游离酶不能催化该转酯反应。
利用PEL催化玉米油转酯反应生产生物柴油,有机溶剂体系优于无溶剂体系,在所选用的五种有机溶剂中,叔戊醇为适宜的反应介质。反应体系中适量的有机溶剂一方面可以降低反应体系的黏度,减小传质阻力,加快酶反应速度,另一方面可以很好地溶解底物和甘油,降低其对酶反应的副作用。但过量有机溶剂的存在会稀释底物的浓度,降低酶反应速度。适宜的叔戊醇用量为0.4 g/g(相对于玉米油质量)。最适脂肪酶用量、加水量和反应温度分别为60.6 U/g、油重的1.2%和35℃。醇/油摩尔比为1:1的甲醇分别在反应0 h、2 h和6 h加入,在优化反应条件下,反应15 h后甲酯产率达85.0%;PEL具有较好的操作稳定性,反应10批次时,相对酶活力为62.8%。脂肪酶的固定化大大提高了其转酯反应活性及稳定性。 PEL能有效地催化餐饮业高酸废油脂转酯生产生物柴油,适宜的脂肪酶用量、叔戊醇添加量和反应温度分别为84.8 U/g、0.2 g/g和35℃。高酸废油脂中游离脂肪酸含量较高,和甲醇反应生成大量的水。过多的水不仅会使酶聚集成团,增大传质阻力,降低酶的催化效率,而且会加速酶的失活过程。在反应体系中添加吸水剂都能有效地吸附反应过程中生成的水,甲酯产率均高于不添加吸水剂时的甲酯产率。在所选用的四种吸水剂中,变色硅胶为适宜的吸水剂,其最适添加量为油重的48%。醇/油摩尔比为1:1的甲醇分别在反应0 h、1 h和3 h加入,在优化反应条件下,反应7 h后甲酯产率达92.8%。反应10批次时,相对酶活力为68.4%。
分离纯化后的生物柴油主要性能指标完全达到德国生物柴油标准(DIN V51606),优于我国0<#>柴油(GB 252-2000)的主要性能指标。