蔣貞貞　朱俊任

摘要：以重慶火鍋廢油為原料，甲醇為?；荏w，凱泰固定化脂肪酶為催化劑，采用固定床反應(yīng)體系研究了生物酶法催化餐飲廢油制備生物柴油的工藝。結(jié)果表明，經(jīng)過預(yù)處理的火鍋廢油，分3次投加甲醇、正己烷用量10%、含水率10%、生物酶用量20%、水浴溫度47.5 ℃，于高徑比為12.5∶1.0、柱流速為0.6 mL/min的固定床裝置中反應(yīng)24 h，生物柴油產(chǎn)率達(dá)76.5%。采用減壓蒸餾方法精制后生物柴油產(chǎn)率可達(dá)90%以上，說明生物酶法催化火鍋廢油制備生物柴油工業(yè)化生產(chǎn)具有可行性。

關(guān)鍵詞：生物酶；酶催化；生物柴油；火鍋廢油

中圖分類號：O643；Q55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）06-1395-03

Preparation Biodiesel from Waste Cooking Oil of Hot Pot with Bio-enzyme

JIANG Zhen-zhen1，ZHU Jun-ren2

（1. Chongqing Institute of Engineering， Chongqing 400037， China；2. Chongqing City Management College， Chongqing 400047， China）

Abstract： Using waste oil of hot pot in Chongqing as raw material，methanol as acyl acceptor，kete immobilized lipase as catalyst， the development of biodiesel from waste cooking oil of hot pot was studied. The results showed when adding methanol 3 times，lipase dosage at 20%， n-hexane amount at 10%， moisture content at 10%， water bath temperature under 47.5 ℃， reacting in the column with a height to diameter ratio of 12.5∶1.0 at a flow rate of 0.6 mL/min in the fixed bed unit for 24 h，the rate of biodiesel production was 76.5%. The rate of biodiesel production was more than 90% when vacuum distillation was used. Developing biodiesel from waste cooking oil of hot pot by bio-enzyme is feasible.

Key words： bio-enzyme； enzymatic； biodiesel； waste cooking oil from hot pot

石油是一種不可再生資源，隨著工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，國內(nèi)外對石油的需求量不斷攀升[1]。石油市場的緊張局面導(dǎo)致石油價格的不斷上升，促使了新能源—生物柴油的開發(fā)與利用[2]。生物柴油是由動植物油脂通過酯化或轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)得到的長鏈脂肪酸甲酯，其工業(yè)化生產(chǎn)很大程度上取決于原料油的成本[3，4]。從經(jīng)濟(jì)角度上，純動植物油脂可以食用或加工成香皂等化工用品，直接采用動植物油脂生產(chǎn)生物柴油成本較高，以餐飲廢油或者地溝油等下腳料為原料具有可行性[5]。

重慶火鍋油是一種典型的餐飲廢油，受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動，重慶火鍋油被某些不法商販經(jīng)過多次反復(fù)高溫煎煮使用，不僅導(dǎo)致游離脂肪酸含量升高，而且還將產(chǎn)生上百種醛、酮及聚合物等氧化產(chǎn)物[6，7]。將火鍋廢油變廢為寶的方法之一是以火鍋廢油為原料生產(chǎn)生物柴油，這不僅可以減少廢油排放對環(huán)境的污染，而且可以生產(chǎn)可替代燃料，增加國家的能源儲備。本研究選用重慶特有的火鍋廢油，以甲醇為酰基受體，凱泰固定化脂肪酶為催化劑，采用固定床反應(yīng)體系研究了生物酶法催化餐飲廢油制備生物柴油的工藝，為火鍋廢油的利用提供了一條新的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑 餐飲廢油取自重慶火鍋企業(yè)；凱泰固定化脂肪酶LS-20（北京凱泰新世紀(jì)生物科技有限公司）；甲醇、正己烷（分析純）；工業(yè)級植物油脫膠劑（武漢達(dá)銘科技發(fā)展有限公司）；13碳甲酯（色譜純，Sigma公司）。

1.1.2 試驗儀器 固定床反應(yīng)器為自制，玻璃材質(zhì)，外部為可通熱水的夾套，內(nèi)徑28 mm，高度350 mm；HL-2D型定時數(shù)顯恒流泵（上海精科實業(yè)有限公司）；電磁攪拌器（上海司樂儀器有限公司）；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵；GC-2010型氣相色譜儀（日本島津公司）。

1.2 方法

1.2.1 原料的預(yù)處理 將餐飲廢油依次采取去離子水水洗，過濾除雜，加熱至105 ℃除水，加入工業(yè)級植物油脫膠劑攪拌一段時間后，制得原料油。

1.2.2 生物柴油的制備 在高徑比為12.5∶1.0的固定床反應(yīng)器中用玻璃纖維填料填充兩端，高度均為0.6 cm；中間填充凱泰固定化脂肪酶，堆積密度為0.226 g/cm3；采用離心泵使超級恒溫器的熱水循環(huán)，保證恒定的反應(yīng)溫度；反應(yīng)物混合均勻后用恒流泵輸送至反應(yīng)器頂部并使之循環(huán)；反應(yīng)過程中及時將副產(chǎn)物甘油分離去除[8]，固定化裝置原理圖參見文獻(xiàn)[9]。

1.2.3 反應(yīng)產(chǎn)物的組成測定 以正己烷為溶劑，十三碳甲酯為內(nèi)標(biāo)，采用氣相色譜法[9，10]測定已經(jīng)除去甲醇、正己烷和水后的反應(yīng)產(chǎn)物（酯相）的組成，按照下式計算生物柴油的產(chǎn)率。

生物柴油產(chǎn)率=

■×100%

1.2.4 生物柴油的精制 采用減壓蒸餾方法精制生物柴油。利用真空泵抽真空，真空度約為0.09 MPa；使用甲基硅油油浴加熱，油浴溫度250～300 ℃時，減壓蒸餾收集餾分，從180 ℃收集至270 ℃結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲醇加入方式對生物柴油產(chǎn)率的影響

在甲醇投加總量一定的條件下，不同的甲醇投加次數(shù)對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖1。由圖1可知，甲醇一次性加入時反應(yīng)產(chǎn)率較低，24、36 h分別只有23.3%和27.7%，隨著加入次數(shù)的增多，反應(yīng)產(chǎn)率逐漸升高。甲醇分3次加入反應(yīng)體系時，24 h反應(yīng)產(chǎn)率可以達(dá)到55.4%，36 h時反應(yīng)產(chǎn)率達(dá)到66.5%，可能是含有較高濃度甲醇的油料接觸脂肪酶產(chǎn)生的毒性要強(qiáng)于低濃度甲醇油料；還可能是當(dāng)一次性添加甲醇時，由于恒流泵的作用，使甲醇以較快的速度最先到達(dá)反應(yīng)器頂部，且高濃度甲醇先與脂肪酶直接接觸反應(yīng)，使蛋白質(zhì)中毒失活且部分甲醇被脂肪酶吸收。因此增加甲醇投加次數(shù)，降低油料的甲醇濃度，可提高生物柴油產(chǎn)率。分3次加入甲醇使生物柴油產(chǎn)率上升，也表明了分一定次數(shù)投加甲醇既可以保證正常的反應(yīng)底物濃度，又不會因體系中過多的甲醇導(dǎo)致脂肪酶不可逆失活變性。結(jié)果表明，分3次添加甲醇是生產(chǎn)生物柴油較好的方法。

2.2 正己烷用量對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同用量的非水溶劑正己烷對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖2。由圖2可知，隨著非水溶劑正己烷溶劑加入量的增多，生物柴油產(chǎn)率迅速上升，當(dāng)正己烷超過一定量后，產(chǎn)率逐漸降低，在正己烷加入量為10%時，生物柴油產(chǎn)率達(dá)到最高，說明一定量的有機(jī)溶劑存在，可以稀釋反應(yīng)體系的黏度，同時讓甲醇更好地分散在溶液中，從而使醇油能更好地與酶接觸，反應(yīng)進(jìn)行得更加完全；但過多的溶劑使得反應(yīng)底物的濃度過低，影響了反應(yīng)速率，從而使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低。因此，選擇10%的正己烷作為非水溶劑為宜。

2.3 含水率對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同的含水率對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖3。由圖3可知，反應(yīng)體系中生物柴油產(chǎn)率隨著含水率的增大成呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)含水率為10%時，產(chǎn)率達(dá)到最大值。這是因為少量的水會降低甲醇的毒性，且能和溶劑更好地互溶，而使醇油能更好與酶接觸，反應(yīng)進(jìn)行得更完全。但隨著含水率的增加，反應(yīng)底物的濃度降低，降低了酯化反應(yīng)速率；且含水油脂會在脂肪酶的催化下發(fā)生水解反應(yīng)，含水率越大油脂水解的機(jī)會越有可能大于轉(zhuǎn)酯化，從而減少了生物柴油的產(chǎn)率；同時，隨著反應(yīng)體系含水率的升高，酶的結(jié)構(gòu)性質(zhì)會發(fā)生改變，且可能造成固定化酶的脫落，降低酶的催化活性引起反應(yīng)產(chǎn)率下降。因此，選擇10%的油料含水率為宜。

2.4 生物酶用量對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同的生物酶用量對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖4。由圖4可知，當(dāng)生物酶用量低于20%時，隨著生物酶用量的增加，產(chǎn)率逐漸升高，且與轉(zhuǎn)酯化時間呈正相關(guān)；但當(dāng)生物酶用量高于20%時，產(chǎn)率隨生物酶用量增加而增幅減緩，隨著轉(zhuǎn)酯化時間的增加更趨平緩。所以，綜合分析酶的成本和生物柴油產(chǎn)率及反應(yīng)時間，得出本研究以生物酶用量為20%，反應(yīng)24 h為宜。該條件下生物柴油產(chǎn)率達(dá)到74.0%，繼續(xù)增加生物酶量，對產(chǎn)率的影響較小。

2.5 反應(yīng)溫度對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同的水浴溫度對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖5。由圖5可知，當(dāng)水浴溫度為35.0 ℃時生物柴油產(chǎn)率維持較低水平，隨著溫度的升高，產(chǎn)率不斷升高，當(dāng)水浴溫度達(dá)到47.5 ℃時，生物柴油產(chǎn)率達(dá)到最大值76.5%，繼續(xù)升高溫度，產(chǎn)率反而有所降低。表明當(dāng)體系溫度太低時，酶的活性沒有充分發(fā)揮，升高溫度增加了底物分子的熱能，增大了反應(yīng)速度，酶的活性也隨之增高[10]；當(dāng)溫度達(dá)到脂肪酶的最適溫度后繼續(xù)升高溫度，會使酶本身蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子熱能增加，導(dǎo)致維系酶三維結(jié)構(gòu)的非共價鍵的破裂，使酶變性，且溫度過高還會減少酶的壽命，最終降低反應(yīng)催化效果；同時，升高溫度會使甲醇對脂肪酶的毒性加劇，從而影響酶的活性。因此，酶反應(yīng)溫度在47.5 ℃為宜。

2.6 生物柴油的精制

反應(yīng)前后、精制后的生物柴油產(chǎn)品見圖6。由圖6可知，原料油的顏色較深偏紅，經(jīng)過反應(yīng)后生物柴油粗品顏色明顯變化，顏色由偏紅轉(zhuǎn)到深黃，顏色的明顯變化也從側(cè)面表明轉(zhuǎn)酯化較為成功。再經(jīng)過減壓蒸餾分離精制后的純品顏色淡黃較透明。從外觀上看，原料油顏色深偏紅，這可能是由于植物油多次使用后油脂中的蛋白質(zhì)會出現(xiàn)酸敗現(xiàn)象，同時存在一定量的色素、辣椒素；反應(yīng)后的粗生物柴油產(chǎn)品顏色較深，這可能是產(chǎn)物中存在一定量（約5%）的游離脂肪酸所致。同時由于存在微量水使得粗產(chǎn)物稍微混濁。將精制后生物柴油產(chǎn)品進(jìn)行氣相檢測，發(fā)現(xiàn)餾出物基本只含棕櫚酸甲酯、棕櫚油酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、硬脂酸甲酯以及亞麻酸甲酯的混和物。脂肪酸甲酯的含量由精制前的76.5%到精制后的含量達(dá)到90%以上。

3 結(jié)論

生物酶法可以較好地將火鍋廢油轉(zhuǎn)化為生物柴油，經(jīng)過預(yù)處理的火鍋廢油，在醇油摩爾比為3.0∶1.0、分3次投加甲醇、正己烷用量10%、含水率10%、生物酶用量20%、水浴溫度47.5 ℃，于高徑比為12.5∶1.0、柱流速為0.6 mL/min的固定床裝置中反應(yīng)24 h，生物柴油產(chǎn)率達(dá)76.5%。采用減壓蒸餾方法精制后生物柴油產(chǎn)率可達(dá)90%以上，生物酶法催化火鍋廢油制備生物柴油工業(yè)化生產(chǎn)具有可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱俊任，鄭旭煦，李 強(qiáng)，等.不同來源脂肪酶催化制備生物柴油的研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2010，26（4）：318-322.

[2] 李 瑩，張 航，劉寶麗，等.用餐飲業(yè)廢棄油脂制備生物柴油的研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（5）：1015-1017.

[3] LU J，NIE K，WANG F，et al. Immobilized lipase Candida sp. 99-125 catalyzed methanolysis of glycerol trioleate： Solvent effect[J]. Bioresource Technology，2008，99（14）：6070-6074.

[4] 申 渝，張海東，鄭旭煦，等.硅基MCF材料固載脂肪酶轉(zhuǎn)化餐飲廢油產(chǎn)生物柴油[J].化工學(xué)報，2012，63（6）：1888-1892.

[5] 李澤群，沈 英，鄭鈞仁，等.廢食用油堿與酶催化法制備生物柴油[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，51（9）：1856-1858，1862.

[6] PAUL S， MITTAL G S.Dynamics of fat oil degradation during frying based on optical properties [J]. J Food Eng，1996，30（3-4）：389-403.

[7] 陳立功，周 星，楊 鑫.均相堿催化高動物油含量餐飲廢油制備生物柴油[J].石油煉制與化工，2010，41（12）：52-55.

[8] 陳英明，常 杰，付 嚴(yán)，等.酸化油固定床酶法合成生物柴油研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報，2008，36（2）：236-240.

[9] 鄭旭煦，朱俊任，殷鐘意，等.凱泰固定化脂肪酶催化火鍋廢油制備生物柴油的研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（12）：2529-2532.

[10] 鄧 利，譚天偉，王 芳.脂肪酶催化合成生物柴油的研究[J].生物工程學(xué)報，2003，19（1）：97-101.

生物柴油產(chǎn)率=

■×100%

1.2.4 生物柴油的精制 采用減壓蒸餾方法精制生物柴油。利用真空泵抽真空，真空度約為0.09 MPa；使用甲基硅油油浴加熱，油浴溫度250～300 ℃時，減壓蒸餾收集餾分，從180 ℃收集至270 ℃結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲醇加入方式對生物柴油產(chǎn)率的影響

在甲醇投加總量一定的條件下，不同的甲醇投加次數(shù)對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖1。由圖1可知，甲醇一次性加入時反應(yīng)產(chǎn)率較低，24、36 h分別只有23.3%和27.7%，隨著加入次數(shù)的增多，反應(yīng)產(chǎn)率逐漸升高。甲醇分3次加入反應(yīng)體系時，24 h反應(yīng)產(chǎn)率可以達(dá)到55.4%，36 h時反應(yīng)產(chǎn)率達(dá)到66.5%，可能是含有較高濃度甲醇的油料接觸脂肪酶產(chǎn)生的毒性要強(qiáng)于低濃度甲醇油料；還可能是當(dāng)一次性添加甲醇時，由于恒流泵的作用，使甲醇以較快的速度最先到達(dá)反應(yīng)器頂部，且高濃度甲醇先與脂肪酶直接接觸反應(yīng)，使蛋白質(zhì)中毒失活且部分甲醇被脂肪酶吸收。因此增加甲醇投加次數(shù)，降低油料的甲醇濃度，可提高生物柴油產(chǎn)率。分3次加入甲醇使生物柴油產(chǎn)率上升，也表明了分一定次數(shù)投加甲醇既可以保證正常的反應(yīng)底物濃度，又不會因體系中過多的甲醇導(dǎo)致脂肪酶不可逆失活變性。結(jié)果表明，分3次添加甲醇是生產(chǎn)生物柴油較好的方法。

2.2 正己烷用量對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同用量的非水溶劑正己烷對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖2。由圖2可知，隨著非水溶劑正己烷溶劑加入量的增多，生物柴油產(chǎn)率迅速上升，當(dāng)正己烷超過一定量后，產(chǎn)率逐漸降低，在正己烷加入量為10%時，生物柴油產(chǎn)率達(dá)到最高，說明一定量的有機(jī)溶劑存在，可以稀釋反應(yīng)體系的黏度，同時讓甲醇更好地分散在溶液中，從而使醇油能更好地與酶接觸，反應(yīng)進(jìn)行得更加完全；但過多的溶劑使得反應(yīng)底物的濃度過低，影響了反應(yīng)速率，從而使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低。因此，選擇10%的正己烷作為非水溶劑為宜。

2.3 含水率對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同的含水率對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖3。由圖3可知，反應(yīng)體系中生物柴油產(chǎn)率隨著含水率的增大成呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)含水率為10%時，產(chǎn)率達(dá)到最大值。這是因為少量的水會降低甲醇的毒性，且能和溶劑更好地互溶，而使醇油能更好與酶接觸，反應(yīng)進(jìn)行得更完全。但隨著含水率的增加，反應(yīng)底物的濃度降低，降低了酯化反應(yīng)速率；且含水油脂會在脂肪酶的催化下發(fā)生水解反應(yīng)，含水率越大油脂水解的機(jī)會越有可能大于轉(zhuǎn)酯化，從而減少了生物柴油的產(chǎn)率；同時，隨著反應(yīng)體系含水率的升高，酶的結(jié)構(gòu)性質(zhì)會發(fā)生改變，且可能造成固定化酶的脫落，降低酶的催化活性引起反應(yīng)產(chǎn)率下降。因此，選擇10%的油料含水率為宜。

2.4 生物酶用量對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同的生物酶用量對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖4。由圖4可知，當(dāng)生物酶用量低于20%時，隨著生物酶用量的增加，產(chǎn)率逐漸升高，且與轉(zhuǎn)酯化時間呈正相關(guān)；但當(dāng)生物酶用量高于20%時，產(chǎn)率隨生物酶用量增加而增幅減緩，隨著轉(zhuǎn)酯化時間的增加更趨平緩。所以，綜合分析酶的成本和生物柴油產(chǎn)率及反應(yīng)時間，得出本研究以生物酶用量為20%，反應(yīng)24 h為宜。該條件下生物柴油產(chǎn)率達(dá)到74.0%，繼續(xù)增加生物酶量，對產(chǎn)率的影響較小。

2.5 反應(yīng)溫度對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同的水浴溫度對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖5。由圖5可知，當(dāng)水浴溫度為35.0 ℃時生物柴油產(chǎn)率維持較低水平，隨著溫度的升高，產(chǎn)率不斷升高，當(dāng)水浴溫度達(dá)到47.5 ℃時，生物柴油產(chǎn)率達(dá)到最大值76.5%，繼續(xù)升高溫度，產(chǎn)率反而有所降低。表明當(dāng)體系溫度太低時，酶的活性沒有充分發(fā)揮，升高溫度增加了底物分子的熱能，增大了反應(yīng)速度，酶的活性也隨之增高[10]；當(dāng)溫度達(dá)到脂肪酶的最適溫度后繼續(xù)升高溫度，會使酶本身蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子熱能增加，導(dǎo)致維系酶三維結(jié)構(gòu)的非共價鍵的破裂，使酶變性，且溫度過高還會減少酶的壽命，最終降低反應(yīng)催化效果；同時，升高溫度會使甲醇對脂肪酶的毒性加劇，從而影響酶的活性。因此，酶反應(yīng)溫度在47.5 ℃為宜。

2.6 生物柴油的精制

反應(yīng)前后、精制后的生物柴油產(chǎn)品見圖6。由圖6可知，原料油的顏色較深偏紅，經(jīng)過反應(yīng)后生物柴油粗品顏色明顯變化，顏色由偏紅轉(zhuǎn)到深黃，顏色的明顯變化也從側(cè)面表明轉(zhuǎn)酯化較為成功。再經(jīng)過減壓蒸餾分離精制后的純品顏色淡黃較透明。從外觀上看，原料油顏色深偏紅，這可能是由于植物油多次使用后油脂中的蛋白質(zhì)會出現(xiàn)酸敗現(xiàn)象，同時存在一定量的色素、辣椒素；反應(yīng)后的粗生物柴油產(chǎn)品顏色較深，這可能是產(chǎn)物中存在一定量（約5%）的游離脂肪酸所致。同時由于存在微量水使得粗產(chǎn)物稍微混濁。將精制后生物柴油產(chǎn)品進(jìn)行氣相檢測，發(fā)現(xiàn)餾出物基本只含棕櫚酸甲酯、棕櫚油酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、硬脂酸甲酯以及亞麻酸甲酯的混和物。脂肪酸甲酯的含量由精制前的76.5%到精制后的含量達(dá)到90%以上。

3 結(jié)論

生物酶法可以較好地將火鍋廢油轉(zhuǎn)化為生物柴油，經(jīng)過預(yù)處理的火鍋廢油，在醇油摩爾比為3.0∶1.0、分3次投加甲醇、正己烷用量10%、含水率10%、生物酶用量20%、水浴溫度47.5 ℃，于高徑比為12.5∶1.0、柱流速為0.6 mL/min的固定床裝置中反應(yīng)24 h，生物柴油產(chǎn)率達(dá)76.5%。采用減壓蒸餾方法精制后生物柴油產(chǎn)率可達(dá)90%以上，生物酶法催化火鍋廢油制備生物柴油工業(yè)化生產(chǎn)具有可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱俊任，鄭旭煦，李 強(qiáng)，等.不同來源脂肪酶催化制備生物柴油的研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2010，26（4）：318-322.

[2] 李 瑩，張 航，劉寶麗，等.用餐飲業(yè)廢棄油脂制備生物柴油的研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（5）：1015-1017.

[3] LU J，NIE K，WANG F，et al. Immobilized lipase Candida sp. 99-125 catalyzed methanolysis of glycerol trioleate： Solvent effect[J]. Bioresource Technology，2008，99（14）：6070-6074.

[4] 申 渝，張海東，鄭旭煦，等.硅基MCF材料固載脂肪酶轉(zhuǎn)化餐飲廢油產(chǎn)生物柴油[J].化工學(xué)報，2012，63（6）：1888-1892.

[5] 李澤群，沈 英，鄭鈞仁，等.廢食用油堿與酶催化法制備生物柴油[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，51（9）：1856-1858，1862.

[6] PAUL S， MITTAL G S.Dynamics of fat oil degradation during frying based on optical properties [J]. J Food Eng，1996，30（3-4）：389-403.

[7] 陳立功，周 星，楊 鑫.均相堿催化高動物油含量餐飲廢油制備生物柴油[J].石油煉制與化工，2010，41（12）：52-55.

[8] 陳英明，常 杰，付 嚴(yán)，等.酸化油固定床酶法合成生物柴油研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報，2008，36（2）：236-240.

[9] 鄭旭煦，朱俊任，殷鐘意，等.凱泰固定化脂肪酶催化火鍋廢油制備生物柴油的研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（12）：2529-2532.

[10] 鄧 利，譚天偉，王 芳.脂肪酶催化合成生物柴油的研究[J].生物工程學(xué)報，2003，19（1）：97-101.

生物柴油產(chǎn)率=

■×100%

1.2.4 生物柴油的精制 采用減壓蒸餾方法精制生物柴油。利用真空泵抽真空，真空度約為0.09 MPa；使用甲基硅油油浴加熱，油浴溫度250～300 ℃時，減壓蒸餾收集餾分，從180 ℃收集至270 ℃結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲醇加入方式對生物柴油產(chǎn)率的影響

在甲醇投加總量一定的條件下，不同的甲醇投加次數(shù)對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖1。由圖1可知，甲醇一次性加入時反應(yīng)產(chǎn)率較低，24、36 h分別只有23.3%和27.7%，隨著加入次數(shù)的增多，反應(yīng)產(chǎn)率逐漸升高。甲醇分3次加入反應(yīng)體系時，24 h反應(yīng)產(chǎn)率可以達(dá)到55.4%，36 h時反應(yīng)產(chǎn)率達(dá)到66.5%，可能是含有較高濃度甲醇的油料接觸脂肪酶產(chǎn)生的毒性要強(qiáng)于低濃度甲醇油料；還可能是當(dāng)一次性添加甲醇時，由于恒流泵的作用，使甲醇以較快的速度最先到達(dá)反應(yīng)器頂部，且高濃度甲醇先與脂肪酶直接接觸反應(yīng)，使蛋白質(zhì)中毒失活且部分甲醇被脂肪酶吸收。因此增加甲醇投加次數(shù)，降低油料的甲醇濃度，可提高生物柴油產(chǎn)率。分3次加入甲醇使生物柴油產(chǎn)率上升，也表明了分一定次數(shù)投加甲醇既可以保證正常的反應(yīng)底物濃度，又不會因體系中過多的甲醇導(dǎo)致脂肪酶不可逆失活變性。結(jié)果表明，分3次添加甲醇是生產(chǎn)生物柴油較好的方法。

2.2 正己烷用量對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同用量的非水溶劑正己烷對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖2。由圖2可知，隨著非水溶劑正己烷溶劑加入量的增多，生物柴油產(chǎn)率迅速上升，當(dāng)正己烷超過一定量后，產(chǎn)率逐漸降低，在正己烷加入量為10%時，生物柴油產(chǎn)率達(dá)到最高，說明一定量的有機(jī)溶劑存在，可以稀釋反應(yīng)體系的黏度，同時讓甲醇更好地分散在溶液中，從而使醇油能更好地與酶接觸，反應(yīng)進(jìn)行得更加完全；但過多的溶劑使得反應(yīng)底物的濃度過低，影響了反應(yīng)速率，從而使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低。因此，選擇10%的正己烷作為非水溶劑為宜。

2.3 含水率對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同的含水率對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖3。由圖3可知，反應(yīng)體系中生物柴油產(chǎn)率隨著含水率的增大成呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)含水率為10%時，產(chǎn)率達(dá)到最大值。這是因為少量的水會降低甲醇的毒性，且能和溶劑更好地互溶，而使醇油能更好與酶接觸，反應(yīng)進(jìn)行得更完全。但隨著含水率的增加，反應(yīng)底物的濃度降低，降低了酯化反應(yīng)速率；且含水油脂會在脂肪酶的催化下發(fā)生水解反應(yīng)，含水率越大油脂水解的機(jī)會越有可能大于轉(zhuǎn)酯化，從而減少了生物柴油的產(chǎn)率；同時，隨著反應(yīng)體系含水率的升高，酶的結(jié)構(gòu)性質(zhì)會發(fā)生改變，且可能造成固定化酶的脫落，降低酶的催化活性引起反應(yīng)產(chǎn)率下降。因此，選擇10%的油料含水率為宜。

2.4 生物酶用量對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同的生物酶用量對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖4。由圖4可知，當(dāng)生物酶用量低于20%時，隨著生物酶用量的增加，產(chǎn)率逐漸升高，且與轉(zhuǎn)酯化時間呈正相關(guān)；但當(dāng)生物酶用量高于20%時，產(chǎn)率隨生物酶用量增加而增幅減緩，隨著轉(zhuǎn)酯化時間的增加更趨平緩。所以，綜合分析酶的成本和生物柴油產(chǎn)率及反應(yīng)時間，得出本研究以生物酶用量為20%，反應(yīng)24 h為宜。該條件下生物柴油產(chǎn)率達(dá)到74.0%，繼續(xù)增加生物酶量，對產(chǎn)率的影響較小。

2.5 反應(yīng)溫度對生物柴油產(chǎn)率的影響

不同的水浴溫度對生物柴油產(chǎn)率的影響見圖5。由圖5可知，當(dāng)水浴溫度為35.0 ℃時生物柴油產(chǎn)率維持較低水平，隨著溫度的升高，產(chǎn)率不斷升高，當(dāng)水浴溫度達(dá)到47.5 ℃時，生物柴油產(chǎn)率達(dá)到最大值76.5%，繼續(xù)升高溫度，產(chǎn)率反而有所降低。表明當(dāng)體系溫度太低時，酶的活性沒有充分發(fā)揮，升高溫度增加了底物分子的熱能，增大了反應(yīng)速度，酶的活性也隨之增高[10]；當(dāng)溫度達(dá)到脂肪酶的最適溫度后繼續(xù)升高溫度，會使酶本身蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子熱能增加，導(dǎo)致維系酶三維結(jié)構(gòu)的非共價鍵的破裂，使酶變性，且溫度過高還會減少酶的壽命，最終降低反應(yīng)催化效果；同時，升高溫度會使甲醇對脂肪酶的毒性加劇，從而影響酶的活性。因此，酶反應(yīng)溫度在47.5 ℃為宜。

2.6 生物柴油的精制

反應(yīng)前后、精制后的生物柴油產(chǎn)品見圖6。由圖6可知，原料油的顏色較深偏紅，經(jīng)過反應(yīng)后生物柴油粗品顏色明顯變化，顏色由偏紅轉(zhuǎn)到深黃，顏色的明顯變化也從側(cè)面表明轉(zhuǎn)酯化較為成功。再經(jīng)過減壓蒸餾分離精制后的純品顏色淡黃較透明。從外觀上看，原料油顏色深偏紅，這可能是由于植物油多次使用后油脂中的蛋白質(zhì)會出現(xiàn)酸敗現(xiàn)象，同時存在一定量的色素、辣椒素；反應(yīng)后的粗生物柴油產(chǎn)品顏色較深，這可能是產(chǎn)物中存在一定量（約5%）的游離脂肪酸所致。同時由于存在微量水使得粗產(chǎn)物稍微混濁。將精制后生物柴油產(chǎn)品進(jìn)行氣相檢測，發(fā)現(xiàn)餾出物基本只含棕櫚酸甲酯、棕櫚油酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、硬脂酸甲酯以及亞麻酸甲酯的混和物。脂肪酸甲酯的含量由精制前的76.5%到精制后的含量達(dá)到90%以上。

3 結(jié)論

生物酶法可以較好地將火鍋廢油轉(zhuǎn)化為生物柴油，經(jīng)過預(yù)處理的火鍋廢油，在醇油摩爾比為3.0∶1.0、分3次投加甲醇、正己烷用量10%、含水率10%、生物酶用量20%、水浴溫度47.5 ℃，于高徑比為12.5∶1.0、柱流速為0.6 mL/min的固定床裝置中反應(yīng)24 h，生物柴油產(chǎn)率達(dá)76.5%。采用減壓蒸餾方法精制后生物柴油產(chǎn)率可達(dá)90%以上，生物酶法催化火鍋廢油制備生物柴油工業(yè)化生產(chǎn)具有可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱俊任，鄭旭煦，李 強(qiáng)，等.不同來源脂肪酶催化制備生物柴油的研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2010，26（4）：318-322.

[2] 李 瑩，張 航，劉寶麗，等.用餐飲業(yè)廢棄油脂制備生物柴油的研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（5）：1015-1017.

[3] LU J，NIE K，WANG F，et al. Immobilized lipase Candida sp. 99-125 catalyzed methanolysis of glycerol trioleate： Solvent effect[J]. Bioresource Technology，2008，99（14）：6070-6074.

[4] 申 渝，張海東，鄭旭煦，等.硅基MCF材料固載脂肪酶轉(zhuǎn)化餐飲廢油產(chǎn)生物柴油[J].化工學(xué)報，2012，63（6）：1888-1892.

[5] 李澤群，沈 英，鄭鈞仁，等.廢食用油堿與酶催化法制備生物柴油[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，51（9）：1856-1858，1862.

[6] PAUL S， MITTAL G S.Dynamics of fat oil degradation during frying based on optical properties [J]. J Food Eng，1996，30（3-4）：389-403.

[7] 陳立功，周 星，楊 鑫.均相堿催化高動物油含量餐飲廢油制備生物柴油[J].石油煉制與化工，2010，41（12）：52-55.

[8] 陳英明，常 杰，付 嚴(yán)，等.酸化油固定床酶法合成生物柴油研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報，2008，36（2）：236-240.

[9] 鄭旭煦，朱俊任，殷鐘意，等.凱泰固定化脂肪酶催化火鍋廢油制備生物柴油的研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（12）：2529-2532.

[10] 鄧 利，譚天偉，王 芳.脂肪酶催化合成生物柴油的研究[J].生物工程學(xué)報，2003，19（1）：97-101.