微生物催化（共9篇）
微生物催化 篇1
生物柴油就是利用动植物油脂为原料, 经过酯交换反应得到的脂肪酸甲酯类物质, 其性质与矿物油比较接近, 因此被公认为一种可再生的清洁能源。生物柴油具有可再生、可降解、无毒、高闪点、高十六烷值等特点, 近几年受到广泛关注。
制备生物柴油的方法有直接混合法、微乳法、热裂解法和酯交换法[1]。在各种制备方法中, 酯交换法是研究重点, 而酯交换的关键是催化剂的选择, 其中碱催化剂以其反应时间短、易操作等特点受到青睐。均相碱催化酯交换法具有转化率高、反应时间短等优点, 但后处理复杂, 且有大量废酸、碱液排出, 污染环境。非均相碱催化剂具有高选择性, 反应条件温和、副反应少、易于产物分离、可循环使用等优点, 从而有效防止环境污染。
本文以菜籽油为原料, 以非均相催化剂——超强固体碱CaO为催化剂, 制备生物柴油, 菜籽油转化率可达到95%以上。
1 实验部分
1.1 试剂及仪器
试剂:菜籽油 (市售压榨菜籽油) 、甲醇 (AR) 、碳酸铵 (AR) 、CaO (AR) 。
仪器:250 mL圆底三口烧瓶、84-2型数显搅拌恒温电热套;冷凝管、电子天平等。
1.2 菜籽油的精制
在菜籽油中加入重量为3%油重的NaOH水溶液, 搅拌30 min, 然后离心去皂。将离心后的菜籽油用油重10%, 60～70 ℃的热水进行水洗后, 倒入分液漏斗静置2 h;取上层油脂, 90～95 ℃下加油重2%～5%的膨润土搅拌 (10～20 min) , 除去少量残留皂和水分, 分离得精炼菜籽油。
1.3 催化剂的制备
关于非均相催化剂的制备已有很多相关的报道[2,3,4,5,6], 其中多采取等体积浸渍法, 该方法制备时间较长, 操作复杂。本文采用文献[4]所述的氧化钙催化剂的制备方法进行制备, 该方法工艺简单, 时间短。具体工艺如下:将12 g碳酸铵溶解于去离子水中, 加入12 g氧化钙, 搅拌30 min, 抽滤, 收集固体。在110 ℃下烘干, 研磨至粒径250 μm后, 放入坩埚中, 升温到900 ℃, 焙烧1.5 h。这样就得到了非均相固体碱催化剂。
1.4 实验操作
将250 mL三口烧瓶置于84-2型数显搅拌恒温电热套。将处理过的菜籽油加入三口瓶中, 加入一定量的非均相催化剂。搅拌20 min后, 升温至一定温度时, 加入一定比例的甲醇, 开始反应。反应结束后, 蒸馏反应液中甲醇, 抽滤催化剂。产物静置分层, 上层为生物柴油产品, 下层为粗甘油。
1.5 分析方法
甘油含量按GB/T 687-94测定。
酸值按GB/T 264 石油产品酸值测定法测定。
2 结果与讨论
菜籽油经过处理后, 酸价小于1.0 mgKOH·g-1, 说明菜籽油中游离脂肪酸的含量很小, 不会使催化剂中毒失活[7], 可进行酯交换反应。
2.1 正交实验法确定最佳工艺条件
采用L9 (34) 正交表, 从醇油摩尔比、催化剂用量和反应时间3个方面考察了制备生物柴油的最佳工艺条件。正交表设计及实验结果见表1。由极差分析可看出影响因素催化剂用量>醇油摩尔比>反应时间。
2.2 反应时间的影响
根据动力学原理, 用氧化钙作催化剂, 反应在2.5 h后达到平衡[8]。由图1可以看出, 当反应时间延长到2.5 h时, 生物柴油的收率达到98%, 但随着反应时间的继续延长, 生物柴油收率的提高并不明显。说明反应开始时酯交换反应速率很快, 然而当反应接近酯交换反应平衡点时, 其反应速率逐渐减慢, 并趋于恒定, 达到动力学平衡, 与均相酯交换反应的动力学过程相似[9]。
2.3 醇油摩尔比对反应的影响
按化学计量式, 100 mL油脂需要3 mol甲醇才能完全反应。为了提高反应转化率, 均相反应醇油比普遍采用6∶1[10]。适当提高醇油比, 可以提高产品收率, 但当醇油比高于9∶1时, 过量醇会影响甘油物相析出, 反而会降低最终产品收率。
2.4 催化剂用量的影响
在酯交换反应中, 如果不加入催化剂, 或加入少量催化剂, 即使甲醇过量很多, 与菜籽油的反应也是极为缓慢。一般随着催化剂用量的增加, 酯交换反应速率加快。催化剂加入量不足, 则反应时间较长或转化率不高;但固体催化剂加入量过多, 产物在固体颗粒的表面和颗粒间的存留量增加, 导致生物柴油产率下降。实验结果表明, 催化剂用量为2.0%左右时, 反应转化率达到最大值。
2.5 反应温度影响
由图3可以看出, 提高反应温度有助于反应的进行。这主要是由于随着温度的升高, 反应速率变快。而在常温下, 该体系能达到的最高温度为甲醇沸点, 即该反应在甲醇保持沸腾的状态下进行, 此时对反应较为有利。
通过正交实验, 考察温度、反应时间、醇油摩尔比以及催化剂加入量等因素, 得到在非均相氧化钙催化剂作用下, 最佳酯交换反应的工艺条件为:反应温度65 ℃, 反应时间2.5 h, 催化剂加入量为原料油的1.5%, 醇油摩尔比为9∶1, 在该条件下, 转化率可达到95%以上。
3 结论
均相氧化钙催化剂对制备生物柴油具有较好的催化活性, 反应产物处理简单, 可直接获得高品质的副产物甘油, 催化剂可回收利用。
通过正交实验的方法确定了最优化的工艺条件, 在此反应条件下菜籽油的转化率可达到95%以上。最终得到的生物柴油, 各项指标均符合GB/T 20828-2007国标要求。
参考文献
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微生物催化 篇2
酶催化生物可降解聚酯的合成与研究进展
生物可降解聚酯是一种新型高分子聚合材料,可通过发酵、化学方法和酶催化来合成.本文综述了酶催化下通过缩聚、酯交换、内酯开环聚合等方法合成此类聚酯.酶催化合成生物可降解聚酯是一种新型的技术,可以在温和条件下高效合成,有着传统方法难以比拟的.优势.
作 者：张建设 于九皋 吴颖 马骁飞 Zhang Jianshe Yu Jiugao Wu Ying Ma Xiafei 作者单位：天津大学理学院化学系,天津,300072 刊 名：化学通报（印刷版） ISTIC PKU英文刊名：CHEMISTRY 年，卷(期)： 71(3) 分类号：O6 关键词：生物可降解聚酯 酶催化 合成微生物催化 篇3
关键词：微生物,除草剂,降解,动力学模型
我国是一个农业大国,农药的生产与使用量占世界总产量的1/10,均居前列,其中除草剂占很大比重。我国研制和投产的除草剂已达数十种,乙草胺(C14H2OCl NO2)、甲草胺、丁草胺(C17H26Cl NO2)等已经成为我国农业除草的主要手段和工具。除草剂的广泛使用,也凸显了农药残留污染问题。农药污染问题已成为全球关注的热点。因此,加强农药的降解研究及解决农药对环境、食物的污染问题,是人类当前面临的共同难题。除草剂在土壤、水体中的降解主要包括光化学、化学降解、微生物降解等3种形式,其中微生物降解是近年来关注的热点。微生物降解农药的实质是通过微生物的新陈代谢作用将污染物稳定化和无机化,从而改变污染物的环境功能属性,降低或消除其对环境的影响。对于微生物降解除草剂方面的研究,多集中于菌种筛选和降解条件优化,而涉及农药降解动力学模型的研究则较少[1,2,3,4,5,6]。因此,本文主要通过对自然界中降解除草剂的微生物进行筛选,并用于除草剂的降解,研究降解机理及降解机制的动力学模型,在减少和消除除草剂对环境和人类带来的负面影响方面具有重要的意义。
1 微生物降解除草剂的机理
微生物对农药的作用方式可分为两大类,一类是微生物直接作用于农药,通过酶促反应降解农药,常说的农药微生物降解多属于此类,其主要方式包括氧化、还原、水解、缩合等几种反应类型;另一类是通过微生物的活动改变化学和物理的环境而间接作用于农药,其常见的作用方式有矿化作用、共代谢作用、生物浓缩或累积作用和微生物对农药的间接作用。
2 降解酰胺类除草剂的微生物种类及筛选
由于乙草胺在土壤及水体中存留的时间比较长,许多微生物经过自然驯化,即可将其作为碳源和能源物质加以分解利用,因此可以从受乙草胺严重污染的土壤中提取具有降解乙草胺特性的菌种,并加以培养、驯化、筛选出高效菌株,目前所知的降解乙草胺的微生物包含细菌、真菌、放线菌、藻类等,大多数来自于土壤微生物类群。细菌由于生化上的多种适用能力以及易诱发突变等特性而占主要地位。其中,假单胞菌属菌株是最活跃的菌株,对多种农药等化合物有分解作用。
3 酰胺类除草剂的微生物降解模型的构建
微生物降解农药残余物的过程动力学包括:基质降解动力学、微生物生长动力学和产气动力学。也可将其概括地分为2类,即一类是利用Monod的动力学模型;另一类是利用一级反应的动力学模型[1]。在废水处理中,动力学表达为群体动力学,去除土壤中农药残余物是生物处理的基本任务,而微生物的生长是基质去除的结果。
3.1 基质降解动力学
由于微生物的生长是较为缓慢的,因此人们考虑最多的是基质降解动力学模型。在基质降解速率模型中,Monod方程是最常用的,考察微生物增殖速率与底物浓度之间的关系,是用纯种微生物在单一底物培养基中进行试验,若用于混合基质,有时可能会造成误差较大。在实际用中,一般根据曲线的吻合程度来选择模型[7,8]。
作如下假设:
(1)反应器在在整个过程中处于平衡状态,即控制农药残余量不变,微生物处于平衡生长状态。
式(1)中:X为反应器中微生物的平均浓度;S为反应器中机制的平均浓度。
(2)整个反应过程中不存在其他毒物。
(3)整个反应器中的微生物浓度和基质浓度不随位置变化,维持一个常量。
用底物降解速率表示Monod方程如下:
式(2)中:u为底物的降解速率;qS,max为底物的最大比降解速率;cx为菌体浓度(mo L/L);KS为饱和常数,其值为当μ=1/2μmax时的底物浓度,也称为半饱和常数或半速度常数;cS为底物浓度(mo L/L)。
对于式(2),可以考虑2种极限状态,一种是当土壤中的酰胺类农药残余量较大时,即cS>KS,式(2)可简化为:
可见,当底物浓度较大时,底物的降解速率与底物浓度无关,呈零级反应关系。另一种是当土壤中含有微量的残余除草剂时,即cS
可见,在微量底物的条件下,底物的降解速率与浓度呈现一级反应关系。在实际测定中,土壤中的农药残余量很低,因此土壤中残余的除草剂降解与微生物生长满足一级反应关系。
3.2 乙草胺降解动力学模型
土壤中的乙草胺在土壤中的存在方式是吸附于土壤颗粒表面或者被包裹在土壤内部,很难被光降解,而且土壤中是非溶液物质,乙草胺在土壤中也很难水解;故残余的乙草胺主要靠微生物降解。用下面反应式表示乙草胺分解反应式:
式(5)中:S为基质(乙草胺);X为微生物;P为产物。
根据化学计量式,可以得出,每消耗1 mo L的基质(乙草胺),就会产生αmo L的产物P,同时增加βmo L的微生物量,从而可得基质(乙草胺)的降解速率方程:
式(6)中,Kv为反应速度常数。
假设基质(乙草胺)的初始浓度为cS 0,微生物的初始数量为cX0。当部分基质(乙草胺)被消耗掉,土壤中剩余的乙草胺浓度为cS,则增加的微生物数量可以表示为β(cS0-cS),此时总的微生物数量为:cX0+β(cS0-cS),将之代入(6)式得:
记K1=KV×β,通过试验,即可得出u和K1的值。
3.3 酰胺类除草剂共代谢降解动力学模型
微生物降解多种有机污染物的过程中,包括顺次利用、同时利用和竞争性抑制[9,10]。顺次利用产生于分解代谢物的抑制。底物的同时利用可能会使微生物菌体生长,也可能抑制其生长,不支持微生物细胞生长的底物的同时利用称为共代谢。共代谢过程是在生长底物存在下的非生长底物的微生物降解转化。这里主要讨论微生物主要把酰胺类除草剂作为生长底物和能量底物的情况。Criddle在前人的基础上,认为将下述3式两两组合即可得到共代谢反应模型:
在(8)~(10)式中:qc为非生长底物的比消耗速率(非生长底物与细菌的质量之比);Kc为生长底物不存在时非生长底物最大比消耗速率常数;KSc为非生长底物的半饱和系数;Sc为非生长底物浓度;X为活性微生物浓度;b为-1级内源衰减常数;Tcb为单位生物量转化的非生长基质的质量,其中包括毒物的影响。
由(10)式可得,生物量转化容量是一个常数,但(9)式的qc除以u可以获得与非生长底物浓度相关的生物量转化容量。
可见,当非生长底物浓度很小时(Sc≤KSc),生物量转化容量随着非生长底物浓度增加呈线性增加;当Sc≥KSc时,生物量转化容量则为一个常数,即:
将(8)式和(9)式组合构成模型1;(8)式和(10)式组合构成模型2;(9)式和(10)式构成模型3,在模型1和模型3中,由于没有生长底物,μ=-b(常数),而对于模型2,则有下式:
式(13)表示非生长底物浓度增加时,细胞损失率随之增加。该模型反映了高浓度的乙草胺对细胞的生长具有抑制或毒性作用。表1具体介绍了3种模型在不同浓度底物条件下的适用情况。
参考文献
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微生物催化 篇4
镍钛合金光催化高级氧化表面改性与生物相容性
摘要：在UV/H2O2光催化体系中,通过高级氧化法在NiTi SMA表面生成贫Ni的Ti氧化膜.通过亲水性试验、血小板黏附试验以及MTT细胞毒性试验对改性后试样的`生物相容性进行了系统的评价,研究发现改性后试样的亲水性得到明显改善.表面血小板黏附数量减少,变形和团聚现象得到抑制,形成血栓的可能性降低,血液相容性得到提高.改性后试样的细胞相对增殖率(RGR)高于化学抛光的试样,试样周围细胞分裂增生良好,与材料边缘结合自然,改性处理同样提高了试样的细胞相容性.结果表明光催化高级氧化是提高NiTi SMA生物相容性的一种有效方法. 作者： 王如萌[1]储成林[2]李艳芬[2]尹立红[2]浦跃朴[2]董寅生[2]林萍华[2]朱剑豪[3] Author： Wang Rumeng[1] Chu Chenglin[2] Li Yanfen[2] Yin Lihong[2] Pu Yaopu[2] Dong Yinsheng[2] Lin Pinghua[2] Paul K.Chu[3] 作者单位： 东南大学,材料科学与工程学院,江苏,南京,211189东南大学,江苏,南京,211189香港城市大学,香港 期 刊： 稀有金属材料与工程 ISTICEISCIPKU Journal： RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING 年，卷(期)： , 37(11) 分类号： FB43 TG146.3 关键词： NiTi形状记忆合金(NiTi SMA) 高级氧化(AOP) 表面改性 血液相容性 细胞相容性 机标分类号： O65 X70 机标关键词： 镍钛合金 光催化体系 高级氧化法 表面改性 生物相容性 Advanced Oxidation 试样 细胞毒性试验 血小板 提高 亲水性 血液相容性 细胞相容性 团聚现象 黏附试验 结合自然 化学抛光 改性处理 分裂增生 增殖率 基金项目： 国家自然科学基金，教育部跨世纪优秀人才培养计划，江苏省自然科学基金交联酶聚集体的生物催化 篇5
关键词：生物催化,无载体,固定化,交联酶聚集体,下拉域,自组系统
酶作为一类重要的生物催化剂,具有催化效率高、专一性强、反应条件温和和无污染等特点,被广泛应用于制药、环保、食品和酿造等领域[1]。固定化酶(immobilized enzyme)又称固相酶,是将酶固定于水不溶性载体,即将酶锁闭于一定空间内,使其不溶于水溶液。固定化酶是21世纪发展起来的一项新技术,1916年Nelson和Griffin最先发现了酶的固定化现象后,科学家们就开始了固定化酶的研究工作。固定化酶的制备方法主要有3种:载体结合法、包埋法和交联法。目前应用得比较多的是载体结合法与交联法[2]。随着生物技术产业化的迅猛发展,酶的研究和应用日益广泛。酶应用领域存在的一个主要问题是:缺少在广泛的pH和温度范围内保持稳定,对有机溶剂具有高度耐受性的固定化酶;且固定化使用的试剂和载体成本高昂、固定效率偏低,真正投入工业化应用的固定化酶不多。溶性酶制剂对于工业生物转化是一种有用的催化剂。与可溶性酶相比,不溶性酶更易于分离和循环利用,且有利于连续过程的开发,因此往往是规模化生产操作过程的首选催化剂。原本可溶性的酶通常将其附着在不溶性载体的表面,使其成为不可溶性酶,这个过程称为固定化。由于不同的可用载体和各种固定化策略,因此固定化方法在一般程序的基础上衍发了许多其它方法。将酶包埋在有机凝胶或无机凝胶中,成为对载体介导固定化酶的一种特殊模式。关于载体约束不溶性酶,一个经常被提及的问题是,与基本制剂相比,其特异活性降低,但在可操作条件下可以提高其寿命和稳定性。尽管最近有一些相关方面的显著成果,但现在依然不清楚固定化酶活性和稳定性增加或减少的分子依据。可惜的是,为优化催化性能而对酶固定化进行设计时,在很大程度依然依靠经验[3,4,5]。
固定化不溶性酶还有两个主要的缺点。大量的非催化物质(大约占生物催化剂总量的90%)被应用于固定化酶反应器,但是当所采用的酶特异活性很低的时候,就可能产生很严重的问题;此外,所采用的载体通常比要固定的酶价格更昂贵。因此,如果将酶沉淀制成不溶性颗粒,并且能很好地保留可溶性酶的特异活性,同时能有效地应对机械应力,这样就可以获得异种生物催化剂,而由固体载体产生的难题也可以部分消除。该文综述了无载体固定化酶方法的最新研究进展。根据酶蛋白聚合过程中生物的识别和特异性,对所报道的方法进行区分。
1 交联酶聚集体
制备固体制剂主要通过沉淀或结晶的方法。通常与双功能试剂相连接,如戊二醛,以使得在应用中来稳定不溶物,使之处于悬浮状态。交联酶晶体和聚集体已广泛地应用于生物催化。
交联酶晶体方法(CLECs)出现于20世纪60年代,已经应用到有限几种酶上,包括核糖核酸酶A、枯草杆菌酶、羧肽酶、乙醇脱氢酶及一些脂肪酶。CLECs对于由加热、有机溶剂和蛋白质水解引起的变性,通常表现出良好的抗性。在某些情况下,可以通过改变结晶和交联的条件,来调节结晶大小和剩余特异活性。通过鼻疽菌脂肪酶已经表明,以表面活性剂或β-环糊精为CLECs涂层,可以进一步提高酶使用寿命和操作稳定性。当前CLEC技术使用范围主要受到(纯)酶成功结晶需求的限制[6,7]。
不溶性催化剂也可以在溶液中直接交联进行制备(CLEs)。但是由此产生的酶制剂很难处理,并且具有机械不稳定性。沉淀要求许多工艺参数的微妙平衡(蛋白质和交联剂浓度、pH、温度、离子强度、混合的时间、混合程度等),因此通常是不可再现的。
认识到CLECs和CLEs的局限性后,提出交联酶聚集体技术,并对其进行商业化。原本的缩写CLEA,现在也已登记为商标名称。CLEAs最初用于青霉素G酰化酶,随后应用于大量其它酶(如脂肪酶、蛋白酶、酰胺酶、酯酶、植酸酶和氧氰酶)。制备CLEAs的一般程序涉及酶(微)聚集体或多酶结合体的盐诱导或溶剂诱导,然后通过化学交联得到稳定的全蛋白沉淀。例如,硫酸铵,叔丁基酒精或聚乙二醇有助于引起青霉素G酰化酶的聚集。同样根据所采用的特定酶要求,交联试剂也会有所不同,但最常用的还是戊二醛。CLEAs很适合于有机溶剂中的生物催化。两种或更多的酶原则上可以共同聚合,形成所谓的CLEAs化合物。含有果胶酶、木聚糖酶和纤维素酶活性的CLEAs化合物制剂便是一个显著的成功例子。CLEAs化合物可能会成为所需的多用途催化剂,也可能会有助于实现多步生物催化转化。
虽然CLEAs可以不必将所需酶进行结晶,但仍然有其本身的不足,即对于每种酶,必须精确建立酶和交联剂之间的联系。这也就意味着必须作出很大的努力来用于条件优化。此外,在大多数情况下,一些粗蛋白需要在沉淀之前对其进行纯化[8,9]。
2 聚集和交联的条件
在CLEAs制备过程中,通过高通量实验有利于不同的相互作用工艺参数(沉淀剂及其浓度和交联剂等)的优化。最大程度保持可溶性酶的特异活性是所需考虑的最主要问题。但是,像结构特性、孔隙率和抗机械应力也同等重要。沉淀剂的最适选择通常要以实验为依据,但也可以利用蛋白质纯化中长期积累的经验,一些研究强调了CLEAs制备过程中沉淀剂的重要性。
虽然高活性小分子戊二醛被广泛应用于蛋白质交联,但它通常也会造成酶活性的严重损失。在使用高浓度戊二醛的时候,这种现象尤其突出。其原因为必需功能基团的化学修饰或者由其衍生诱导的一般变性,因此在交联过程中通过添加底物或配体可以提供有益的保护。商业化聚合体聚醛由葡聚糖氧化得到,长度约100～200 kDa,可以用其来替代戊二醛。由青霉素G酰化酶表明,由于存在尺寸排阻,所以与戊二醛相比,右旋糖酐聚醛对酶的渗透受到限制,酶的活力保持也可能会随之显著改善。一些酶在CLEA的过程中会因戊二醛的使用而失活,但却可以通过右旋糖酐聚醛进行成功交联,如乙醇脱氢酶、部分腈水解酶和腈水合酶等。
在交联过程中,添加牛血清白蛋白(BSA)或聚乙烯亚胺有2个作用,一是稳定酶活性;二是提供与戊二醛反应的氨基。有牛血清白蛋白存在的条件下,用交联的方法制备某脂肪酶、青霉素G酰化酶及漆酶的CLEA制剂,其特异活性和抗高温及化学变性等性能有显著提高。氨基戊二酰化酶的表面缺乏氨基,这不利于应用“常规”方法来制备CLEAs。使用聚乙烯来提供额外的交联的位点,可以得到这种酶的稳定CLEAs[10,11]。
至少对于部分CLEAs来说,其分子大小依然起重要作用,而由此产生的结构特性与过程优化密切相关。说明,藿香念珠菌脂肪酶颗粒CLEAs的最适活性,颗粒直径约为40～50 LM。CLEA的大小控制很困难,因为所有工艺参数本质上的(可能)影响都必须加以考虑。用CO2膨胀逆转胶束来制备树突状胰蛋白酶CLEAs制剂成为当前令人感兴趣的进展,CO2膨胀逆转胶束可以由二(2-乙基己基)磺酸钠和异辛烷进行制备得到。在提高CO2压力条件下,逆转胶束中的胰蛋白酶沉淀可以随后与戊二醛进行交联。由此产生的CLEAs大小在7～38 nm,并可通过调节水/表面活性剂比率和酶浓度来调整其大小。在某些例子中,树突状CLEAs特异活性超过了常规制备CLEAs。
3 操作稳定性
已发表的有关CLEAs的文章主要关注于生物催化在有机合成方面的应用,而CLEAs在其(连续)过程中的详细生物工程分析则比较欠缺。一些作者们已经认识到CLEAs对机械应力抵抗力弱的问题,例如采用搅拌。青霉素G酰化酶CLEAs被包埋在由聚氯乙烯制备的聚合物基体内,也就是所谓的LentiKats。由此得到的酶制剂在摇动的条件下,在缓冲里相当稳定(50 d),并且在双氧水(70%的V/V)中抵抗细菌滋生达数百个小时。包埋可导致酶活降低到自由CLEAs的60%。另一种稳定CLEA以抵对机械应力的方法是将其包埋到分层有序介孔硅胶中。在严格的摇动条件下α-糜蛋白酶和脂肪酶的稳定性提高了十倍以上。
总之,CLEAs已经在生物催化领域被广泛认知,并证明了其在小规模有机合成制备方面的作用。如果进行适当的优化,这种技术将具有广阔的应用范围,而且原则上可适用于任何酶。然而还有一点目前尚不清楚,那就是在工业规模的生物转化中,常规方法准备的CLEAs是否足以与载体约束不溶性酶制剂进行竞争,例如β-内酰胺类抗生素的工业转化。但CLEAs很适合现有的包埋技术,这可以使其对于操作压力因素有更好的抵抗性能。至于将CLEAs应用在连续操作过程的固化床或流化床,这一点还需要在以后进一步论证。某具有热稳定性的C-内酰胺酶CLEAs最近被应用于由毛细管柱微构建的流动微反应器。这个高度微型化的反应体系可应用于底物筛选和酶动力学描述,并且CLEA微反应器在连续过程条件下呈现出良好的稳定性。微流化反应器所包含的固定化酶也许以CLEAs形式存在,该反应器很可能成为有助于生物催化过程开发的一般工具[12]。
4 选择性下拉域
CLEA生产的一个显著改善是聚合过程的分子设计,能够体现其生物识别和特异性的原理。这样不仅不必优化酶的沉淀条件,也使得在不溶性蛋白形成过程中,酶活保持和最终颗粒大小更加易于控制。
有些酶在生产重组蛋白的条件下易于聚集(以包涵体形式),一个广泛应用的方法是将其融合到一种高可溶性蛋白,以提高目的蛋白的溶解度。如麦芽糖结合蛋白,作者建议采用反向途径来生产酶聚集体。从概念上讲,嵌合蛋白是将目的酶融合到一种低溶解性蛋白,如纤维素结合的噬纤维杆菌(CcCBM)。蛋白质在异源宿主(如大肠杆菌)中进行表达,往往会通过CcCBM分子间的自我聚集来诱导折叠的嵌合蛋白进行选择性下拉。当然,至于包涵体中的酶具有催化活性的观点,并不是首次提出。关于包涵体蛋白质沉积动力学的重大研究表明,在这种聚集体蛋白中生物功能依然保持的这一现象实际上是相当普遍的。
下拉域的首例应用是采用来源于三角酵母属变种(TvDAO)的二聚体黄素酶D-氨基酸氧化酶。CcCBM结合到酶的N端后,在大肠杆菌BL21(DE3)中合成的TvDAO几乎完全转变为胞内蛋白颗粒。在相同条件下生产重组蛋白时,酶缺陷型CcCBM几乎完全溶解可溶性,这表明下拉域有效地完成了所预期的溶解度开关功能。CcCBM-TvDAO显示出可溶性纯氧化酶的约40%特异活性。氧化酶聚集体的高水平活性之所以显著的原因主要有2个,首先,尽管TvDAO结构很复杂,但CcCBM对其折叠和功能影响很小;其次,聚集体的整体催化活性并没有因传质效应而受到严重损害,或者换句话说,这种不溶性酶更容易接近其底物D-氨基酸和O2。利用SDS-PAGE分析表明,分离出的CcCBM-TvDAO制剂主要含目的蛋白。在鼓泡生物反应器中进行D-甲硫氨酸转化时,CcCBM-TvDAO显示对微晶纤维素的弱亲和力,而且实际上比可溶性氧化酶更加稳定。将CcCBM-TvDAO包埋会提高其额外稳定性[13]。
Naha'lka和他的同事已经论证了CcCBM多功能下拉域的范围。最近他们制得一些具有催化活性的聚合体,包括麦芽糊精磷酸化酶(焦酚火球菌)、唾液酸醛缩酶(SAA;大肠杆菌K-12)和聚激酶(PPK;Silicibacter pomeroyi),并且很好地保持了各自可溶性酶的特异活性(C83%)。CcCBM-SAA颗粒可以进一步包埋到与戊二醛交联稳固的海藻酸钠水凝胶中。不溶性SAA催化剂仍然具有部分活性(51%),而且在合成神经氨酸的重复分批生产(20轮转化)中显示出很高的操作稳定性和良好的回收率。它可以冷冻干燥,并且重新水合后几乎可以保持全部活性。在这个例子中,其与CcCBM-PPK的共同作用还显示了目的酶可选择性下拉域的另一个重要优势,通过对不溶性蛋白组分的简单清洗,就可以有效消除大肠杆菌背景对磷酸酶活性的污染。在一个最近与生物催化无关的研究中,CcCBM被应用于制备不同凝集素的功能聚集体。一种酶标平板检测法最近正发展起来,在这种方法中不溶性凝集素以高通量形式应用于糖蛋白识别。在检测条件下,2种结合唾液酸的凝集素之间的CcCBM融合表现呈“粘合”(沉淀)唾液酸化蛋白,这将使得在凝集素多价结合发生时,会有积极的响应读出。
总之,作为下拉域融合到CcCBM似乎是用来生产不溶性、高活性各种酶聚集体的一种通用方法。将CcCBM酶非共价吸附于纤维素上有利于从液体中进行分离。然而,可能需要更多的加工步骤(包埋、交联)来最终获得运作稳健的生物催化剂。由于在下拉域的控制下,聚集体不可能提高酶的内在稳定性。如果极端的工艺条件(如高温度或高盐等)不会引起不必要的降解,应用(热)稳定催化剂具有明确的潜在可能性[14]。
5 自组系统
自组系统以脂类和非天然聚合物而被熟知,对于越来越多的蛋白质来说,自组成不溶性有序结构成为其特点。在嵌合蛋白中,将目的酶融合到具有自组能力的模块中,这样可能得到的酶便于界定,或许是类结晶交联状态。自组系统性能的开发会实现对酶颗粒大小和形状相对精确的控制。虽然其它蛋白或肽链(从目的酶上分离得到)也作为所需要的产物,但在这里不作考虑。
6 融合到细胞表层蛋白
细胞表层(S-层)是古细菌和细菌细胞膜结构中常见的“蛋白隔膜”。它们有类格子外观,是通过自组过程形成的。在悬浮液和不同界面上,分离得到的天然S-层蛋白单位能够再结晶成为精确的单层形式。S-层蛋白的这些属性极大地促进了(纳米)生物技术应用的范围。虽然融合到S-层蛋白被应用于蛋白质序列开发及其它分析目的,但也有一些例子显示S-层技术可应用于酶固定化和生物催化剂的开发。然而,各种S-层融合有一个需要注意的共同特点,即嵌合蛋白各组份原有功能的保持,也就是指自组系统性能和各自生物活性。
将嗜热多糖酶(LamA,焦球菌)融合到芽孢杆菌S-层蛋白SbpA,在大肠杆菌中制成不溶性聚集体,可惜的是没有进行特征化。然而,经过化学展开溶解和复性,SbpA-LamA融合已成功地固定在不同载体上。脂质体具有酶和S-层蛋白自组融合的特征,成为一种获得潜在有用生物催化剂的可行性方法。脂质体大小易于调节,这使得固定化酶制剂的设计具有灵活性。将1-磷酸-葡萄糖胸苷酸转移酶融合到了嗜热脂肪的芽孢杆菌S-层蛋白SgsE的C端,Schaffer等也证明了不溶性脂质体载体催化剂回收的可能性。
需要注意的是,在大肠杆菌或其它宿主(酿酒酵母或HeLa细胞)中生产S-层融合蛋白时,通常会产生由胞内自组系统或聚集引起的不溶性产物。这些“包涵体”可能会有助于制备无载体不溶性酶。
7 融合到其它骨架蛋白
形成高分子量组件的蛋白质,已用来显示不溶性超分子结构表面的催化模块。相关例子有白杨(欧洲山杨)的长145.8 kDa的应激蛋白SP1,SP1构成环状同十二基,对极端条件具有高耐性,如低和高pH、高温、有机溶剂和各种蛋白酶。将SP1融合到黑曲霉葡萄糖氧化酶(Gox),在大肠杆菌中产生不溶性聚集体结构,因此与天然氧化酶相比,沉淀酶在本质上极大地改善了其稳定性。葡萄糖氧化酶-SP1的非催化物质仅占总颗粒的10%(重量/重量)。将葡萄糖氧化酶-SP1组装成纳米管结构,每管含有数百个酶分子。
在另一正在初步准备的例子中,南极假丝酵母脂肪酶B的蛋白颗粒设计是将其连接到马铃薯病毒衣壳蛋白上。通过在烟草中进行融合蛋白与原衣壳蛋白的共同表达来获得不溶性病毒蛋白,其显示出以对硝基苯酚己酸为底物的酯酶催化活性[15]。
8 融合到弹性蛋白样多肽
不同长度的弹性蛋白样多肽(ELPs)含有五肽重复序列Val-Pro-Gly-Xxx-Gly,其Xxx可以是任何氨基酸,弹性蛋白样多肽超过转变温度加热会发生可逆沉淀。许多ELP融合开发目的是通过从宿主细胞粗提取物中选择性沉淀,以利于重组蛋白的下游处理。该技术在生物催化方面有良好前景,但尚未在该领域广泛应用。设想的一般过程是首先形成ELP-酶聚集体,然后通过交联进行稳定。弹性蛋白样多肽的交联方法在文献中已有提及。
9 融合到蛋白质结合聚羟基脂肪酸酯颗粒
聚羟基脂肪酸酯(PHAs)是天然聚酯纤维,存在于各种以其为能量储存的细菌中。大量生物塑料材料可以由PHA制备。PHAs值得关注和开发的一个特点是生物合成酶(PHA合成酶)依然会与聚酯颗粒保持共价结合。PHA合成酶可以在许多宿主生物体中进行表达。因此,含有活性PHA合成酶的融合蛋白会在重组生产过程中产生PHA,并同时将其自身附着在聚酯颗粒上。使用B-半乳糖苷酶-PHA合成酶融合蛋白可以说明此概念(用于生物催化)。β-半乳糖苷酶与聚酯颗粒间三明治式结合也已得到说明,其显示了PHA与抗β-半乳糖苷酶scFv(抗体的单链可变区)之间的融合。虽然也可能有助于分析,但就目的酶连接到PHAs所用的简单步骤而言,似乎更适应于生物催化。
通过与种子凝集素融合可能是替代PHAs固定化酶的一种方法。种子凝集素是小分子(14-30 kDa)双性蛋白,是与PHA-颗粒相关蛋白质组的主要成分。编码与种子凝集素融合和PHA生物合成酶相关基因的共同表达,会使得固定于PHA颗粒上的所需酶具有活性。
10 (自动)仿生硅胶包埋
脂肪酶催化食用废油制备生物柴油 篇6
本方法以脂肪酶为催化剂[2,2],利用食用废油为原料,制备生物柴油,其特点是醇的用量少,条件温和,反应过程不受原料中的水和游离酸的影响,能耗低,成本低,副产品分离简单,对设备要求低。产品各项质量指标均达到GB/T20828-2007要求,并与0#石化柴油质量指标相接近。
酯交换是指在酯类间发生烷氧基互换的反应,酯与醇之间发生的酯交换反应又称醇解[2,2]。酯交换法生产生物柴油采用油脂(脂肪酸甘油酯)与醇在催化剂作用下进行酯交换反应,产生脂肪酸甲酯和甘油,反应如下[3,3]:
加入丁酮为共溶剂[5],它能同时溶解油脂和甲醇,使反应在单一的均一体系中快速完成。缩短反应时间。
1 实验部分
1.1 主要试剂与仪器
学院食堂食用废油,甲醇(汕头西陇化工厂,分析纯),磷酸(天津津科化学试剂厂,化学纯),丁酮(上海化学试剂有限公司,分析纯),脂肪酶(浙江海宁金潮公司)。
恒温水浴,三口烧瓶,冷凝器,分液器。
1.2 实验方法
1.2.1 食用废油的预处理
进行酯交换反应时应控制油脂中的杂质、水分、酸值。食用废油是含有杂质的高酸值油脂,含有游离脂肪酸、聚合物、分解物等,对反应不利。故将食用废油用磷酸处理,除去磷脂、胶质等,再预热、脱水、脱酸处理。方法是:将食用废油过滤除杂,再加热到70℃,加入0.15%的H3PO4混合搅拌一定时间后保温、静置、分离,再用70℃的水洗至中性,pH=7,离心分离待用[6]。
1.2.2 酯交换反应
取一定量的食用废油预制油加入到反应器中,按一定比例加入甲醇(分3次加入)、加一定量脂肪酶催化剂,按甲醇量加一定比例丁酮为共溶剂,用水浴加热,反应温度50℃,pH=7,回流4 h,反应完成[8]。将混合液移入分液器中分离,分出下层甘油,上层为生物柴油粗油。粗油在0.1MPa下蒸馏,提取230～270℃的馏分为精制生物柴油。
反应过程中甲醇应分批加入,逐次反应,避免甲醇过多使脂肪酶催化剂失活。同时,也应及时分离产生的甘油,甘油易堵塞脂肪酶孔径,影响酶的活性,使产率降低。
用实际生成酯的量比理论完全酯化生成酯的量计算产率。
2 结果与讨论
2.1 反应温度对生物柴油产率的影响
在其它条件不变的情况下改变反应温度,计算生物柴油的产率,考察不同温度对产率的影响,结果如图1。
由图1可见,温度升高脂肪酶活性增大,产率增大,在50℃时反应状态稳定,产率最大,温度再升高,酶蛋白质热稳定性变坏,导致维系酶三维结构的非共价键被破坏,使酶的活性降低,产率下降。故选50℃为反应温度。
2.2 脂肪酶催化剂用量对产率的影响
在其它条件不变,反应温度50℃,改变催化剂用量,考察催化剂不同用量对产率的影响,结果如图2。
由图2可见,催化剂脂肪酶用量加大,产率增加,但大于3%(质量比,下同)时,产率反而有所下降,催化剂用量为原料量的3%时产率最高,故确定催化剂用量为原料量的3%。
2.3 加入甲醇量与废油量体积比对产率的影响
固定上述条件,反应温度50℃,催化剂用量3%,改变醇油体积比,考察醇油体积比对产率的影响,结果见图3。
由图3可见,醇油体积比为3∶1时产率最高,甲醇量再加大时产率开始下降,故选醇油体积比为3∶1为反应条件。
2.4 共溶剂丁酮用量对产率的影响
固定上述条件,反应温度50℃,催化剂用量3%,醇油比为3∶1,改变共溶剂丁酮用量与甲醇用量的比例,考察对反应产率的影响,结果如图4。
由图4可见,加入丁酮,可使产率增加,但加入量过大会使产率下降,在丁酮量为甲醇量的1/6(体积比)时,产率最高,再减少丁酮量产率也会下降,故选丁酮量为甲醇量的1/6(体积比)为反应条件。
2.5 反应时间对产率的影响
固定上述条件,考察反应时间对产率的影响,改变反应时间,计算生物柴油的产率,结果如图5。
由图5可见,随时间的延长,产率逐渐增大,在大于4 h后,产率趋于平稳,无明显增大,故选反应时间为4 h。
3 合成生物柴油性能测试
本法合成的生物柴油按GB/T20828-2007 的要求测定各项指标,并与0#石化柴油标准GB/T19147-2003比较,结果如表1[9]。
注:1、酸值是指中和1 g试样中的酸性物质所需氢氧化钾的质量,以毫克为单位。2、碘值是指在实验条件下,100 g试样反应所吸收碘的质量,以克为单位。
由表1可见,本方法合成的生物柴油各项指标符合GB/T20828-2007标准的要求,并与0#石化柴油标准相接近。说明本产品具有使用价值。
4 结论
本方法考察了各个反应条件对合成生物柴油产率的影响,得到最佳反应条件:反应温度50℃、催化剂用量3%、醇油体积比为3∶1、丁酮量为甲醇量的1/6(体积比)、反应时间4 h,pH=7,产率可达到78%左右,可用于工业化生产,既处理了食用废油,也保护了环境。
参考文献
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生物乙醇制乙烯催化剂研究进展 篇7
工业上,乙醇脱水制乙烯的催化剂主要是活性氧化铝及其它一些金属氧化物,与石油乙烯工艺相比较,在工业普及、生产规模、工艺优化程度等方面还有一定差距。近年来,国内外学者针对由生物乙醇制乙烯的过程进行了不同方面的研究,包括开发新的催化剂和利用低浓度乙醇制乙烯方法等。下面简单地综述制备乙烯的各种方法以及生物乙醇制乙烯催化剂的研究现状和发展趋势。
1 制备乙烯的各种方法比较
1.1 以石油和天然气为原料制乙烯[4,5]
欧洲许多工业国家及日本石油炼制工业一般以进口原油为基础,裂解制取低碳烯烃(如乙烯、丙烯)。在某些国家天然气不仅提供了廉价的能源,而且还提供了基本的化学原料,其中某些气田的天然气,例如法国拉克天然气中的乙烷适宜生产乙烯。以石油为基础生产乙烯,还可同时生产其它重要的产品如丙烯、丙烷等。就其总价值而言,比生物法制乙烯要高出许多。
石油烃类转化成为化学品既容易又便宜,然而石油裂解生产乙烯也存在许多问题。世界正面临着全球的能源危机,而且石油裂解的操作条件苛刻,能量消耗高,规模巨大,若要产生规模效益,只适合在高度工业化的地区进行大规模建设。
1.2 利用甲烷制乙烯
(1)甲烷氧化偶联法[6,7]
天然气一步直接制得乙烯的工艺无论从反应热力学还是经济上考虑都有其现实意义,且该方法可用的催化剂种类繁多,如碱金属—碱土金属、稀土金属、过渡金属氧化物和具有特定结构的复合金属氧化物等几大体系的催化剂,以及电催化、等离子催化、激光表面催化和以钙钛矿催化膜为核心的催化技术等,均具有较好的甲烷氧化偶联生成烃的反应活性。
但是,利用甲烷制乙烯存在诸多缺点。甲烷氧化偶联制乙烯,甲烷转化率和乙烯收率低,收率普遍不超过30%。要进行工业化生产必须考虑原料循环利用、节能等一系列问题,而且多数反应催化剂制备过程复杂,为了提高催化剂活性和选择性而加入稀土金属等成分,进一步提高了催化剂的成本。
(2)甲烷氯化法
研究表明,该工艺具有一定的竞争力。甲烷氯化法虽然理论上可行,但是该工艺反应温度过高,能耗大,且还有很多技术难点尚未攻克,离工业化生产还有很长的距离。
1.3 利用天然气间接法制乙烯[8,9]
利用天然气由甲醇制乙烯是间接法制乙烯工艺路线中最具工业化前景的工艺路线。天然气制甲醇工艺已非常成熟,且有工业化装置。以甲醇制烯烃技术也日趋成熟,实现装置大规模工业化已成可能。但是该工艺同样存在收率低,催化剂改性、成本高和工业化应用不足等缺点。最重要的是甲烷和甲醇都主要由天然气或煤炭资源直接或间接获得,属于不可再生资源的产物。
1.4 乙醇催化脱水生产乙烯[10,11,12,13]
乙醇催化脱水过程并不像石油裂解那样复杂,工艺条件要求温和,规模不受限,所以它能被运用于任何地区,不受地域限制,具有很大的优势。
以氧化铝为催化剂的乙醇生产乙烯的工业化始于1909年,有悠久的历史和丰富的工业生产经验。生物物质,包括植被残渣,农业剩余物和能源农作物等大量存在并且成本低,这将促进生产乙醇的成本大幅降低。
2 乙醇脱水制乙烯催化剂研究进展
2.1 氧化物催化剂
(1) 活性氧化铝[14,15]
最早由乙醇制得乙烯是1797年将乙醇通过热的二氧化硅或氧化铝来反应得到的。采用氧化物作为催化剂,其中主要是活性氧化铝,后来研发的二元或多元氧化物催化剂多数也含有活性氧化铝成分。
用γ-Al2O3作为催化剂,采用固定床催化乙醇脱水制乙烯,研究发现乙醇同时发生分子内脱水得乙烯和分子间脱水得乙醚,乙醚继续脱水生成乙烯。当温度为 375 ℃,空速为 0.134 h-1时,反应的转化率较高,乙烯的选择性也较高,而低于 375 ℃乙醚的含量随温度升高而增加。
但是氧化物催化乙醇脱水所需反应温度高,能耗大,催化转化率较低,而且所需的原料浓度高,发酵所得低浓度乙醇需要精馏纯化。
(2) Syndol催化剂
美国哈尔康公司研发出的Syndol催化剂,其主要成分为Al2O3-MgO/SiO2。Syndol催化剂具有稳定性高、再生性好、产物纯度较高等优点,缺点是催化活性低,表现在反应温度高,空速低(不超过 0.13 h-1),因此能耗很大。此外,对原料的浓度也有一定的要求,乙醇的转化率随着原料浓度的增加而降低,在浓度为10%~15%时转化率可以达到99%,在 75%时下降到 93%。
2.2 磷酸体系催化剂[16]
20世纪30年代英国帝国化学工业公司,将磷酸负载在白土或焦炭上制成工业上最早用于乙醇脱水制乙烯的磷酸系列催化剂,并系统地研究了反应温度、乙醇浓度、空速、催化剂再生次数对磷酸催化剂上生物乙醇脱水反应的影响。该催化剂最大的优点是乙烯纯度高(约 99%),但是过程腐蚀严重,因此对设备有一定的要求。此外,产物体系分离困难,而且反应过程中催化剂表面易积碳,寿命短。
2.3 杂多酸[17,18]
杂多酸盐是一类新型的具有多功能催化活性的化合物,既可以作酸性催化剂,也可以作氧化还原性催化剂、均相催化剂和非均相催化剂。因此,近几十年,有关杂多酸的研究十分活跃。
赵本良等人以杂多酸作催化剂对乙醇脱水制乙烯进行了研究。试验结果表明,杂多酸催化剂具有较好的催化活性和选择性和反应温度低,收率高等优点。
2.4 沸石分子筛[19,20]
由于氧化物催化剂和磷酸体系催化剂都有自身难以克服的缺点,人们开始寻找其他更好的催化剂。沸石分子筛自20世纪80年代以来在催化剂领域取得令人注目的进展,这种催化剂具有不腐蚀设备,转化率高,热稳定性好等特点,于是研究者们开始进行沸石分子筛用于催化乙醇脱水制乙烯的研究。
醇类脱水反应涉及到的分子筛主要有A型、ZSM-5型和SAPO-34等。由于各类分子筛本身对乙醇脱水反应的催化活性并不高,因此大多数研究工作是通过对分子筛进行改性,调控沸石的表面酸性及孔道尺寸,达到提高催化活性和反应稳定性的目的。常用的改性方法主要有水热处理、离子交换和浸渍等,其中离子交换法所涉及的离子主要有H+、Zn2+、Mn2+及含磷、硼的盐类。
通过改性用于乙醇脱水研究最多的分子筛是 ZSM-5,它是高硅三维直通道结构沸石,ZSM-5 属于中孔沸石,有极好的水热稳定性、耐酸性、疏水性。由于这些优点,20世纪80年代出现了对ZSM-5进行改性催化乙醇制乙烯的研究热潮。
1987年南开大学成功研制NKC-03A的沸石型催化剂[21,22],使得操作温度降低到250 ℃,乙醇转化率为97%~99%,乙烯选择性为98%,单程使用周期为4个月。
Le VanMao[23,24]研究了用锌、锰改性的 ZSM-5 沸石催化剂上乙醇脱水的反应性能,未发现有乙醚生成。
Jacobs[25]用 0.5 mol NH4Cl对ZSM-5(Si/Al≥40)进行离子交换改性,然后在空气中550 ℃高温下焙烧12 h,用此法改性的催化剂,在263 ℃的常压下乙醇的转化率可达到100%,乙烯的选择性为99.8%。
William[26]研究了富硅HZSM-5 催化乙醇脱水性能,发现 20%的发酵型乙醇溶液在富硅 HZSM-5 上很容易脱水生成聚乙烯,低硅铝比的催化剂催化乙醇脱水主要靠强酸性位,乙烯的选择性可以达到99.6%。
Phillips[27]研究了温和条件下生物质发酵乙醇溶液在HZSM-5催化剂上脱水制乙烯,结果显示在140~220 ℃,压力低于70.93 kPa时,有很好的催化效果。
从这些研究情况可以看出,近20年来人们对改性ZSM-5进行催化乙醇制乙烯做了大量的研究,取得了一定的成果,对后续的研究有一定的指导意义。
2.5 磷酸硅铝(SAPO)[28]
除了ZSM-5分子筛外,磷酸硅铝(SAPO)系列分子筛由于在 MTO(即甲醇脱水制烯烃)过程中有出色的表现引起了研究者的关注。
研究表明,SAPO系列分子筛具有三维通道,孔径较小,孔隙率高,可利用表面大,酸分布均匀。这些特点使得 SAPO 分子筛在乙醇脱水制乙烯反应中具有良好的应用前景。
3 沸石分子筛催化剂的改性方法[29,30]
在实际应用中,不同的反应对沸石分子筛催化剂的要求也不一样,通过直接合成制备的催化剂有时并不能满足反应的需要,因此,要对所用的催化剂进行改性处理。常用的改性方法有很多,如脱铝,金属离子交换,金属氧化物浸渍,化学液相及气相沉积等。
3.1 脱铝
沸石分子筛的骨架比是一个非常重要的参数,它不但对沸石的离子交换度、水热稳定性等性质有很大的影响,而且对酸中心的强度和浓度以及与之相关的催化活性和选择性等也有很大的影响。通常,Si/Al比低的沸石分子筛其酸中心的浓度较大,当用它作为催化剂时,催化活性较高,但选择性相对较低,且催化剂容易因积碳而失活。因此,根据实际应用的需要,常常要将沸石分子筛催化剂的SiO2/Al2O3比控制在一定的范围内。采用后处理脱铝的方法能够提高SiO2/Al2O3比,从而改善催化剂的催化性能。常用的脱铝方法有酸洗,深度焙烧,水热处理等。
(1)酸洗
用HCl来处理沸石,发现通过改变酸浓度,可以使沸石骨架中的铝完全脱出。但是,当脱铝度高于65%时,催化剂的热稳定性下降。虽然,用无机酸处理可以脱出骨架铝,但是在脱铝的同时又会造成结晶度下降,特别是脱出的非骨架铝会留在孔道内对催化反应不利。近几年来,催化剂表征技术的不断发展,使人们对沸石的复杂结构的研究成为可能。用浓度低于1 mol·L-1盐酸酸洗可以除去沸石中非骨架铝,使分子更容易进入到微孔中,也可以除去一些可能的非选择性活性中心。而且,还可以毒化在合成中出现的SiO2/Al2O3杂质。用浓度大于1 mol·L-1的HCl或HNO3进行酸洗时,可以从缺陷位置和外表面上有选择性地除去骨架铝,结果使外表面积的相对活性明显地减小。ZSM-5沸石脱铝比较困难,目前比较常用的脱铝方法是水热处理或水热处理结合酸洗。水热处理可以从沸石晶格中脱出骨架铝,降低积碳速率改善活性稳定性。同时,水热处理还可以改善酸分布,窄化孔道,增大曲折因子,使孔道立体限制增强从而提高对位选择性。中等程度脱铝的催化剂活性增大,是因为酸强度的增强弥补了酸中心数量的降低。而深度脱铝时酸量减少而且酸强度减弱,因而活性也随之降低。
(2)水蒸汽处理[31]
在水蒸汽改性过程中,随着处理温度的提高和时间的延长,ZSM-5分子筛脱铝程度会加深,B酸活性逐渐降低,酸强度也明显降低。因此,在对催化剂进行脱铝改性时,对于不同的催化剂,要根据反应的需要,严格控制脱铝条件,以获得所需要的催化剂。
(3)深度焙烧[32]
分子筛的酸性、催化活性以及热稳定性与铝在分子筛结构中的状态和数量密切相关。研究分子筛中铝的状态,对认识分子筛的固体酸性和催化活性本质有非常重要的意义。分子筛经焙烧后,部分铝从骨架上解脱出来进入孔道,形成非骨架铝。非骨架铝的存在能提高分子筛的活性及热稳定性。于生[33]和卫延安等[34]研究了焙烧温度对ZSM-5比表面积、表面酸性的影响,发现在500~700 ℃焙烧,HZSM-5的比表面积变化不大。800 ℃焙烧后,比表面积开始减小,1100 ℃焙烧后,比表面积比500 ℃焙烧减少了103 m2·g-1。X射线衍射分析表明,焙烧温度低于800 ℃不会破坏沸石的骨架结构。900 ℃焙烧,才开始出现骨架结构局部崩溃。而1100 ℃焙烧,仍能保持总的骨架结构。这说明HZSM-5分子筛具有良好的热稳定性。并进一步指出焙烧温度对HZSM-5表面B酸量,L酸量变化的影响,在600 ℃以下焙烧,表面酸性质基本上是稳定的。600 ℃以上,B酸逐渐转变为L酸。900 ℃焙烧后,B酸及L酸已很少。因此,深度焙烧可调节硅铝比,从而调节分子筛表面的酸性和催化活性。
3.2 金属氧化物浸渍
沸石的酸中心主要存在于孔内,而有些也存在于外表面,尽管只有很小一部分,但对产物分布却有很强的影响。外表面的无选择性反应和外表面酸中心引起的异构化会导致选择性降低。浸渍金属氧化物可以覆盖外表面的强酸活性中心,使外表面失活,抑制异构化反应从而提高催化剂的择形性。此外,氧化物改性还能调节孔道,减小孔径,增加沸石孔道的弯曲度,有利于产物中体积较小的异构体优先扩散。
3.3 化学液相/气相沉积
(1) 化学气相沉积
利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上反应生成固态沉积物的技术,是一种较为成熟的表面改性技术,用这种方法对沸石分子筛进行改性已经取得了较好的效果。用正硅酸乙酯对ZSM-5改性,随着在外表面的沉积,孔口变窄而催化剂内部结构基本保持不变。此外,沉积的SiO2还覆盖了外表面的酸中心,减少了非选择性反应的发生。随着沉积量的增加,沉积层逐渐增厚。在沸石晶体表面形成的沉积层中存在一维孔道的微孔结构。这些微孔平行于沸石晶体内部的微孔,通过沉积层从晶体内部一直延伸到沉积层表面的孔口,并且在沉积层中的孔口大小可以调节到0.1 nm的范围内,这对形状选择性是非常重要的。
(2) 化学液相沉积(CLD)[35,36]
虽然起步较晚,但由于其操作简便,因而得到了广泛的应用。采用CLD法对沸石孔径、表面酸性中心等进行微调已经取得了很大进展。
综上所述,沸石改性影响着沸石分子筛的组成、结构、酸量及酸度分布,进一步导致催化性能的变化。因此,在催化剂改性过程中,要根据需要,选择合适的改性方法。此外,还要注意改性条件的选择。
3.4 纳米分子筛的性能及催化特性[37]
沸石分子筛催化剂的积碳失活不仅与其结构和酸性有关,还与催化剂的晶粒大小有关。纳米分子筛表面积大,孔道短,外露孔口多,晶内扩散速率高,因而积碳失活较慢,具有较强抗积碳能力。纳米分子筛用于催化反应有以下几个特点:(1)反应活性高;(2)对产物特有的选择性;(3)活性稳定性好、抗积碳能力强。
与微米分子筛相比,纳米分子筛有以下特点:(1)纳米分子筛颗粒以团聚体形式存在,除一级骨架孔道外,还存在二级孔道晶间空隙,对大分子有较强的吸附能力。(2)纳米分子筛具有高的吸附量,大的比表面积和孔容积。(3)纳米分子筛的外表面比微米分子筛外表面高且接近体相。(4)纳米分子筛的酸量大,外表面及孔口酸中心占总酸量的比例高。(5)纳米分子筛的骨架结构稳定性不如微米分子筛,其骨架破坏温度比微米沸石低。
纳米分子筛由于具有较大的外比表面积和较高的晶内扩散速率,在提高催化剂的利用率、增强大分子转化能力、减少深度反应、提高选择性以及降低积碳失活等方面均表现出优越的性能。
4 结语
浮萍生物油的制备及催化升级研究 篇8
浮萍这种水生漂浮植物, 体内以含有淀粉和糖类为主, 因此在生物质能源生产上具有潜力。目前对浮萍的研究涉及污水治理、药物提取及燃料乙醇生产等几个方面。
2 浮萍的生理特性
浮萍是单子叶水生漂浮植物, 常在静水沟、水田、池塘等水体表面生长, 生长速度快, 适应性强, 可以较好地去除污水中的氮磷元素。
浮萍在长期的进化中, 衍生出一系列适应环境、快速生长的特征。主要包括以下几个方面:一、结构简单, 光合效率高, 培育周期短。二、分布极其广泛, 种类繁多, 以此为原料生产燃料乙醇和生物柴油受季节、地域的限制较小, 富营养化的淡水或咸水湖泊、海洋中都有其“身影”。三、具有可塑性, 可通过改变环境条件等因素提高其体内生物质含量。四、能吸收和消耗污水中的氮磷等营养元素及吸附重金属, 对污水治理有显著效果。五、浮萍的光合作用需要消耗大量二氧化碳, 对环境保护有很大的贡献。六、制成的燃料乙醇和生物柴油属清洁能源, 灰分少, 无有害物质产生。
3 浮萍生物油的制备
3.1 原料浮萍的处理
用手将浮萍上的灰尘撮一撮并用筛子将灰尘除去, 将浮萍放入100℃的烘箱内烘2小时, 然后在粉碎机中粉碎两分钟, 取出浮萍, 放入原料瓶中备用。
3.2 料油的制备
(1) 洗净并吹干164ml的反应釜; (2) 用称量纸在分析天平上称取40g浮萍, 用标枪吸50ml去离子水, 将去离子水和浮萍放入反应釜中并拧紧反应釜; (3) 将反应釜迅速放入预先加热至反应所需温度以上50℃的盐浴槽中, 热电偶插入反应釜内部的孔道中测量反应体系内部的温度, 暂时关闭加热装置, 5分钟达到反应所需温度时开启加热装置, 开始计时并使用控温仪, 控温精确度为反应所设温度±2℃, 在350℃下反应半小时; (4) 达到时间后, 将反应釜从盐浴中取出并立即浸入冷水中冷却以迅速终止反应, 体系温度在30秒内迅速降至室温, 十分钟后取出反应釜, 确保反应混合物完全冷却, 对反应釜进行减压, 打开出气口阀门并用烧杯放置在出气口处, 收集从反应釜内喷出的反应产物, 打开反应釜, 将反应釜中的物质倒入烧杯中并用二氯甲烷冲洗反应釜, 将清洗液一并倒入烧杯中; (5) 用布氏漏斗过滤得到滤液, 将滤液倒入分液漏斗中分液分去水; (6) 将油分到100ml圆底烧瓶中, 然后在35℃下加热旋蒸分离至0.09MPa; (7) 取下圆底烧瓶用吹风机吹至质量基本不变, 将油移到一个瓶子中备用, 重复以上操作制备更多的油。
4 浮萍生物油的升级研究
4.1 实验步骤
(1) 取一定质量的浮萍生物油和一定质量的去离子水放入反应釜中, 有时需要加入一定质量的硫化的Pt/C催化剂。密封反应釜, 通入气体约10min以赶尽釜内的空气, 通气时保证流速缓慢均匀, 因流速过快易导致所装物料喷出, 造成实验误差甚至失败, 待空气完全赶尽后, 拧紧出气口阀门, 按实验要求充入不同压力的气体, 充气结束后拧紧进气口阀门。
(2) 将反应釜与加压装置断开并放入超声波中超声约5min, 拿出后吹干反应釜, 将装置好的反应釜迅速置入预先加热至反应所需温度以上50℃的盐浴槽中, 热电偶插入反应釜内部的孔道中测量反应体系内部的温度, 提前30℃—40℃降温至反应所需的温度, 提前5℃开始计时, 在实验温度下反应一定时间。
(3) 然后从盐浴中取出反应釜并将反应釜放入冷水中冷却以迅速终止反应, 确保反应混合物完全冷却后, 取出反应釜并吹干, 然后称重放气前质量, 打开出气口阀门并用气袋收集气体, 用气相色谱仪分析气体。打开进气口阀门, 然后称重得到放气后质量, 计算得到气体质量。
(4) 打开反应釜, 用二氯甲烷将反应釜中产物回收到烧杯中并用二氯甲烷少量多次的清洗回收反应釜中残留物质, 将烧杯放入超声波中超声约3min。用分析天平称三张滤纸并记录其质量, 将烧杯中的产物自然过滤, 用一张滤纸将烧杯擦拭干净, 然后将三张滤纸和滤渣一起放入烘箱中烘干, 计算得到滤渣的质量。
(5) 过滤时滤液是直接过滤到分液漏斗中的, 静置一段时间后分液分去水。称一个50ml圆底烧瓶的质量并记录, 将分液分去的水移入烧瓶中并在60℃下旋转蒸发, 直至烧瓶中没有水的存在, 计算得到水溶物的质量。
(6) 称约3g的无水硫酸镁和一张滤纸并记录它们的精确质量, 用无水硫酸镁干燥分液得到的油。然后将无水硫酸镁和滤纸放入烘箱中烘干, 计算得到吸附物的质量。
(7) 用分析天平称100ml的圆底烧瓶并记录其质量, 将干燥后的油移入100ml圆底烧瓶中, 在35℃下旋转蒸发分离至0.09MPa, 用吹风机吹至质量基本不变并记录其质量, 计算得到改质油的质量。将油移入小瓶中并贴上标签以便以后分析。升级油的产率计算如下:产率%= (m升级油/m浮萍生物油) ×100%。
4.2 实验数据分析
4.3 改质油的红外分析
图1是对于不同催化条件下得到的改质油的红外图谱分析, 我们选取了七个样品进行测定。样品都是在1.5g油、3.5g水, 充气体6MPa的实验条件下得到的, 催化剂是Pt/C-S。由图中可知, 七个样品均在2900cm-1左右有吸收峰, 是饱和烃C-H伸缩振动, 说明改质油中有饱和烃的存在。生物油在2850cm-1到3000cm-1显示出较强的吸收峰, 这说明其中有高含量的甲基亚甲基。1650cm-1到1760cm-1之间的吸收峰表明酮或者羧酸中的C=O伸缩震动, 这两个区域的高强度震动表明生物燃油中有大量的酮存在。在1500—1700cm-1处有较宽的吸收峰, 说明改质油中有醛、酮等的存在。1400—500cm-1处有吸收峰, 说明改质油中有烷烃的存在。七个样品中所含键的类型基本相同, 但从峰的强弱可以看出, 在CO, 2h, 0.15gPt/C-S的条件下得到的改质油的C-H振动最强, 在CO, 4h条件下得到的改质油的C-H振动最弱, 其他各处峰的振动强弱和C-H振动类似。各个峰之所以有高有低, 是因为在不同条件下改质升级后油中成分的相对含量不同。
说明:图中ws-1代表CO, 2h;ws-2代表H2, 2h;ws-3代表H2, 2h, 0.15gPt/C-S;ws-4代表CO, 2h, 0.15gPt/C-S;ws-5代表CO, 4h, 0.15gPt/C-S;ws-6代表CO, 4h, 0.3gPt/C-S;ws-7代表CO, 4h。
5 结论
由实验所得数据及原油和改质油的分析结果可知, 在温度为350℃, 反应时间为4h, 加入Pt/C-S催化剂的实验条件下得到的改质油的品质较好, 油的粘度低、颜色浅、味道正 (有柴油的味道) 。改质升级后油的C、H、O含量升高, N及S的含量降低, O/C及H/C的值升高, N/C的值降低, 含有烷烃、醛、酮等化合物。
对得到的气体进行气相色谱分析, 当实验条件是1.5g油、3.5g水、350℃、气体6MPa、17ml反应釜时可知: (1) 2h时, 在CO气氛、不加催化剂的条件下, 气体主要是H2、N2、CH4、CO和CO2;在CO气氛、加催化剂条件下, 气体主要是H2、O2、CO、CO2;在H2气氛中, 气体主要是H2、N2、CO和CO2; (2) 4h时, CO气氛、不加催化剂时, 气体主要是H2、CO、CO2;CO气氛、10%催化剂时, 气体主要是O2、CO2;CO气氛、20%催化剂时, 气体主要是H2、O2、CO、CO2。
从总体上看, 结果是令人满意的, 认为超临界水中的催化升级过程是提高通过水热液化法得到的浮萍生物质原油品质的一种有效的途径与手段。但是对改质油进行进一步的升级和途径最优化仍然是有必要的。
摘要：当今世界, 化石燃料逐渐枯竭, 环境污染日益加剧, 寻求可再生、无污染可替代新能源已成为当务之急。浮萍作为一种重要的可再生生物质因其结构简单, 光合作用效率高, 培育周期短, 灰分少, 产量大等优点而备受关注。为此, 就浮萍生物油的制备及催化升级进行研究和探讨。
关键词：浮萍,水热液化,生物油,催化升级
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微生物催化 篇9
废油脂俗称工业用油、垃圾油、地沟油、潲水油、下脚油等。这种废油脂不仅严重影响市容环境和市民生活,而且还会造成大量的水体污染。将废油脂转化成生物柴油是一条变废为宝、节约能源、减少污染的有效途径。Alcantara 等[2]用碱催化酯交换法处理大豆油、废油及牛油,制取了生物柴油;Kim等[3]使用不同碱性催化剂的酯交换法制取生物柴油;Suppes 等[4]研究了用沸石和金属作催化剂的情况。他们大多是在用同一类催化剂的情况下优化制备生物柴油的反应条件。本工作则分别采用 H2SO4,NaOH 催化废油脂和甲醇反应制备生物柴油[5,6],主要讨论了醇油质量比、催化剂用量、反应时间及反应温度对酯化反应和酯交换反应的影响,并将实验获得的生物柴油和0#矿物柴油及欧洲生物柴油[7]的性质进行了对比。
1实验部分
1.1 原料及试剂
废餐饮油,为餐饮业回收油。甲醇,分析纯,天津市巴斯夫化工有限公司生产。浓硫酸,分析纯,沈阳市华东试剂厂生产。氢氧化钠、氢氧化钾,均为分析纯,吉林省军区化工厂生产。
1.2分析测试及计算方法
1.2.1生物柴油性质测定法
酸值,定义为中和 1g 待测产品所消耗 KOH 的毫克数,按照 GB 5530—1985 植物油脂检验酸值测定法分析。黏度,按照 GB/T 265—88 毛细管黏度测定法分析。密度,根据 GB 5526—85 油品密度计测定法分析。凝点,按照 GB/T 510—83 石油产品凝点测定法分析。沸程,按照 GB 255—64 减压蒸馏测定法分析。十六烷值,用苯胺点(根据GB/T 262—1988 苯胺点测定法分析)与密度关联式计算。硫含量,按照 YB/T 191.7—2001 微库仑仪测定法分析。含水量,采用微量水测定仪分析。
1.2.2生物柴油收率计算法
生物柴油收率=精制后生物柴油的质量/废餐饮原料油的质量×100%。
1.3生物柴油制备工艺流程
生物柴油制备工艺流程见图1。
预处理
将原料油加热,除水至无气泡放出;冷却油品,用棉纱布过滤油中的残渣。若使用碱催化剂还需进行甲醇预酯化,因为用碱催化时易发生皂化反应,造成催化剂损耗并生成副产物。
酯交换反应
按一定比例将过滤后的油、甲醇和催化剂加入接有冷凝管的三口烧瓶中,加热至预定温度,反应一段时间,待液体冷却后移至分液漏斗中,静置分层。排放下层液体,上层液体即为粗生物柴油。
精制
在粗生物柴油中加入酸或者碱中和催化剂,用蒸馏水反复清洗,然后加热除水。最终对粗生物柴油进行减压蒸馏,得到的黄色透明油品即为精制生物柴油。
2结果与讨论
2.1反应原理
利用甲醇与植物油或动物脂肪中的主要成分——甘油三酸酯发生酯交换反应,甲氧基取代长链脂肪酸上的甘油基,将甘油三酸酯断裂为3个长链脂肪酸甲酯,反应方程式为:
因废餐饮油中含有大量的游离脂肪酸,用碱催化时会使催化剂中毒,所以先用酸催化使其与甲醇反应,即预酯化。另外,应控制废餐饮油与甲醇的含水量,因为原料油中的水会使甘油三酸酯与碱发生皂化反应生成脂肪酸盐和甘油,从而降低反应收率。
2.2酸催化时影响生物柴油收率和产物酸值的因素
2.2.1醇油质量比
对经物理预处理的废餐饮油,在催化剂浓 H2SO4 用量(占原料油的质量分数,下同)为3.0%,反应温度为 65℃,反应时间为 3h 的条件下,考察了醇油质量比对生物柴油收率和产物酸值的影响,结果见图2和图3。
由图 2 可知,当醇油质量比低于 0.5 时,随着醇油质量比的增大,生物柴油的收率呈较平稳的上升趋势;当醇油质量比为 0.5 时,生物柴油的收率超过50%;当醇油质量比高于 0.5 时,随着醇油质量比的增大,生物柴油的收率趋于平缓。因此,本实验最佳的醇油质量比选为 0.5。
由图 3 可知,醇油质量比大于 0.4 时,产物酸值较低,考虑到继续提高醇油质量比,会生成容易炭化的副产物硫酸单甲酯,所以对游离脂肪酸的酯化反应,选择最佳醇油质量比为 0.4。
2.2.2催化剂用量
在反应温度为 65℃、反应时间为 3h、醇油质量比为 0.5 的条件下,考察了催化剂浓 H2SO4 的用量对生物柴油收率和产物酸值的影响,结果见图 4 和图 5。
由图 4 可知,当浓 H2SO4 的用量小于 5% 时,生物柴油的收率随催化剂用量的增加呈上升趋势,这说明随着催化剂用量的增加催化效果增强;当催化剂用量为5% 时,生物柴油的收率超过50%;当催化剂用量大于 5% 时,随着催化剂用量的增加,生物柴油的收率呈降低趋势,这是因为过量的酸易引起炭化反应(表现为反应产物颜色加深),导致催化剂与反应产物分离困难,因此最佳的催化剂用量选为 5%。
由图 5 可知,催化剂用量为2%时,产物的酸值低于 20mg/g;当催化剂用量高于 2% 时,随着催化剂用量的增加,产物酸值减少缓慢。因此,对于游离脂肪酸的预酯化反应,催化剂用量选择为 2%。
2.2.3反应时间
在醇油质量比为 0.5、酸催化剂用量为5%、反应温度为 65℃ 的条件下,考察了反应时间对生物柴油收率和产物酸值的影响,结果见图 6 和图 7。
由图 6 可知,反应开始时,随着反应时间的延长,生物柴油的收率提高明显;当反应时间超过 3h 后,随着反应时间的延长,生物柴油收率的增加趋于缓慢。因此,确定最佳反应时间为 3h。
由图 7 可知,反应开始时,随着反应时间的增加,产物酸值快速降低;当反应时间超过 0.5h 后,随着反应时间的延长,产物酸值减少缓慢,所以游离脂肪酸的预酯化反应在 0.5h 内可基本完成。
2.2.4反应温度
在醇油质量比为 0.5、酸催化剂用量为 5%、反应时间为 3h 的情况下,考察了生物柴油收率及产物酸值随反应温度的变化规律,结果见图8和图9。
由图 8 可知,当反应温度低于 70 ℃ 时,生物柴油的收率随反应温度的上升急剧提高;在约 70℃时,生物柴油的收率最高;当反应温度超过 70℃ 时,随着反应温度的升高,生物柴油的收率开始降低,这是由于温度太高引起甲醇大量气化上浮,从而使反应部位的甲醇浓度相对降低的缘故。
由图 9 可知,在反应温度低于 65℃时,随着反应温度的升高,产物酸值降低明显;当反应温度高于 65℃时,随着反应温度的升高,产物酸值降低开始变缓,因此,游离脂肪酸预酯化的最佳温度为 65℃。综合考虑,本实验最佳的反应温度选为 65℃。
2.3碱催化时影响生物柴油收率的因素
碱催化时反应分2步进行:第一步用酸作催化剂对原料进行预处理,参考酸催化时的单因素考察结果,确定其预处理条件为:醇油质量比 0.4,催化剂 H2SO4用量2%,反应时间 0.5h,反应温度 65℃;第二步用碱作催化剂,采用预处理过的产品制备生物柴油。
2.3.1醇油质量比
对依次经物理、化学预处理后的废餐饮油,在催化剂 NaOH 用量为 1%、反应温度为 65℃、反应时间为 1h 的条件(便于反应充分)下,考察了醇油质量比对生物柴油收率的影响,结果见图10。
由图 10 可知,当醇油质量比低于 0.25 时,生物柴油的收率随醇油质量比的增加急剧提高;当醇油质量比为 0.25 时,生物柴油的收率超过90%;当甲醇用量过多时,使化学平衡逆向移动,生物柴油收率下降。因此,本实验最佳的醇油质量比为 0.25。
2.3.2催化剂用量
在反应温度为 65℃、反应时间为 1h、醇油质量比为 0.25 的情况下,考察了催化剂 NaOH 用量对生物柴油收率的影响,结果见图11。
由图 11 可知,当催化剂 NaOH 用量低于 0.8%时,生物柴油的收率随着催化剂用量的增加而提高;当催化剂用量达到 0.8%时,生物柴油的收率超过90%;其后随着催化剂用量的增加,生物柴油的收率开始降低。因此,本实验最佳催化剂用量为 0.8%。
2.3.3反应时间
在醇油质量比为 0.25、催化剂用量为 0.8%、反应温度为 65℃ 时,考察了反应时间对生物柴油收率的影响,结果见图 12。
由图 12 可知,随着反应时间的增加,生物柴油的收率提高,当反应时间达 1h 时,生物柴油的收率接近90%;当反应时间超过 1h 后,随着反应时间的延长,生物柴油的收率提高甚微,但操作费用将增加。因此,本实验最佳反应时间选为 1h。
2.3.4反应温度
在醇油质量比为 0.25、催化剂用量为0.8%、反应时间为 1h 的情况下,考察了生物柴油收率随温度的变化规律,结果见图13。
由图 13 可知,反应温度低于 65 ℃时,生物柴油的收率随反应温度的升高急剧提高;在 65℃时,可得到较高的生物柴油收率;继续提高反应温度,生物柴油收率的变化趋于平缓。考虑到温度太高会引起甲醇大量气化上浮,使反应部位的甲醇浓度相对降低,因此,本实验最佳的反应温度选为 65 ℃。
2.3.5甲醇含水量
使用 NaOH 催化剂进行酯化反应时,体系中的水可能导致催化剂中毒,使催化剂耗量增多,有时还会导致催化剂结成大颗粒;另外,水还会使油脂水解,且易生成皂,使产品发生乳化从而难以分离。因此在酯交换反应中,应尽量降低原料的水分。甲醇含水量(质量分数,下同)对生物柴油收率的影响见图14。
由图 14 可知,甲醇含水量与生物柴油收率基本呈线性关系,甲醇含水量越高,生物柴油收率越低;若要使生物柴油收率达 94%以上,甲醇含水量应小于 0.1%。
总之,废油脂经酯交换反应制备生物柴油时,用 NaOH 催化剂与用浓 H2SO4催化剂相比,用前者可得到较高收率的生物柴油,且甲醇用量、催化剂用量、反应时间都相应减少。
2.4生物柴油的性质
实验所制备生物柴油的质量与欧洲生物柴油标准及 0# 矿物柴油的质量指标对比列于表 1。
由表 1 可知,实验所制备的生物柴油完全符合欧洲生物柴油的标准要求。
3结论
a. 废油脂经酯化反应制备生物柴油,采用浓 H2SO4 作催化剂的最优反应条件为:醇油质量比 0.5、催化剂用量 5%、反应时间 3h、反应温度 65℃,此时生物柴油的收率约为50%。
b. NaOH作催化剂的 2 步酯交换法为:第一步用浓 H2SO4 作催化剂对原料进行预处理,其最优条件为醇油质量比 0.4、催化剂用量 2%、反应时间 0.5h、反应温度65℃;第二步用碱催化预处理过的产品制备生物柴油,其最优条件为醇油质量比 0.25,催化剂用量 0.8%,反应时间 1h,反应温度 65℃。此工艺条件下,生物柴油的收率约为95%。
c. 以浓 H2SO4 作催化剂对原料中的水和游离脂肪酸含量要求不高,但有副产物硫酸单甲酯生成,其容易炭化。NaOH 作催化剂对原料中水和游离脂肪酸的含量要求较严格,必须对原料进行预酯化,但其生物柴油收率比浓 H2SO4 作催化剂时高约 40 个百分点,且产品性能优良。
d. 实验所制备生物柴油的质量能够满足欧洲生物柴油标准要求,且与 0# 矿物柴油的性能基本相近,有些性质还优于 0# 矿物柴油。
摘要：考察了用浓H2SO4及NaOH催化废餐饮油和甲醇反应制备生物柴油的反应条件。结果表明,用NaOH作催化剂的2步酯交换法制备生物柴油时,预处理过程的最佳条件为:醇油质量比为0.4,催化剂H2SO4用量占原料油的质量分数为2.0%,反应时间为0.5 h,反应温度为65℃。主反应的最佳条件为:醇油质量比为0.25,催化剂用量为0.8%,反应温度为65℃,反应时间为1 h。在上述工艺条件下,产品生物柴油的收率可达95%,其各项性能实测值均达到欧洲生物柴油的标准要求。
关键词：废餐饮油,生物柴油,酯交换反应,均相催化,酸催化,碱催化
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