凱泰固定化脂肪酶催化火鍋廢油制備生物柴油的研究

摘要：以重慶火鍋廢油為原料，甲醇為酰基受體，凱泰固定化脂肪酶為催化劑，采用正交試驗(yàn)方法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(guò)預(yù)處理的原料油，在醇油摩爾比為４．０∶１．０、分３次添加甲醇、脂肪酶用量２０.0％（ｍ／ｍ，下同）、正己烷用量１０％（ｍ／ｍ，下同）、水用量１０％（ｍ／ｍ，下同）、水浴溫度５０℃、振蕩速度１００ ｒ／ｍｉｎ的搖瓶體系中，反應(yīng)２４ ｈ，生物柴油產(chǎn)率達(dá)８３．７５％；在醇油摩爾比為３.0∶１.0、分３次投加甲醇、脂肪酶用量２５．０％、正己烷用量１１％、水用量１０％、水浴溫度４８℃下，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)８０．９５％。經(jīng)減壓蒸餾后的生物柴油的理化指標(biāo)基本達(dá)到國(guó)內(nèi)０＃柴油標(biāo)準(zhǔn)，具有可推廣性。

關(guān)鍵詞：凱泰固定化脂肪酶；火鍋廢油；生物柴油；酶催化

中圖分類號(hào)：Ｑ５５；Ｏ６４３文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０11）12－2529-03

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｆｒｏｍ Ｗａｓｔｅ Ｃｏｏｋｉｎｇ Ｏｉｌ ｏｆ Ｈｏｔ Ｐｏｔ

ｂｙ Ｋｅｔｅ Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ Ｌｉｐａｓｅ

ＺＨＥＮＧ Ｘｕ－ｘｕ１ａ，1ｂ，ＺＨＵ Ｊｕｎ－ｒｅｎ１ａ，２，ＹＩＮ Ｚｈｏｎｇ－ｙｉ１ａ，1ｂ，ＬＩ Ｑｉａｎｇ１ａ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕ－ｊｉｎｇ１ａ

（１ａ．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； １ｂ． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ Ｗａｓｔｅ Ｏｉｌ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６７， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４５， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｕｓｉｎｇ ｗａｓｔｅ ｏｉｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ｈｏｔｐｏｔ ａｓ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｍｅｔｈａｎｏｌ ａｓ ａｃｙｌ ａｃｃｅｐｔｏｒ，kｅｔｅ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ ｌｉｐａｓｅ ａｓ ｃａｔａｌｙｓｔ， ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｆｒｏｍ ｗａｓｔｅ ｃｏｏｋｉｎｇ ｏｉｌ ｏｆ ｈｏｔ ｐｏｔ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ａｆｔｅｒ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｗ ｏｉｌ， ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｌａｒ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｔｏ ｏｉｌ ｗａｓ ４.0∶１.0， ａｄｄｉｎｇ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｆｏｒ ３ ｔｉｍｅｓ， ｔｈｅ ２０.0％（m／m） ｏｆ ｌｉｐａｓｅ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，１０％（m／m） ｏｆ ｎ－ｈｅｘａｎｅ ａｍｏｕｎｔ， １０％（m／m） ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ， ｗａｔｅｒ ｂａｔｈ ａｔ ５０ ℃，ｓｈａｋｉｎｇ ａｔ ａ ｓｐｅｅｄ ｏｆ １００ ｒ／ｍｉｎ ｉｎ ｓｈａｋｅ ｆｌａｓｋ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ２４ ｈ，ｔｈｅ ｂｉｏ－ｄｉｅｓｅｌ ｙｉｅｌｄ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ８３．７５％． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｌａｒ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｔｏ ｏｉｌ ｗａｓ ３.0∶１.0，ａｄｄｉｎｇ ｍｅｔｈａｎｏｌ ３ ｔｉｍｅｓ，ｌｉｐａｓｅ ｄｏｓａｇｅ ２５.0％（m／m），１１％（m／m） ｏｆ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｎ－ｈｅｘａｎｅ，１０％（m／m） ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ， ｗａｔｅｒ ｂａｔｈ ａｔ ４８ ℃， 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 ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｂｉｏ－ｄｉｅｓｅｌ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ８０．９５％． Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｄｅｘｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ａｆｔｅｒ ｖａｃｕｕｍ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ０＃ ｄｉｅｓｅｌ ｏｉｌ， ｔｈｕｓ ｗａｓ ｒｅｐｌｉｃａｂｌe.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｋｅｔｅ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ ｌｉｐａｓｅ；ｗａｓｔｅ ｃｏｏｋｉｎｇ ｏｉｌ；ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ；ｅｎｚｙｍａｔｉｃ

據(jù)稱中國(guó)每年有上千萬(wàn)噸的地溝油、潲水油被隨意傾倒，嚴(yán)重污染環(huán)境，甚至每年有３００萬(wàn)ｔ的地溝油返回餐桌，長(zhǎng)期食用將嚴(yán)重?fù)p害人體健康。重慶火鍋聞名世界，但一些火鍋店的最大缺點(diǎn)是將火鍋油反復(fù)使用，俗稱“口水油”。火鍋油經(jīng)過(guò)多次反復(fù)高溫煎煮，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［１］。受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)，要徹底禁止“口水油”的使用是比較困難的。有效回收火鍋廢油的剩余價(jià)值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?gòu)U油排放對(duì)環(huán)境的污染，而且可以生產(chǎn)可替代燃料，增加國(guó)家的能源儲(chǔ)備。

生物柴油（Ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ）是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及動(dòng)物油脂、餐飲垃圾油等為原料油，通過(guò)酯交換反應(yīng)制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料［２，３］。現(xiàn)階段，按所使用催化劑的不同，酯交換法制備生物柴油的方法可分為生物酶催化法、超臨界酯交換法、堿催化法和酸催化法等。生物酶催化法制備生物柴油具有操作方便、反應(yīng)條件溫和、醇用量小、無(wú)三廢等優(yōu)點(diǎn)，具有環(huán)境友好性，日益受到人們的重視［４］。本文選用重慶特有的火鍋廢油作為餐飲廢油，首次利用凱泰固定化脂肪酶作催化劑［５］，研究其催化餐飲廢油制備生物柴油的工藝條件。

１材料與方法

１．１材料

原料：餐飲廢油（取自重慶火鍋企業(yè)）。試劑：凱泰固定化脂肪酶ＬＳ－２０（北京凱泰新世紀(jì)生物技術(shù)有限公司，凱泰脂肪酶固定在無(wú)紡布上）；甲醇、正己烷、石油醚 （市售，分析純）；活性白土（自制）、工業(yè)級(jí)植物油脫膠劑（武漢達(dá)銘科技發(fā)展有限公司）；棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯、十三碳酸甲酯（色譜純，Ｓｉｇｍａ公司）。

儀器：固定床反應(yīng)器（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）；ＣＳ５０１－ＳＰ超級(jí)數(shù)顯恒溫器（重慶慧達(dá)試驗(yàn)儀器有限公司）；ＤＤＨＺ－３００臺(tái)式回旋恒溫振蕩器（太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠）；ＨＬ－２Ｄ定時(shí)數(shù)顯恒流泵（上海精科實(shí)業(yè)有限公司）；電磁攪拌器（上海司樂(lè)儀器有限公司）；ＳＨＢ－Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵；ＧＣ－２０１０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洗，過(guò)濾除雜，加熱至１０５ ℃除水，活性白土脫色，工業(yè)級(jí)植物油脫膠劑脫膠等步驟后制備成原料油。

１．２．２生物柴油的制備

１）搖瓶體系：在恒速恒溫?fù)u床中，設(shè)定搖床轉(zhuǎn)速為１００ ｒ／ｍｉｎ，在２５０ ｍＬ錐形瓶中加入５０ ｇ餐飲廢油和一定量的甲醇、凱泰固定化脂肪酶、水，反應(yīng)２４ ｈ；按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，確定生物柴油的最佳制備工藝。

２）固定床反應(yīng)體系：在高徑比為１２．５∶１．０的固定床反應(yīng)器中（圖１），用玻璃纖維填料填充兩端，高度分別為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(jí)恒溫器的熱水循環(huán)，保證恒定的溫度；選擇醇油摩爾比為３.0∶１.0，分３次添加甲醇，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(guò)程中及時(shí)將副產(chǎn)物甘油分離去除［６－８］。

１．２．３反應(yīng)產(chǎn)物的組成測(cè)定以正己烷為溶劑，十三碳酸甲酯為內(nèi)標(biāo)，采用氣相色譜法測(cè)定［９－１１］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(jì)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(shí)，減壓蒸餾收集餾分，從１８０ ℃收集至２７０℃結(jié)束。

１．２．５生物柴油的理化性質(zhì)分析采用柴油的性質(zhì)分析方法［１２－１６］，對(duì)精制后的生物柴油進(jìn)行理化性質(zhì)分析。

２結(jié)果與分析

２．１原料預(yù)處理方法的確定

分別采用簡(jiǎn)單過(guò)濾、簡(jiǎn)單過(guò)濾＋自制活性白土吸附、簡(jiǎn)單過(guò)濾＋自制活性白土吸附＋工業(yè)級(jí)植物油脫膠劑脫膠３種方法制備原料油１（Ｓ１）、原料油２（Ｓ２）、原料油３（Ｓ３），將所得的３種原料油在搖瓶體系中反應(yīng)２４ ｈ，測(cè)得生物柴油的產(chǎn)率。

由圖２可知，只經(jīng)過(guò)水洗、簡(jiǎn)單過(guò)濾、加熱除水的Ｓ１還含有較多不溶于水的雜質(zhì)，如色素、辣椒素等，不利于酯交換反應(yīng)，導(dǎo)致生物柴油產(chǎn)率相對(duì)較低，僅為５０％；在簡(jiǎn)單過(guò)濾基礎(chǔ)上再采用活性白土處理，可吸附脫除Ｓ１中的有害色素、磷脂、皂素、棉酸等，有利于酯交換反應(yīng)，生物柴油產(chǎn)率達(dá)７２％，有了較明顯的提高；在活性白土處理基礎(chǔ)上再采用工業(yè)級(jí)植物油脫膠劑處理，所得Ｓ３的生物柴油產(chǎn)率最高，說(shuō)明工業(yè)級(jí)植物油脫膠劑可以更好地吸附廢油中的膠、酸、磷脂等雜質(zhì)。氣相色譜分析顯示，Ｓ３中基本上只含有甘油三酯，基本上沒有游離脂肪酸等脂類有機(jī)物。因此本試驗(yàn)選用Ｓ３的預(yù)處理方法制備原料油。

２．２搖瓶體系的工藝條件研究

為了綜合考慮凱泰固定化脂肪酶用量、甲醇用量、正己烷用量、水用量、水浴溫度等各因素對(duì)酯交換反應(yīng)的影響，在前期預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其影響因素及水平設(shè)計(jì)見表１，試驗(yàn)安排及結(jié)果見表２。

由表２可知，影響因素的主次順序?yàn)椋拢荆牛荆粒荆模荆茫顑?yōu)組合是Ａ４Ｂ４Ｃ３Ｄ３Ｅ３。由于正交試驗(yàn)未涉及到Ａ４Ｂ４Ｃ３Ｄ３Ｅ３，所以補(bǔ)充了Ａ４Ｂ４Ｃ３Ｄ３Ｅ３驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，Ａ４Ｂ４Ｃ３Ｄ３Ｅ３組合的生物柴油產(chǎn)率為８３．７５％，高于正交試驗(yàn)結(jié)果表中Ａ３Ｂ４Ｃ２Ｄ１Ｅ３組合的生物柴油產(chǎn)率，因此搖瓶體系的最佳工藝條件是Ａ４Ｂ４Ｃ３Ｄ３Ｅ３，即選擇醇油摩爾比為４．０∶１．０、分３次投加甲醇、凱泰固定化脂肪酶用量２０.0％、正己烷用量１０％、水用量１０％、水浴溫度５０℃、振蕩速度１００ ｒ／ｍｉｎ、反應(yīng)時(shí)間２４ ｈ，此時(shí)生物柴油產(chǎn)率達(dá)８３．７５％。

２．３固定床體系的工藝條件研究

參考預(yù)試驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)［４－７］報(bào)道設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，其影響因素及水平見表３，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表４。

由表４可知，影響因素的主次順序?yàn)椋粒荆拢荆茫荆模顑?yōu)組合是Ａ４Ｂ４Ｃ２Ｄ３。由于本正交試驗(yàn)未涉及到Ａ４Ｂ４Ｃ２Ｄ３，所以補(bǔ)充了Ａ４Ｂ４Ｃ２Ｄ３的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，Ａ４Ｂ４Ｃ２Ｄ３組合的生物柴油產(chǎn)率為８０．９５％，這個(gè)結(jié)果高于正交試驗(yàn)結(jié)果表中Ａ４Ｂ４Ｃ１Ｄ３組合的生物柴油產(chǎn)率，因此固定床體系的最佳條件是Ａ４Ｂ４Ｃ２Ｄ３，即在高徑比為１２．５∶１．０、柱流速為０．６ ｍＬ／ｍｉｎ的固定床裝置中，選擇醇油摩爾比３.0∶１.0、分３次投加甲醇、凱泰固定化脂肪酶用量２５．０％、水用量１０％、正己烷用量１１％、水浴溫度４８℃、反應(yīng)時(shí)間２４ ｈ，此時(shí)生物柴油的產(chǎn)率達(dá)８０．９５％。

２．４生物柴油的理化性質(zhì)分析

經(jīng)減壓蒸餾后的生物柴油的理化性質(zhì)分析結(jié)果見表５，同時(shí)列出了國(guó)內(nèi)０＃柴油以及德國(guó)和美國(guó)的生物柴油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

由表５可知，經(jīng)減壓蒸餾后的自制生物柴油的絕大多數(shù)理化指標(biāo)基本上達(dá)到國(guó)內(nèi)０＃柴油以及德國(guó)和美國(guó)生物柴油的標(biāo)準(zhǔn)值，提示如果采用更優(yōu)的精制方法，可望使自制的生物柴油達(dá)到國(guó)內(nèi)０＃柴油及國(guó)外生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，該方法自制的生物柴油和國(guó)內(nèi)０＃柴油相比，除了密度略微超標(biāo)外，其他指標(biāo)均滿足國(guó)內(nèi)０＃柴油的標(biāo)準(zhǔn)值，而生物柴油的密度可以通過(guò)與石化柴油混合或加入特殊試劑來(lái)降低，因此，該方法自制的生物柴油基本上達(dá)到國(guó)內(nèi)０＃柴油標(biāo)準(zhǔn)，可以與國(guó)內(nèi)０＃柴油混合后用作機(jī)動(dòng)車的燃料。

３結(jié)論

凱泰固定化脂肪酶可以較好地將火鍋廢油轉(zhuǎn)化為生物柴油，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的原料油分別在搖瓶和固定床體系的最優(yōu)工藝條件下制備生物柴油，其產(chǎn)率分別為８３．７５％和８０．９５％；經(jīng)減壓蒸餾后的生物柴油的理化指標(biāo)大部分符合國(guó)際有關(guān)生物柴油標(biāo)準(zhǔn)，基本達(dá)到國(guó)內(nèi)０＃柴油的標(biāo)準(zhǔn)，具有可推廣性。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文