酶催化地沟油制备生物柴油的研究

2022-09-10

前言

地沟油是指在生活中存在的各类劣质油。地沟油的最大来源为城市饭店下水道的隔油池, 长期食用可能会引发癌症, 对人体的危害极大。近年来, 地沟油回流餐桌是一件令人伤透脑筋的事情, 最好的解决办法就是进行循环利用, 变废为宝。以地沟油为原料制备生物柴油, 使其成为可利用的工业能源, 防止其混入合格的食用油, 保护人类健康的生活, 还能创造一定的社会经济效益[1,2]。生物柴油作为清洁能源, 可代替矿物燃料油, 对于节能减排具有重要意义。本文以地沟油为原材料, 脂肪酶为催化剂来制备生物柴油, 并对生物柴油酶催化的制备工艺进行了优化研究。

一、材料与方法

1. 实验原理

地沟油的主要成份是甘油三酯, 甘油三酯在脂肪酶的作用下, 分解生成甘油和脂肪酸;酯化反应机制是:RCOOH+CH3OH↔RCOOCH3+H2O (R是脂肪酸链) 。

2. 实验材料

地沟油, 脂肪酶 (100000U/g) , 正己烷、甲醇、95%乙醇、氢氧化钾均为分析纯。

3. 实验方法

本文采用的实验方法参考文献[3]。

(1) 酸值计算

酸值是中和1g样品油所消耗得KOH的毫克数。精确称取地沟油样品放入锥形瓶中, 加入95%乙醇使其溶解。随后加入几滴酚酞指示剂, 用0.2 mol·L-1氢氧化钾滴定至微红色, 保持30秒不褪色。酸值计算公式为:A= (B×C×56.11) /D。式中, A:酸值;B:KOH浓度 (mol·L-1) ;C:KOH滴定体积 (m L) ;56.11:KOH的摩尔质量 (g·mol-1) ;D:样油质量 (g)

(2) 地沟油转化率计算

通过测定反应中酸值变化来计算地沟油的转化率, 转化率=[ (地沟油酸值-产品酸值) /地沟油酸值]×100%

(3) 水分含量的测定

用已烘至恒重的称量瓶精确称取适量的试样油, 在 (105±2) ℃温度下烘100min, 取出冷却后称重。再烘30min, 直到前后两次称量的重量差值小于0.001g。地沟油水分含量=[ (烘前样油质量-烘后样油质量) /烘前样油质量]×100%。

(4) 密度的计算

准确称取已知体积的地沟油样品放入已知重量的烧杯中, 然后准确测量其总重量。地沟油的密度= (烧杯及样油的总质量-烧杯质量) /样油的体积。

我们选择油醇摩尔比、酶用量和反应温度为实验的影响因素, 先做单因素实验, 探讨这些因素对地沟油转化率的影响。在此基础上, 进行三因素三个水平上的正交优化实验。

二、实验结果与讨论

1. 油醇摩尔比对地沟油转化率的影响

固定反应条件:酶0.1g、正己烷20g、反应温度40℃、反应时间2h、中速搅拌。当油醇比为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5时, 地沟油转化率分别为86.68、92.22、94.45、93.91、93.32%。当油醇摩尔比为1:3时, 转化率最高, 此时甲醇能满足反应所需的数量, 又可防止多余的甲醇使脂肪酶失活, 所以油醇摩尔比为1:3较合适。

2. 酶用量对地沟油转化率的影响

固定反应条件:油醇摩尔比1:3, 正己烷20g, 反应温度40℃, 反应时间2h, 中速搅拌。当酶量为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25g时, 地沟油转化率分别为82.57、93.86、93.90、89.26、88.36%。酶用量为0.1g时, 转化率显著增高。当脂肪酶的用量增加到0.15g时, 其转化率变化不显著, 增加的酶对反应的转化率影响不大, 说明此时反应体系中的所需酶的数量己达饱和状态, 多余的酶对反应的转化率没有任何影响。

3. 反应温度对地沟油转化率的影响

固定反应条件:油醇摩尔比1:3, 酶0.1g, 正己烷20g, 反应时间2 h, 中速搅拌。反应温度为30、35、40、45、50℃时, 地沟油转化率分别为89.5、92.22、94.7、94.45、93.9%。随着温度的升高, 地沟油的转化率随着增高。当反应温度达40℃时, 地沟油的转化率明显提高到94.7%。当反应温度高于40℃时, 其转化率反而下降, 这可能是因为脂肪酶最佳的作用温度是40℃, 而较高的温度会使部分酶丧失活性。

4. 正交实验结果

为了优化工艺条件, 通过设计油醇摩尔比、酶量、反应温度三因素三水平正交实验来对这些因素进行分析。结果如表1所示, 通过SPSS软件统计分析后, 得出对生物柴油转化率的影响为油醇摩尔比>反应温度>脂肪酶用量, 最佳工艺:油醇摩尔比1:3、脂肪酶0.1g、反应温度45℃。在最佳工艺条件下, 地沟油转化为生物柴油的效率为94%, 其密度0.87g·m L-1, 酸值1.03mg KOH·g-1, 含水量3.2mg·kg-1。