生物柴油的研究与使用（下）

　　酶催化法生产生物柴油的研究始于上世纪80年代，我国则在90年代后期开始了这方面的研究。酶催化法生产生物柴油是利用脂肪酶的催化作用，实现油脂与短链醇的酯交换反应。脂肪酶是一类可以催化甘油三酯合成和分解的酶的总称，同时可以催化油脂的酯交换反应，广泛分布于动、植物和微生物的组织和器官中。工业化的脂肪酶主要有动物脂肪酶和微生物脂肪酶，其中微生物脂肪酶种类较多，一般通过发酵法生产。用于生物柴油生产的脂肪酶主要有酵母脂肪酶、根霉脂肪酶、曲霉脂肪酶、毛霉脂肪酶、猪胰脂肪酶等，有商品化的固定化脂肪酶和游离脂肪酶等[33]。酶法生产生物柴油工艺简单，反应条件温和，容易操作和控制，脂肪酶催化剂容易与产品分离，固定化酶可以重复使用，废弃的酶则可以生物降解，不会对环境造成危害；反应产生的甘油，分离简便；反应过程中无酸、碱物质，不会造成皂化反应，生产稳定性好；反应中不需要过量的甲醇，分离、提取简单，耗能小，酶法生产生物柴油受到了越来越多研究者的关注。

　　但是，生物酶法生产生物柴油也存在一些不足：脂肪酶价格昂贵，游离化的脂肪酶不利于回收和重复利用，增加了生产成本；甲醇等短链醇对脂肪酶具有毒性，过量的甲醇会对脂肪酶造成不可逆转的损害；脂肪酶催化动力学研究欠缺，缺少基本的动力学数据，不利于反应的扩大和自动化控制；间歇反应工艺时间较长，不利于工业化生产。

　　针对这些不足，酶法制取生物柴油的研究主要集中在以下几个方面：

　　（1）新型固定化脂肪酶或细胞的研制

　　为了降低脂肪酶的使用价格，一些研究者致力于价格便宜的工业脂肪酶或固定化细胞的研制，或将游离脂肪酶进行固定化，以增加脂肪酶的使用寿命，降低生物柴油生产成本。

　　Ban等[34～37]用固定化根霉细胞催化大豆油和甲醇合成生物柴油，根霉细胞膜的脂肪酸成分对反应的催化效果具有最大的影响，发现利用亚油酸强化的细胞膜催化具有最高的转换率，利用棕榈酸强化的细胞膜具有最好的催化稳定性，而两者以2:1强化细胞膜时，可以使细胞具有最好的催化稳定性和催化转换率，细胞循环使用10次以上， 转换率在55%以上。用0.5%的GA提高全细胞的稳定性， 通过六批间歇试验，发现油脂的酯交换率维持在70%～83%，没有明显的下降。当利用分布加入甲醇方法时，油脂的转换率可以达到90%。由于省去了脂肪酶的提取及精炼过程，因此生物柴油催化剂的生产成本大为降低，得到了许多研究者的认同。

　　Nelson[38]利用游离的毛霉脂肪酶和假丝酵母酶对牛油和短链醇的酯交换反应进行催化，利用正己烷作为有机溶剂，结果发现毛霉脂肪酶对催化动物油与甲醇的反应效果较好，假丝酵母酶则对动物油与乙醇的反应催化效果较好，酯交换率均在80%以上。

　　Deng[39]利用六种商品化的固定脂肪酶在无溶剂系统中对葵花籽油与七种短链醇的酯交换反应进行催化，发现Novo435脂肪酶对油脂与大多数醇尤其是甲醇的酯交换反应催化效果最好，转换率均在90%以上。

　　邓利等[40]成功地从假丝酵母发酵液中提取出了假丝酵母脂肪酶，将其固定到纺织品上应用到废弃油脂及食用油的酯交换反应中，在有机溶剂存在的情况下，成功地制取出了性能合格的生物柴油产品。

　　（2）固定化酶催化工艺条件的研究

　　固定化酶能够重复使用，从而降低生产成本。目前，酶法制取生物柴油一般使用固定化脂肪酶间歇催化油脂合成生物柴油。间歇生产工艺的研究主要是为了提高脂肪酶的使用寿命，提高反应转化率，缩短反应周期。提高甲醇等短链醇在油脂中的溶解性，可以提高反应物之间的接触面积，提高反应速率，提高脂肪酶的使用稳定性和寿命，一些研究者致力于寻求合适的有机溶剂。

　　Soumanou[41]考察了不同的有机溶剂后，认为正己烷有利于Lipozyme RMIM催化葵花籽油与甲醇的酯交换反应，在30～40℃下，将甲醇分三次等量加入，反应24h后得到了80%以上的转换率，脂肪酶重复使用了120h，催化效果未变。Lara等[42]研究发现，只有在废弃漂白土和正己烷共同存在下，脂肪酶催化废弃植物油与短链醇才能得到最高的酯交换率90%。Iso等[43]用假单胞菌脂肪酶催化甘油三酸酯与醇的酯交换反应，发现与短链醇－甲醇、乙醇等的酯交换反应，必须加入正己烷等有机溶剂；对于长链醇，则不需要有机溶剂，进一步证实了短链醇对脂肪酶的毒性。Linko[44]利用25商品脂肪酶催化菜籽油与丁醇的反应，发现加入正己烷可以提高转换率，在37℃下反应7h后得到了90%的转换率。

　　徐圆圆等[45]探讨了利用脂肪酶Lipozyme TLIM催化大豆油脂生产生物柴油，以正己烷作为有机溶剂，在脂肪酶用量30%、醇油摩尔比4:l、反应温度40℃的情况下，反应5h后产物脂肪酸甲酯得率可达92%。聂开立等[46]利用实验室自制固定化假丝酵母脂肪酶催化大豆油与甲醇的酯交换反应，以石油醚作为有机溶剂，认为醇油摩尔比最高为1.4：1，在此值以下，甲醇不会对脂肪酶造成毒性。使用15%固定化脂肪酶，加入20%质量分数的水,温度为40℃，在pH值为7时，每10h流加1mol当量的甲醇，分3次流加后得到最高酯交换率为96%，固定化酶使用半衰期达200h以上。高静等[47]利用响应面优化方法，使用自行研制的固定化假丝酵母脂肪酶催化废油脂与甲醇的酯交换反应，加入14%的石油醚和10%的水，在甲醇一次全加入的情况下可以得到92%的酯交换率，但经过4批反应，酯交换率就下降到50%以下，因此，采用多次流加甲醇的方式，可以使脂肪酶连续使用7批，酯交换率依然可以保持在90%以上。鲁名波等[48]同样利用Lipozyme TLIM固定化脂肪酶催化大豆油，在对大豆油进行乳化预处理后，利用10%的脂肪酶， 在正己烷存在的反应体系中， 温度40℃下，三次等量流加甲醇，共反应15h后得到了94%的酯交换率。陈志峰等[49]利用Novo435脂肪酶催化废油脂发现，在反应体系中加入10%的有机碱三羟甲基氨基甲烷或三乙胺可以提高废弃油脂的酯交换速率和甲酯产率，在无溶剂体系下反应24h得到77.5%的转换率，但加入有机溶剂后，反应12h可以得到85.9%的酯交换率，反应10批次后，酯交换率反而有所升高。
  
    虽然有机溶剂的存在可以降低反应温度，提高醇油摩尔比，但有机溶剂的存在，增加了反应后提取的困难， 加大了生产的能耗。因此，很多学者不赞成反应过程中使用有机溶剂。Kose[50]研究了在无溶剂的体系中，利用Novozym 435 催化棉籽油与甲醇和乙醇的酯交换反应，在50℃、醇油比4:1， 30%脂肪酶用量下，反应7h后酯交换率达到了72%。Shimada[51，52]利用假丝酵母脂肪酶在无溶剂体系中催化植物油脂的酯交换反应，发现甲醇与植物油的摩尔比以1.5:1为最大，超过这个值，酶的催化作用将急剧下降。在30℃下，将反应所需的甲醇分三次等量加入， 反应48h得到了90%的酯交换率。Kaieda[53]利用Rhizopus oryzae游离脂肪酶催化大豆油和甲醇的酯交换反应，发现4%～30%的水的存在有利于反应的进行，可以得到80%以上的转换率。Selmi and Thomas[54]对固定化毛霉脂肪酶催化葵花籽油与乙醇的研究中发现，在无溶剂的情况下，利用8%的脂肪酶，在50℃、3:1的醇油比的情况下，反应5h得到了80%的酯交换率。

　　国内的吴虹等[55]利用Novo435酶催化废油脂，在无有机溶剂的体系中每10h加入反应所需的1/3甲醇，每次加入甲醇之前均将脂肪酶用有机溶剂丙酮清洗，共反应30h后酯交换率达到88.6%，连续反应300h后，酶活性基本没有下降。

　　刘德华[56～59]等采用短链脂肪酸脂（乙酸甲酯或乙酸乙酯）作为酰基受体，与菜籽油等植物油反应，避免了使用甲醇，反应过程中短链脂肪酸酯与油脂的摩尔比可以达到4:1～14:1。副产物三乙酸甘油酯进一步与甲醇反应生成短链脂肪酸酯，循环用于生物柴油的生产。在脂肪酶用量30%，反应温度30～60℃的情况下，反应20h左右可以得到90%的酯交换率。

　　本实验室研究了以固定化的假丝酵母脂肪酶作为催化剂， 以菜籽油和桐油为原料，在无溶剂存在的条件下的间歇和连续反应工艺条件，脂肪酶可以多次重复使用，油脂转化率保持在90%左右[60，61]。

    4　生物柴油的发展展望

　　由于作为石化柴油代用品的生物柴油对环境友好、可再生，已受到世界范围的关注，生物柴油的产量也在以很大的幅度逐年增长，柴油的研究和生产将有广阔的市场前景。我国一次能源生产和终端能源消费中原油和石油产品都占到12%以上，而且近年来一直呈上升趋势。2004年我国进口低纯度石油1.3亿多t，2020年石油进口量要翻一番达到3亿t。我国对进口石油的依赖度已大于55%，这不仅消耗大量的外汇储备，并需国防、外交保证，因此，我国的能源安全实质是石油安全问题。柴油是石油消费的重要组成部分，1995～2000年间，我国柴油消费已从4360万t增加到6700万t，发展生物柴油可以部分缓解我国柴油供应紧张的状况，并有助于部分代替进口产品，节省外汇。另外，我国植物资源丰富，产油植物达400余种，其中300种含油超过20%，野生麻疯树果实含油率达40%～60%， 超过油菜和大豆，用其加工的生物柴油的闪点、凝固点等关键指标优于国产零号柴油，达到欧洲二号排放标准，我国已在四川省攀枝花、凉山等地种植十万余亩。

　　中国在发展生物柴油的同时应注重本国国情，充分利用边缘性低质土地种植能源作物、充分利用现有动、植物油料资源，优化生产工艺，避免对环境造成二次污染，同时要尽量减小能耗，简化生产装置。酶法生产生物柴油条件温和、醇用量小、无污染物排放，本实验室已进行了固定化脂肪酶催化制取生物柴油的研究，得到了间歇和连续生产工艺条件，对酶催化制取生物柴油的动力学和催化机理进行了研究；同时，实验室开展了固体催化剂制取生物柴油的研究，研制出了一系列催化效果显著的固体催化剂。为了实现生物柴油低成本、大型工业化生产，笔者认为还应进行以下方面的研究：1）高效产脂肪酶菌株的筛选和研究与高效固体催化剂的研制。催化剂决定着生产工艺的复杂程度和生产成本，固定化脂肪酶和固体催化剂催化生产生物柴油的工艺条件简单，不会对环境造成二次污染，催化剂还可以重复使用，是降低生物柴油生产成本，实现生物柴油大型工业化生产的有利因素；2）大力开发生物柴油的廉价生产原料，随着生物柴油产业的扩大，原料的需求将进一步增大，可以改良能源作物品种，提高其含油率；使用废弃食用油及废弃动物脂肪；3）研究提取工艺，精制副产物甘油，降低分离、提取成本；4）开发连续生产工艺，为生物柴油的工业化生产提供条件。