基本信息
- 项目名称：
- 包衣酶催化餐饮废弃油脂制备生物柴油
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本研究使用包衣酶催化餐饮废弃油脂制备生物柴油，从含油土壤中筛选培育脂肪酶高产菌株，其发酵生产的脂肪酶经分离纯化、包衣化处理后，催化餐饮废弃油脂制备生物柴油；同时系统研究餐饮废弃油脂特征对生物柴油品质的影响，并研究其组成、燃烧排放特性与流变学性能。
- 详细介绍：
- 能源是人类社会存在与发展的物质基础。进入21世纪以来，全球面临着资源和环境双重压力。石化油品燃烧后排放的废气引起的环境污染也是人类面临的一大问题，特别是CO2的含量一直在显著的增加，环境污染日益严重，因此，作为有重大研究开发前景的生物质能受到世界各国政府的高度关注。 生物柴油(Biodiesel) 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动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料，是生物质能的一种，并且是环境友善的新型环保绿色能源，主要优点是：生物可再生性，可降解性，无毒，含硫量极低，含芳香烃量少，含氧量高，十六烷值高，闪点高，燃烧完全，燃烧后逸出的废气中，微粒子、总碳氢化合物和一氧化碳含量少等；其既可作为燃料使用，也可以作为添加剂与普通柴油以任意比例混合，与其它替代燃料如压缩天然气、液体天然气、液化石油气、乙醇等相比，使用生物柴油系统投资少，原有的引擎，加油、储存、保养设备等基本无需改动。 欧盟目标2020年实现可再生能源比达20%；美国计划2020年使用生物燃油占全国燃油消费的10%，到2050年可代替50%；2006年1月1日起施行的《中华人民共和国可再生能源法》明确表明了发展“生物柴油”，政府会大力支持，我国中长期规划战略目标也指出：2020年乙醇和生物柴油的产量各达到1500万吨，替代25％的石油进口。 我国每年的餐饮业废弃油脂（地沟油）产量多达2600多万吨，长期摄入地沟油会对人体造成严重危害，如发育障碍、易患肠炎，并伴有肝、心和肾肿大以及脂肪肝等病变。目前，每年被不法分子加工成“食用油”后再次进入市场返回餐桌的地沟油有200万-300万吨，这对人民的身体健康产生了极大的危害。各国都在想办法尽力解决地沟油重返餐桌这一食品安全问题。 我国各地政府一直在为堵住餐饮废弃油脂重新回流餐桌努力，对之最好的解决办法就是设法加大循环利用，转化成生物柴油，从而变废为宝，减少环境污染，解决能源紧缺的问题，增强我国能源安全，更重要的是可加快我国的生物柴油产业化进程，有重大的社会效益、经济效益和现实意义。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 研究与开发内容： 本项目主要从含油土壤中选育脂肪酶高产菌株，通过对其脂肪酶的包衣处理，催化废弃油脂制备生物柴油，并研究其组成、燃烧排放与流变学特性。 1）适合催化制备生物柴油的脂肪酶高产菌株的选育及鉴定 从含油污泥中采集土样，筛选脂肪酶高产菌株， 2）包衣酶催化制备生物的研究 使用合适的包衣剂包衣处理脂肪酶，并以地沟油为原料，利用包衣酶进行三阶段催化制备生物柴油。 3）废弃油脂生物柴油的流变学特性、组成与燃烧排放特性研究 按国家标准对地沟油生物柴油的各项理化性能进行分析，通过对比试验分析地沟油生物柴油在柴油机上使用的排放性能。 主要技术指标： 1）生物柴油产率≥93.5％； 2）整个生产过程中无三废（废液和废气、废渣）的排放，无环境污染，达到绿色化工生产要求； 3）生物柴油各项指标符合美国ASTM6751标准。 创新点： 1）研究用包衣酶催化制备生物柴油，克服现有制备方法的缺点。 2）筛选得到适合催化制备生物柴油的脂肪酶高产菌株，并优化其条件。 3）制备生物柴油的原料不仅可以是动植物废弃油脂，还可以是精炼动植物油和木本油料，技术具有通用性和简易性，便于推广实施。 七、关键技术： 1）适合催化生物柴油的脂肪酶产生菌的选育及鉴定； 2）脂肪酶包衣化处理及其催化制备生物柴油反应体系构建；
科学性、先进性
- 餐饮废弃油脂制备生物柴油的方法主要有酸碱催化法、超临界醇法和生物酶催化法。用NaOH等作为催化剂主要是价格低廉易得，但存在严重的缺点：原料油存在一定量的游离脂肪酸和水就会影响反应的速度和转化率，同时增加产物分离的难度，不仅后处理复杂，且易造成三废，污染环境；用固体催化剂制备生物柴油，固体催化剂的制备和回收步骤麻烦，存在一定困难；以超临界醇法制备生物柴油对设备要求苛刻，价格昂贵，能耗高。 目前生物酶法制备生物柴油也存在一些问题，主要是：①研究催化所用的脂肪酶多为商品酶，而非适用制备生物柴油的专用酶，并且价格昂贵；②脂肪酶在有机溶剂中存在聚集作用，不易分散，因而催化效率较低；③短链脂肪醇对脂肪酶有毒害作用，使酶的使用寿命缩短。 本项目利用包衣酶催化制备生物柴油，解决了上述酶法制备生物柴油所存在的问题，并且拓宽了非水酶学的应用范围，同时促进了食品、化学、微生物、材料等学科的综合交叉和有机融合。
获奖情况及鉴定结果
- 论文发表及证明材料 1、Zhoujing, Wen-wei Chen. Screening of lipase producing strains, partly purification and characterization of lipase from CJLU31，2010 First International Conference on Cellular, Molecular Biology, Biophysics and Bioengineering，2010（EI） 2、洪瑶，陈文伟.地沟油生物柴油流变学特性研究，广东化工，2010，37（2）：30-31(第一作者) 3、洪瑶，陈文伟.地沟油生物柴油组成与燃烧排放特性研究，广东化工，2010，37（10）：18-19(第一作者) 4、陈文伟，周晶，高荫榆.包衣酶催化地沟油制备生物柴油，太阳能学报，2009，30（10）：1167-1170（EI，第二作者)
作品所处阶段
- 小试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片、生物柴油样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 生物柴油是一种环保型可再生能源，具有优良的环保特性、较好的发动机低温启动性能和润滑性能、燃烧性能和安全性能。我国目前经济发展非常迅速，能源需求强劲增长，减少对进口石油的依赖，开发可再生能源生物柴油，是我国能源战略发展的必然选择。若以柴油市场1%的份额计算，每年需要生产90万吨生物柴油，每吨计3600元，则年产值将达到50亿。同时随着石化能源的枯竭，石油价格的上涨，对可再生能源的重视及环保意识的加强，生物柴油的市场必将越来越大。2006年1月1日起施行的《中华人民共和国可再生能源法》明确表明了发展“生物柴油”，政府会大力支持；我国中长期规划战略目标也指出：2020年乙醇和生物柴油的产量各达到1500万吨，替代25％的石油进口。可见，在我国开展以废弃油脂制备生物柴油的研究，不仅减少了“餐桌污染”问题和环境污染问题，而且可产生巨大的社会效益和经济效益，具有重大的意义和广阔的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 在产脂肪酶的菌种中，得到深入研究的不是太多，主要集中在根霉Rhizopus、曲霉Aspergillus、青霉Penicillium、毛霉Mucor、须霉Phycomyces、假单胞菌Pseudomona、色杆菌Chromobacterium、无色杆菌Achromohacter、小球菌Micrococcus、产碱杆菌Alcaligenes、假丝酵母Candida等具有工业应用价值的菌株。脂肪酶产生菌的筛选主要从富含油脂的土壤中进行。其方法见有关文献报道。 餐饮废弃油脂具有成分复杂、结构相似和酸价波动的特征，相对于单一油脂更难以制备成生物柴油。目前，餐饮废弃油脂制备生物柴油的方法主要有酸碱催化法、超临界醇法和生物酶催化法。 酸碱催化法制备生物柴油所用催化剂多为均相催化剂，一般都采用NaOH、KOH和浓H2SO4。用NaOH等作为催化剂主要是价格低廉易得，但存在严重的缺点，原料油存在一定量的游离脂肪酸和水就会影响反应的速度和转化率，同时增加产物分离的难度，不仅后处理复杂，且易造成三废，污染环境；用固体催化剂制备生物柴油，固体催化剂的制备和回收步骤麻烦，存在一定困难；以超临界醇法制备生物柴油对设备要求苛刻，价格昂贵，能耗很高。 酶法催化合成生物柴油，对原料品质无特别要求，酶法不仅可以催化精炼的动植物油，同时也可催化酸值较高且有一定水分含量的餐饮废弃油脂转化成生物柴油，具有反应条件温和，副产品分离工艺较简单，废水少，设备要求低等优点。而目前用生物酶法制备生物柴油也存在一些问题，主要是：①研究催化所用的脂肪酶多为商品酶，而非适用制备生物柴油的专用酶，并且价格昂贵；②脂肪酶在有机溶剂中存在聚集作用，不易分散，因而催化效率较低；③短链脂肪醇对脂肪酶有毒害作用，使酶的使用寿命缩短。 为了解决上述酶法制备生物柴油所存在的问题，本课题组采用包衣酶催化制备生物柴油。包衣酶是用两亲的表面活性剂分子对亲水的酶分子进行包衣，表面活性剂分子中的亲水基团一端与酶分子的羟基以氢键的方式结合，另一端的疏水基团朝外与有机溶剂接触，这样，利用表面活性剂分子的两亲性质不仅使酶分子避免了与其周围的有机溶剂直接接触而可能引起的变性与失活，使短链醇浓度维持在较低的水平，使酶促反应的效率显著提高。
