通过酶法酯交换将鱼油和鸡油混合物与异戊醇反应来生产生物柴油

《Green Chemistry Letters and Reviews》：Biodiesel production by enzymatic transesterification of mixture of fish and chicken waste fat with isoamyl alcohol

鸡废脂肪与沙丁鱼油混合酯交换制备生物柴油的工艺优化研究。采用固定化Lipozyme RM IM催化，通过响应面法确定最佳条件为摩尔比4:1、催化剂10%、温度37℃、时间4h，酯交换度达98.65%。产物粘度4.83 mm2/s、密度875.67 kg/m3，符合EN ISO 14214和ASTM D6751标准。

　　随着全球能源需求的不断上升，传统化石燃料的使用面临着资源枯竭和环境压力的双重挑战。为应对这一问题，科学家们正在积极寻找可再生、环保的替代能源，其中生物柴油因其良好的柴油特性、较低的温室气体排放以及对现有柴油发动机的兼容性，成为一种备受关注的解决方案。然而，生物柴油的生产成本较高，尤其是使用传统植物油作为原料时，不仅增加了对耕地资源的竞争，还受到季节性和经济性的影响。因此，寻找成本低廉且可持续的原料成为生物柴油研究的关键方向之一。在这一背景下，动物脂肪废弃物，如鸡脂肪和鱼油，因其丰富的来源和较低的成本，逐渐成为生物柴油生产的潜在原料。

研究表明，鸡脂肪和鱼油的混合使用在生物柴油合成中具有独特的优势。鸡脂肪主要来源于家禽屠宰过程中产生的副产品，而鱼油则可以从废弃的鱼体中提取。这两种脂肪具有不同的脂肪酸组成，其中鸡脂肪富含饱和脂肪酸，而鱼油则含有较高比例的不饱和脂肪酸。这种差异使得两者混合后，能够优化脂肪酸组成，从而改善生物柴油的物理化学性质，提高其性能和适用性。例如，鱼油的低粘度特性使其能够与其他脂肪混合后，降低最终生物柴油的粘度，使其更符合柴油发动机的要求。此外，鸡脂肪和鱼油的混合比例为1:1.5时，能够实现较高的转化率，为生物柴油的高效生产提供保障。

在生物柴油的合成过程中，常用的催化剂包括化学催化剂和生物催化剂。化学催化剂虽然反应速度快，但通常具有毒性，且对环境造成污染。相比之下，生物催化剂，特别是酶类催化剂，因其环境友好性和高效性而受到青睐。在本研究中，采用了一种异构酶——Lipozyme RM IM，作为脂肪混合物的酯交换反应催化剂。Lipozyme RM IM是一种异源性酶，能够有效催化脂肪酸酯化和酯交换反应，且对水分不敏感，这使得其在处理含水较高的原料时具有独特的优势。此外，该酶在工业生产中易于分离和回收，能够减少废料产生和环境污染，符合可持续发展的要求。

为了提高生物柴油的生产效率和质量，研究团队采用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）对酯交换反应条件进行了优化。RSM是一种统计学方法，能够通过实验设计和数据分析，确定多个变量之间的相互作用关系，并找到最优的反应条件。在本研究中，RSM被用于分析反应温度、反应时间、醇与脂肪的摩尔比以及生物催化剂浓度等因素对酯交换转化率的影响。通过设计一个包含四个变量的中央复合设计（Central Composite Design, CCD），研究团队确定了最优反应条件：反应温度为37°C，反应时间为4小时，醇与脂肪的摩尔比为1:4，生物催化剂浓度为10%（以脂肪质量为基础）。这些条件下的酯交换转化率达到了98%以上，表明该方法在提高生物柴油产量方面具有显著优势。

在酯交换反应过程中，反应条件的选择至关重要。反应温度直接影响酶的活性和反应速率，但过高的温度可能导致酶变性，从而降低催化效率。因此，研究团队在30°C至60°C的范围内进行了实验，发现当温度从30°C升至45°C时，酯交换转化率显著提高，但超过该温度后，酶活性下降，转化率随之降低。这表明在酯交换反应中，存在一个最佳温度范围，既能够保证酶的活性，又能够避免高温带来的负面影响。此外，反应时间也对转化率产生重要影响。随着反应时间的延长，酯交换程度逐渐增加，但过长的反应时间不仅增加了能耗，还可能影响反应的经济性。因此，研究团队通过实验确定了在4小时内即可达到较高的转化率，从而实现了在较短时间内完成反应的目标。

醇与脂肪的摩尔比是另一个关键参数。理论上，酯交换反应需要3摩尔的醇与1摩尔的三酰甘油反应，以生成3摩尔的脂肪酸酯和1摩尔的甘油。然而，在实际生产中，为了确保反应的完全进行，通常会采用更高的醇油摩尔比。研究发现，当醇油摩尔比为1:4时，能够获得最高的酯交换转化率，同时避免过量醇带来的成本增加和对酶的抑制作用。此外，生物催化剂的浓度也对反应效率产生影响。适量的催化剂能够提高反应速率，但过量的催化剂可能导致酶与底物接触面饱和，从而降低催化效率。因此，研究团队通过实验确定了10%的催化剂浓度为最佳选择，既能够保证反应的高效进行，又能够减少催化剂的浪费。

生物柴油的物理化学性质是衡量其是否符合使用标准的重要指标。研究团队对所制备的生物柴油进行了全面的测试，包括酸值、碘值、运动粘度、密度、脂肪酸组成和热值等。实验结果表明，所制备的生物柴油在这些指标上均符合EN ISO 14214和ASTM D6751标准的要求。其中，热值为39.71 ± 0.15 MJ/kg，与传统植物油酯交换生物柴油的热值相当，但略低于矿物柴油（42.54 MJ/kg）。这一差异主要是由于生物柴油中含有的化学结合氧，降低了其热值。然而，这一特性并不影响其作为替代燃料的可行性，因为其热值仍然足以满足柴油发动机的需求。

运动粘度和密度是影响生物柴油燃烧性能的重要因素。较高的粘度和密度会导致燃料雾化效果不佳，从而影响燃烧效率和排放性能。研究团队发现，所制备的生物柴油的运动粘度为4.83 ± 0.014 mm2/s，密度为875.67 ± 0.23 kg/m3，这些数值均处于理想的范围内，能够确保生物柴油在柴油发动机中的良好性能。此外，生物柴油的酸值和甘油含量也符合相关标准，表明其在生产过程中具有较高的纯度和稳定性。

本研究的创新之处在于，首次尝试使用鸡脂肪和鱼油的混合物作为生物柴油的原料，并采用异构醇（isoamyl alcohol）作为酰基受体，Lipozyme RM IM作为非均相酶催化剂，进行酯交换反应。通过响应面法优化反应条件，研究团队成功实现了高转化率和高质量的生物柴油生产。这一研究不仅为生物柴油的原料选择提供了新的思路，还为降低生产成本、减少对传统植物油的依赖以及缓解食品与能源之间的竞争提供了科学依据。

此外，研究还发现，鸡脂肪和鱼油混合物在物理化学性质上表现出一定的优势。例如，鸡脂肪的酸值较低，且其脂肪酸组成以单不饱和脂肪酸为主，而鱼油则富含多不饱和脂肪酸。这种混合能够平衡两种脂肪的特性，提高生物柴油的整体性能。同时，鱼油的低粘度特性也有助于改善生物柴油的流动性，使其更易于喷射和燃烧。因此，这种混合不仅能够提高生物柴油的生产效率，还能够优化其使用性能，使其成为一种更具竞争力的替代燃料。

从环境和经济角度来看，使用动物脂肪废弃物生产生物柴油具有显著的优势。首先，动物脂肪废弃物的来源广泛，尤其是在欧洲，每年有大量的鸡和猪等家畜被屠宰，产生大量脂肪副产品。其次，与植物油相比，动物脂肪的提取成本较低，且不涉及耕地资源的竞争。因此，使用动物脂肪作为生物柴油原料不仅能够降低生产成本，还能够减少对环境的负担。此外，由于动物脂肪的可再生性，其作为生物柴油原料具有长期可持续发展的潜力。

本研究的结果表明，鸡脂肪和鱼油的混合物在酯交换反应中表现出良好的性能，且所制备的生物柴油在物理化学性质上完全符合国际标准。这一发现为生物柴油的生产提供了新的原料选择，也为减少化石燃料依赖、推动绿色能源发展提供了技术支持。未来，随着生物柴油技术的不断进步，利用动物脂肪废弃物生产生物柴油将成为一种更加可行和环保的替代方案。