專利名稱：制備麻瘋樹油甲酯和副產(chǎn)物的綜合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由整粒種莢(seed capsule)制備麻瘋樹油甲酯(Jatropha methyl ester)的改進的綜合方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種無需通過蒸餾回收過量甲醇、經(jīng)濟的樹脂處理來精煉甲酯和利用共流以高效和經(jīng)濟的方式制備高密度能量磚 (energy briquette)和聚羥基鏈烷酸酯可生物降解聚合物的方法。
背景技術(shù)：
麻瘋樹(Jatropha curcas)油用于汽油和柴油發(fā)動機可參考澳大利亞專利 No. AU-A-15448/83 (授予Yuko Chemical Co. Ltd.)。雖然該開創(chuàng)性的努力顯示出麻瘋樹油的優(yōu)勢，但本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知對于現(xiàn)代柴油發(fā)動機中大量使用而言，粗制油過于黏稠。可參考Haas等的美國專利No. 6399800和Brunner等的美國專利申請 No. 2004/01(^640Α1，其公開了通過分別用酸和堿催化的酯化和酯交換過程的結(jié)合制備脂肪酸烷基酯的相關(guān)方法。這些發(fā)明都沒有提及本申請的主題。還可參考德國專利申請No. DE10M3700A1，其中通過使用硫酸和對甲苯磺酸催化劑由一系列甘油三酯(包括動物油脂)獲得甲酯。其未提及本申請的主題。可參考(ihosh等的專利申請(美國專利申請?zhí)?1/00239 ；PCT/IN04/003^和隨附的國家階段申請文件)，其中公開了一種由整粒種子制備麻瘋樹油甲酯的綜合方法，其結(jié)合了副產(chǎn)物的回收。用NaOH中和從整粒種子排出的粗制油以減少游離脂肪酸含量，然后與化 KOH甲醇溶液交換，和每摩爾甘油三酸酯3摩爾甲醇的理論要求相比，每摩爾甘油三酸酯油使用5. 0-5. 5摩爾甲醇。隨后通過用純甘油每IOOkg甲酯)洗滌和然后用水洗滌純化甲酯以得到純度> 98%和滿足EN 14214和ASTM規(guī)格的所有要求的產(chǎn)物。粗甘油層進行蒸餾以回收甲醇，然后酸化以回收K2SO4和皂樣物質(zhì)，并然后再次蒸餾以回收純化形式的甘油，從而留下作為廢物的少量釜腳(still bottom)。該方法的一個缺點是并非所有的油都以甲酯的形式回收，一小部分被轉(zhuǎn)化成皂(其的形成與游離脂肪酸的含量成比例)，因此將油的游離脂肪酸含量保持盡可能低是必要的。該文獻未提及利用整粒種莢作為原料， 也未提及任何精制甲酯的少用水的方法，且未提及任何由粗甘油制備聚羥基鏈烷酸酯的方法。可參考S. Mandpe, S. Kadlaskar, W. Degen 禾Π S. Keppeler 的名稱為 “On Road Testing of Advanced Common Rail Diesel Vehicles with Biodiesel from the Jatropha curcas Plant，，的文章(2005-26-356, Proceedings of SAEINDIA Conference 2005)，其敘述了用純凈甲酯驅(qū)動的C級梅賽德斯車的性能，所述甲酯按照如前引用的參考文獻(ihosh等所公開的方法制備?？蓞⒖济Q為“Localand Innovative Biodiesel” 的歐洲項目(Altener Contract No.4. 1030/C/02-022 ；http//www.fedarene. org/pub1ications/projects/ contract/biodiesel/home. htm ；Coordinator-EREN ；Report courtesy Austrian Biofuels Institute Ε. V.-Co-contractor)，其中評估了來自世界各地、使用相同或不同原料由不同機構(gòu)制備的甲酯。按照(^hosh等的發(fā)明的方法(PCT/IN04/00329;美國專利申請?zhí)?1/00239)制備的麻瘋樹油甲酯(JME-05-728)在產(chǎn)生功率、燃料消耗和長期性能方面給出了最好的發(fā)動機性能。可參考 D. Fairless 的名稱為 “Biofuel-The little shrub that could-may be” 的文章(Nature，M2，2007，652-655頁)，其敘述了麻瘋樹作為合適的生物柴油來源的前
旦
ο可參考國際能源署生物能項目40(IEA Bioenergy Task 40)的報告(http:// www, city, northbay. on. ca/business/presentations/woodPellets/Global % 20wood % 20pellets% 20market% 20and% 20industry% 20Nov% 2007% 20report. pdf)，其詳盡地論述了生物質(zhì)顆粒作為燃料來源的前景和所需的規(guī)格。也可參考 Ghosh 等的名稱為"Prospects for Jatropha Methyl Ester (Biodiesel) in India，，的文章(Int. J. Environ. Stud. (Taylor & Francis, U. K.)-special issue on India' s future energy options ；2007,64,659-674 M ),^(^3^7 ^ ^ 子之后由麻瘋樹的整粒種莢制磚的可能性。然而，其未提及任何制備該磚的方法及其規(guī)格?？蓞⒖?M. Berrios 禾口 R. L. Skelton 的名稱為"Comparison of purification methods for biodiesel，，的文章(Chemical EnRineerinR Journal, 2008, 459-465 1 ), ^ 中描述了純化生物柴油的不同方法。具體地，進行了水洗滌、使用離子交換樹脂和使用硅酸鎂作為吸附劑的比較評估?？蓞⒖糋ross等的德國專利No. DE4301686C1，其公開了一種通過蒸餾過程制備油菜籽油甲酯的方法，所述蒸餾過程使該方法成為一個少用水的方法?？蓞⒖?Wang 等的名禾爾為 “Refining ofbiodiesel by ceramic membrane separation，，的文章(Fuel Processing Technology, Article in Press，2008 年 12 月 20 日)，其中嘗試使用孔尺寸為0. 6,0. 2和0. 1 μ m的陶瓷膜以通過少用水的方法移除殘留皂和游離甘油?？蓞⒖?Purolite 網(wǎng)站(http://www.desmoparts.com/filters/purolite/ HBD-Purolite % 20Regeneration. pdf)，其提及了樹脂 PD206[Purolite 應(yīng)用說明書 / Purolite PD-206指南]，其可以兩種方式使用一種是用于移除水分、甲醇和甘油，另一種是用于催化劑、鹽和皂的離子交換，從而主要地將催化劑的鈉(Na+)與樹脂上的氫(H+)交換。據(jù)報道，在從生物柴油吸附水、甲醇和甘油之后，樹脂體積膨脹到樹脂干體積的兩倍。此外，估計在第一再生階段中由于珠破損而存在10%的消耗。珠破損和官能團的損失是決定 PD206可再生的次數(shù)的限制因素，且目前需要在2-4次再生后替換PD206。這足以說明只有當(dāng)甲酯中雜質(zhì)的加載量為絕對最小值時使用樹脂才是可行的?？蓞⒖糂am等的美國專利No. 5424467，其中公開了甲酯的純化和粗甘油層的利用。文中指出甘油層中的甘油單酯和甘油二酯雜質(zhì)可通過與額外量的甲醇的反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為所需的甲酯。通過蒸餾回收甘油層中的甲醇。該文獻未提及通過本發(fā)明所公開的與甘油三酯油的進一步反應(yīng)的方法而回收甲醇。再次參考(ihosh等的專利申請(美國專利申請?zhí)?1/00239 ；PCT/IN04/00329)，其中提供了一種有效的方法，其使用非常少量的純甘油(約3kg每IOOkg甲酯)洗滌粗制甲酯，該過程使甲酯中的殘留雜質(zhì)最少化而同時使它們富集于粗甘油層中。結(jié)果，從甲酯回收甲醇變得不必要，而從甘油層的這種回收通過蒸餾進行。報道的甲醇回收量為所使用的過量甲醇的約70-80%。該文獻未提及任何從甘油層回收甲醇的其他可能方法，也未提及從共產(chǎn)物流制備聚羥基鏈烷酸酯(PHA)。專利申請No. W0/2006/084048 一般涉及生物柴油燃料，且更具體地涉及一種將由傳統(tǒng)酯交換過程產(chǎn)生的廢甘油轉(zhuǎn)化為生物柴油燃料的可混溶和可燃燒成分的方法。可參考 M. Pagliaro 等的名稱為"From glycerol to value-added products，，的文章(Angew. Chem. Int. Ed. (2007)，46，4434-4440)，其中描述了衍生自甘油的各種產(chǎn)物， 例如丙二醇、1，2_丙二醇、皂類、藥物、炸藥、洗滌劑、化妝品、二羥基丙酮(DHA)、丙烯醛、表氯醇、合成氣燃料、甘油碳酸酯、抗凍劑，催化轉(zhuǎn)化成聚合物等。然而，其未提及生物聚合物 (PHA)的制備。可參考Goetsch等的美國專利No. 7388034，其中公開了一種由生物柴油過程的粗甘油副產(chǎn)物制備甲醇的方法。nj # % "Biopolymers for Medical and Pharmaceutical Applications", Vol. 1&2，A. Meinbuchel 和R. H. Marchessault，Wiley-VCH Veriag GmbH & Co.KgaAU005) 和文中的參考文獻，其引用了許多涉及PHA制備和性質(zhì)的現(xiàn)有技術(shù)。其未提及關(guān)于本發(fā)明的PHA制備方法?？蓞⒖糋. N. M. Huijberts 等的名稱為"Pseudomonas putida KT2442 cultivated on glucose accumulates poly(3-hydroxyalkanoates)consisting of saturated and unsaturated monomers，，白勺論文(Applied and Environmental Microbiology，1992年2月， 第58卷，第2版，536-544頁)，其中在E2培養(yǎng)基中使用不同碳水化合物如葡萄糖)、 果糖)和甘油)來研究惡臭假單胞菌O^seudomonas putida)KTM42重組菌株的生長，從而產(chǎn)生具有相似的單體組成的PHA。相對于細胞干重的PHA產(chǎn)率為20. 5% (w/w)。nj # # Taniguchi 白勺 g 禾爾 % "Microbial production of poly (hydroxyalkanoate) s from waste edible oils，，的論文(Green Chem. 2003,5, 545-548頁)。該論文描述了用真氧產(chǎn)堿桿菌(Ralstonia eutropha)在兩階段發(fā)酵過程中 (一個用于培養(yǎng)物的生長，另一個用于制備聚羥基鏈烷酸酯)所獲得的結(jié)果，當(dāng)使用棕櫚葉和豬油時得到相對于細胞干重83 %的最大PHA產(chǎn)率。制備培養(yǎng)基還含有無機營養(yǎng)物/微量營養(yǎng)物，而生長培養(yǎng)基含有昂貴的營養(yǎng)肉湯?？蓞⒖?R. D. Ashby 等的名稱為"Bacterial poly (hydroxyalkanoate) polymer production from the biodiesel co-product stream，，的石if究論文(Journal of Polymers and the Environment，2004，第 12 卷，105-112 頁)，其中食油假單胞菌(Pseudomonas oleovorans)和皺紋假單胞菌(I^seudomonas corrugata)用于在兩階段發(fā)酵過程中由含有甘油、脂肪酸皂和濃度為-5%的殘留脂肪酸甲酯的大豆基生物柴油制備(CSBP)流的共產(chǎn)物流制備PHA。在用作基質(zhì)之前，用IN HCl中和堿性共產(chǎn)物流(pH 13)至pH 7。細菌最初在Luria-Bertani (LB)液體培養(yǎng)基中生長，所述Luria-Bertani (LB)液體培養(yǎng)基包含幾種昂貴的組分(包括蛋白胨)，之后細胞被轉(zhuǎn)移至含中和的共產(chǎn)物流和額外的營養(yǎng)物/微量營養(yǎng)物的制備培養(yǎng)基中。皺紋假單胞菌的聚合物細胞產(chǎn)率僅為細胞干重(CDW)的42%，而即使在優(yōu)化條件下相對于甘油的聚合物產(chǎn)率< 5%。這些條件包括使用富含昂貴營養(yǎng)物的特殊培養(yǎng)基。
可參考 E. J. Bormann 禾口 M. Roth.的名稱 % "The production of polyhydroxybutyrate by Methylobacterium rhodesianum and Ralstonia eutropha in media containing glycerol and casein hydrolysates"白勺石if究論文(Biotechnology Letters, 1999，第21卷，1059-1063頁)，其中通過這些細菌生產(chǎn)聚羥基丁酸酯(PHB)在含與酪蛋白胨或酪蛋白氨基酸結(jié)合的甘油的培養(yǎng)基中進行。甘油以2. 5%、5%和7. 5%的濃度使用。聚合物的產(chǎn)率報道為相對于甘油的17% (w/w)，而作為細胞干重百分?jǐn)?shù)的聚合物含量為39士6%。可參考 Koller M.等的名稱為"Production of polyhydroxyalkanoates from agricultural waste and surplus materials，，的石if(Biomacromolecules, 2005,
6卷，561-565頁)，其中聚羥基鏈烷酸酯通過嗜高滲有機體由補充有肉和骨粉的乳清水解產(chǎn)物(0.55%)和甘油液體相(1.6%)獲得。相對于甘油的PHA產(chǎn)率為23%，且聚合物的分子量為253kDa，在和139°C吸熱熔化?？蓞⒖?Ito 等的論文(J. Bioscience & Bioengineering, 2005,100, 260-265 頁)， 其中描述了由生物柴油制備過程后排出的含甘油廢物生化制備氫和乙醇。據(jù)報道其生物化學(xué)活性遠低于采用純甘油的情況，原因在于廢物中高鹽含量的存在。由現(xiàn)有技術(shù)明顯可見還未公開用于由生物柴油共產(chǎn)物流制備PHA的經(jīng)濟的方法， 且即使是使用昂貴的共營養(yǎng)物和繁瑣的兩步法，相對于細胞干重的PHA產(chǎn)率通常報道為 <50%?，F(xiàn)有技術(shù)也教導(dǎo)我們使用含甘油廢物的嘗試導(dǎo)致較純甘油而言低得多的生物化學(xué)產(chǎn)率，這歸因于高水平鹽的存在。本發(fā)明試圖克服所有這些基本限制，并演變出了新穎、簡化和經(jīng)濟的由從麻瘋樹整粒種莢開始的甲酯過程的甘油共產(chǎn)物流制備PHA的方法。所述方法中的若干其它相關(guān)改進，例如(i)有問題的廢物的最佳利用，尤其甘油蒸餾過程的油和釜腳的機械排除過程中產(chǎn)生的油泥，(ii)由粗甘油層蒸餾甲醇的替代方案，和(iii)經(jīng)甘油洗滌的甲酯的經(jīng)濟的樹脂處理，也形成了本發(fā)明的部分。發(fā)明目的本發(fā)明的主要目的是提供由麻瘋樹整粒種子制備脂肪酸甲酯(生物柴油)的改進和綜合的方法。本發(fā)明的另一目的是以最小能量輸入和零污水排放制備生物柴油。另一目的是表明酯交換反應(yīng)方法中使用的90%的0. 58摩爾當(dāng)量過量的甲醇和幾乎所有KOH催化劑通過現(xiàn)有技術(shù)公開的甘油洗滌過程而限制于甘油層中。另一目的是表明，由于在甘油洗滌之后的甲酯層中僅存在痕量的鉀離子和鈉離子，通過離子交換樹脂處理移除殘留量的這些離子從而將其濃度降低至指定的要求水平可能是可行的。另一目的是無需為了回收而蒸餾甲醇。另一目的是用額外量的甘油三酯油通過后續(xù)反應(yīng)去除甘油層中70-90%的甲醇。另一目的是利用去除甲醇之后的粗甘油作為用于以經(jīng)濟的方式微生物合成可生物降解的聚羥基鏈烷酸酯聚合物的生長和制備培養(yǎng)基中的碳源和營養(yǎng)源。另一目的是利用麻瘋樹種子榨油之后得到的渣餅作為生長培養(yǎng)基中氨基酸和其它營養(yǎng)物的來源，從而無需使用昂貴的培養(yǎng)基例如King’ s B培養(yǎng)基(King's B medium) ^P Zobeir s 海洋培養(yǎng)基(Zobeir s marine medium)。
另一目的是表明據(jù)顯示存在于油餅中的有毒雜質(zhì)(例如佛波醇酯和瀉果素)不妨礙本發(fā)明方法中PHA的制備。另一目的是證明具有類似于標(biāo)準(zhǔn)PHA的理化性質(zhì)的PHA聚合物的有效制備。另一目的是表明通過使培養(yǎng)物直接接種到含有堿性粗甘油層和得自脫油的麻瘋油渣餅的水解產(chǎn)物的培養(yǎng)基中而不使用任何其他的營養(yǎng)物/微量營養(yǎng)物和沒有任何其他干預(yù)(例如噴射、PH調(diào)節(jié)、溫度控制等)，來自阿拉伯海的海洋細菌分離物(與熱水管鹽單胞菌(Halomonas hydrothefmalis)存在99. 63%的序列相似性)產(chǎn)生相對于細胞干重75% 的PHA產(chǎn)率。另一目的是以最簡單、最廉價的方式和在可能的最短時間內(nèi)實現(xiàn)這種PHA制備。


圖1代表根據(jù)本發(fā)明由麻瘋樹整粒種莢制備甲酯和共生產(chǎn)物的示意圖。圖2代表用于評估粗甘油層中甲醇的甘油中甲醇含量的校準(zhǔn)曲線圖(實施例5-8， 其中實施例8描述了分析方法)。圖3代表甲酯中甲醇含量的校準(zhǔn)曲線圖(實施例5-8，其中實施例8描述了分析方法)。圖4代表甲酯中痕量鈉的校準(zhǔn)曲線圖(實施例7&10，其中后者描述了分析方法)。圖5代表甲酯中痕量鉀的校準(zhǔn)曲線圖(實施例7&10，其中后者描述了分析方法)。圖6代表通過實施例12. 1的方法制備的PHA的差示掃描量熱曲線。圖7代表通過實施例13. 3的方法制備的PHA的差示掃描量熱曲線。發(fā)明概述因此，本發(fā)明提供一種由含有1.06%游離脂肪酸(FFA)的麻瘋樹包殼種子 (capsulated seed)制備麻瘋樹油甲酯(JME)和副產(chǎn)物的綜合方法，所述方法包括如下步驟(i)在去殼機器中將麻瘋包殼種子機械去殼以獲得麻瘋樹種殼和麻瘋種子；(ii)使用榨油機，從步驟⑴獲得的麻瘋種子中壓榨麻瘋樹油、具有4-6%氮的麻瘋樹油渣餅和廢油泥；(iii)用堿中和步驟(ii)中獲得的麻瘋樹油；(iv)在攪拌下使一部分步驟(iii)中獲得的中和麻瘋樹油與醇和堿進行酯交換反應(yīng)10-20分鐘，并分離粗甘油層GLl和粗麻瘋樹油甲酯(JME)；(ν)用純甘油層洗滌步驟(iv)中獲得的粗JME三次以分離三個含甲醇和KOH的不純甘油層GL2、GL3和GL4，從而獲得經(jīng)甘油洗滌的JME-GJ ；(vi)純化步驟(ν)中獲得的JME-GJ以移除堿金屬雜質(zhì)；(vii)用步驟(iv)和(ν)中獲得的甘油層GL5(GL1+GL2+GL3)處理剩余的步驟 (iii)中獲得的中和油的部分以獲得JME和甘油層GL6 ；(viii)分離步驟(vii)中獲得的JME和甘油層GL6 ；(ix)用中和油的剩余部分處理步驟(viii)中獲得的甘油層GL6從而去除甲醇以獲得JME和甘油層GL7 ；(χ)分離步驟(ix)中獲得的JME和甘油層GL7 ；
(xi)直接將步驟(χ)中獲得的甘油層GL7用于制備聚羥基鏈烷酸酯(PHA)或用于用硫酸中和堿以獲得純甘油和釜腳GL8 ；(xii)將步驟(vi)中獲得的JME-GJ與步驟(viii)和(χ)中獲得的JME混合以獲得混合甲酯；和(xiii)用KOH甲醇溶液對步驟(xii)中獲得的混合甲酯進行酯交換以獲得具有 0. 088%總甘油和0. 005%游離甘油的純麻瘋樹油甲酯(生物柴油)。在本發(fā)明的一種實施方案中，本發(fā)明提供一種制備副產(chǎn)物的綜合方法，所述方法包括如下步驟a.通過加入步驟(ii)獲得的廢油泥，在壓塊機中將步驟(i)中獲得的麻瘋樹種殼壓塊以獲得作為副產(chǎn)物的麻瘋磚，其密度為1. 05-1. 10g/cm3 ；b.用H3P04、H2S04水解步驟(ii)中獲得的具有4_6%氮的麻瘋樹油渣餅以獲得作為副產(chǎn)物的麻瘋樹油渣餅水解產(chǎn)物(JOCH)。在本發(fā)明的另一種實施方案中，本發(fā)明提供一種制備副產(chǎn)物聚羥基鏈烷酸酯 (PHA)的綜合方法，所述方法包括如下步驟I.將1-10%土壤細菌MTCC 5343或海洋細菌MTCC 5345更優(yōu)選海洋細菌MTCC 5345種子培養(yǎng)物接種在含2-10% (w/v)釜腳GL8或GL7或其組合的生長和制備培養(yǎng)基中， 并在25-40°C溫度范圍中、pH 7. 0-8. 0下培養(yǎng)M-96小時的時間以使其發(fā)酵；II.通過離心發(fā)酵物以獲得細胞沉淀而收獲細胞；III.通過離心所述細胞沉淀回收固體聚合物；IV.用水和甲醇洗滌所述固體聚合物以獲得PHA ；V.將0. 5-5% PHA溶于氯仿中以獲得PHA薄膜。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，太陽曬干的整粒種莢增強了保持特性，并且當(dāng)種子包有殼時油的游離脂肪酸含量僅為0. 5-2. 0%，從而增加了甲酯的產(chǎn)率。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，其中去殼在特別設(shè)計的去殼機中進行，所述去殼機包括(i)由轉(zhuǎn)鼓構(gòu)成的破莢器，其通過固定表面的磨擦開殼而不損壞種子，(ii)傾斜振蕩篩，用于將種子與殼分離和指引種子向與殼相反的方向移動，和(iii)使用吹風(fēng)機以吹去殼，殼單獨收集而殼中種子無損失。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，堿選自由氫氧化鉀或氫氧化鈉組成的組，更優(yōu)選氫氧化鉀。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，醇選自由甲醇或乙醇組成的組，更優(yōu)選甲醇。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，通過使用大孔陽離子交換樹脂純化JME-GJ層以移除堿金屬雜質(zhì)。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，通過使用苯乙烯-二乙烯基苯共聚物和硫酸制備大孔陽離子交換樹脂。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，使用十六烷醇作成孔劑，通過苯乙烯的懸浮聚合制備苯乙烯-二乙烯基苯共聚物。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，進行樹脂處理的JME-G#層具有 15-30ppm-< 0. 5ppm的最大[Na+]和[K+]雜質(zhì)水平、0. 4-0. 6 % (w/w)的甲醇雜質(zhì)水平、 500-1500ppm的含水量、0. 2-0. 3% (w/w)的甘油總含量和0. 15-0. 25% (w/w)的更低的游離脂肪酸含量。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，釜腳定義為成功循環(huán)之后遺留的殘余物，主要由在進一步可蒸餾溶劑/產(chǎn)物方面不具價值的固體和自由液體組成。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，壓塊在壓塊機中進行，所述壓塊機包括(i)傾斜螺旋給料機，(ii)配備有攪拌器和進料添加劑的開口的混合裝置，(iii)由模制所述磚的模具和產(chǎn)生高壓以壓實的水壓系統(tǒng)組成的壓制系統(tǒng)，和(iv)用于冷卻所形成的磚的磚傳輸系統(tǒng)。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，所得的殼具有0.08g/cm3的容積密度和 3700kcal/kg 的熱值。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，生長培養(yǎng)基選自由King’ s B培養(yǎng)基、Zobell’s 海洋培養(yǎng)基和與GL7和GL8 —起的除油麻瘋樹油渣餅水解產(chǎn)物(JOCH)組成的組。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，相對于細胞干重，PHA產(chǎn)率為69% -77%。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，所得的PHA與標(biāo)準(zhǔn)PHA的NMR譜圖相符，通過 DSC測得的熔點為166. 2°C，和GPC數(shù)據(jù)給出的Mw、MjnMw/Mn(多分散指數(shù))值分別為35990、 24583 和 1. 46。在本發(fā)明的再另一種實施方案中，上述步驟同樣可應(yīng)用于多種甘油三酯油。發(fā)明詳述本發(fā)明的目的是為麻瘋樹油甲酯的制備方法帶來全面改進，其中最大地關(guān)注使用簡單的單元操作的分散化生產(chǎn)。傳統(tǒng)上，農(nóng)民將干燥的整顆果實去殼，但這導(dǎo)致不能利用殼，因此種子的價格更高，因為單單種子必然承擔(dān)除果實去殼過程中必需的人工成本以外的成本壓力。在本發(fā)明過程中，還發(fā)現(xiàn)使種子保持于包殼狀態(tài)是有利的，因為種殼提供了第二保護層，其保持油種的特性并保持種子干凈。當(dāng)通過堿催化獲得甲酯時這尤其重要， 因為過量的游離脂肪酸必須通過中和去除，從而導(dǎo)致甲酯產(chǎn)率的降低。因此，有必要設(shè)計能夠以獲得完整并干凈地與殼分離的種子以及稍后使用該種子的方式將太陽曬干的種莢機械去殼的機器。此外，現(xiàn)在既然殼在單個點收集，則具有強烈的動機以確保這些具有僅
0.08g/cm3容積密度和3700kcal/kg熱值的外殼可被壓磚，以使它們易于運輸和可被農(nóng)民直接使用而不使用木柴或更貴的替代物。而且還有動機以確保設(shè)計合適的方法而允許將空殼以所需水平壓實成提供高能量密度的硬磚。這些操作均在本發(fā)明中成功地披露，使得良好利用由種子機械榨油期間產(chǎn)生的少量廢油，以及利用小部分除油渣餅按所需規(guī)格制備具有
1.05-1. 15g/cm3 密度和約 4000kcal/kg 熱值的磚。雖然最佳的現(xiàn)有技術(shù)公開了非常有效的麻瘋樹油甲酯的酯交換和酯交換后 (post-transesterification)方法，且甲醇用量也相對較低(僅0. 55-0. 75摩爾當(dāng)量過量)，然而盡最大可能回收該甲醇是很重要的。現(xiàn)有技術(shù)公開的用來純化甲酯的甘油洗滌過程使非常少量的甲醇遺留于甲酯中；相反，其被限制在甘油層中達到90-95%的程度。由于如在本發(fā)明過程中通過離子色譜測量證實甘油洗滌后的甲酯也具有極低水平的殘留堿催化劑，便出現(xiàn)了水洗甲酯是否有必要的問題。作為替代，公開了一種基于使用離子交換樹脂的干式方法。使本方法具有創(chuàng)造性的是樹脂上的負(fù)載非常低，并因此可在小的樹脂床體積上處理大量甲酯而無需再生的這一事實。就粗甘油層而言，出現(xiàn)了在其有效使用中可能的最高水平簡化是什么的問題。如本發(fā)明所公開的，如果甘油層中的過量甲醇可通過簡單的方式移除，那么剩余的量可直接用于以簡單和經(jīng)濟的方式制備聚羥基鏈烷酸酯。隨之而來的問題是從甘油層蒸餾甲醇(除非提供冷卻單元，否則甲醇蒸餾將導(dǎo)致相當(dāng)大的損失)是否是唯一的選擇。如本發(fā)明所公開的，將甲醇反向提取到新鮮批次的麻瘋樹油中是可行的，以達到80-95%的甲醇可以這種方式被有益地利用。這是因為甘油層還含有部分活性堿催化劑(KOH)，并因而一旦加入新鮮的油且提供適當(dāng)?shù)臄嚢?，該甘油層具有促進一定程度的甲酯形成的所有成分。然而，甲醇和催化劑量不足以實現(xiàn)理想的甲酯，且該步驟之后是得以制備具有<0.15% (w/w)總甘油的純酯的第二操作。凈結(jié)果是實現(xiàn)甘油層耗竭甲醇并在第二步驟中減少甲醇用量，以致在沒有任何蒸餾步驟且沒有損害甲酯的質(zhì)量的任何形式的情況下，不可回收形式的過量甲醇的總體需求< 0. 15摩爾當(dāng)量。一旦甲醇被去除，甘油層被證明是對通過在本發(fā)明過程中分離的海洋細菌培養(yǎng)物高效和經(jīng)濟地制備聚羥基鏈烷酸酯而言極好的營養(yǎng)物來源。由通過用熱磷酸/硫酸反應(yīng)萃取獲得的麻瘋樹榨油渣餅產(chǎn)生的水解產(chǎn)物被證明是粗甘油的理想補充伴體，這兩種物質(zhì)協(xié)力提供通過海洋細菌培養(yǎng)物制備PHA所需的營養(yǎng)物，而無需任何精細的溫度控制。這兩種物質(zhì)一起也有助于彼此中和(酸-堿)達到一定程度從而降低中和成本。還有若干另外的發(fā)明，例如將常規(guī)的兩階段過程合并成單步驟、外通過由水解物和甘油層獲得除碳和氮外的必要磷酸鹽緩沖劑和必要元素而免除所有營養(yǎng)物/微量營養(yǎng)物。在分散化操作中，在這樣的工廠將建在農(nóng)田附近的情況下，在回收可收獲的生物質(zhì)之后的上清液可被直接排入田間以給土壤施肥或甚至可用作葉面噴施物。雖然可以這種方式應(yīng)用大比例的甘油層，但仍需要少部分甘油層以回收純甘油 0-4kg甘油每IOOkg甲酯)，這對關(guān)鍵的甘油洗滌步驟是必要的。進一步證明甘油回收后保留的釜腳對通過土壤細菌培養(yǎng)物制備PHA而言是同樣有效的營養(yǎng)物和促進劑，其制備效率高于純甘油近兩倍。因此，發(fā)現(xiàn)成問題的廢物是理想的營養(yǎng)物源。通過該方法獲得的PHA 具有低的多分散指數(shù)1. 46，同時顯示與標(biāo)準(zhǔn)PHA相似的NMR譜。該釜腳也可用于與保留的粗甘油組合，從而不需要兩個單獨操作并在組合物中利用 MTCC 5345。所有這些發(fā)明合起來形成由太陽曬干的麻瘋樹整粒種莢制備甲酯并有益地利用共生產(chǎn)物流的改進的綜合方法。本發(fā)明的整體流程示于圖1中。創(chuàng)造性特征(i)在游離脂肪酸含量方面，確定整粒種莢較去殼種子更有助于維持油的質(zhì)量。(ii)利用少量淤泥形式的廢油以由空殼制備更致密和強度更高的磚同時還增加了磚的熱值，所述廢油在機械除油過程期間不可避免地產(chǎn)生并引起處理問題。(iii)進一步認(rèn)識到部分除油渣餅可用于制造較僅僅以殼得到的磚而言更好的磚。(iv)使含部分活性催化劑和用于酯交換反應(yīng)的過量甲醇的甘油層與額外量的精制麻瘋樹油分兩階段反應(yīng)以去除70-90%的該甲醇。然后，使所述油/甲酯混合物進一步與堿和甲醇反應(yīng)以使未反應(yīng)的和部分反應(yīng)的油完全轉(zhuǎn)化成甲酯，并且連續(xù)重復(fù)從甘油層去除甲醇、隨后通過酯交換制成完善的產(chǎn)物的這種循環(huán)以避免從粗甘油層蒸餾甲醇。(ν)確定甘油洗滌過程從甲酯層移除了幾乎全部用過的催化劑，并隨后認(rèn)識到以下吸引人的提議對經(jīng)甘油洗滌的甲酯層進行陽離子交換樹脂處理以實現(xiàn)所需的鈉和鉀雜質(zhì)達亞ppm水平而無需進行水洗，同時確保大量的甲酯可用最小樹脂床體積進行處理。(Vi)將除盡甲醇的粗甘油層分成1 3體積比，并在處理后從該小部分回收蒸餾的甘油，以使其可如現(xiàn)有技術(shù)所描述的在后續(xù)批次的甘油洗滌中再次使用。(vii)從土壤中分離細菌MTCC 5343，其使得能夠以比用純甘油作為碳源而言更為有利的方式由1的更底PHA層，并因此將成問題的廢物轉(zhuǎn)化成有用的制備PHA的原料。(viii)通過篩選海洋細菌的過程鑒定有效地直接利用較大體積的粗甘油層與麻瘋樹種除油渣餅的水解產(chǎn)物一起作為發(fā)酵過程中僅有的營養(yǎng)物的高效分離物(MTCC 5345)，從而導(dǎo)致制備的PHA相對于細胞干重的產(chǎn)率為75-80%。此外，將PHA制備的常規(guī)過程中分別進行的生長和生產(chǎn)步驟合并成單個操作，并因此簡化了工藝。再進一步地，將來自1的釜腳加入較大部分的甘油層中并用MTCC 5345使所得物質(zhì)發(fā)酵。在證明該過程對在
內(nèi)的溫度變化的耐受性之后，其也無需進行溫度控制。(ix)認(rèn)識到在制備用于發(fā)酵過程的除油渣餅水解產(chǎn)物的過程中，有利的是使用磷酸并之后用堿性甘油層本身(可能需要額外的K0H/Mg(0H)2)來中和酸萃取物，以便所得鹽有助于而非阻礙PHA的制備。
具體實施例方式作為例證給出以下實施例，其不應(yīng)解釋為對本發(fā)明范圍的限制。實施例1將含有50kg太陽曬干的3個月大的麻瘋種莢的黃麻袋切開，且發(fā)現(xiàn)雖然大部分種莢是完整的，但有些種莢已經(jīng)破損而種子已經(jīng)露出。隨機收集的50-100g這種種子碾成粉末，使用正己烷對25g進行索式萃取(Soxhlet extraction) 0也從隨機取樣的完整種莢中移出種子，并進行類似的萃取。發(fā)現(xiàn)暴露種的游離脂肪酸(FFA)含量為3. 68% (w/w)，而包殼種子的FFA含量為1.06%。打開另一袋并如上進行取樣。暴露種子和包殼種子的FFA 值分別為2. 46%和1. 09%，也就是說，這兩次觀察相似，表明整粒種莢更好地保持油。由于按照現(xiàn)有技術(shù)以堿催化劑進行酯交換反應(yīng)，較高的FFA降低了甲酯產(chǎn)率，這個實施例教導(dǎo)我們使種子保持包殼形式并在制備甲酯之前去殼是更好的。實施例2在特別設(shè)計的機器中將上述實施例1的整粒種莢機械去殼。該1噸每小時(TPH 種莢)機器包括(a)轉(zhuǎn)鼓組成的破莢器，其通過用固定表面磨擦開殼而不損壞種子，(b)傾斜振蕩篩，其將種子與殼分離并指引種子向與殼相反的方向移動，和(iii)吹風(fēng)機，其吹去殼，殼單獨收集而殼中種子無損失。從整粒種子機械榨油，而將殼在特別設(shè)計的機器中壓塊。塊在0.5TPH壓塊機中制造，所述機器包括(a)傾斜螺桿給料機，(b)裝備有攪拌器和進料添加劑的開口的混合裝置，(c)由模具組成以模制磚的壓制系統(tǒng)和產(chǎn)生用于壓制的高壓的水壓系統(tǒng)和(d)磚輸送系統(tǒng)，其也冷卻所形成的磚。據(jù)發(fā)現(xiàn)該磚是易碎的，但在將機械榨油過程中產(chǎn)生的廢油泥加入殼中之后，該磚變得更加堅硬并具有1.07-1. 15g/cm3的密度和高于未如此添加油的空殼所記錄的3700kcal/kg的熱值。所得磚具有直徑6cm和長度 14cm的尺寸。實施例3
用NaOH水溶液中和如上述實施例2中榨去的麻瘋樹油以將游離脂肪酸(FFA)含量降至0.12% (w/w)。將64.5g MeOH(l. 58摩爾當(dāng)量)和8. 33g KOH混合到一起并加入到 370g置于圓底燒瓶中的經(jīng)中和麻瘋樹油中，室溫下用置頂式攪拌器攪拌內(nèi)容物15分鐘以實現(xiàn)酯交換反應(yīng)。分離重63. 87g的粗甘油層，然后用5. 53g、5. 76g和5. 56g純甘油連續(xù)洗滌甲酯層三次，這些洗滌分別產(chǎn)生11. 69g、7. IOg和6. 29g甘油(含有甲醇和KOH雜質(zhì))。在步驟2中，粗甘油和前兩次洗滌液合并，并在100-300rpm持續(xù)攪拌(槳式傾斜刀片攪拌器) 下使該含有16. Olg甲醇的合并層再次與300g中和麻瘋樹油反應(yīng)2小時。兩層再次分離， 并再次在劇烈置頂攪拌下用70g額外的中和油處理甘油層2小時。所耗甘油層含3. 15g甲醇，也就是說，甘油層中80. 3%的甲醇可通過該方法去除。用額外量的KOH甲醇溶液(63. 6g MeOH和8. 2g Κ0Η)處理步驟2所得的粗甲酯層，并隨后如步驟1所述用甘油洗滌，接著水洗。兩步驟的綜合甲酯產(chǎn)量為710g(相對于所使用的總中和油的產(chǎn)率為95. 9% )，同時總甘油和游離甘油值分別為0.10% (w/w)和0.01% (w/w) 0可用中和油以類似方式處理步驟2所得的甘油層以去除甲醇。該實施例教導(dǎo)我們?nèi)绾螐拇指视蛯尤コ状迹瑥亩鵁o需蒸餾甲醇。實施例4在試驗工廠將實施例3的實驗放大上千倍。使用740kg中和的油。在室溫攪拌下，一半的油在圖1的反應(yīng)器II中通過與KOH甲醇溶液[Κ0Η(純度為78.8% )8. 33kg ； 甲醇64.5kg(1.58摩爾當(dāng)量)]以單步驟反應(yīng)15分鐘而被酯交換。分離甘油層(GLl)，并重79.5^g。然后用各5. 55kg的甘油處理甲酯層(粗JME)三次，并每次都分離甘油層， 最終分離使用超級離心機進行。分離的甘油洗滌層分別重11.2^g(GL2)、8.(^kg(GL3)和 6.11kg(GL4)。該階段的甲醇、KOH和總體K余量示于下表1中。由數(shù)據(jù)可見，所用的過量甲醇的89. 3%最終于甘油層(GL1-GL4)中，且因此，具有通過本發(fā)明的方法從甘油層回收該過量甲醇(而無需使用蒸餾)的好機會。然后，用離子交換樹脂處理部分的經(jīng)甘油洗滌的甲酯層(稱為JME-G3W)以去除如下所述的殘留堿，同時剩余部分按照現(xiàn)有技術(shù)進行處理以得到具有0. 12%總甘油和0. 01%游離甘油的純甲酯。表權(quán)利要求
1.由含有1.06%游離脂肪酸(FFA)的麻瘋樹包殼種子制備麻瘋樹油甲酯(JME)和副產(chǎn)物的綜合方法，所述方法包括如下步驟(i)在去殼機中將麻瘋樹包殼種子機械去殼以獲得麻瘋樹種殼和麻瘋種子；( )使用榨油機，從步驟(i)獲得的麻瘋種子中壓榨麻瘋樹油、具有4-6%氮的麻瘋樹油渣餅和廢油泥；(iii)用堿中和步驟(ii)中獲得的麻瘋樹油；(iv)在攪拌下使一部分步驟(iii)中獲得的中和麻瘋樹油與醇和堿進行酯交換反應(yīng) 10-20分鐘，并分離粗甘油層GLl和粗麻瘋樹油甲酯(JME)；(ν)用純甘油層洗滌步驟(iv)中獲得的粗JME三次以分離三個含甲醇和KOH的不純甘油層GL2、GL3和GL4，從而獲得甘油洗滌的JME-GJ ；(vi)純化步驟(ν)中獲得的JME-GJ以移除堿金屬雜質(zhì)；(vii)用步驟(iv)和(ν)中獲得的甘油層GL5(GL1+GL2+GL3)處理剩余的步驟(iii) 中獲得的中和油的部分以獲得JME和甘油層GL6 ；(viii)分離步驟(vii)中獲得的JME和甘油層GL6；(ix)用中和油的剩余部分處理步驟(viii)中獲得的甘油層GL6從而去除甲醇以獲得 JME和甘油層GL7 ；(χ)分離步驟(ix)中獲得的JME和甘油層GL7 ；(xi)直接將步驟(χ)中獲得的甘油層GL7用于制備聚羥基鏈烷酸酯(PHA)或用于用硫酸中和堿以獲得純甘油和釜腳GL8 ；(xii)將步驟(vi)中獲得的JME-G#與步驟(viii)和⑴中獲得的JME混合以獲得混合甲酯；和(xiii)用KOH甲醇溶液對步驟(xii)中獲得的混合甲酯進行酯交換以獲得具有 0. 088%總甘油和0. 005%游離甘油的純麻瘋樹油甲酯(生物柴油)。
2.如權(quán)利要求1所述的制備副產(chǎn)物的綜合方法，其中所述方法包括如下步驟a.通過加入權(quán)利要求1的步驟(ii)中獲得的廢油泥，在壓塊機中將權(quán)利要求1的步驟 (i)中獲得的麻瘋樹種殼壓塊以獲得作為副產(chǎn)物的麻瘋磚，其密度為1. 05-1. 10g/cm3 ；b.用氏 04、!12504水解權(quán)利要求1步驟(ii)中獲得的具有4-6%氮的麻瘋樹油渣餅以獲得作為副產(chǎn)物的麻瘋樹油渣餅水解產(chǎn)物(JOCH)。
3.如權(quán)利要求1所述的制備副產(chǎn)物聚羥基鏈烷酸酯(PHA)的綜合方法，其中所述方法包括如下步驟I.將1-10%土壤細菌MTCC5343或海洋細菌MTCC 5345更優(yōu)選海洋細菌MTCC 5345 種子培養(yǎng)物接種于含2-10% (w/v)的權(quán)利要求1步驟(xi)中獲得的釜腳GL8或權(quán)利要求1步驟(χ)中獲得的GL7或其組合的生長和制備培養(yǎng)基中，并在25-40°C溫度范圍中、pH 7. 0-8. O下培養(yǎng)M-96小時的時間以使其發(fā)酵；II.通過離心發(fā)酵物以獲得細胞沉淀而收獲細胞；III.通過離心所述細胞沉淀回收固體聚合物；IV.用水和甲醇洗滌所述固體聚合物以獲得PHA;V.將0.5-5% PHA溶于氯仿中以獲得PHA薄膜。
4.如權(quán)利要求1步驟(i)中所述的方法，其特征在于所述的太陽曬干的整粒種莢增強了保持特性，并且當(dāng)種子包有殼時油的游離脂肪酸含量僅為0. 5-2. 0%，從而增加了甲酯的產(chǎn)率。
5.如權(quán)利要求1步驟(i)所述的方法，其中去殼在特別設(shè)計的去殼機中進行，所述去殼機包括(i)由轉(zhuǎn)鼓構(gòu)成的破莢器，其通過固定表面的磨擦開殼而不損壞種子，(ii)傾斜振蕩篩，用于將種子與殼分離和指引種子向與殼相反的方向移動，和(iii)使用吹風(fēng)機以吹去殼，殼單獨收集而殼中種子無損失。
6.如權(quán)利要求1步驟(iv)所述的方法，其中所用的堿選自由氫氧化鉀和氫氧化鈉組成的組。
7.如權(quán)利要求1步驟(iv)所述的方法，其中醇選自由甲醇和乙醇組成的組。
8.如權(quán)利要求1步驟(vi)所述的方法，其中通過使用大孔陽離子交換樹脂移除堿金屬雜質(zhì)而純化JME-G3W層。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中通過使用苯乙烯-二乙烯基苯共聚物和硫酸制備大孔陽離子交換樹脂。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中使用十六烷醇作為成孔劑通過苯乙烯的懸浮聚合制備苯乙烯-二乙烯基苯共聚物。
11.如權(quán)利要求1步驟(V)所述的方法，其中進行樹脂處理的JME-GW層具有15-30ppm 至<0. 5ppm的最大[Na+]和[K+]雜質(zhì)水平、0. 4-0. 6% (w/w)的甲醇雜質(zhì)水平、500_1500ppm 的含水量、0. 2-0. 3% (w/w)的甘油總含量和0. 15-0. 25% (w/w)的更低的游離脂肪酸含量。
12.如權(quán)利要求1步驟(xi)所述的方法，其中釜腳定義為成功循環(huán)之后遺留的殘余物， 主要由在進一步可蒸餾溶劑/產(chǎn)物方面不具價值的固體和自由液體組成。
13.如權(quán)利要求2步驟(a)所述的方法，其中壓塊在壓塊機中進行，所述壓塊機包括 (i)傾斜螺旋給料機，( )配備有攪拌器和進料添加劑的開口的混合裝置，(iii)由模制所述磚的模具和產(chǎn)生高壓以壓實的水壓系統(tǒng)組成的壓制系統(tǒng)，和(iv)用于冷卻所形成的磚的磚傳輸系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求1步驟(i)所述的方法，其中所得的殼具有0.08g/cm3的容積密度和 3700kcal/kg 的熱值。
15.如權(quán)利要求3步驟(I)所述的方法，其中生長培養(yǎng)基選自由King’s B培養(yǎng)基、 Zobeir s海洋培養(yǎng)基和與GL7和GL8 —起的除油麻瘋樹油渣餅水解產(chǎn)物(JOCH)組成的組。
16.如權(quán)利要求3所述的方法，其中相對于細胞干重，PHA產(chǎn)率為69%-77%。
17.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所得的PHA與標(biāo)準(zhǔn)PHA的NMR譜圖相符，通過DSC 測得的熔點為166.2°C，和GPC數(shù)據(jù)給出的M 、Mn*Mw/Mn(多分散指數(shù))值分別為35990、 24583 和 1. 46。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中上述步驟同樣可應(yīng)用于多種甘油三酯油。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于由太陽曬干的麻瘋樹整粒種莢制備脂肪酸甲酯(生物柴油)的更簡單和具有更高能量效率的方法，所述方法結(jié)合了種子殼、除油餅和粗甘油共產(chǎn)物流的附加價值。更具體地，本發(fā)明涉及一種無需通過蒸餾回收過量甲醇、經(jīng)濟的樹脂處理用于甲酯精制和利用共流以高效和經(jīng)濟的方式制備高密度能量磚和聚羥基鏈烷酸酯可生物降解聚合物的方法。
文檔編號C10L1/02GK102597199SQ201080050289
公開日2012年7月18日 申請日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月7日
發(fā)明者A·V·施里瓦斯塔維, B·雷巴里, D·R·喬杜里, G·戴爾, H·布蘭巴特, K·M·波帕特, K·S·扎拉, M·R·甘地, N·翁希亞, P·K·高希, P·S·阿南德, P·保羅, R·D·馬魯, S·C·P·米什拉, S·C·厄帕德海伊, S·K·米什拉, V·伯里沙 申請人:科學(xué)與工業(yè)研究委員會