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新一代棕榈生质柴油

时间:2020-07-13 
 

生质柴油 (biodiesel) 是以植物油、动物油或废食用油为原料,与短链的醇类进行酯交换所形成的脂肪酸烷基酯类,是一种符合绿色环保的再生能源,自20世纪起已引起相当的注意。然而,自2008年,生质柴油工业面临到原料价格昂贵的处境,即便尝试使用低价的非食用性油脂当原料,例如痲疯树油,其生产也尚未进入大规模量产製程。

大部分生质柴油的製程是利用硷催化转酯化的过程,此过程需要利用精炼后油脂当作原料。即便棕榈油已经是一种相当具有价格竞争性的原料,但其价格还是会随着国际原油的价格而变动,因此寻找成本低廉的原料供应来源,是持续努力的目标。

植物油脂精炼过程中所产生的副产物主要为脱臭蒸馏物 (deodorizer distillates) 与肥皂,经济价值低廉,但若从植物油脱臭蒸馏物 (vegetable oil deodorizer distillates, VODD) 中萃取出维生素E、植物固醇 (sterols),抑或将其当作生质柴油的原料来源,则可创造出额外的利用价值。VODD中的游离脂肪酸含量範围为25~75%,其组成会根据油品来源、精炼过程等因素而产生相当大的差异。

新一代棕榈生质柴油图一 棕榈树 Oil palms (Elaeis guineensis) (图片来源

棕榈蒸馏脂肪酸 (palm fatty acid distillate, PFAD) 是从精炼原油棕榈油过程中获得的产品,它广泛应用于各种工业,例如生产蜡烛,化妆品,化妆品和医药产品等工业。棕榈油在脱臭及去除游离脂肪酸的精炼过程中,会伴随着副产物PFAD的生成,PFAD含有约82%游离脂肪酸、少部分的甘油酯类 (glycerol ester) 及非甘油类化合物(例如:维生素E、squalene、phytosterols),利用PFAD进行酯化反应 (esterification),为生产生质柴油的另一项原料选择。马来西亚及印尼为棕榈油的最大生产国,资料统计2009年其分别生产17.5及20.9百万公吨的棕榈油。棕榈油在马来西亚当地精炼后外销,主要应用于食品工业,2010年统计总计有700,000公吨的PFAD在精製棕榈油的过程中被产出。

PFAD含有高量的游离脂肪酸,以游离脂肪酸含量高的原料用于生质柴油的转化,大多仅限于实验室规模操作,2009年印尼研究团队首先突破製程瓶颈,成功利用PFAD为原料创造出200公吨/天的产值。此製程已于2010年成功输出至巴西、菲律宾以及婆罗洲等地。PFAD内含有少量的植物化学物质 (phytochemicals),例如利用PFAD萃取维生素E的製程已经被商业化。

新一代棕榈生质柴油图二 棕榈果实 Oil palm fruit (图片来源

综合观之,将PFAD的游离脂肪酸转化成甲基酯类(即生质柴油)后,透过蒸馏方式将甲基酯类蒸发,蒸馏物则为高纯度的生质柴油,沉澱物为高价的植物化学物质,这种生质柴油製程中的副产物提高了以PFAD当作生质柴油原料的附加价值。

目前全世界以PFAD当作生质柴油原料来源的研究相当少,现有的製程仍以化学催化法为主,虽然利用化学方法催化的反应快速且价格便宜,但后续的纯化、汙水处理问题还是必须耗费相当的人力与经费,并非长久之道。脂肪酶(lipase) 具有催化交酯化的功能,可以作为合成生质柴油的生物触媒。利用脂肪酶进行交酯化(或醇分解)反应来合成生质柴油的技术已相当纯熟 (Nie et al., 2006; Park et al., 2005),尤其是针对游离脂肪酸含量高的油脂,例如PFAD,脂肪酶亦可藉由酯化反应将其转化为反应,不会产生如化学催化法的皂化反应。

相较于酸或硷的化学催化反应,使用酵素尚具有下列的优点,例如反应效率佳、受质专一性强、反应条件单纯、不需化学方式的高温、高压等耗能製程、副产物分离方便、不必考虑废水回收问题、而且酵素可固定化重複使用、甚至利用基因工程可达到优化酵素功能等优势。因此,这种利用酵素生产「绿色生质柴油」的新方法,极具开发潜力。


参考文献

1. Cheah, K.Y., Toh, T.S. & Koh, P.M. (2010). Palm fatty acid distillate biodiesel: Next-generation palm biodiesel- Inform – Membership – AOCS.

http://www.aocs.org/Membership/FreeCover.cfm?ItemNumber=3504

2. Dos Santos Corrêa, I.N., de Souza, S.L., Catran, M., Bernardes, O.L., Portilho, M.F., Langone, M.A.P. (2011). Enzymatic biodiesel synthesis using a byproduct obtained from palm oil refining. Enzyme Research. Vol 2011. pp. 1–8.

3. Nie, K., Xie, F., Wang, F., Tan, T., (2006). Lipase catalyzed methanolysis to produce biodiesel: Optimization of the biodiesel production. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 43, pp. 142–147.

4.Park, E.Y., Sato, M., Kojima, S. (2008). Lipase-catalyzed biodiesel production from waste activated bleaching earth as raw material in a pilot plant. Bioresour Technol, 99(8), pp. 3130-3135.


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