微藻生物柴油的制备

酯交换法是目前生产生物柴油最普遍的方法，即油脂在催化剂作用下与短链醇作用形成长链脂肪酸单酯。该反应需要催化剂（如酸或碱）分裂甘油三酯与短链醇重新结合为单酯，同时副产甘油。因为甲醇成本最低，从而成为最常用的短链醇。但甲醇主要来源于不可再生的天然气或煤炭，致使第一代生物柴油多为不完全可再生。而巴西拥有丰富的甘蔗资源，生物基乙醇取代了甲醇用来生产生物柴油，成为完全可再生的绿色产品。其他短链醇，如丙醇、正丁醇、异丁醇等也有研究，但无产业化报道。目前实际应用的工业催化剂多为酸、碱和脂肪酶，其中NaOH因价格低廉、催化活性较高而被广泛使用。按照催化剂的种类可以将生物柴油的制备方法划分为：化学法（酸、碱催化法）、生物酶催化法和无须催化剂的超临界法。

1.化学法

目前工业化的生物柴油生产方法主要是在液体酸、碱催化剂的存在下油脂与甲醇进行的酯化或酯交换反应。优点是反应速度快、时间短、转化率高、成本较低等，缺点是液体催化剂难以分离回收再利用，副反应较多，存在乳化现象，副产物甘油精制困难，产品后续水洗与中和产生大量的工业废水，造成环境污染等。非均相固体催化剂可以重复使用，而且反应条件温和，容易实现自动化连续生产，对设备腐蚀小，对环境污染小，成为生物柴油生产新工艺的研发热点。化学法制备生物柴油的一般流程如图10-1所示。

图10-1　生物柴油的生产过程（引自滕虎等，2010）

2.酶催化法

利用脂肪酶催化油脂与短链醇（主要是甲醇和乙醇）进行酯交换反应。该方法对原料品质要求低、副产物甘油易分离、耗能低，但反应时间长、酶容易失活。常用的脂肪酶包括Novozym 435脂肪酶、南极假丝酵母（Candida antarctica）脂肪酶、固定化假丝酵母（Candida sp.99-125）脂肪酶、米根霉（Rhizopus oryzae）脂肪酶、洋葱假单胞菌（Pseudomonas cepacia）脂肪酶等。固定化酶或细胞可以克服游离脂肪酶分散不均、易聚集结块、不便回收重复利用等缺陷，如 Novozym 435作为一种固定化脂肪酶被广泛应用于生物柴油的制备研究中。

提高脂肪酶对短链醇的耐受性是解决酶易失活的重要途径。采取批式流加甲醇、添加惰性溶剂（如正己烷）降低醇的浓度、用乙酸甲酯作为酰基受体等措施可以在一定程度上减小甲醇和甘油对酶的毒性，延长酶的使用寿命。

复合脂肪酶能有效地克服单一脂肪酶的底物专一性，改善不同脂肪酶的协同催化效应，提高转酯效率。用固定化米根霉和玫瑰假丝酵母脂肪酶作为复合酶催化油脂与甲醇的反应，反应4h后生物柴油的转化率达到了98%，反应时间比单一酶催化时间大大缩短。

3.超临界法

超临界甲醇可以在无催化剂的情况下与油脂反应生成脂肪酸甲酯，需要相当高的温度和压力条件（350℃，20～50MPa）。利用共溶剂可以改善超临界的工艺条件，但不能将温度降到临界点附近。少量碱性催化剂可以减少甲醇的用量，也能降低反应温度和压力，从而大大降低该方法的成本。

4.其他

乙醇取代甲醇用来生产生物柴油引起人们的关注，乙醇无毒，脂肪酸乙酯的热值和十六烷值相应增加，浊点和倾点比甲酯要低，而且是完全可再生的。另外微波加热可以大大缩短酯交换反应时间，降低醇油摩尔比，明显提高固体酸的催化效率。超声波也能显著减少酯交换反应的时间。