固定化细胞磁稳定流化床反应器制备生物柴油研究

作     者：黄业千 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈冠益

授予年度：2010年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：生物柴油 固定化 全细胞 超顺磁性 磁稳定流化床 

摘      要：生物柴油由于其良好燃料性能和环境友好特性,备受人们关注。现有制备生物柴油的细胞催化法还主要停留在实验室间歇生产上,真正要实现工业产业化还亟需配套的工业化反应器的研制突破以及成熟工艺路线的开拓。为此,本文系统地研究了固定化细胞磁稳定流化床反应器连续化制备生物柴油技术。 在磁性颗粒的制备上,采用化学共沉淀法合成了纳米FeO磁性微粒并进行了工艺优化,得到制备FeO颗粒的最佳工艺条件为:n(Fe)/n(Fe)=1/1.8,碱性沉淀剂选用氨水,且氨水的滴速为15 mL/min,共沉淀时的pH值=10,熟化温度为60℃。制得的FeO微粒粒径为11.5 nm,饱和磁化强度在72.1 emu/g以上。以该FeO颗粒作为磁性基质,采用戊二醛交联壳聚糖制备了FeO/CS复合微球,其最优条件为:FeO与CS的质量比为1:0.8,0.5%戊二醛初交联,乳化剂的为10 g/L的Span 80和硬脂酸钙复合乳化剂,搅拌速度为1500 r/min。制备出的微球平均粒径为90μm,饱和磁化强度为27.4 emu/g。将该复合微球作为载体固定R. oryzae细胞制备了全细胞催化剂,将其用于催化废油脂转酯化,其最佳条件为催化剂用量为原料油质量的10 %,反应温度35℃,pH值为6,含水率在5 %5 %之间。 设计了多相磁稳定流化床反应器,该磁流化床电流强度与磁场强度之间的关系为H=9239I,整个流化床床层可视为均匀磁场。通过冷态实验,对比了FeO/CS复合微球与聚氨酯泡沫(BSPs)和壳聚糖微球(Chitosan-MCB)的流化效果,FeO/CS复合微球表现出较好的流化特性及操作稳定性,当处于磁稳态操作时,微球形成磁链,对气泡的消除作用效果最佳,床层最为稳定。 在以上实验的基础上,创新性的提出了以R. oryzae超顺磁性全细胞生物催化剂和四级串联磁流化床反应系统相结合的生物柴油连续化制备工艺。当采用磁稳态操作,催化剂用量为原料油质量的12 %,进料醇油摩尔比为0.75:l,进料流量为42.6 mL/min时,该系统催化废油脂转酯化的效率最高,经过连续反应后,最终甲酯产率达到85 %以上,该反应系统连续反应200 h后四级出口的甲酯产率仍在80 %以上。 本研究所得结论为细胞催化及磁稳态流化床的工业化应用奠定了基础。