酶催化法生產(chǎn)生物柴油的研究始于上世紀80年代，我國則在90年代后期開始了這方面的研究。酶催化法生產(chǎn)生物柴油是利用脂肪酶的催化作用，實現(xiàn)油脂與短鏈醇的酯交換反應(yīng)。脂肪酶是一類可以催化甘油三酯合成和分解的酶的總稱，同時可以催化油脂的酯交換反應(yīng)，廣泛分布于動、植物和微生物的組織和器官中。工業(yè)化的脂肪酶主要有動物脂肪酶和微生物脂肪酶，其中微生物脂肪酶種類較多，一般通過發(fā)酵法生產(chǎn)。用于生物柴油生產(chǎn)的脂肪酶主要有酵母脂肪酶、根霉脂肪酶、曲霉脂肪酶、毛霉脂肪酶、豬胰脂肪酶等，有商品化的固定化脂肪酶和游離脂肪酶等[33]。酶法生產(chǎn)生物柴油工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，容易操作和控制，脂肪酶催化劑容易與產(chǎn)品分離，固定化酶可以重復(fù)使用，廢棄的酶則可以生物降解，不會對環(huán)境造成危害；反應(yīng)產(chǎn)生的甘油，分離簡便；反應(yīng)過程中無酸、堿物質(zhì)，不會造成皂化反應(yīng)，生產(chǎn)穩(wěn)定性好；反應(yīng)中不需要過量的甲醇，分離、提取簡單，耗能小，酶法生產(chǎn)生物柴油受到了越來越多研究者的關(guān)注。

　　但是，生物酶法生產(chǎn)生物柴油也存在一些不足：脂肪酶價格昂貴，游離化的脂肪酶不利于回收和重復(fù)利用，增加了生產(chǎn)成本；甲醇等短鏈醇對脂肪酶具有毒性，過量的甲醇會對脂肪酶造成不可逆轉(zhuǎn)的損害；脂肪酶催化動力學研究欠缺，缺少基本的動力學數(shù)據(jù)，不利于反應(yīng)的擴大和自動化控制；間歇反應(yīng)工藝時間較長，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

　　針對這些不足，酶法制取生物柴油的研究主要集中在以下幾個方面：

　�。�1）新型固定化脂肪酶或細胞的研制

　　為了降低脂肪酶的使用價格，一些研究者致力于價格便宜的工業(yè)脂肪酶或固定化細胞的研制，或?qū)⒂坞x脂肪酶進行固定化，以增加脂肪酶的使用壽命，降低生物柴油生產(chǎn)成本。

　　Ban等[34～37]用固定化根霉細胞催化大豆油和甲醇合成生物柴油，根霉細胞膜的脂肪酸成分對反應(yīng)的催化效果具有最大的影響，發(fā)現(xiàn)利用亞油酸強化的細胞膜催化具有最高的轉(zhuǎn)換率，利用棕櫚酸強化的細胞膜具有最好的催化穩(wěn)定性，而兩者以2:1強化細胞膜時，可以使細胞具有最好的催化穩(wěn)定性和催化轉(zhuǎn)換率，細胞循環(huán)使用10次以上， 轉(zhuǎn)換率在55%以上。用0.5%的GA提高全細胞的穩(wěn)定性， 通過六批間歇試驗，發(fā)現(xiàn)油脂的酯交換率維持在70%～83%，沒有明顯的下降。當利用分布加入甲醇方法時，油脂的轉(zhuǎn)換率可以達到90%。由于省去了脂肪酶的提取及精煉過程，因此生物柴油催化劑的生產(chǎn)成本大為降低，得到了許多研究者的認同。

　　Nelson[38]利用游離的毛霉脂肪酶和假絲酵母酶對牛油和短鏈醇的酯交換反應(yīng)進行催化，利用正己烷作為有機溶劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)毛霉脂肪酶對催化動物油與甲醇的反應(yīng)效果較好，假絲酵母酶則對動物油與乙醇的反應(yīng)催化效果較好，酯交換率均在80%以上。

　　Deng[39]利用六種商品化的固定脂肪酶在無溶劑系統(tǒng)中對葵花籽油與七種短鏈醇的酯交換反應(yīng)進行催化，發(fā)現(xiàn)Novo435脂肪酶對油脂與大多數(shù)醇尤其是甲醇的酯交換反應(yīng)催化效果最好，轉(zhuǎn)換率均在90%以上。

　　鄧利等[40]成功地從假絲酵母發(fā)酵液中提取出了假絲酵母脂肪酶，將其固定到紡織品上應(yīng)用到廢棄油脂及食用油的酯交換反應(yīng)中，在有機溶劑存在的情況下，成功地制取出了性能合格的生物柴油產(chǎn)品。

　　（2）固定化酶催化工藝條件的研究

　　固定化酶能夠重復(fù)使用，從而降低生產(chǎn)成本。目前，酶法制取生物柴油一般使用固定化脂肪酶間歇催化油脂合成生物柴油。間歇生產(chǎn)工藝的研究主要是為了提高脂肪酶的使用壽命，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，縮短反應(yīng)周期。提高甲醇等短鏈醇在油脂中的溶解性，可以提高反應(yīng)物之間的接觸面積，提高反應(yīng)速率，提高脂肪酶的使用穩(wěn)定性和壽命，一些研究者致力于尋求合適的有機溶劑。

　　Soumanou[41]考察了不同的有機溶劑后，認為正己烷有利于Lipozyme RMIM催化葵花籽油與甲醇的酯交換反應(yīng)，在30～40℃下，將甲醇分三次等量加入，反應(yīng)24h后得到了80%以上的轉(zhuǎn)換率，脂肪酶重復(fù)使用了120h，催化效果未變。Lara等[42]研究發(fā)現(xiàn)，只有在廢棄漂白土和正己烷共同存在下，脂肪酶催化廢棄植物油與短鏈醇才能得到最高的酯交換率90%。Iso等[43]用假單胞菌脂肪酶催化甘油三酸酯與醇的酯交換反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)與短鏈醇－甲醇、乙醇等的酯交換反應(yīng)，必須加入正己烷等有機溶劑；對于長鏈醇，則不需要有機溶劑，進一步證實了短鏈醇對脂肪酶的毒性。Linko[44]利用25商品脂肪酶催化菜籽油與丁醇的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)加入正己烷可以提高轉(zhuǎn)換率，在37℃下反應(yīng)7h后得到了90%的轉(zhuǎn)換率。

　　徐圓圓等[45]探討了利用脂肪酶Lipozyme TLIM催化大豆油脂生產(chǎn)生物柴油，以正己烷作為有機溶劑，在脂肪酶用量30%、醇油摩爾比4:l、反應(yīng)溫度40℃的情況下，反應(yīng)5h后產(chǎn)物脂肪酸甲酯得率可達92%。聶開立等[46]利用實驗室自制固定化假絲酵母脂肪酶催化大豆油與甲醇的酯交換反應(yīng)，以石油醚作為有機溶劑，認為醇油摩爾比最高為1.4：1，在此值以下，甲醇不會對脂肪酶造成毒性。使用15%固定化脂肪酶，加入20%質(zhì)量分數(shù)的水,溫度為40℃，在pH值為7時，每10h流加1mol當量的甲醇，分3次流加后得到最高酯交換率為96%，固定化酶使用半衰期達200h以上。高靜等[47]利用響應(yīng)面優(yōu)化方法，使用自行研制的固定化假絲酵母脂肪酶催化廢油脂與甲醇的酯交換反應(yīng)，加入14%的石油醚和10%的水，在甲醇一次全加入的情況下可以得到92%的酯交換率，但經(jīng)過4批反應(yīng)，酯交換率就下降到50%以下，因此，采用多次流加甲醇的方式，可以使脂肪酶連續(xù)使用7批，酯交換率依然可以保持在90%以上。魯名波等[48]同樣利用Lipozyme TLIM固定化脂肪酶催化大豆油，在對大豆油進行乳化預(yù)處理后，利用10%的脂肪酶， 在正己烷存在的反應(yīng)體系中， 溫度40℃下，三次等量流加甲醇，共反應(yīng)15h后得到了94%的酯交換率。陳志峰等[49]利用Novo435脂肪酶催化廢油脂發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)體系中加入10%的有機堿三羥甲基氨基甲烷或三乙胺可以提高廢棄油脂的酯交換速率和甲酯產(chǎn)率，在無溶劑體系下反應(yīng)24h得到77.5%的轉(zhuǎn)換率，但加入有機溶劑后，反應(yīng)12h可以得到85.9%的酯交換率，反應(yīng)10批次后，酯交換率反而有所升高。
  
    雖然有機溶劑的存在可以降低反應(yīng)溫度，提高醇油摩爾比，但有機溶劑的存在，增加了反應(yīng)后提取的困難， 加大了生產(chǎn)的能耗。因此，很多學者不贊成反應(yīng)過程中使用有機溶劑。Kose[50]研究了在無溶劑的體系中，利用Novozym 435 催化棉籽油與甲醇和乙醇的酯交換反應(yīng)，在50℃、醇油比4:1， 30%脂肪酶用量下，反應(yīng)7h后酯交換率達到了72%。Shimada[51，52]利用假絲酵母脂肪酶在無溶劑體系中催化植物油脂的酯交換反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)甲醇與植物油的摩爾比以1.5:1為最大，超過這個值，酶的催化作用將急劇下降。在30℃下，將反應(yīng)所需的甲醇分三次等量加入， 反應(yīng)48h得到了90%的酯交換率。Kaieda[53]利用Rhizopus oryzae游離脂肪酶催化大豆油和甲醇的酯交換反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)4%～30%的水的存在有利于反應(yīng)的進行，可以得到80%以上的轉(zhuǎn)換率。Selmi and Thomas[54]對固定化毛霉脂肪酶催化葵花籽油與乙醇的研究中發(fā)現(xiàn)，在無溶劑的情況下，利用8%的脂肪酶，在50℃、3:1的醇油比的情況下，反應(yīng)5h得到了80%的酯交換率。

　　國內(nèi)的吳虹等[55]利用Novo435酶催化廢油脂，在無有機溶劑的體系中每10h加入反應(yīng)所需的1/3甲醇，每次加入甲醇之前均將脂肪酶用有機溶劑丙酮清洗，共反應(yīng)30h后酯交換率達到88.6%，連續(xù)反應(yīng)300h后，酶活性基本沒有下降。

　　劉德華[56～59]等采用短鏈脂肪酸脂（乙酸甲酯或乙酸乙酯）作為酰基受體，與菜籽油等植物油反應(yīng)，避免了使用甲醇，反應(yīng)過程中短鏈脂肪酸酯與油脂的摩爾比可以達到4:1～14:1。副產(chǎn)物三乙酸甘油酯進一步與甲醇反應(yīng)生成短鏈脂肪酸酯，循環(huán)用于生物柴油的生產(chǎn)。在脂肪酶用量30%，反應(yīng)溫度30～60℃的情況下，反應(yīng)20h左右可以得到90%的酯交換率。

　　本實驗室研究了以固定化的假絲酵母脂肪酶作為催化劑， 以菜籽油和桐油為原料，在無溶劑存在的條件下的間歇和連續(xù)反應(yīng)工藝條件，脂肪酶可以多次重復(fù)使用，油脂轉(zhuǎn)化率保持在90%左右[60，61]。

    4　生物柴油的發(fā)展展望

　　由于作為石化柴油代用品的生物柴油對環(huán)境友好、可再生，已受到世界范圍的關(guān)注，生物柴油的產(chǎn)量也在以很大的幅度逐年增長，柴油的研究和生產(chǎn)將有廣闊的市場前景。我國一次能源生產(chǎn)和終端能源消費中原油和石油產(chǎn)品都占到12%以上，而且近年來一直呈上升趨勢。2004年我國進口低純度石油1.3億多t，2020年石油進口量要翻一番達到3億t。我國對進口石油的依賴度已大于55%，這不僅消耗大量的外匯儲備，并需國防、外交保證，因此，我國的能源安全實質(zhì)是石油安全問題。柴油是石油消費的重要組成部分，1995～2000年間，我國柴油消費已從4360萬t增加到6700萬t，發(fā)展生物柴油可以部分緩解我國柴油供應(yīng)緊張的狀況，并有助于部分代替進口產(chǎn)品，節(jié)省外匯。另外，我國植物資源豐富，產(chǎn)油植物達400余種，其中300種含油超過20%，野生麻瘋樹果實含油率達40%～60%， 超過油菜和大豆，用其加工的生物柴油的閃點、凝固點等關(guān)鍵指標優(yōu)于國產(chǎn)零號柴油，達到歐洲二號排放標準，我國已在四川省攀枝花、涼山等地種植十萬余畝。

　　中國在發(fā)展生物柴油的同時應(yīng)注重本國國情，充分利用邊緣性低質(zhì)土地種植能源作物、充分利用現(xiàn)有動、植物油料資源，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，避免對環(huán)境造成二次污染，同時要盡量減小能耗，簡化生產(chǎn)裝置。酶法生產(chǎn)生物柴油條件溫和、醇用量小、無污染物排放，本實驗室已進行了固定化脂肪酶催化制取生物柴油的研究，得到了間歇和連續(xù)生產(chǎn)工藝條件，對酶催化制取生物柴油的動力學和催化機理進行了研究；同時，實驗室開展了固體催化劑制取生物柴油的研究，研制出了一系列催化效果顯著的固體催化劑。為了實現(xiàn)生物柴油低成本、大型工業(yè)化生產(chǎn)，筆者認為還應(yīng)進行以下方面的研究：1）高效產(chǎn)脂肪酶菌株的篩選和研究與高效固體催化劑的研制。催化劑決定著生產(chǎn)工藝的復(fù)雜程度和生產(chǎn)成本，固定化脂肪酶和固體催化劑催化生產(chǎn)生物柴油的工藝條件簡單，不會對環(huán)境造成二次污染，催化劑還可以重復(fù)使用，是降低生物柴油生產(chǎn)成本，實現(xiàn)生物柴油大型工業(yè)化生產(chǎn)的有利因素；2）大力開發(fā)生物柴油的廉價生產(chǎn)原料，隨著生物柴油產(chǎn)業(yè)的擴大，原料的需求將進一步增大，可以改良能源作物品種，提高其含油率；使用廢棄食用油及廢棄動物脂肪；3）研究提取工藝，精制副產(chǎn)物甘油，降低分離、提取成本；4）開發(fā)連續(xù)生產(chǎn)工藝，為生物柴油的工業(yè)化生產(chǎn)提供條件。