固定化酵素於大豆油系統反應

表 4.1 大豆油反應之實驗參數設計。大豆油：10 克；反應溫度：30°C；

反應時間：1 小時。

實驗編號 甲醇量（g） 水量（g） 轉化率（%）

1 1 1.6 8.8

2 2 1.6 40.7

3 2.5 1.6 52.3

4 3 1.6 47.5

5 4 1.6 17.3

6 2.5 0.8 13.2

7 2.5 2.4 52.9

8 2.5 3.2 52.5

9 2.5 4 47.7

由於甲醇量和水量都影響著反應的進行，而且甲醇與水可互溶，因 此將二個參數轉換為一個變因甲醇濃度來表示以利判斷。首先將表 4.1 數據整理成趨勢圖，圖 4-20 為甲醇濃度對生質柴油轉化率的影響，由圖 中可知最適甲醇濃度為 43.8%至 60.9%，若比例低於 43.8%代表著水量 過高，稀釋了甲醇濃度造成反應性不佳；當比例高於 60.9%明顯可看出 其轉化率迅速地下降，符合過量甲醇會毒化酵素的現象，最後透過此結 果數據判斷將選用 51%最佳甲醇濃度作為實驗參數。

30 40 50 60 70 80 0

10 20 30 40 50 60

Conversion (%)

Methanol concentration (%)

圖4-20 甲醇濃度對生質柴油轉化率之影響。大豆油：10 克；反應溫 度：30°C；反應時間：1 小時。

4.4.2 反應溫度對生質柴油轉化率的影響

根據 Arrhenius 方程式可了解速率常率隨著反應溫度上升而增加，

使得反應速率上昇；不過溫度過高會使酵素觸媒構形改變導致其活性下 降，因此探討出最適反應溫度一方面將可快速反應減少操作時間；另一 方面於最適溫度下反應酵素將不受到影響而失活，圖 4-21 為反應溫度 對生質柴油轉化率的影響。由圖中可知，將反應溫度提升至 50°C 其轉 化率與 30°C 的結果幾乎相同，顯示了反應溫度不會造成平衡轉化率的

0 1 2 3 4 5 6

改變，因此為了節省能源與操作方便，選擇反應溫度 30°C 為往後操作 之最適反應溫度。

0 10 20 30 40 50 60

Conve rsion ( % )

Reaction time (hours)

圖 4-21 反應溫度對生質柴油轉化率之影響。（■）30°C；（●）40°C；（▲）

50°C。大豆油：10 克；甲醇量：2.5 克；水量：2.4 克。

4.4.3 反應物比例量對生質柴油轉化率的影響

如前 4.4.1 節研究發現在甲醇濃度 51%下固定化酵素展現之活性最 佳，並且勒沙特列原理指出增加反應物甲醇量將有助於正向反應的進 行，因此本節探討甲醇量是否能有效地提升生質柴油轉化率。圖 4-22

0 10 20 30 40 50

化率並沒有明顯的差異性，當反應時間拉長至 10 小時結果發現增加甲 醇量明顯地可提高生質柴油轉化率，反應達到 24 小時後甲醇/水組成為 4/3.84 或 5/4.8 的轉化率分別為 66%與 67%，此二組數據顯示著甲醇量 與水量已可形成足夠之油水界面提供固定化酵素反應，若持續的增加反 而稀釋反應物大豆油濃度使得分子碰撞頻率變慢，導致反應效率不佳，

因此反應物甲醇與水之比例為 4/3.84 將是最適反應之使用量。

0 10 20 30 40 50 60 70

Conversion (%)

Reaction time (hours)

圖4-22 反應物比例量對生質柴油轉化率之影響。甲醇/水的組成比例

（w/w）：（■）2.5/2.4；（●）3/2.88；（▲）4/3.84；（▼）5/4.8。

大豆油：10 克；反應溫度：30°C。

4.4.4 脂肪酸含量對生質柴油轉化率的影響

目前全球正面臨著糧食危機，是否該繼續使用糧食作物生產生質柴 油為重要的議題。有鑑於此，本研究將探討以廢油為原料來生產生質柴 油，根據文獻指出，廢油中含有脂肪酸，例如：精製食用油過程產生的 酸油，其中脂肪酸比例高達75%。因此透過脂肪酸油品的探討，了解脂 肪酸對生質柴油轉化率的影響如圖 4-23 所示。

由於選用的脂肪分解酵素會進行轉酯化或酯化反應，於是可將脂肪 酸與甲醇反應成生質柴油和水，由圖中可發現反應 1 小時後，隨著脂肪 酸含量的增加其轉化率逐漸地下降，乃受制於脂肪酸的存在造成反應系 統 pH 值下降，導致固定化酵素於極酸性溶液中反應速率不佳的現象；

然而反應時間拉長脂肪酸漸漸地被反應為生質柴油，在反應第 6 小時脂 肪酸含量愈高者其轉化率愈高，此現象是因為三酸甘油酯之立體結構阻 礙使得其位置 2 之酯鍵較不易被反應，造成高三酸甘油酯含量的參數反 應速率變慢進而影響到其轉化率；再者反應24 小時後脂肪酸含量為 50%

與 75%的轉化率分別為 90%和 92%明顯地高於其他二組參數，並可發現 50%與 75%的轉化率幾乎相同，顯示了隨著脂肪酸含量的增加已不提高 生質柴油轉化率，因此為了避免固定化酵素處於極酸性溶液中反應，脂 肪酸含量為 50%將為最適原物料以供於固定化酵素生產生質柴油之製

0 10 20 30 40 50 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Conversion (%)

Reaction time (hours)

圖4-23 脂肪酸含量對生質柴油轉化率之影響。（■）0%；（●）25%；

（▲）50%；（▼）75%。油量：10 克；甲醇量：4 克；水量：

3.84 克；反應溫度：30°C。

4.4.5 催化油脂反應之操作安定性

如前所述，如何有效地降低酵素使用成本為實驗研究重點，因此透 過固定化技術將酵素製備成固定化酵素，擁有易回收並可重複利用的特 性，於是探討其重複使用次數為相當重要的變因，首先將固定化酵素置 於最適條件下反應 24 小時後，取出油水混合液並且以正己烷清洗固定 化酵素數次後，再重複 10 次以上步驟並分析其生質柴油轉化率結果如

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

圖 4-24 所示。從圖中可發現，經重複使用 10 次後其生質柴油轉化率仍 維持在 81.2%，為第 1 次反應轉化率的 91%，充份顯示了固定化酵素安 定性的優勢，也提升了固定化酵素應用於生產生質柴油工業化之可行 性。

0 20 40 60 80 100

C onver sion (%)

Recycle number (times)

圖 4-24 固定化酵素催化油脂反應之重複使用次數。油量：10 克；脂肪 酸含量：50%；甲醇量：4 克；水量：3.84 克；反應溫度：30°C。