浅谈油脂领域中酯化反应的催化剂.doc

浅谈油脂领域中酯化反应的催化剂
　　摘要:酯交换反应是在油脂领域中常见的反应机理,从原理上讲，它是是指脂肪酸或甲醇、乙醇等醇与酯类发生化学反应而得到新的酯类化合物，该反应导致酰基分布改变,进而使得油脂的性质发生变化.我们常常利用酯交换反应改变油脂的一些性质，如可塑性，粘度，冷凝点等.酯交换反应能够避免破坏油脂原有的营养成分，同时也不会产生异性酸目前酯交换反应已被广泛地应用于乳化剂、表面活性剂、黄油、改性油脂、生物柴油和各种专用油脂的各个生产领域。本文主要分析目前应用于酯交换、酯化反应的常见的催化剂。
　　关键词：酯交换 酯化反应 催化剂
　　中图分类号：O623.624 文献标识码：A 文章编号：1672—5336（2014）02-0090-02
　　1 酸性催化剂
　　油脂的化学酯交换是指酯类物质在化学催化剂如酸、碱作用下发生的酯交换反应.根据酯交换反应中的酰基供体的种类不同，可将其分为酸解、醇解以及酯-酯交换反应。
　　通过酸解反应可以将低分子质量的酸引入到由相对分子量脂肪酸构成的油脂中去，也可以将高相对分子质量的酸引入到由低相对分子质量脂肪酸构成的油脂中去。
　　然而，酸解反应十分缓慢,且具有较多的副反应，在较高温度下副反应更多,且酸解反应中，人们对最终产品组成的控制是有限的，因为酸解反应中酰基可随机交换,任何一种特定的酸都是在已酯化的状态和游离态两部分之间自身任意地分布着。因此，酸解反应很少应用到食用油的加工中.
　　中性油或脂肪酸一元醇酯在催化剂的作用下与一种醇作用,交换酰基或者说交换烷氧基，生成新酯的反应叫醇解.醇解也是可逆反应，酸或碱均可催化醇解反应。
　　用H2SO4或无水HCl作催化剂，反应需较高温度与较长时间.实用的碱催化剂有甲醇钠、氢氧化钠、氢氧化钾、无水碳酸钾。
　　从机理上讲，酸性催化剂催化酯化反应是利用甘油三酯（即油脂中90%的物质）上的羰基形成碳正离子物，然后再与甲醇或乙醇等短链醇发生一种类似亲核反应，最后在经过基团的变化生成新的脂肪酸酯.
　　甘油三酯的酯—酯交换反应机理十分复杂，目前存在的机理假设有两种.一种反应机理假设是反应过程中引发剂与甘油三酯分子中的羰基作用形成加成复合体;另一种反应机理假设是反应中形成了作为引发剂作用于甘油酯上的中间产――烯醇式酯的离子.
　　目前已实现工业化的酸性催化剂有固体酸、H2SO4有机磺酸和固体超强酸。与碱性催化剂相比，尽管酸催化的反应进程较慢,但在油脂中含有大量的水和游离脂肪酸时，高酸度会导致碱性催化剂失活，在这种情况下，酸性催化剂更适合催化脂肪酸与甲醇、乙醇等短链醇反应，提高甲酯化效率。如对于选择潲水油、酸化油制备生物柴油时，首选利用酸性催化剂降低酸值。
　　2 碱性催化剂
　　在工业化生产中，常用的催化剂包括固体碱、NaOH、KOH、NaOCH3等，碱性催化剂比算性催化剂效率高，甲酯化程度更为彻底。目前固体碱催化剂是研究的重点，固体碱催化剂相比于氢氧化钠等催化剂，催化活性更强，效率更高。温度、压力、时间等因素是导致脂肪酸甲酯高或低最为主要的因素，在探讨反应体系对酯化反应的影响时，对于参数的考虑也多以温度、压力、时间等为入口,实验最佳的催化方案。如目前原料选择以棕榈油、大豆油等酸值较小的油脂制备生物柴油，催化剂基本上都是选择此类催化剂。
　　3 脂肪酶催化剂
　　酶催化也是目前研究的热点之一，这是由于酶作为催化剂，需要的条件一般比较温和，温度不高，压力无需低压或高压，甲醇或乙醇等醇类醇用量少,以摩尔比进行配比即可,与传统的酸碱催化时会产生皂等杂质相比，脂肪酶催化反应后反应产物污染较小,产品的分离纯化简单,利用分子蒸馏可以实现完全分离，是一种绿色无污染的催化剂。但脂肪酶容易失活，失活后就无法再重复使用，目前更多利用固定化酶以使得能够循环使用，但固定化酶在循环使用后的催化效率大大降低，这也是目前继续解决的问题之一,若是研究重复利用效果较好的脂肪酶,那么就可以有效地避免油脂生产时对于环境的污染，真正实现绿色生产。
　　4 存在的问题
　　虽然酸催化剂可以催化高酸值油脂,但酸催化剂容易造成物料的碳化,对于产品的得率和色泽会造成较为严重的影响，同时强酸也容易腐蚀机械设备、管道，造成一定程度的环境污染。虽然固体酸能够克服液体酸存在的问题，但固体酸催化时一般需要较长的时间，反应温度也较高，有时需要200℃以上的问题，在200℃以上时会造成很大的油烟,导致污染加重，同时催化剂也容易失活，导致成本增加，因此，将固体酸应用于工业化生产还需克服很多已存在的问题。
　　碱性催化剂虽然反应速度快,但产生废水多，对原料要求比较高，否则易失活，同时碱性催化剂回收成本高，直接排放又会对环境造成很大的污染。
　　脂肪酶在反应体系中分散效果不好,容易聚集，而当酶聚集在一块时,催化效率大大降低，不过目前可以采取修饰、交联、固定化等方式对脂肪酶进行改进。 脂肪酶在反应体系中容易失活,而且短链醇如甲醇、乙醇等对酶有一定的毒性，会大大降低其使用寿命，且脂肪酶的成本较高，如在工业化使用时，不能重复利用,则会由于过高的成本投入而无法实现工业化.目前已采取脂肪酶固定化或将产生酶的细胞作为催化剂应用于酶催化油脂反应。
　　现今,能源危机日益严重，生物柴油等功能性油脂的开发越来越被人们所重视。生物柴油制备中主要的步骤在于酯交换反应。而酯交换反应的重中之重在于催化剂的研究。酯交换催化剂的研究中，固体催化剂、酶是研究重点，这对于环境保护、新能源开发都具有十分重要的意义。