臺灣博碩士論文加值系統

本實驗利用電紡織法製備聚丙烯腈奈米纖維薄膜吸附脂肪分解酵素，進行大豆油轉酯化反應生成生質柴油。使用實驗設計法探討電紡參數對奈米纖維直徑的影響，並利用統計軟體-Statistica 以反應曲面法回歸實驗值得到預測直徑之方程式，利用此方程式得到最佳電紡參數在聚丙烯腈溶液濃度為7.34%、電紡強度19 kV、流速為1.2 ml/hr、電場距離8 cm及環境溫度為30℃時可得到直徑80奈米的纖維薄膜，其比表面積為19.56 m2/g。使用此條件進行固定化條件探討。由實驗得知，酵素濃度為30 mg/ml時可得到52.49 U/g最佳總活性。固定化酵素可儲存於pH 7磷酸緩衝溶液中，在20天內仍有85.7%的相對比活性。
利用此固定化條件進行反應條件之探討。反應條件分為兩種系統: 過量甲醇系統以及分次加醇系統，反應條件大豆油量固定為13.32 g。過量甲醇系統在甲醇量為3.908 g、水量為3.108 g、溫度30 ℃以及蛋白質量2.937 mg時反應72小時下可以得到91.66 %的轉化率；第二種為分次加醇系統，實驗得到使用蛋白質2.088 mg及水量為500 mg時，在120小時下分三次加入甲醇可以得到89.25 %的轉化率。兩種系統在6次的重複使用下分別剩下39.96 %及51.73 %的轉化率。最後利用膜反應器進行連續式生產生質柴油，在進料流速為0.1 ml/hr時，滯留時間在反應器內時間為為6 hr，得到之甲醇消耗量為86.55 %，並且在250 hr連續式反應下還有77.19 %之初始轉化率
將脂肪分解酵素吸附於聚丙烯腈奈米纖維薄膜產生產生質柴油，在批次反應下具有重複使用性之優點，減低了酵素製程之成本，提升其運用於工業化生產生質柴油之可行性。

In this study, lipase was immobilized by absorption on electrospun polyacrylonitrile (PAN) nanofibers for production of biodiesel from soybean oil and methanol by transesterification. Experimental design was used to analyze the influence of five electrospinning variables on fiber diameters. Response surface methodology was used to obtain an equation predicting fiber diameters by multiple regressions. The optimum conditions for producing electrospun nanofibers were as follows: PAN solution concentration = 7.34 %, flow rate = 1.2 ml/hr, voltage = 19 kV, tip-to-collector distance = 8 cm, and temperature = 30 ℃. Nanofibrous membranes with 80 nm fiber diameter and 19.56 m2/g specific surface area could be obtained. Under the optimum immobilization condition using 30 mg/ml lipase solution, 52.49 U lipase activity could be immobilized on one gram of PAN membrane with lipase specific activity reaching 1.11 U/mg compared with free lipase at 0.0274 U/mg. The storage stability of immobilized lipase was improved compared with that of free lipase and the immobilized lipase still possessed 85.7% relative activity after 20 days in pH 7 phosphate buffer at room temperature.
Two reaction systems were employed for the transesterification reaction, the excess methanol system and the equal molar methanol system. The effect of the amount of methanol, the amount of water, reaction temperature, and the amount of lipase used were studied for the excess methanol system. Under the optimum conditions, 3.908 g methanol, 3.108 g water, and 2.937 mg lipase could reacted with 13.3 g soybean oil to get 91.66 % conversion was obtained in 72 hr at 30℃. In equal molar methanol system, using 500 mg water and 2.088 mg lipase to react with 13.3 g soybean oil, 89.25 % conversion was obtained in 120 hr at 30℃. After six repeated batch reactions, the relative conversions of the two systems were 39.96 % and 51.73 %, respectively.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書 iii
誌謝 iv
摘要 v
Abstract vii
圖目錄 xiii
表目錄 xvii
第一章 導論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目標 2
第二章 文獻回顧 6
2.1 能源 6
2.2 生質燃料 7
2.2.1生質燃料介紹 7
2.2.2生質柴油介紹 7
2.2.2.1 生質柴油的製備 8
2.3脂肪分解酵素(lipase) 19
2.3.1 脂肪分解酵素之應用 19
2.3.2 脂肪分解酵素的來源 22
2.3.3 脂肪分解酵素之結構 25
2.3.4 脂肪分解酵素在有機溶劑的失活現象 27
2.4固定化酵素技術 29
2.5電紡織技術 33
2.6 實驗設計 36
2.6.1反應曲面法介紹 36
2.6.2 中央混成設計 38
第三章 材料與實驗方法 39
3.1 實驗器材與設備 39
3.2 實驗藥品與耗材 40
3.3 定義 42
3.4 實驗方法 43
3.4.1 以電紡織法製備聚丙烯腈奈米纖維薄膜 43
3.4.1.1 聚丙烯腈溶液配製 43
3.4.1.2 改良式針頭設備 43
3.4.1.3 聚丙烯腈奈米纖維薄膜製備 45
3.4.1.4 奈米纖維薄膜直徑測量方法 46
3.4.2 以實驗設計法回歸實驗之曲面方程式 47
3.4.2.1 以實驗設計法回歸纖維直徑之曲面方程式 47
3.4.2.2 實驗設計法驗證實驗 47
3.4.3 酵素蛋白質濃度分析法 50
3.4.4 脂肪分解酵素比活性測定 51
3.4.4.1 自由酵素比活性測定 51
3.4.4.2 固定化酵素之比活性測定 51
3.4.5 甲基酯含量分析 53
3.4.6 脂肪分解酵素之固定 57
3.4.6.1 脂肪分解酵素固定方法 57
3.4.6.2 脂肪分解酵素固定條件探討 57
3.4.7 自由酵素比活性 58
3.4.8 固定化酵素材料之物性分析 59
3.4.8.1 SEM 分析 59
3.4.8.2 FT-IR分析 59
3.4.8.3 BET分析 59
3.4.8.4 膜孔徑大小分析 60
3.4.8.5 孔隙度測試 60
3.4.8.6 機械性質測試 61
3.4.9 固定化酵素儲存性質 61
3.4.10 固定化酵素轉酯化反應條件之探討 62
3.4.10.1 過量甲醇系統 62
3.4.10.2 分次加醇系統 63
3.4.11固定化酵素薄膜反應器之應用 65
第四章 結果與討論 68
4.1 單一電紡參數對於奈米纖維直徑影響之探討 68
4.1.1 紡織溶液濃度之影響 68
4.1.2 紡織溶液流速之影響 69
4.1.3 外加電壓強度之影響 70
4.1.4 噴嘴至收集器距離之影響 70
4.1.5 環境溫度之影響 71
4.2 反應曲面實驗設計 82
4.2.1 反應曲面模式及效用估計表 84
4.2.2 柏拉圖 88
4.3 顯著因子與各因子間之關係 90
4.3.1 溶液濃度與環境溫度之影響 90
4.3.2 噴嘴流速與電壓強度之影響 93
4.3.3 噴嘴流速與環境溫度之關係 96
4.3.4 電壓強度與環境溫度之關係 98
4.3.5 曲面方程式之驗證實驗 100
4.4 不同纖維直徑比表面積測定 103
4.5 脂肪分解酵素吸附條件探討 107
4.5.1 不同奈米纖維直徑蛋白質吸附量 107
4.5.2 脂肪分解酵素飽和吸附曲線 108
4.5.3 酵素液濃度對吸附量與比活性之影響 109
4.6 固定化酵素材料物性分析 111
4.6.1 FESEM觀測纖維直徑以及其型態 111
4.6.2 掃描式原子探針顯微鏡 114
4.6.3 FTIR圖譜 115
4.6.4 BET分析 118
4.6.5 膜孔徑分析測試 121
4.6.6 孔隙度分析 124
4.6.7 機械拉力測試 125
4.7 固定化酵素儲存性質 127
4.8 固定化酵素反應條件探討 128
4.8.1 過量甲醇系統 128
4.8.1.1反應曲面模式及效用估計表 130
4.8.1.2 柏拉圖 132
4.8.1.3 顯著因子與因子間之關係 134
4.8.1.4 曲面方程式之驗證實驗 135
4.8.1.5 反應溫度對比活性及轉化率之影響 137
4.8.1.6 酵素添加量對比活性及轉化率之影響 140
4.8.1.7 固定化酵素與自由酵素最佳化條件之比較 143
4.8.1.8 過量醇系統之重複使用性 146
4.8.2 分次加醇系統 147
4.8.2.1 水量對比活性及甲醇消耗量之影響 147
4.8.2.2 酵素添加量對比活性及甲醇消耗量之影響 150
4.8.2.3 分次加醇系統最佳條件轉化率及重複使用性 152
4.8.2.4 過量醇系統與分次甲醇系統之比較 154
4.9 膜反應器之轉酯化反應 156
4.9.1 流速(滯留時間)對膜反應器之影響 156
4.9.2 連續式膜反應器之使用性 158
第五章 結論 159
參考文獻 160
 
圖目錄
圖2-1 2009年世界主要能量來源 6
圖2-2 國際原油價格趨勢圖 8
圖2-3 三酸甘油酯與甲醇進行轉酯化反應式 12
圖2-4 鹼觸媒轉酯化機制 13
圖2-5 脂肪酸與鹼催化劑之皂化反應 13
圖2-6 酸觸媒轉酯化機制 13
圖2-7 脂肪分解酵素催化反應式 21
圖2-8 Lipase PS結構3D示意圖 26
圖2-9 交聯法 30
圖2-10 載體鍵結合法 31
圖2-11包埋法 32
圖2-12 反應曲面圖 37
圖2-13 k=2和k=3的中央混成設計 38
圖3-1 鐵弗龍針頭 44
圖3-2 鐵氟龍噴嘴設計圖 44
圖3-3 電紡設備裝置 45
圖3-4 Methyl palmitate 檢量線 54
圖3-5 Methyl stearate 檢量線 55
圖3-6 Methyl oleate 檢量線 55
圖3-7 Methyl linoleate 檢量線 56
圖3-8 Methyl linolenate 檢量線 56
圖3-9 自由酵素比活性測定 58
圖3-10 膜反應器圖示(拆裝) 66
圖3-11 膜反應器圖示(組裝) 66
圖3-12 膜反應器裝置示意圖 67
圖3-13 連續式反應器裝置示意圖 67
圖4-1 不同操作溶液濃度所製成纖維之SEM照片 72
圖4-2 不同操作溶液濃度平均纖維直徑 73
圖4-3 不同操作溶液濃度溶液黏度 73
圖4-4 不同操作溶液流速所製成纖維之SEM照片 74
圖4-5 不同操作溶液流速平均纖維直徑 75
圖4-6 不同操作高壓電場所製成纖維之SEM照片 76
圖4-7 不同操作高壓電場平均纖維直徑 77
圖4-8 不同操作距離所製成纖維之SEM照片 78
圖4-9 不同操作距離平均纖維直徑 79
圖4-10 不同環境溫度所製成纖維之SEM照片 80
圖4-11 不同環境溫度平均纖維直徑 81
圖4-12 不同環境溫度溶液黏度 81
圖4-13 纖維直徑之預測值與觀測值 86
圖4-15 溶液濃度與環境溫度之回應曲面圖 92
圖4-16 溶液濃度與環境溫度之剖面圖 92
圖4-17 噴嘴流速與電壓強度之回應曲面圖 95
圖4-18 噴嘴流速與電壓強度之回應剖面圖 95
圖4-19 噴嘴流速與環境溫度之回應曲面圖 97
圖4-20 噴嘴流速與環境溫度之回應剖面圖 97
圖4-21 電壓強度與環境溫度之回應曲面圖 99
圖4-22 電壓強度與環境溫度之回應剖面圖 99
圖4-23 縱向驗證實驗 101
圖4-24 橫向驗證實驗 102
圖4-25 不同纖維直徑之比表面積 104
圖4-26 纖維直徑為160 nm之SEM圖 105
圖4-27 纖維直徑為120 nm之SEM圖 105
圖4-28 纖維直徑為80 nm之SEM圖 106
圖4-29 纖維直徑為40 nm之SEM圖 106
圖4-30 不同纖維直徑酵素吸附量 107
圖4-31 脂肪分解酵素飽和吸附曲線 108
圖4-32 酵素液濃度對吸附量與比活性之影響 110
圖4-33 不同酵素液濃度之反應總活性 110
圖4-34 奈米纖維薄膜未吸附脂肪分解酵素之FESEM圖 112
圖4-35 奈米纖維薄膜吸附脂肪分解酵素後之FESEM圖 113
圖4-36 原子力顯微鏡圖(A) 固定化酵素前 (B) 固定化酵素後 114
圖4-37 FTIR官能基分析圖 117
圖4-38 直徑160 nm之氮氣吸附等溫曲線 119
圖4-39 直徑120 nm之氮氣吸附等溫曲線 119
圖4-40 直徑80 nm之氮氣吸附等溫曲線 120
圖4-41 80 nm PAN薄膜孔徑分布 123
圖4-42 固定化酵素薄膜孔徑分布 123
圖4-43 酵素固定化前後孔隙度 124
圖4-44 拉生應力應變圖 126
圖4-45 固定化酵素儲存性質 127
圖4-46 各組實驗比活性之預測值與觀察值 131
圖4-47 效用之柏拉圖 133
圖4-48 甲醇量與水量之回應曲面圖 136
圖4-49 甲醇量與水量之回剖面圖 136
圖4-50 不同溫度24小時內之轉化率 139
圖4-51 溫度對比活性及24小時內轉化率影響 139
圖4-52 酵素添加量在72小時內之轉化率 142
圖4-53 酵素添加量對比活性及72小時內轉化率影響 142
圖4-54 自由酵素與固定化酵素72小時內轉化率 144
圖4-55 自由酵素與固定化酵素最佳條件之比較 145
圖4-56 自由酵素與固定化酵素有無水量添加下之比較 145
圖4-57 過量甲醇系統重複使用性 146
圖4-58 不同水含量甲醇消耗量 149
圖4-59 水含量對比活性及甲醇消耗量之影響 149
圖4-60 不同酵素量甲醇消耗量 151
圖4-61 酵素量對比活性及甲醇消耗量影響 151
圖4-62分次加醇系統最佳條件轉化率 153
圖4-63 分次加醇系統重複使用性 153
圖4-64 過量醇系統與分次加醇系統轉化率比較 155
圖4-65 過量醇系統與分次加醇系統重複使用性比較 155
圖4-66 不同流速之甲醇消耗量 157
圖4-67 膜反應器使用性 158

 
表目錄
表2-1 固態化學觸媒用於不同油脂來源之非勻相轉酯化整理 14
表2-2 不同酵素催化轉酯化參數及結果 15
表2-3 比較不同生質柴油製程優缺點 17
表2-4 近期文獻引用微生物製造脂肪分解酵素 23
表2-5 電紡織法影響參數整理 34
表3-1 RSM 中心混成實驗設計(纖維直徑) 48
表3-2 五階層-五變數的中心混層設計法參數設定 49
表3-3 橫縱向實驗設計表 49
表3-4 RSM 中心混成實驗設計(比活性) 64
表3-5 五階層-二變數的中心混層設計法參數設定 64
表4-1 實驗設計參數與結果 83
表4-2 變異數分析表(纖維直徑) 86
表4-3 效用估計表(纖維直徑) 87
表4-4 縱向驗證實驗 101
表4-5 橫向驗證實驗 102
表4-6 不同預測直徑電紡參數與比表面積值 104
表4-7 FTIR材料之編號及名稱 116
表4-8 官能基及波數對照表 117
表4-9 BET分析結果 120
表4-10 膜孔徑分析結果 122
表4-11 機械拉力測試性質 126
表4-12 實驗設計參數與結果 129
表4-13 最佳甲醇與水量條件之比活性 129
表4-14 變異數分析表(比活性) 131
表4-15 效用估計表(比活性) 132
表4-16 驗證實驗之反應參數比活性 135

參考文獻
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