Transesterification of vegetable oils has been investigated for the synthesis of methyl esters as diesel substitutes. Chemical methanolysis of natural oils and fats has been the most effective process for the production of fatty acid esters, but the conventional methanolysis has several drawbacks such as the difficulty of glycerol recovery, the need of catalyst removal, and the excessive energy consumption. Several studies investigated the enzymatic transesterification of vegetable oils to solve the problems of chemical methanolysis. However, because of the methanol inhibition, the efficiency of enzymatic transesterification was too low.
In this study, among the thirteen tested lipases, Novozym 435, a lipase from Candida antarctica, showed the highest activity on the methanolysis of castor oil. The maximum yield of the methyl ricinoleate using 2 wt% of Novozym 435 and six molar ratio of methanol to oil was 95% at 50℃ during 24hr.
However, the conversion of castor oil to the methyl esters decreased considerably as the lipase was used repeatedly. We found that the main reasons were the irreversible inactivation of the lipase by contact with methanol and the mass transfer limitation by the castor oil and glycerol. To solve these problems, we developed the treatment methods: stepwise addition of methanol, addition of organic solvent, and washing with methanol-water solution. Stepwise methanol addition was able to reduce the relative amount of methanol contacting with the lipase. The first-step reaction was conducted in the presence of 3g of castor oil, 60mg of Novozym 435, and 1/3 molar equivalent of methanol for the stoichiometric amount; the second-step reaction in the presence of the first step mixture and 1/3 molar equivalent of methanol; the third-step reaction in the presence of the second step mixture and 1/3 molar equivalent of methanol. But, the yield of methyl ricinoleate was not higher than 80% because of reverse reactions from diricinoleate and monoricinoleate to methyl ricinoleate. Equivalent volume of diisopropyl ether to methanol was used as the reaction medium to reduce relative amount of methanol. In this method the activity of Novozym 435 in reuse of lipase on the methanolysis of castor oil was maintained during 39 days. In order to reduce the mass transfer limitation, castor oil and glycerol, remained on the surface of lipase after reaction, were washed with methanol-water (1:3, v/v) solution. In pilot-scale reaction, because mass transfer limitation was the significant problem among the mentioned problems, glycerol washing method was most effective and the yield of methyl ricinoleate was maintained during ten times reuses of lipase at the extent of 90%.
식물성 오일의 에스테르 상호교환반응은 환경적인 관심 때문에 대체디젤연료로 사용되는 메틸 에스테르를 생산하기 위해 연구되어왔다. 식물성 오일이나 지방의 화학적인 메탄올리시스는 지방산 에스테르를 생산하기 매우 효과적인 공정이나 일반적인 염기촉매를 이용한 메탄올리시스는 글리세롤 수거의 어려움, 촉매 제거의 필요성, 고 에너지 사용 등의 문제점을 가지고 있다. 몇몇의 보고에서도 이러한 화학적 메탄올리시스의 문제를 없애고자 효소를 이용한 식물성오일의 에스테르 상호교환반응에 대해 서술하고 있다. 그러나 메탄올 저해에 의한 효소의 활성은 매우 적었다.
피마자유의 메탄올리시스에서 13개의 시험 리파아제 중 Candida antarctica 리파아제의 하나인 Novozym 435가 가장 높은 활성을 보였다. 가장 높은 메틸 리시놀레이트의 수율은 2 wt% 와 피마자유에 대해 6 몰비의 메탄올을 사용하였을 때 50℃에서 하루 동안 95%의 수율을 얻는 것이었다.
그러나 피마자유에서 메틸리시놀레이트로의 전환은 리파아제를 재사용함으로써 심각하게 감소하였다. 이러한 문제는 메탄올에 접촉하여 발생되는 비가역적인 효소의 비활성화와 피마자유와 글리세롤에 의한 물질전달의 저해에 기인한다. 이 문제를 풀기 위하여, 단계적인 메탄올의 첨가, 유기용매의 첨가, 메탄올-물 혼압액으로의 세척 등의 방법을 고안하였다. 리파아제와 만나는 메탄올의 양을 줄이기 위해서는 단계적으로 메탄올을 참가하였다. 첫 번째 반응은 3g의 피마자유, 60mg의 Novozym 435, 이론적으로 필요한 메탄올 양의 1/3을 사용하여 반응하였고 두 번째 및 세 번째 반응은 첫 번째, 두 번째 반응후에 다시 이론적으로 필요한 메탄올 양의 1/3을 더 넣었다. 그러나 메틸리시놀레이트의 수율은 메틸리시놀레이트에서 두 개 및 한 개의 리시놀레이트로 역반응이 일어나 80%를 넘지 않았다. 상대적인 메탄올의 양을 줄이기 위한 또 하나의 다른 방법으로는 메탄올과 동일한 양의 유기용매(diisopropyl ether)를 넣어 주었다. 이 방법을 이용하여 피마자유의 메탄올리시스에서 리파아제를 재사용함으로써 Novozym 435의 활성을 39일 동안 유지하였다. 반응 후에 리파아제의 표면에 존재하는 글리세롤과 피마자유에 의한 물질전달의 저해를 줄이기 위해서 메탄올-물 혼합액 (1:3 부피 비)을 이용하여 세척하였다. 파일롯 규모의 반응에서는 위에서 언급한 두 가지 문제 (효소의 비활성화 및 물질전달저해) 중 물질전달 저해가 훨씬 중요한 것으로 판명되었다. 따라서 세척을 하는 방법이 리파아제를 10번 재사용할 동안 메틸리시놀레이트의 수율을 90%이상으로 유지하는 매우 효율적인 방법이었다.
