Please use this identifier to cite or link to this item:
http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17178
Title: | Separation of Free Fatty Acid (FFA) from High-FFA Crude Palm Oil Using Vacuum Distillation and Production of Glycerides from the FFA Distillate by Lipase-catalyzed Reaction |
Other Titles: | การแยกกรดไขมันอิสระออกจากน้ำมันปาล์มดิบกรดสูงด้วยวิธีกลั่นภายใต้สภาวะสุญญากาศและการผลิตกลีเซอไรด์จากกรดไขมันอิสระที่แยกได้โดยใช้เอนไซม์ไลเปสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา |
Authors: | Wiriya Duangsuwan Nantanit Tohpong Faculty of Agro-Industry (Industrial Biotechnology) คณะอุตสาหกรรมเกษตร ภาควิชาเทคโนโลยีชีวภาพอุตสาหกรรม |
Keywords: | Palm oil;Separation (Technology) |
Issue Date: | 2019 |
Publisher: | Prince of Songkla University |
Abstract: | This research aimed to study separation of free fatty acid (FFA) from high free fatty acid crude palm oil (HFFA-CPO) by heating under vacuum condition in a 40-liter reactor and then use the obtained FFA to produce glycerides using lipase catalyzed esterification. There were two types of HFFA-CPO used in this research, the mesocarp oil from palm oil wet milling process (called crude palm oil, CPO) and the mixed oil between mesocarp oil and kernel oil from dry milling process (called mixed crude palm oil, MCPO). Experimental separations of FFA from CPO obtained from wet milling process had 4 batches, called CPO1, CPO2, CPO3 and CPO4. Each batch had 28 liter working volume. The main fatty acid components in this CPO were palmitic (42.07%), oleic (38.86%), linoleic (7.98%) and stearic (3.95%). The average times used for each batch were 7.2 h for CPO1-CPO3 and 15 h for CPO4. Initial temperatures and setting temperatures for each batch were 27.4 °C & 230 °C, 29.5 °C & 250 °C, 30.5 °C & 250°C and 27.6 °C & 250 °C. Vacuum pressure for each batch were 20, 160, 30 and 40 mmHg, respectively. FFA in the CPO before and after separation process for each batch were 25.70% & 14.34%, 14.95% & 10.60%, 10.29% & 5.22% and 20.61% & 10.43%, respectively. The product FFAs obtained from separation for each batch were 73.37%, 76.70%, 89.28% and 51.62% %, respectively. Separations of FFA from MCPO obtained from dry milling process had 7 batches, called MCPO1, MCPO2, MCPO3, MCPO4, MCPO5, MCPO6 and MCPO7, respectively. The main fatty acid components in MCPO were oleic (40.41%), palmitic (38.63%), linoleic (10.18%) and stearic (4.27%). The average time used for each batch was 6.62 h. Initial and setting temperatures were 31.4 °C & 220°C, 27.1 °C & 240°C, 29.6 °C & 250 °C, 31.2 °C & 220 °C, 29.3 °C & 230 °C, 27.8 °C & 240 °C and 29.0 °C & 250 °C, respectively. Vacuum pressures were 20 mmHg (for MCPO1-MCPO3) and 30 mmHg (for MCPO4- MCPO7). FFA in the MCPO before and after separation process for each batch were 12.57% & 7.36%, 16.20% & 12.11%, 10.36% & 8.79%, 14.06% & 10.80%, 14.19% & 11.76%, 14.05% & 11.49% and 19.57% & 11.49%, respectively. The product FFAs obtained from separation for each batch were 98.88%, 98.87%, 79.90%, 100.00%, 99.50%, 98.21% and 99.94%, respectively. The highest percentage reduction of FFA content was obtained at distillation pressure and temperature of 20 mmHg and 220°C, respectively. Four configurations of the reactor as shown in Figure 3.1 were tasted they used the same evaporator. Thus, the heating rate and the evaporation area were the same due to the same electric heater and the same dimeter of the evaporation tank, respectively. The vacuum pressures made by both the smaller (0.75 kW) and bigger (2.20 kW) vacuum pumps were not difference. Therefore, the evaporation rate depends on vacuum pressure used and type and quality of the oil. It could be concluded configuration D is the best due to it has no heavy condenser on the top of the evaporator, easy operation. In addition, the vacuum pump of configuration D can be replaced by the smaller one to reduce energy consumption. Production of glycerides [monoglycerides (MG), diglyceride (DG) and triglycerides (TG)] using the separated FFA and crude glycerol as substrates by means of lipase catalized esterification was investigated. Beginning with screening of lipase producing bacteria for using as catalyst in glyceride production. Three bacterial strains were chosen, Bacillus subtilis, Bacillus coagulans and Psuedomonas sp. The bacterial cultivations were performed in the FFA-added nutrient broth. The lipase activities of three strains were found 0.08, 0.07, 0.07 U/ml, respectively, which were very low. To save the amount of the FFA distillate from strain cultivation for further using in glyceride production, the study of glyceride esterification began with using commercial lipase from Camlicla lipolytica, oleic acid and glycerol as catalyst and substrates, respectively. Optimization of FFA to glycerol molar ratio (1:4, 1:3, 1:2, 1:1, 2:1, 3:1 and 4:1) was firstly investigated, each ratio were done at 45°C for 24 h with lipase concentration of 300 U/g FA and shaking of 200 rpm. The ratio of 1:3 gave the best result (10.28% MG, 24.34% DG and 6.41% TG, respectively). Then the FFA to glycerol molar ratio of 1:3 was used for finding the optimal temperature. Seven temperatures (40, 45, 50, 55, 60, 65 and 70 °C) were studied and found that the temperature of 50°C gave the best result (15.51% MG, 28.51% DG and 9.16% TG, respectively). After that, the FFA to glycerol ration of 1:3 and the temperature of 50°C were used to find the optimal enzyme concentration. Five lipase concentrations (50, 100, 300, 500 and 700 U/g FA) were studied and found that at 100 U/g FA the esterification gave the best result (17.71% MG, 26.02% DG and 4.83% TG, respectively). Effect of reaction time was studied using FFA to glycerol ration of 1:3, temperature of 50°C and lipase concentration of 100 U/g FA. Four reaction times (12, 24, 36 and 48) were chosen and found that 24 h gave the best result (25.72% MG, 34.74% DG and 5.52%, respectively). Finally, the synthesis of glycerides was investigated using all above obtained optimum conditions with 4 cases of substrates for comparison: case 1 (commercial oleic & commercial glycerol), case 2 (commercial oleic & crude glycerol), case 3 (FFA distillate & commercial glycerol) and case 4 (FFA distillate & crude glycerol). Noting that the crude glycerol was from biodiesel plant. Considering DG, it was found that case 3 gave amount of DG (19.54%) higher than case 2 (1.99%) and 4 (4.68%) whereas case 1 showed the highest amount of DG (33.45%). These results represented effect of glycerol purity. |
Abstract(Thai): | งานวิจัยนี้ต้องการศึกษาการแยกกรดไขมันอิสระ (free fatty acid, FFA) ออกจากน้ํามันปาล์ม ดิบกรดสูง (high free fatty acid crude palm oil, HFFA-CPO) โดยให้ความร้อนที่สภาวะสุญญากาศ และนํา FFA ที่แยกได้มาเป็นวัตถุดิบในการศึกษาสภาวะที่เหมาะสมในการผลิตกลีเซอไรด์โดยใช้เอนไซม์ ไลเปสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา HFFA-CPO ที่ใช้ทดลองแยก FFA มี 2 ชนิดคือ HFFA-CPO จากกระบวนการ สกัดน้ํามันปาล์มดิบแบบเปียกซึ่งเป็นน้ํามันที่ได้จากเปลือกผลปาล์ม (crude palm oil, CPO) และ HFFA-CPO จากกระบวนการสกัดน้ํามันปาล์มดิบแบบแห้งซึ่งเป็นน้ํามันผสมของน้ํามันจากเปลือกผล ปาล์มและเมล็ดในปาล์ม (mixed crude palm oil, MCPO) โดยใช้ถังปฏิกรณ์ขนาด 40 ลิตร ในการแยก FFA ออกจาก CPO ที่สกัดแบบเปียก ได้ทําการทดลอง 4 ชุดการทดลอง ได้แก่ชุด CPO1, CPO2, CPO3 และ CPO4 แต่ละชุดการทดลองใช้ CPO 28 ลิตร กรดไขมันหลักใน CPO ที่ใช้ ประกอบด้วยกรดปาล์มมิติก (42.07%), กรดโอเลอิก (38.86%), กรดลิโนเลอิก (7.98%) และ กรดสเตียริก (3.95%) เวลาเฉลี่ยที่ใช้ทดลองสําหรับชุด CPO1, CPO2 และ CPO3 คือ 7.2 ชั่วโมง ขณะที่ ชุด CPO4 ใช้เวลา 15 ชั่วโมง อุณหภูมิเริ่มต้น (initial temperature) และอุณหภูมิทดลอง (setting temperature) ของ CPO แต่ละชุดการทดลองคือ 27.4 °C และ 230 °C, 29.5 °C และ 250 °C, 30.5 °C และ 250 °C และ 27.6 °C และ 250 °C ตามลําดับ ความดันสุญญากาศที่ใช้คือ 20, 160, 30 และ 40 mmHg ตามลําดับ ปริมาณ FFA ใน CPO ก่อนและหลังกระบวนการกลั่นแยกเท่ากับ 25.70% และ 14.34%, 14.95% และ 10.60%, 10.29% และ 5.22% และ 20.61% และ 10.43% ตามลําดับ ผลการ กลั่นพบว่า FFA ที่แยกได้ของแต่ละชุดการทดลองมี %FFA เท่ากับ 73.37%, 76.70%, 89.28% และ 51.62% ตามลําาดับ สําหรับ CPO จากกระบวนการหีบแบบแห้ง ได้ทําการทดลอง 7 ชุดการทดลอง ได้แก่ชุด MCPO1, MCPO2, MCPO3, MCPO4, MCPO5, MCPO6 และ MCPO7 กรดไขมันหลักใน MCPO ที่ใช้ ประกอบด้วยกรดโอเลอิก (40.41%), กรดปาล์มมิติก (38.63%), กรดลิโนเลอิก (10.18%) และ กรดสเตียริก (4.27%) เวลาเฉลี่ยที่ใช้ทดลองสําหรับชุด MCPO1-MCPOT คือ 6.62 ชั่วโมง อุณหภูมิ เริ่มต้น และอุณหภูมิทดลองของ MCPO แต่ละชุดการทดลองคือ 31.4 °C และ 220 °C, 27.1 °C และ 240 °C, 29.6 °C และ 250 °C, 31.2 °C และ 220 °C, 29.3 °C และ 230 °C, 27.8 °C และ 240 °C และ 29.0 °C และ 250 °C ตามลําดับ ความดันสุญญากาศที่ใช้คือ 20 mmHg (สําหรับ MCPO1- MCPO3) และ 30 mmHg (สําหรับ MCPO4-MCPO7) ปริมาณ FFA ใน MCPO ก่อนและหลัง กระบวนการกลั่นแยกเท่ากับ 12.57% และ 7.36%, 16.20% และ 12.11%, 10.36% และ 8.79%, 14.06% และ 10.80%, 14.19% และ 11.76%, 14.05% และ 11.49% และ 19.57% และ 11.49% ตามลําดับ ผลการกลั่นพบว่า FFA ที่แยกได้ของแต่ละชุดการทดลองมี 6FFA เท่ากับ 98.88%, 98.876, 79.90%, 100.00%, 99.50%, 98.21% และ 99.94% ตามลําาดับ เปอร์เซ็นต์การลดลงของปริมาณ FFA มีค่าสูงสุดอยู่ที่ความดันและอุณหภูมิในการกลั่นเป็น 20 mmHg และ 220 °C ตามลําดับ ส่วนชุดปฏิกรณ์ทั้ง 4 แบบดังที่แสดงในรูปที่ 3.1 ที่ใช้ในการทดสอบนั้นนั้นมีการใช้หม้อระเหย ตัวเดียวกัน ดังนั้นอัตราการให้ความร้อนและพื้นที่ของการระเหยจึงเท่ากันเนื่องจากใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้า เดียวกันและขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของหม้อระเหยเท่ากัน ค่าความดันสุญญากาศที่ได้จากปั้มสุญญากาศ ขนาดเล็ก (0.75 kW) และขนาดใหญ่ (2.20 kW) มีค่าไม่แตกต่างกัน ดังนั้นอัตราการระเหยจึงขึ้นอยู่กับค่า ความดันสุญญากาศที่ใช้แ ชนิดและคุณภาพของน้ํามัน สามารถสรุปได้ว่าชุดปฏิกรณ์แบบ D ดีที่สุด เนื่องจากไม่มีหม้อควบแน่นที่หนักอยู่ด้านบนของหม้อระเหยทําสามารถใช้งานได้ง่าย นอกจากนี้ชุด ปฏิกรณ์แบบ D สามารถใช้ปั๊มสุญญากาศขนาดเล็กแทนปั๊มสุญญากาศขนาดใหญ่ได้เพื่อเป็นการลดการใช้ พลังงาน ในส่วนของการผลิตกลีเซอไรด์ (monoglycerides (MG), diglyceride (DG) และ triglycerides (TG)] จาก FFA ที่แยกได้ร่วมกับกลีเซอรอลดิบด้วยปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันโดยใช้ไลเปสเป็นตัวเร่ง ปฏิกิริยา ในขั้นแรกได้ศึกษาการคัดเลือกเชื้อจุลินทรีย์ที่ผลิตเอนไซม์ไลเปสเพื่อนําไปใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ในการผลิตกลีเซอไรด์ จากเชื้อ 3 ชนิดคือ Bacillus subtilis, Bacillus coagulans และ Psuedomonas sp. โดยเลี้ยงในอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีกรดไขมันเป็นองค์ประกอบ (ใช้ FFA ที่แยกได้) พบว่ากิจกรรมเอนไซม์ ไลเปสของเชื้อทั้ง 3 ชนิดมีค่า 0.08, 0.07 และ 0.07 U/ml ตามลําดับ ซึ่งมีค่าต่ํามาก ในการศึกษาการ ผลิตกลีเซอไรด์จึงเปลี่ยนไปใช้เอนไซม์ทางการค้าจากเชื้อ Camlicta lipolytica แทน การศึกษาสภาวะที่ เหมาะสมในการผลิตกลีเซอไรด์ เริ่มต้นจึงใช้กรดโอเลอิกและกลีเซอรอลทางการค้าศึกษาอัตราส่วนโดยโม ลของกรดไขมันต่อกลีเซอรอล (1:4, 1:3, 1:2, 1:1, 2:1, 3:1 และ 4:1) โดยใช้อุณหภูมิที่ 45 °C เป็นเวลา 24 ชั่วโมง ความเข้มข้นเอนไซม์ 300 U/g FA ภายใต้สภาวะการเขย่าด้วยความเร็ว 200 รอบต่อนาที พบว่าที่อัตราส่วนกรดไขมันต่อกลีเซอรอล 1:3 ได้ผลดีที่สุด (10.28% MG, 24.34% DG และ 6.41% TG ตามลําดับ) จึงนําอัตราส่วนของกรดไขมันต่อกลีเซอรอล 1:3 มาศึกษาผลของอุณหภูมิ (40, 45, 50, 55, 60, 65 และ 70 °C) พบว่าที่อุณหภูมิ 50 °C ได้ผลดีที่สุด (15.51% MG, 28.51% DG และ 9.16% TG ตามลําดับ) จากนั้นจึงนําค่าอัตราส่วนของกรดไขมันต่อกลีเซอรอล 1:3 และอุณหภูมิ 50 °C มาศึกษาผล ของความเข้มข้นเอนไซม์ (50, 100, 300, 500 และ 700 U/g FA) พบว่าที่ความเข้มข้น 100 U/g FA ได้ผลดีที่สุด (17.71% MG, 26.02% DG และ 4.83% TG ตามลําดับ) จากนั้นจึงนําค่าอัตราส่วนของกรด ไขมันต่อกลีเซอรอล 1:3 อุณหภูมิ 50 °C และความเข้มข้นเอนไซม์ที่ 100 U/g FA มาศึกษาผลของเวลาที่ ใช้ในการทําปฏิกิริยา (12, 24, 36 และ 48 ชั่วโมง) พบว่าที่เวลา 24 ชั่วโมง ได้ผลดีที่สุด (25.72% MG, 34.74% DG และ 5.52% TG ตามลําดับ) หลังจากนั้นได้นําสภาวะที่เหมาะสมดังกล่าวทั้งหมดมาทดลอง กับ FFA ที่แยกได้ร่วมกับกลีเซอรอลดิบ โดยเปรียบเทียบกับกรดโอเลอิกกับกลีเซอรอลทางการค้า, กรด โอเลอิกกับกลีเซอรอลดิบ และ FFA ที่แยกได้กับกลีเซอรอลทางการค้า พบว่าปริมาณ DG ของชุดการ ทดลองที่ใช้ FFA ที่แยกได้กับกลีเซอรอลทางการค้า (19.54%) มีค่าสูงกว่าชุดการทดลองที่ใช้กรดโอเลอิก กับกลีเซอรอลดิบ (1.99%) และ FFA ที่แยกได้กับ กลีเซอรอลดิบ (4.68%) แต่ต่ํากว่ากรดโอเลอิกกับกลี เซอรอลทางการค้า (33.45%) ซึ่งเป็นผลมาจากความไม่บริสุทธิ์ของกลีเซอรอลดิบ |
Description: | Thesis (M.Sc., Biotechnology)--Prince of Songkla University, 2019 |
URI: | http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17178 |
Appears in Collections: | 853 Thesis |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
440288.pdf | 2.77 MB | Adobe PDF | View/Open |
This item is licensed under a Creative Commons License