利用湿藻生物质微波辅助酯交换萃取制备生物柴油的方法

摘要

本发明涉及生物质能利用技术，旨在提供一种利用湿藻生物质微波辅助酯交换萃取制备生物柴油的方法。具体包括：固体含水量为40～90％的湿藻生物质放入离心管内，加入低碳醇及浓硫酸，均质机上震动后再倒入微波消解罐内，密封后放入微波炉中进行微波处理；加入去离子水在均质机上震动萃取后离心分层，上层为油相下层为水相；取出上层油相，在50～80℃常压蒸发回收油相中的正己烷，剩余油相即为用作发动机燃料的生物粗油产品。本发明能够在不使用剧毒氯仿的情况下获得高的生物柴油产量，同时使用湿藻作为底物，省掉传统湿藻干燥脱水和研磨制粉的巨大能耗；而且能提高粗油中的脂肪酸酯含量。使粗油热值从38.45MJ/Kg升高到41.19MJ/Kg，粗油含氮量降为氯仿干藻粉一步法时的一半。

说明书

技术领域

本发明涉及生物质能利用技术，特别涉及利用湿藻生物质微波辅助酯交换后萃取制 备生物柴油的方法。

背景技术

生物柴油，是从可再生的生物质资源中所获得的一种性质近似于柴油的燃油替代 品，是生物质可再生能源的一种形式。而生物柴油制备成本的75％是原料成本，因此采 用廉价原料及提高转化率从而降低成本是生物柴油能否实用化的关键。微藻制油是利用 适于海洋生长的藻类微生物，吸收太阳能作为源动力，利用海水资源并吸收大量CO2 进行光合作用，通过绿色清洁的生物化学过程合成富集油脂。由于微藻转化太阳能为生 物质能的量子效率高达2-10％(而陆生植物的量子效率都小于1％)，并且微藻生长速 率极快(每天生物质的增长量可达到1-3倍)，故利用微藻生物质转化制取生物柴油具 有突出优势。

传统的溶剂萃取和酯交换两步法往往使用干藻粉，对于湿藻生物质的脱水烘干和磨 制成粉需要消耗巨大能量。为了降低微藻制取生物柴油的能耗，Lee等利用微波对湿藻 进行破壁，在使用氯仿与甲醇作为萃取剂的情况下获得了80％左右的油脂提取率(Lee et al.,2010)。为了简化工艺流程并提高油脂提取率，HanJin Im等使用氯仿、甲醇及硫酸直 接对湿藻进行油脂萃取及酯交换制取生物柴油，获得了91％的油脂萃取率(Im et al., 2014)。上述方法都只有在使用剧毒的氯仿作为溶剂时，才能高效地进行油脂萃取，很 难实现工业化生产应用。

为了避免氯仿的使用，Patil等利用超临界醇同时对湿藻生物质进行油脂萃取和酯交 换，获得了85％左右的油脂萃取率。但是超临界反应条件的温度和压力较高，工业生产 难度较大(Patil et al.,2011)。Kenji Takisawa等提出了对生物质同时进行水解和酯交换 的生物柴油制备方法。在140℃反应6小时的条件下，这种方法能够从含水量80％的湿 藻中提取出90％左右的油脂(Takisawa et al.,2013)。这种方法反应温度比超临界醇类低， 同时不使用氯仿，工艺也较为简单，更有利于工艺化应用，但是这种方法的反应时间较 长，需要6h才能达到90％左右的油脂萃取率。Wahlen等在2011年使用微波促进干藻 生物质的直接萃取酯交换，将80℃下萃取酯化完成的反应时间由传统加热的2h缩短到 了10min(Ehimen et al.,2010；Wahlen et al.,2011)。但是他们没有对湿藻生物质的萃取酯 交换进行深入研究。

为了解决现有工艺的不足，在不使用氯仿的情况下高效快速地从湿藻生物质中获得 生物柴油，本方法利用微波先将湿藻中的脂肪酸及甘油三脂转化为生物柴油，然后再使 用正己烷对其进行萃取。本方法不仅能获得与使用氯仿对干藻粉同时萃取和酯交换的一 步法达到基本相等的生物柴油产量，而且能显著提高粗油中的脂肪酸酯含量。

发明内容

本发明的主要目的是克服现有技术中的不足，提出一种利用湿藻生物质微波辅助酯 交换后萃取制备生物柴油的方法，该方法能够避免剧毒氯仿的使用，同时省掉传统湿藻 干燥脱水和研磨制粉的巨大能耗，提高生物粗油中的脂肪酸酯含量。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种利用湿藻生物质微波辅助酯交换萃取制备生物柴油的方法，包括下述步 骤：

(1)取微藻液体，采用过滤(抽滤、压滤)或离心方法使微藻液体脱除水分，得 到固体含水量为40～90％的湿藻生物质；

(2)称取1～100g湿藻生物质放入离心管内，然后加入8～800ml的低碳醇及 0.24～24mL浓度为98％浓硫酸，在均质机上震动20～40s；再倒入微波消解罐内，密封后 放入微波炉中进行微波处理：

将微波炉的功率设定为500～4000w，处理40～80s，当微波消解罐的温度达到 60～100℃后，将微波炉的功率降低为400～1000w，并恒温保持2～60min；微波处理结束 后，冷却微波消解罐20～40min，使其温度降低到25～30℃，然后将藻液倒入藻液收集瓶 中，再向微波消解罐内加入8～800ml的正己烷，依次提取残余的藻液，均倒入藻液收集 瓶中；

(3)向藻液收集瓶中加入15～300ml的去离子水，在均质机上震动萃取1～10min 后，在4000rpm下离心5min分层，上层为油相下层为水相；用移液枪取出上层油相， 再加入10-200ml的去离子水，使残余的低碳醇、硫酸和甘油溶解于水进行离心分层， 再在4000rpm下离心5min分层，用移液枪提取上层的油相；

(4)在50～80℃常压蒸发回收油相中的正己烷，剩余油相即为用作发动机燃料的生 物粗油产品。

本发明中，所述步骤(1)中的微藻液体是生物质密度为1～10g/L的微藻液体，是 下述任意一种：从自然环境中筛选得到的天然藻种、物理化学诱变得到的藻种突变体或 经过基因改良得到的转基因藻种。

本发明中，所述步骤(1)中的微藻液体，其藻种是藻细胞干重的油脂含量为 10％～70％的藻种；是下述任意一种：绿藻、硅藻或蓝藻。

本发明中，所述步骤(2)中，向离心管中加入的低碳醇为甲醇、乙醇或异丙醇中 的一种或几种的混合物。

本发明中，所述步骤(2)中微波处理的频率为2450MHz或者915MHz。

本发明中，所述微波消解罐的容量为50～900ml，在步骤(2)中进行微波处理时， 使用的微波消解罐数量为4～10个。

本发明中，所述步骤(4)中制得的生物粗油产品中含有C14～C22的生物柴油，且 占生物粗油总量的80～98％。

通过在生物粗油产品中加入浓度为3.8～4.3mg/ml的内标样C19:0的生物柴油标准 品，能采用气相色谱仪或者色谱质谱联用仪进行定量分析成分。生物柴油标准品为C19:0 的脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯及脂肪酸丙脂中的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在微波加热条件下将湿藻中的甘油三脂及脂肪酸转化为脂肪酸酯，以降低油脂分子 直径及极性，然后再使用正己烷进行萃取制备生物柴油是一种节能降耗的有效方法。该 方法能够在不使用剧毒氯仿的情况下获得高的生物柴油产量，同时使用湿藻作为底物， 省掉传统湿藻干燥脱水和研磨制粉的巨大能耗。通过先酯化再萃取的方法不仅获得与使 用氯仿对干藻粉同时萃取和酯交换的一步法基本相等的生物柴油产量，而且能提高粗油 中的脂肪酸酯含量。使粗油热值从38.45MJ/Kg升高到41.19MJ/Kg，粗油含氮量降为氯 仿干藻粉一步法时的一半。

附图说明

图1是利用湿藻生物质微波辅助酯交换后萃取制备生物柴油的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示的湿藻生物质微波辅助酯交换后萃取制备生物柴油的方法，具体包括下 述步骤：

(1)取人工开放池塘或密闭式反应器养殖的生物质密度为1～10g/L的微藻液体， 包括从自然环境中筛选得到的天然藻种、物理化学诱变得到的藻种突变体、经过基因改 良得到的转基因藻种，采用抽滤、压滤等过滤方法或者离心方法，使微藻液体脱除水分， 得到固体含水量为40～90％的湿藻生物质。微藻液体的藻种采用藻细胞干重的油脂含量 为10％～70％的微藻种类，包括绿藻、硅藻和蓝藻等。

(2)称取1～100g湿藻生物质放入离心管内，加入8-800mL低碳醇，再加入0.24～24ml 的浓度为98％的浓硫酸，在均质机上震动20～40s，然后倒入容量为50～900ml的微波消 解罐内，将微波消解罐密封后放入微波炉中进行微波处理。这里的低碳醇为甲醇、乙醇 及异丙醇中的一种或几种混合物，是酯交换制取生物柴油的反应试剂，而浓硫酸作为酯 交换反应的催化剂。

(3)微波处理的方法为：将微波炉的功率设定为500～4000w，微波处理的频率为 2450MHz或者915MHz，处理40～80s，当微波消解罐的温度达到60～100℃后，将微波 炉的功率降低为400～1000w，并恒温保持2～60min；进行微波处理的密封的微波消解罐 数量为4～10个。微波处理结束后，冷却微波消解罐20～40min，使微波消解罐的温度降 低到25～30℃，然后将微波消解罐中藻液倒入藻液收集瓶中，再向微波消解罐内加入 8～800ml的正己烷，提取残余的藻液，倒入藻液收集瓶中。

(4)向藻液收集瓶中加入15～300ml的去离子水，在均质机上震动萃取1～10min 后，在4000rpm下离心5min分层，上层为油相下层为水相。用移液枪取出上层油相， 再加入10-200ml的去离子水，使残余在油相中的低碳醇、硫酸和甘油溶解于水中，再 在4000rpm下离心5min分层，用移液枪提取上层的油相。

(5)在50-80℃常压蒸发回收油相中的正己烷，剩余油相即得到用作发动机燃料的 生物粗油产品。

通过在生物粗油产品中加入浓度为3.8～4.3mg/ml的内标样C19:0的生物柴油标准 品，便能采用气相色谱仪或者色谱质谱联用仪进行定量分析成分。

下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式 限制本发明。

实施例1

收获生物质密度为1g/L的硅藻液体(物理化学诱变得到的藻种突变体，藻细胞干 重的油脂含量为40％)，采用抽滤方法使微藻液体脱水后得到固体含水量为60％的湿藻 生物质。称取1g湿藻生物质放入离心管内，加入8mL甲醇，在均质机上震动20s。然 后倒入4个微波消解罐内，每个消解罐的容量为50ml。再向消解罐内加入0.24ml浓度 为98％的浓硫酸，密封消解罐后放入微波炉中(微波处理的频率为2450MHz)。设定 微波功率为500w处理40s，当微波消解罐的温度达到60℃后，降低微波炉功率为400w 保持恒温60min。微波处理后冷却20min，使消解罐温度降低到30℃，然后将微波消解 罐中的藻液倒到藻液收集瓶中。再向微波消解罐内加入8mL的正己烷，提取残余的藻 液，倒入藻液收集瓶中。再向藻液收集瓶中加入15ml的去离子水，再在均质机上震动 萃取1min后，在4000rpm下离心5min分层，上层为油相，下层为水相。用移液枪取出 上层油相，再加入10ml的去离子水，使残余在油相中的甲醇、硫酸和甘油溶解于水中， 再在4000rpm下离心5min分层，用移液枪提取上层的油相。然后在50℃常压蒸发回收 提取出的油相中的正己烷，剩余油相即得到用作发动机燃料的生物粗油产品。生物粗油 中含有C14～C22的脂肪酸甲酯，且占生物粗油总量的98％。通过在生物柴油产品中加 入浓度为4.0mg/ml的内标样C19:0的脂肪酸甲酯标准品，采用气相色谱仪进行定量分 析成分。

实施例2

收获生物质密度为5g/L的绿藻液体(经过基因改良得到的转基因藻种，藻细胞干 重的油脂含量为70％)，采用离心方法使微藻液体脱水后得到固体含水量为40％的湿藻 生物质。称取约50g湿藻生物质放入离心管内，加入400mL乙醇，在均质机上震动30s。 然后倒入7个微波消解罐内，每个消解罐的容量为500ml。再向消解罐内加入12ml浓 度为98％的浓硫酸，密封消解罐后放入微波炉中(微波处理的频率为2450MHz)。设 定微波功率为2000w处理60s，当微波消解罐的温度达到85℃后，降低微波炉功率为 500w保持恒温30min。微波处理后冷却30min，使消解罐温度降低到28℃，然后将微 波消解罐中的藻液倒入藻液收集瓶中。再向微波消解罐内加入400ml的正己烷，提取残 余的藻液，倒入藻液收集瓶中。再向藻液收集瓶中加入150ml的去离子水，均质机上震 动萃取5min后，在4000rpm下离心5min分层，上层为油相，下层为水相。用移液枪取 出上层油相，再加入100ml的去离子水，使残余在油相中的乙醇、硫酸和甘油溶解于水 中，再在4000rpm下离心5min分层，用移液枪提取上层的油相。然后在65℃常压蒸发 回收提取出的油相中的正己烷，剩余油相即得到用作发动机燃料的生物粗油产品。生物 粗油中含有C14～C22的脂肪酸乙酯，且占生物粗油总量的85％。通过在生物柴油产品 中加入浓度为4.0mg/ml的内标样C19:0的脂肪酸乙酯标准品，采用气相色谱仪进行定 量分析成分。

实施例3

收获生物质密度为10g/L的蓝藻液体(从自然环境中筛选得到的天然藻种，藻细胞 干重的油脂含量为10％)，采用压滤方法使微藻液体脱水后得到固体含水量为90％的湿 藻生物质。称取100g湿藻生物质放入离心管内，加入800ml异丙醇，再加入24ml浓 度为98％的浓硫酸后在均质机上震动40s。然后倒入10个微波消解罐内，每个消解罐的 容量为900ml。密封消解罐后放入微波炉中(微波处理的频率为915MHz)。设定微波 功率为4000w处理80s，当微波消解罐的温度达到100℃后，降低微波炉功率为1000w 保持恒温2min。微波处理后冷却40min，使消解罐温度降低到25℃，然后将微波消解 罐中的藻液倒到藻液收集瓶中。再向微波消解罐内加入800ml的正己烷，提取残余的藻 液，倒入藻液收集瓶中。再向藻液收集瓶中加入300ml的去离子水，再在均质机上震动 萃取10min后，在4000rpm下离心5min分层，上层为油相，下层为水相。用移液枪取 出上层油相，再加入200ml的去离子水，使残余的异丙醇、硫酸和甘油溶解于水中，再 在4000rpm下离心5min分层，用移液枪提取上层的油相。然后在80℃常压蒸发回收提 取出的油相中的正己烷，剩余油相即得到用作发动机燃料的生物粗油产品。生物粗油中 含有C14～C22的脂肪酸丙酯，且占生物粗油总量的80％通过在生物柴油产品中加入浓 度为4.3mg/ml的内标样C19:0的脂肪酸丙酯标准品，采用色谱质谱联用仪进行定量分 析成分。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于 以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接 导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。