超臨界CO2下麻瘋樹籽制備生物柴油及無毒籽粕

李 艷，李 彪，常 杰

（華南理工大學 化學與化工學院 傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室，廣東 廣州510640）

生物柴油是以動植物油脂、工程微藻等生物質原料與甲醇、乙醇等低碳醇經酯交換反應得到的長鏈脂肪酸單烷基酯。作為石化柴油的潛在替代能源，它具有可再生、可生物降解、十六烷值高等優點而成為近來研究的熱點［1－3］。目前制約生物柴油發展的瓶頸在于原料，原料成本一般占生物柴油生產總成本的80%左右［4］。傳統的生物柴油工藝首先要將含油種子剝殼、粉碎、壓榨或溶劑提取得到毛油，然后再對所得的毛油進行脫酸、脫膠、脫色、脫水及有害雜質等精制處理，最后才是將精制后的油脂與甲醇等反應制備生物柴油。雖然此種工藝制備生物柴油的產率高，但是也存在毛油預處理工藝繁瑣復雜、設備投資大、消耗溶劑多、耗時等問題，導致生物柴油成本較高［5］。因此，開發利用質優價廉的原料、簡化生物柴油生產工藝流程，對于降低生物柴油成本、提高經濟性具有重要意義。

麻瘋樹（Jatropha curcas L．）廣泛分布在我國廣東、廣西、四川、云南等地區，其抗旱耐瘠，成熟周期短，不與農作物爭地，是一種具有重要經濟價值的油料作物［6］。脫脂后的麻瘋樹籽粕的蛋白質質量分數高達50%～60%，去掉毒性因子（佛波酯）和熱不穩定抗營養因子（植物凝集素和胰蛋白酶抑制因子）后，可用作動物飼料［7］。目前國內外有關脫除佛波酯（PE）的研究報道極少。

超臨界 CO2（Super critical CO2，SC－CO2）萃取作為近年興起的新型分離工藝，由于安全、廉價、高效、無污染等優點受到越來越多的關注。Jiang等［8］研究發現，以麻瘋樹果為原料，在溫度35℃、壓力20MPa條件下，利用SC－CO2萃取，毛油收率達51．5%；鐘華等［9］發現，利用SC－CO2萃取麻瘋樹油可達到精制油標準。以上研究均僅利用SC－CO2萃取麻瘋樹油，并未涉及生物柴油制備和籽粕的后續脫毒。

有研究表明［10］，在超臨界體系下，油脂與甲醇可以實現互溶，傳質、傳熱和轉酯化反應活性均得到加強，反應無需催化劑。筆者以麻瘋樹籽為原料，將萃取和反應耦合，直接在SC－CO2中一步法轉酯化合成生物柴油。同時利用SC－CO2萃取脫除麻瘋樹籽中的毒性因子佛波酯，使反應后籽粕中的佛波酯含量達到無毒標準。采用單因素和正交實驗考察各個反應因素在SC－CO2制備生物柴油和無毒籽粕過程中對產物中甲酯和佛波酯質量分數的影響，優化工藝參數，為麻瘋樹制備生物柴油工業化提供參考。

1 實驗部分

1．1 原料、試劑和儀器

麻瘋樹籽，采自廣州帽峰山。種籽脫殼，粉碎至60目，種仁的組分含量見表1。

表1 麻瘋樹種仁的組分含量Table 1 Properties of Jatropha kernel

佛波 酯 標 準 品 （Phorbol－12－myristate－13－acetate）購于Sigma公司；水楊酸甲酯購于百靈威化學技術公司；乙腈（色譜純），石油醚、磷酸、二氯甲烷、甲醇、乙醇均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司產品。水為實驗室自制去離子水。

德國Memert真空干燥箱；德國海道夫公司旋轉蒸發儀；無錫華能超聲電子有限公司DG超聲波發生器；島津QP2010GC－MS聯用分析儀；島津LC－2010HT高效液相色譜儀；島津UV－2450紫外分光光度計。

1．2 實驗裝置和步驟

SC－CO2下麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕的實驗在高壓反應裝置上進行，實驗裝置和流程如圖1所示。該裝置主要由CO2鋼瓶、CO2輸送泵、高壓反應釜（100mL，316不銹鋼材質，配有機械攪拌裝置）和濕式氣體流量計組成。分別采用熱電偶（±1℃）和壓力傳感器測定系統的溫度和壓力。

圖1 超臨界CO2下麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕的實驗裝置和流程示意圖Fig．1 Schematic of experimental units and steps for biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

將干燥至一定含濕量的麻瘋樹籽粉和甲醇按一定比例混合加入反應釜內，并用CO2置換釜內空氣5次以上；開動攪拌，迅速升溫到設定溫度，開動CO2輸送泵升壓到實驗所需壓力，保證釜內CO2與反應物的質量比大于或等于5，開始計時。反應完畢后，固、液分離，將濾液移至分液漏斗用乙酸乙酯萃取，靜置分層。上層油相經減壓蒸餾脫除乙酸乙酯，干燥，得到黃色澄清透明的油品；得到的固體籽粕進行干燥脫膠，得到麻瘋樹籽粗蛋白，分析其中佛波酯的質量分數。

1．3 分析方法

采用氣相色譜－質譜聯用儀（GC－MS）測定生物柴油中的脂肪酸甲酯［11］。GC條件：Rtx－5（30m ×0．25mm×0．25μm）毛細管色譜柱；進料溫度270℃；柱 溫 從 130℃ 開 始，以 10℃／min 升 至180℃，持續20min，再以30℃／min升至250℃，保持5min；載氣為He，柱流量1．33mL／min；進樣量0．6μL；分流比30∶1。

參照Martinez－Herrera的方法測定籽粕中佛波酯質量分數［12］；分別按照 GB／T 5512－2008方法、GB／T 5511－2008 方 法、GB／T 5515－2008 方 法 和GB 5597－1985方法測定麻瘋樹種仁含油量、粗蛋白含量、粗纖維含量和含水量。

1．4 醇／油摩爾比的定義

醇／油摩爾比（n（Methanol）／n（Oil））的定義為甲醇與麻瘋樹油的摩爾比，其中麻瘋樹油的物質的量通過種仁含油量計算得到。麻瘋樹油的摩爾質量為884g／mol［13］。

2 結果與討論

2．1 麻瘋樹籽原料對制備生物柴油和無毒籽粕反應產物中甲酯和佛波酯質量分數的影響

2．1．1 種仁粒徑的影響

種仁的粉碎粒徑對麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕反應產物中甲酯和佛波酯（PE）的質量分數有重要的影響。在反應過程中，SC－CO2必須先擴散到種仁內部，將溶質溶解，然后再從固體中擴散出來。因此，種仁的粒徑越小，固－液接觸面積越大，可以減少CO2和溶質在種仁內部的擴散距離，這樣有利于麻瘋樹油和佛波酯的萃取，縮短反應時間。在60℃、15MPa、n（Methanol）／n（Oil）＝30的條件下反應3h，考察種仁粒徑對所得反應產物中甲酯和佛波酯質量分數的影響，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，種仁在過20～60目分樣篩時，隨著粒徑的減小，產物中甲酯質量分數逐漸增大，而籽粕中的佛波酯質量分數降低。這是因為粒徑越小，萃取速率越大，萃取出的麻瘋樹油和佛波酯越多，相同時間內麻瘋樹油轉化為甲酯的量也越多。但是種仁過80目分樣篩時，粒徑越小，越容易在高壓下被壓實，導致物料堆積密度過大，雖然加強了傳質效率，但也增大了傳質阻力，且后者影響更大，因而甲酯收率降低。綜合考慮各方面因素，后續實驗中選取種仁過60目分樣篩。

圖2 種仁粒徑對麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕反應產物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）質量分數的影響Fig．2 Effects of particle size on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

2．1．2 種仁含水量的影響

通過真空干燥箱干燥不同的時間控制種仁含水量，在60℃、15MPa，n（Methanol）／n（Oil）＝30的條件下反應3h，考察種仁含水量對產物中甲酯和佛波酯質量分數的影響，結果示于圖4。

圖3 種仁含水量對麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕反應產物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）質量分數的影響Fig．3 Effects of moisture mass fraction in kenel on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

由圖3可以看出，隨著種仁含水量的降低，產物中甲酯質量分數升高，籽粕中佛波酯質量分數降低。這是因為種仁含水量高時，容易在表面形成一層水膜，這樣既不利于溶質的溶出，也不利于SCCO2的進入；同時高含水量還會導致物料結塊，增大傳質阻力，從而使反應時間延長，甲酯收率下降。但是，水質量分數降至2．11%后，產物中甲酯含量基本保持不變。綜合考慮，以下選取種仁中水質量分數2．11%進行實驗。

2．2 反應條件對麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕反應產物中甲酯和佛波酯質量分數的影響

2．2．1 反應壓力的影響

壓力是超臨界流體技術的重要參數，對溶質在SC－CO2的溶解度有很大影響。在溫度一定的條件下，增大壓力可以增加CO2的密度，從而提高對溶質的溶解能力，有利于反應的進行。在不同壓力、80℃、n（Methanol）／n（Oil）＝50條件下反應3h，考察反應壓力對產物中甲酯和佛波酯質量分數的影響，結果如圖4所示。

圖4 反應壓力（p）對麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕反應產物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）質量分數的影響Fig．4 Effects of reaction pressure（p）on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

從圖4可以看出，反應壓力對產物中甲酯和佛波酯質量分數的影響十分顯著。當反應壓力小于15MPa時，所得產物中甲酯含量隨壓力的升高而增大，而籽粕中佛波酯含量逐漸減小。當反應壓力增大到18MPa時，產物中甲酯含量趨于穩定，籽粕中佛波酯含量略微降低。這是因為在較高壓力下，CO2密度較大，溶解能力增加有限。另外，反應壓力高時，所得油品的顏色加深，這可能是因為此時溶出了其他雜質。考慮到設備投資和操作費用以及所得油品的純度，適宜的反應壓力為15MPa。

2．2．2 反應溫度的影響

圖5為在15MPa、n（Methanol）／n（Oil）＝50條件下反應3h，反應溫度對產物中甲酯和佛波酯質量分數的影響。從圖5可以看出，在反應溫度低于45℃時，隨著溫度的升高，產物中甲酯含量增加不明顯。這是因為在初始階段，升高溫度雖然會提高組分擴散系數，但不足以彌補CO2隨溫度升高而密度降低所導致的溶解能力的下降。當反應溫度提高到80℃時，產物中的甲酯含量迅速增加；繼續提高溫度，甲酯質量分數變化不大，而籽粕中佛波酯含量逐漸降低。考慮到高溫會增加能耗，并且蛋白質易變性而降低籽粕的營養價值，選取反應溫度為80℃。

圖5 反應溫度（θ）對麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕反應產物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）質量分數的影響Fig．5 Effects of reaction temperature（θ）on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

2．2．3 n（Methanol）／n（Oil）的影響

圖6為在15MPa、80℃條件下反應1h，n（Methanol）／n（Oil）對產物中甲酯和佛波酯質量分數的影響。從圖6可以看出，隨著n（Methanol）／n（Oil）的增加，產物中甲酯質量分數相應增加，籽粕中佛波酯質量分數急劇減少；當n（Methanol）／n（Oil）超過50時，繼續增加甲醇用量對甲酯收率影響較小。這是因為酯交換反應是一個可逆反應，甲醇用量少時反應不完全，增加甲醇用量可促進反應向正方向進行，從而提高甲酯收率；同時，由于甲醇極性較強，對脫除種仁中佛波酯有促進作用［14］。考慮到增加甲醇用量會增加溶劑回收費用，故選取n（Methanol）／n（Oil）為40。

圖6 n（Methanol）／n（Oil）對麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕反應產物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）質量分數的影響Fig．6 Effects of n（Methanol）／n（Oil）on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

2．2．4 反應時間的影響

圖7為在15MPa、60℃、n（Methanol）／n（Oil）＝40條件下，反應時間對產物中甲酯和佛波酯質量分數的影響。在超臨界狀態下，油脂的酯化反應十分迅速，因而決定反應速率的控制步驟是萃取過程。從圖7可以看出，隨著反應時間的延長，產物中甲酯質量分數持續增加，150min基本達到最大，此時反應已接近平衡，繼續延長反應時間甲酯含量幾乎不變，籽粕中佛波酯的含量也基本達到最小值。從能耗方面考慮，可以適當控制反應時間，因此選取反應時間為150min。

圖7 反應時間（t）對麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕反應產物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）質量分數的影響Fig．7 Effects of reaction time（t）on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in supercritical carbon dioxide

2．3 麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕反應條件優化的正交實驗結果

在單因素實驗的基礎上，選取反應壓力、反應溫度、n（Methanol）／n（Oil）、反應時間4個因素，每個因素取3個水平設計L（34）正交實驗，實驗采用的因素和水平列于表2。正交實驗結果和直觀分析結果列于表3。

表2 麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕反應正交實驗因素與水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment for biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

表3 麻瘋樹籽制備生物柴油和無毒籽粕反應正交實驗結果及極差分析表Table 3 Results of orthogonal experiment and range analysis for biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

由表3可以看出，各因素的極差值R由大到小的順序為A、D、B、C，極差值越大，表示該因素對指標的影響越大。由正交實驗得到最佳工藝條件是A3B2C1D3，即反應壓力15MPa、反應溫度80℃、n（Methanol）／n（Oil）＝30、反應時間150min。在此條件下，產物中甲酯質量分數和籽粕中佛波酯的殘留量分別為94．6%和0．06mg／g。

2．4 SC－CO2制得的籽粕與石油醚萃取后的籽粕的對比

將SC－CO2反應得到的籽粕干燥脫膠，計算籽粕中含水量、殘油率、粗蛋白和佛波酯質量分數，并與用石油醚索氏抽提種仁8h后得到的籽粕進行比較，結果列于表4。

表4 SC－CO2下酯化反應后所得與石油醚萃取后籽粕中各組分含量的對比Table 4 Comparison of compositions in Jatropha meal obtained by petroleum ether extraction and by Tatropha seeds transesterification in SC－CO2

從表4可以看出，與石油醚萃取后的籽粕對比，SC－CO2下酯化后的籽粕佛波酯含量低的多，油含量和蛋白質含量相差不大。由于佛波酯含量低于無毒標準，蛋白質被濃縮而營養價值沒有下降，SCCO2下得到的籽粕作為植物性蛋白飼料有良好的前景。

3 結 論

（1）以麻瘋樹籽為原料，在SC－CO2中一步法酯化制備生物柴油，工藝流程簡單，避免了傳統麻瘋樹油的榨取和精制帶來的加工費用，減少了溶劑、時間消耗和設備投資。同時，由于SC－CO2極強的溶解和傳質性能，可以脫除籽粕中的佛波酯，使其達到無毒標準，而不破壞籽粕中的蛋白質，營養價值沒有降低。

（2）麻瘋樹籽需預處理至粒徑為60目、水質量分數為2．11%左右作為制備生物柴油和無毒籽粕的原料。該反應的最佳條件是反應壓力15MPa、反應時間 150min、反應溫度 80℃、n（Methanol）／n（Oil）＝30。在此條件下，得到的反應產物中甲酯的質量分數達到95%，籽粕中佛波酯質量分數為0．06mg／g，達到無毒標準。

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