微藻原位萃取－酯交換法生物柴油的制備

王為國，王成成，汪鐵林，王存文*

1.武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430074；2.綠色化工過程教育部重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430074

微藻原位萃取－酯交換法生物柴油的制備

王為國1，王成成1，汪鐵林2，王存文2*

1.武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430074；2.綠色化工過程教育部重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430074

油脂萃取是許多生物柴油制備過程中的重要步驟.原位萃取－酯交換法可以將蛋白核小球藻藻粉直接的轉化為生物柴油避免了單獨從藻粉中萃取油脂.研究了以蛋白核小球藻藻粉和甲醇為原料，在濃硫酸作催化劑的條件下原位萃取－酯交換法制備生物柴油的工藝.考察了不同工藝條件對產率的影響.其適宜的反應條件為：用水量和藻粉質量比為1∶1，反應溫度為65℃，催化劑用量為藻粉質量的3%，甲醇用量和藻粉質量比為8∶1，酯交換反應在8 h內完成.結果表明：以干藻粉質量為基準微藻粗生物柴油收率可達到16．0%，由高效液相色譜分析得知微藻粗生物柴油中生物柴油量為43．5%，以干藻粉質量為基準微藻生物柴油總收率為6．96%.

生物柴油；微藻；酯交換法；原位萃取

0 引言

生物柴油是生物質能源的一種，它是指以油料作物為原料通過酯交換反應制成的一種可生物降解、無毒的可再生油燃料［1］.國內外已經開始將生物柴油作為石化柴油的替代品進行利用.傳統制備生物柴油的原料大多是價格較高的油料作物（如大豆、葵花子、棕櫚以及菜籽等）.選取適宜的、價格低廉的油料植物來發展和生產生物柴油是開發新能源的發展趨勢［2－3］.高效的光合作用、較強的環境適應能力、較短的生長周期、較高生物產量是微藻的主要特點.關于微藻制備生物柴油的報道比較少，蛋白核小球藻是一種以光合自養生長繁殖的高效光合作用植物，其油脂含量相對較高.微藻油脂中不飽和油脂較常規的大豆油、葵花子油、菜籽油等作物中高，質量分數占微藻油脂的65%左右［4］.微藻是制備生物柴油的良好原料.石化原料相比微藻生物柴油燃燒所產生的有害氣體少、灰質低，對環境較友好，符合世界對新型能源的要求［4－6］.

生產生物柴油的常見方法是酯交換法，是采用油脂與甲醇，在酸或堿催化條件下加熱反應生成脂肪酸甲酯后分離的過程［7－8］.微藻所含有的微藻油中含游離脂肪酸［9］，使用堿催化時容易發生皂化反應、催化劑中毒、帶來廢液污染、后續分離困難的問題［9－11］.本研究中采用酸催化法將微藻生物質直接酯交換生成生物柴油.

微藻制備生物柴油傳統方法是將提取出來的微藻油脂通過酸催化反應來制備生物柴油.而原位萃取－酯交換反應是：含油原料與酸化的醇類接觸直接反應，醇既是提取溶劑，又是反應物，且產物得到的脂肪酸甲酯含量高.研究表明，與傳統的生物柴油制備路線相比，在生物質中油脂直接醇解制備生物柴油的產率提高20%［12］.將這種酯交換反應技術與微藻油脂提取相結合，提出了一種利用微藻制備粗生物柴油的方法［11，13－14］.其操作工藝簡單，無需進行原料預處理、生產成本低、易于實現工業化生產.利用微藻干藻粉濃硫酸催化條件下的酯交換反應（油脂提取與酯交換反應同時進行的反應）可獲得微藻粗生物柴油.并考察了反應溫度、催化劑量和原料比對生物柴油收率的影響.

1 實驗部分

1.1 主要原料

蛋白核小球藻藻粉購自山東濱州天健生物科技有限公司，其組成成份為（質量分數）：蛋白質55%、脂肪20%、碳水化合物20%、纖維素5%.液相色譜試劑：水、乙腈均為色譜純；其他主要的試劑甲醇、石油醚等均為分析純.

1.2 實驗方法

向三口燒瓶中加入稱取的8 g藻粉和一定量的甲醇攪拌均勻；然后加入一定量的濃硫酸.加熱至一定溫度保溫反應8 h，然后將反應物進行過濾，并用甲醇對濾渣沖洗3次以上.旋蒸蒸出大部分的甲醇，加入30 mL的水后，再將液體轉移至分液漏斗中加入30 mL的石油醚搖勻后靜置、分層.將分層得到的下層液體中加入30 mL的石油醚搖勻后靜置，分離出上層的有機相.合并兩次萃取的有機相用30 mL的50℃蒸餾水洗滌，加入30 mL石油醚搖勻靜置8 h后分離.將油相旋轉蒸發，除去石油醚后干燥，得產品粗生物柴油.

1.3 生物柴油產率的計算

標準品生物柴油與微藻生物柴油通過Agilent（1260 Infinity）高效液相色譜分析儀，在分離柱為Agilent ZORBAX Eclipse Plus C18柱（150 mm× 4．6 mm，5 μm），流動相體積比（乙腈／水＝9∶1），流動相流速1 mL／min，柱溫35℃，紫外檢測波長210 nm，進樣量均為5 μm時進行分析.

本研究以蛋白核小球藻藻粉干重為基準計算微藻粗生物柴油的產率.

式中：X為粗生物柴油產率，%；m粗為反應得到的粗生物柴油質量；m干為蛋白核小球藻藻粉的重量.

通過分析標準品生物柴油圖譜中對應的各種脂肪酸甲酯的停留時間，對比標準品生物柴油確定微藻粗生物柴油中有脂肪酸甲酯的存在，利用峰面積歸一化法對產物各主要組分進行定量并計算出微藻粗生物柴油中脂肪酸甲酯相對含量，計算公式為：

式中：C為生物柴油中甲酯含量，%；A為微藻粗生物柴油圖2中1．4～6 min對應的脂肪酸甲酯峰面積的總和；A0為標準品圖1中1．4～6 min對應的脂肪酸甲酯峰面積的總和.

以微藻為原料制得的生物柴油的產率的計算公式為：

式中：Y為生物柴油的產率，%；X為粗生物柴油產率，%.

2 結果和討論

2.1 微藻生物柴油的分析

生物柴油的主要成分是脂肪酸及脂肪酸甲酯，可通過高效液相色譜逐一分離出來，分別是豆蔻酸、亞油酸、棕櫚酸、油酸、亞麻酸甲酯、硬脂酸、亞油酸甲酯、棕櫚酸甲酯、油酸甲酯、芥酸和硬脂酸甲酯［15］.而微藻生物柴油中主要含有亞油酸甲酯、棕櫚酸甲酯、亞麻酸甲酯、硬脂酸甲酯等［16］，因此對比其中主要脂肪酸甲酯的質量分數得出微藻生物柴油的質量分數［17－18］，見圖1，2.

圖1 生物柴油標準品液相色譜圖Fig.1 HPLC of the standard biodiesel

圖2 蛋白核小球藻生物柴油液相色譜圖Fig.2 HPLC of the chlorella pyrenoidosa biodiesel

通過高效液相色譜圖1、圖2進行分析，可知標準品中甲酯對應的停留時間段是1．4～6 min之間.實驗制得的微藻粗生物柴油在與標準品相同實驗條件下其停留時間段也在1．4～6 min內.證實實驗成品中有生物柴油的存在，由高效液相色譜分析由式（1），（2），（3）計算得知微藻粗生物柴油中生物柴油的產率為43．5%.

2.2 微藻原位萃取－酯交換反應

本實驗是在濃硫酸催化條件下進行原位萃取－酯交換反應生產生物柴油，同時研究了加水量、相同加水量下不同溫度、催化劑用量和不同藻粉與醇質量比對生物柴油產量的影響.

2.2.1 加水量的影響當甲醇與藻粉質量配比為8，反應時間為8 h，反應溫度為65℃時，催化劑用量（質量分數）為3%時，由圖3可知粗生物柴油的產率隨水量的增多先增加后減小.這是因為：當反應體系含量中含有一定水時，酸催化的效果較好，濃硫酸作為催化劑需要一定的水提供使濃硫酸中的氫離子分離出來起到酸催化的效果，水的失去將不利于反應體系酸度的提高（水分子使濃硫酸中氫離子電離出來，從而使濃硫酸中氫離子發揮催化功能）［19］.同時反應中的水和甲醇混合物可作為調和互溶劑，這不僅加快油脂到脂肪酸甲酯的轉化速率，而且也提高體系的溶解度［20-21］.初始時在反應體系中是沒有油脂和水存在的，為了能獲得更好的收率，加入少量的水有利于體系中甲醇的溶解，更利于微藻中油脂的轉化.剛開始反應時水含量較小，隨著游離脂肪酸與甲醇進行酯化反應產生的水增加.當水的含量達到一定值后甲醇濃度降低致使體系中油脂的溶解度降低，對酯交換和酯化反應不利，即過多的水也會對實驗造成不利的影響［22］.

圖3 微藻與水質量比對粗生物柴油產率的影響Fig.3 Effect of ratio of algae to water mass on crude biodiesel yields

2.2.2 反應溫度的影響當甲醇與藻粉質量配比為8，催化劑量質量分數為3%，反應時間為8 h，加水量為1時，反應溫度從55℃升高到68℃，微藻粗生物柴油產量的變化如圖4可知，粗生物柴油產率隨溫度的升高而增高，但到達65℃以后粗生物柴油的產率變化并不明顯，在65℃條件下可獲得較高的生物柴油產率.反應溫度是影響催化反應的重要條件之一.合適的反應溫度可以提高催化劑的催化效果，底物與催化劑在較高溫度下的運動速度也會加快從而增加它們之間的接觸機會，轉化效率得到提高，且較高的反應溫度可以使平衡向正反應方向進行.隨溫度升高，甲醇的活性增加，產量也隨之增加.這是因為在較低溫度下，從微藻中萃取油脂的速率較慢，萃取能力較低，不能將所用的油脂萃取出來，導致產率較低.隨著溫度的升高，其萃取能力和速率都大大提高，能夠將微藻中的油脂比較完全的萃取出來，從而使微藻粗生物柴油的產率增高［23］.但是當溫度高于65℃時對微藻粗生物柴油沒有比較明顯的影響.甲醇的沸點為64．7℃，繼續增加溫度，體系溫度也會有一定的上升.但是當溫度升高時，氣相中甲醇濃度增大，液相中甲醇濃度降低不利于反應的進行.溫度的升高也就對粗生物柴油的產率沒有太明顯的影響.

圖4 溫度對粗生物柴油產率的影響Fig.4 Effect of reaction temperature on crude biodiesel yields

2.2.3 催化劑量的影響當甲醇與藻粉質量配比為8，反應時間為8 h，反應溫度為65℃，加水量為1時，不同的濃硫酸用量條件下微藻粗生物柴油產量的變化如圖5所示.粗生物柴油的產量隨催化劑的用量增大而增高，質量分數為3%時可獲得較高產量的生物柴油，隨后變化不明顯.催化反應中催化劑用量的也是影響產率的重要因素之一，催化劑用量過少時，反應物不能得到充分的利用，嚴重影響反應的進行；濃硫酸加入量過多又會對環境產生不利影響，使生產成本提高.當催化劑量質量分數為3%后繼續加大催化劑量，微藻粗生物柴油產率增加緩慢.隨著濃硫酸量的增加生物柴油產率的影響已不明顯，而且不便于后續催化劑的回收.

圖5 催化劑的量對粗生物柴油產率的影響Fig.5 Effect of the amount of catalyst on crude biodiesel yields

2.2.4 藻粉與甲醇質量比的影響當甲醇與藻粉質量配比為8，反應時間為8 h，反應溫度為65℃，催化劑用量為質量分數3%時.在不同的醇與藻粉質量比條件下微藻生物柴油產量的變化如圖6所示.甲醇與藻粉配比從5增至8時，即隨著反應體系中甲醇用量的增多，微藻粗生物柴油的收率先增大后趨于平緩.當甲醇與藻粉配比為5時，產率較低，基本沒有粗生物柴油的生成.這是因為加入體系中的甲醇不僅是反應物，同時還是溶劑.原位萃取－酯交換反應是一個可逆反應，甲醇過少阻礙反應平衡右移.甲醇過量，即可以萃取出微藻中的油脂，還可作為反應物進行酯交換反應來提高微藻粗生物柴油產率.反應物濃度較高時會加快整個反應的進行，當產物濃度達到一定量時，反應就不會有較明顯的變化.同時，甲醇用量過多，也會增加后續分離的困難，增加成本.

圖6 微藻與甲醇質量比對粗生物柴油產率的影響Fig.6 Effect of ratio of algae to methanol mass on crude biodiesel yields

3 結語

以含油的蛋白核小球藻為原料、濃硫酸作為催化劑，采用原位萃取－酯交換法成功制備生物柴油.對其工藝進行優化，結論如下：

研究了不同加水量、溫度、催化劑用量及不同藻粉與醇質量比對產量的影響.微藻可在濃硫酸作為催化劑條件下與甲醇發生原位萃取－酯交換反應制備生物柴油，在反應體系中加入適量的水有利于生物柴油的生成.適宜反應條件為加水量為水和藻粉比為1∶1，反應溫度為65℃和催化劑量質量分數為3%，甲醇與藻粉質量比為8∶1，在此條件下粗生物柴油收率可達到16．0%（相對于干燥粉質量），由高效液相色譜分析得知微藻粗生物柴油中生物柴油收率為43．5%.生物柴油總收率為6．96%.

致謝：

感謝武漢工程大學化工與制藥學院提供的研究平臺！

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Preparation of biodiesel from microalgae by in－situ transesterification

WANG Wei－guo1，WANG Cheng－cheng1，WANG Tie－lin2，WANG Cun－wen2
1.School of Chemical Engineering and Pharmacy，Wuhan Institute of technology，Wuhan 430074，China；2.Key Laboratory of Green Chemical Process（Wuhan Institute of technology），Ministry of Education，Wuhan 430074，China

The extraction of oil is a primary step in biodiesel production system，but in－situ transesterification method can directly convert the chlorella pyrenoidosa powder into biodiesel，skipping the step of oil extracting．In this paper，biodiesel was prepared via in－situ tramesterification method using methanol as solvent，chlorella pyrenoidosa algae as precursor and sulfuric acid as catalyst．The effects of different process conditions on the biodiesel yield were investigated．The optimal conditions for the reaction were mass ratio of water to algae powder of 1∶1，mass fraction of catalyst（sulphuric acid）of 3%，reaction temperature of 65℃，mass ratio of methanol to algae powder of 8∶1 and reaction time of 8 h．The results show that the conversion rate of algae powder to crude microalgae biodiesel is 16．0%，the content of biodiesel in crude microalgae biodiesel is 43．5%and the conversion rate of algae powder to microalgae biodiesel is 6．96%．

biodiesel；microalgae；transesterification；in－situ extraction

TB35

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.04.001

1674-2869（2015）04-0001-05

本文編輯：張瑞

2015－03－01

國家自然科學基金（20576105）

王為國（1964－），男，江蘇建湖人，副教授，碩士．研究方向：新能源開發及資源化利用．*通信聯系人