微藻生物柴油制備及理化性質分析

孫協軍 李秀霞 李佳偉 陶秀春

微藻生物柴油制備及理化性質分析

孫協軍 李秀霞 李佳偉 陶秀春

（渤海大學化學化工與食品安全學院，錦州 121013）

對鹽藻生物柴油的制備工藝進行了優化，并對3種海水微藻生物柴油的理化性質進行了分析。試驗利用溶劑浸漬法制備了K2O／Al2O3固體堿催化劑，采用超聲波空化作用代替機械攪拌進行了鹽藻生物柴油固體堿催化酯交換制備研究，最佳制備工藝為：在超聲波功率450 W、反應溫度65℃和醇油摩爾比12∶1條件下，用2.5%固體堿為催化劑催化鹽藻油酯交換反應2.5 h，獲得酯交換率為57.78%；對3種微藻生物柴油理化性質分析的結果表明，3種微藻生物柴油的密度、酸價、過氧化值和水分含量等均符合國標規定，熱值比0＃柴油略低，碳氫元素的總量低于0＃柴油，但3種微藻生物柴油具有更高的碳氫比；3種微藻生物柴油的黏度均略高于國標規定，在實際應用中，微藻生物柴油可與石化柴油按一定比例摻混使用。

微藻 生物柴油 理化性質

微藻（microalgae）為單細胞、群體或絲狀藻類，有20 000多種，廣泛分布于我國沿海和內地水域［1－2］。是生產生物柴油的良好原料。生物柴油的制備方法主要有直接混合法、微乳化法、高溫裂解法和酯交換法等，目前工業化生產主要采用的是酯交換法［3］，可用酸催化劑［4］、堿催化劑［5］或酶催化劑催化等［6－7］。與其他資源相比，微藻作為生物柴油原料使用具有很大的潛力和優勢［8－9］，以微藻油為原料制備的生物柴油理化性質符合國家標準的規定，可作為燃料使用［10］。對鹽藻油固體堿催化法制備鹽藻生物柴油的工藝進行了研究，并對3種海水微藻生物柴油的理化性質進行了分析，為微藻的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鹽藻粉：大連豐源達餌料有限公司；螺旋藻粉、小球藻粉：陜西森弗生物技術有限公司。

1.2 主要試劑與儀器

47%三氟化硼乙醚：國藥集團化學試劑有限公司；37種脂肪酸甲酯混合標準品（30 mg／mL）：美國Restek公司；顆粒活性炭（12～40目）：北京普林森環保科技有限公司；硫酸、甲醇、乙酸乙酯、氧化鋁、硝酸鉀等，均為分析純。

GC－2014C氣相色譜儀：島津蘇州有限公司；HGT－300E氮、氫、空氣發生器：北京匯龍公司；ZDJ－4A自動電位滴定儀：上海雷磁精科儀器廠；KQ－500DV型數控超聲波清洗器：昆山超聲儀器有限公司；品式黏度計：浙江椒江玻璃儀器廠；TU－1800SPC紫外可見光光度計：北京普析通用儀器公司；6300全自動氧彈式量熱儀：美國Parr公司；Vario macro CHNS元素分析儀：德國ELEMENTAR元素分析系統公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 微藻油提取方法

向微藻粉中加入適量乙酸乙酯，浸泡一段時間，然后50℃條件下超聲波提取一定時間后，減壓抽濾，濾渣重復提取多次至濾液呈淺黃或淺綠色，合并濾液并于40℃減壓蒸干大部分溶劑，收集于燒杯中，60℃烘箱烘至液面無氣泡，冷藏備用。

1.3.2 生物柴油主要理化指標測定方法

含水量：參照GB／T 5528—2008；運動黏度：參照GB／T 265—1988；密度：參照GB／T 2540—1981；酸價：參照GB／T 5530—2005；過氧化值：參照GB／T 5538—2005；熱值：參照GB／T 384—1981；碳和氫元素分析：元素分析儀測定；閃點：參照GB／T 261—2000閉口杯方法測定。

1.3.3 微藻油脂脂肪酸組成分析

色譜條件及樣品處理方法見孫協軍等［11］方法。

1.3.4 微藻油預處理方法

先對微藻油進行脫色處理，取50 g微藻油置于5000 mL大燒杯中，加入甲醇稀釋至465 nm吸光度為1.0以下，加入質量為微藻油重2%的活性炭，在溫度30℃條件下脫色處理1.5 h，脫色結束后混合液過濾，所得濾液蒸干溶劑后105℃烘箱干燥至無氣泡冒出，然后進行酯化脫酸處理，在反應溫度70℃和醇油摩爾比25∶1條件下，用1.5%硫酸為催化劑超聲波震蕩100 min，減壓蒸餾去除甲醇，水洗除去殘留的硫酸，70℃烘去殘余水分，得到脫色和脫酸后的微藻油，4℃冷藏備用。此時微藻油為淺黃或淺綠色，黏度與植物油近似，酸價小于1.0 mgKOH／g，可滿足堿催化酯交換制備生物柴油的要求。

1.3.5 堿催化酯交換制備生物柴油方法

1.3.5.1 固體堿催化劑的制備

參照韓毅方法［12］制備強堿固體催化劑，先將氧化鋁在550℃下活化4 h，按質量比3∶1比例浸漬在一定濃度的硝酸鉀水溶液中，在60℃下烘干，充分研磨后，于110℃下烘干，再置于馬弗爐中700℃焙燒6 h，制得K2O／Al2O3催化劑。

1.3.5.2 固體堿催化酯交換制備生物柴油

取一定量預處理后的鹽藻油于100 mL小燒杯中，按試驗設計加入一定量固體堿催化劑和甲醇，在超聲波清洗器中反應一段時間后取出，趁熱過濾去除催化劑，濾液轉入分液漏斗中，靜止分液，取上層液體，水浴蒸干甲醇后用乙酸調節pH值偏酸后，去離子水洗3遍，烘箱烘干，稱重，進行脂肪酸組成和含量測定，計算酯轉化率，每個處理重復2次，結果取平均值。酯轉化率定義為單位鹽藻生物柴油中所有可定量的脂肪酸甲酯總質量與生物柴油質量的比值。參照鹽藻生物柴油制備的優化條件制備小球藻和螺旋藻生物柴油，備用。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2003和SPSS11.0軟件進行數理統計和方差分析。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果

以超聲波的空化作用代替生物柴油傳統制備方法中的機械攪拌作用可起到很好的效果［13］，本試驗對超聲波輔助固體堿催化制備鹽藻生物柴油工藝進行優化研究。

2.1.1 超聲波功率的影響

固定醇油摩爾比10∶1，反應溫度50℃，催化劑用量2%，反應時間1 h，考查超聲波功率對鹽藻生物柴油脂肪酸甲酯轉化率的影響，試驗結果見圖1。由圖1可知，隨著超聲波功率的提高，鹽藻生物柴油的甲酯轉化率逐漸增加，在超聲波功率增加到400 W時，酯轉化率提高到39.37%，在超聲波功率超過400 W后，轉化率增加趨勢不明顯，原因可能是較高的超聲波功率導致了皂的產生，從而降低甲酯轉化率。因此，選擇超聲波功率為400 W。

圖1 超聲波功率對脂肪酸甲酯轉化率的影響

2.1.2 醇油摩爾比的影響

固定反應溫度50℃，催化劑用量2%，反應時間1 h，考查醇油摩爾比對鹽藻生物柴油脂肪酸甲酯轉化率的影響。試驗結果見圖2，由圖2可知，當醇油摩爾比為12∶1時，甲酯轉化率最高，此后再增加醇油摩爾比，甲酯轉化率沒有太大改善，說明酯交換反應的進行需要適合的醇油比，過低沒有提供足夠的底物，過高則稀釋了催化劑的濃度，并且帶來了后繼處理的麻煩，因此，選擇醇油摩爾比為12∶1進行下一步試驗。

圖2 醇油摩爾比對脂肪酸甲酯轉化率的影響

2.1.3 催化劑用量的影響

固定反應溫度50℃，反應時間1 h，考查催化劑用量對鹽藻生物柴油脂肪酸甲酯轉化率的影響。試驗結果見圖3。由圖3可知，甲酯轉化率隨著催化劑用量的增加而增加，但當催化劑用量達到3%，再增加催化劑的用量，酯轉化率增加趨勢變緩，說明3%的固體堿催化劑用量已基本滿足酯交換反應的需要。因此，選擇催化劑用量為3%進行下一步試驗。

圖3 催化劑用量對脂肪酸甲酯轉化率的影響

2.1.4 反應溫度的影響

固定反應時間1 h，考查反應溫度對鹽藻生物柴油脂肪酸甲酯轉化率的影響。試驗結果見圖4，由圖4可知，甲酯轉化率隨著反應溫度的升高而增加，當反應溫度在60℃時，甲酯轉化率接近50%，當反應溫度大于60℃時，由于接近甲醇的沸點，溶劑損失較嚴重，甲酯轉化率也不再增加，因此，選擇反應溫度為60℃。

圖4 反應溫度對脂肪酸甲酯轉化率的影響

2.1.5 反應時間的影響

反應時間對鹽藻生物柴油脂肪酸甲酯轉化率的影響結果見圖5。由圖5可知，甲酯轉化率隨著反應時間的增加而增加，當反應時間達到1.5 h后，各反應時間之間的甲酯轉化率無顯著差異（P＞0.05），說明酯交換反應已基本進行完全，此時鹽藻生物柴油甲酯轉化率達到55%。

2.2 正交試驗

圖5 反應時間對脂肪酸甲酯轉化率的影響

根據單因素試驗結果，考慮鹽藻生物柴油甲酯轉化率受超聲波功率、溫度、時間、催化劑用量和醇油摩爾比的綜合影響，采用五因素四水平即L16（45）進行正交試驗，對鹽藻生物柴油的制備工藝參數進行優化研究，試驗結果見表1。

根據極差分析的結果，各因素對鹽藻油甲酯轉化率影響的大小順序為：RA＞RC＞RD＞RE＞RB。即超聲波功率＞反應溫度＞醇油摩爾比＞反應時間＞催化劑用量。最佳酯化反應條件為：A3B2C3D3E4。根據極差分析結果，在最佳條件下，即在超聲波功率450 W、反應溫度65℃和醇油摩爾比12∶1條件下，用2.5%固體堿K2O／Al2O3催化鹽藻油酯交換反應2.5 h，獲得酯交換率為57.78%。

本試驗中鹽藻生物柴油的甲酯轉化率遠低于其他動植物油脂，主要原因可能是鹽藻油的主要組成成分中不只是三酰甘油，脫色后的鹽藻油中還存在大量β－胡蘿卜素等油溶性雜質，導致脂肪酸甲酯的產率過低。

表1 正交試驗設計及結果分析L16（45）

2.3 微藻生物柴油理化性質分析

我國生物柴油的開發和應用尚處于起步階段，GB／T 20828—2007是我國首次制定的生物柴油標準［14］，規定了包括密度、含水量、黏度、閃點、酸價和水分含量等評價指標。密度是單位體積內所含物質的質量，燃油密度的大小對噴射器噴出的燃料量有很大的影響。0＃柴油的密度約為0.83 g／cm3，生物柴油的密度比柴油高2%～7%左右［15］。生物柴油在制備過程中體系黏度的變化與反應的進行程度有一定的聯系，黏度的變化反應了脂肪酸甲酯的轉化率［16］，而酸價是衡量油品腐蝕性和使用性能的重要依據。

采用國標方法分析了3種微藻生物柴油的閃點、密度、黏度等理化指標，結果見表2。

表2 幾種微藻生物柴油的主要理化性能分析

少量的甲醇含量將引起閃點產生顯著的變化，當甲醇含量達到5%時，閃點由165℃降低到65℃［17］，因此，生物柴油標準對閃點的限定在一定意義上來說是用來限制反應所殘留的甲醇含量。由表2可知，螺旋藻和小球藻生物柴油的閃點低于GB／T 20828—2007 國家標準，這與Xu 等［18］以小球藻為原料的試驗結果相近，可滿足美國、巴西和法國等大多數國家對于生物柴油閃點（≥100）的規定。微藻生物柴油的密度、酸價、過氧化值和水分含量等均符合國標規定。從表2還可以看出，微藻生物柴油的熱值要比0＃柴油略低，碳氫元素的組成低于0＃柴油，但微藻生物柴油具有更高的碳氫比，并含有一定量的氧元素，起到助燃作用，更適合作為燃油使用。

3種微藻生物柴油的黏度均高出國家規定標準，將3種微藻生物柴油分別按一定比例與0＃柴油摻混后檢測20℃運動黏度，當鹽藻生物柴油和小球藻生物柴油摻混0＃柴油達到5%、螺旋藻生物柴油摻混0＃柴油達到10%以上時，微藻生物柴油的黏度可達到國標要求，由于車用柴油標準的黏度規定范圍較寬，因此任意摻混比混合燃料的黏度均能符合國標要求，微藻生物柴油的高黏度會影響到它整體燃燒性能，與石化柴油摻混使用是更好的選擇。

對微藻生物柴油的脂肪酸甲酯組成進行了分析，結果見表3，鹽藻和小球藻生物柴油的脂肪酸甲酯以棕櫚酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯及亞麻酸甲酯為主；螺旋藻生物柴油主要由棕櫚酸甲酯、亞油酸甲酯和次亞麻酸甲酯組成。油脂的飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸一般位于甘油三酯的Sn－1位和Sn－3位，而多不飽和脂肪酸一般位于Sn－2位（Sn－2表示立體結構中甘油三酯的二位碳），飽和脂肪酸往往先于不飽和脂肪酸甲酯化。因此，通過對其甲酯化產物生物柴油的不飽和度分析可以判斷其甲酯化的充分程度［19］。本試驗中所制備的幾種微藻生物柴油與其原料油脂肪酸組成和比例基本一致［11］，間接說明生物柴油的甲酯化已較完全。

表3 3種微藻生物柴油主要脂肪酸甲酯組成／%

3 結論

利用溶劑浸漬的方法制備了K2O／Al2O3固體堿催化劑，利用超聲波空化作用代替機械攪拌進行了杜氏鹽藻生物柴油固體堿催化酯交換制備研究，最佳制備工藝為：超聲波功率450 W、反應溫度65℃和醇油摩爾比12∶1條件下，用2.5%固體堿為催化劑催化鹽藻油酯交換反應2.5 h，獲得酯交換率為57.78%；3種微藻生物柴油的密度、酸價、過氧化值和水分含量等均符合國標規定，熱值比0＃柴油略低，碳氫元素的組成低于0＃柴油，但3種微藻生物柴油具有更高的碳氫比，更適合作為燃料使用；微藻生物柴油的黏度略高于國標規定，在實際應用中，可采取與石化柴油摻混的方法解決，并且，生物柴油的高黏度更有利于提高燃燒性能。

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Preparation，Physical and Chemical Properties of Biodiesel of Microalgae

Sun Xiejun Li Xiuxia Li Jiawei Tao Xiuchun
（College of Chemistry，Chemical Engineering and Food Safety，Bohai University，Jinzhou 121013）

The technology of preparation of D．Salina biodiesel by solid alkali catalysis was optimized；the physical and chemical properties of three marine microalgae biodiesel were analyzed.K2O／Al2O3solid base catalyst was prepared by solvent impregnation method，and D．Salina biodiesel was prepared with solid base catalyzed transesterification under the condition of ultrasonic cavitation instead of mechanical stirring，and the optimal preparation parameter was：ultrasonic power 450 W，reaction temperature 65℃，molar ratio of methanol to oil was 12∶1，and reaction with 2.5%solid base for 2.5 h，under the optimal conditions，the transesterification ratio was 57.78%；Density，acid value，peroxide value and moisture content of microalgae biodiesel could all meet the national standards，while heating value of biodiesel was slightly lower than the of 0＃ diesel，and the biodiesel viscosity was slightly higher than that of national standard，and the carbon and hydrogen content were lower than that of 0＃ diesel，while biodiesel had higher hydro to carbon ratio and were more suitable for use as fuel.The viscosity of three microalgae biodiesel was all slightly higher than that of national standards，and when being used as the fuel oil in diesels，microalgae biodiesel can be blended with a petrified diesel in a certain ratio to form a blended fuel oil.

microalgae，biodiesel，physical and chemical proprieties

TS219

A

1003－0174（2016）07－0070－06

中國博士后科學基金面上資助項目（20090460422）

2014－10－28

孫協軍，男，1969年出生，實驗師，食品資源開發利用

李秀霞，女，1973年出生，副教授，水產品貯藏加工