CN102559374B - 利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，所述方法包括下列步骤：(a)向藻粉中加入甲醇和固体催化剂，并且将得到的混合物在加热下、在高压釜中进行酯交换反应；(b)将步骤(a)中得到的产物离心分离，得到含有除油藻粕和固体催化剂的固体相，以及含有生物柴油粗油、甲醇和甘油的液体相。本发明的方法具有微藻提取快速、工艺简单、成本低、污染小的优点。

Description

利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法

技术领域

本发明属于油脂提取领域，涉及一种从微藻制备生物柴油的方法，具体地，涉及一种利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法。

背景技术

石油的大量使用将导致能源枯竭和温室气体排放的增加。为了实现经济和环境的和谐发展，必须使用可再生能源代替石油。可再生能源使用后不会造成温室气体排放的增加。生物柴油是一种理想的可再生能源，能满足以上要求，所以近年来得到迅速发展。微藻是一种主要利用太阳能固定二氧化碳，生成制备生物柴油所需油脂的藻类。因此以微藻油脂为原料转化成的生物柴油是石油理想的代替品。特别是随着世界性的化石能源石油的日渐短缺，以微藻生物柴油为代表的可再生的生物质新能源越来越受到世界各国的广泛关注，各国竞相投入了大量的人力物力开展了该领域的研究，目前在世界范围内掀起了微藻生物质能源研究的高潮。

目前微藻生物柴油的生产工艺主要有：微藻养殖、收集、脱水、藻油提取、酯交换。其中通过藻油提取与酯交换得到所需要的生物柴油，其成本可占约总成本的50％以上。因此研究如何降低微藻油脂提取和酯交换工艺的成本是微藻生物柴油技术未来发展的必由之路。

传统的藻油提取工艺采用压榨工艺或溶剂浸提工艺，由于微藻细胞比较小，细胞壁较厚，因此在进行压榨或溶剂浸提前都需要进行适当的前处理例如：造粒、压榨、蒸炒、挤压膨化等，然后才能利用有机溶剂提取得到微藻油脂。得到的藻油采用化学法、生物法和超临界流体法等方法进行酯交换反应，得到生物柴油。整个工艺工序繁琐、设备成本投入大，耗能大、环境污染严重。

Patil，P.D.等在2010年出版的“Optimization of direct conversion ofwet algae to biodiesel under supercritical methanol conditions(在超临界甲醇条件下湿藻至生物柴油的直接转化的优化)”，BioresourceTechnology(生物资源技术)(参见，www.elsevier.com/locate/biortech)中公开了一种超临界甲醇直接制备生物柴油的方法，其主要内容为：采用冷冻的湿藻加入一定量的甲醇，在超临界甲醇的状态下反应，生成生物柴油，通过减压蒸发回收甲醇，剩余物中加入正己烷提取生物柴油，离心后实现生物柴油和湿藻液的分离。含有生物柴油的正己烷溶液，通过固相萃取进行净化，然后用洗脱液洗脱中性脂，除去溶剂后得到生物柴油。在该微藻提取方法中，解决了超临界甲醇一步法湿藻制备生物柴油的问题。该技术存在的问题是：超临界甲醇反应中反应压力大，甲醇用量大，生物柴油的生产效率和能力低下，并导致甲醇回收利用工艺中能耗非常大。

中国专利申请号200910148494公开了一种“微藻一步法制备生物柴油”其主要内容为：在藻粉中加入低碳醇例如甲醇以及催化剂例如浓硫酸，氢氧化钠等，直接进行酯交换反应制备生物柴油。该方法解决了微藻一步法制备生物柴油的问题，但其存在的问题是：酯交换反应时间长(长达10小时)，低碳醇用量大，催化剂回收困难，后续处理产生大量废水等问题。

因此，需要开发一种微藻提取快速、工艺简单、成本低、污染小的从微藻提取油脂的方法。

发明内容

针对目前微藻一步法制备生物柴油的现有技术中存在的下列问题：酯交换反应时间长，甲醇用量大，催化剂不易回收，后续产生大量废水的问题，本发明人在研究中发现，通过将超临界流体技术和固体酸碱催化剂催化技术相结合，可以解决一步法制备微藻生物柴油技术中，酯交换反应时间长，低碳醇用量大，催化剂回收困难，后续处理产生大量废水等问题。

因此，本发明的目的是提供一种微藻提取快速、工艺简单、成本低、污染小的从微藻提取油脂的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，所述方法包括下列步骤：

(a)向藻粉中加入甲醇和固体催化剂，并且将得到的混合物在加热下、在高压釜中进行酯交换反应；

(b)将步骤(a)中得到的产物离心分离，得到含有除油藻粕和固体催化剂的固体相，以及含有生物柴油粗油、甲醇和甘油的液体相。

与本领域中的现有技术相比，本发明的从微藻提取油脂的方法有益效果在于：

1.用于从微藻制备生物柴油的酯交换反应在压力下进行，从而缩短了制备时间，提高了生产效率；

2.微藻提取操作在一个步骤中完成，工艺简便；

3.降低了微藻制备生物柴油工艺中甲醇的用量，从而降低了成本；

4.催化剂易于回收利用，降低了催化剂的使用量；

5.整个工艺过程无废水废液产生，属于绿色环保技术。

附图说明

图1显示根据本发明的通过一步法从微藻制备生物柴油的流程图。

具体实施方式

在本发明中，除非另外明确指出，术语“生物柴油”是指微藻中的甘油三酯、甘油二酯、甘油一酯中所含脂肪酸和游离脂肪酸与甲醇反应生成的脂肪酸甲酯。微藻中生物柴油的含量在40-60％之间。

本发明提出了一种利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，所述方法包括下列步骤：

(a)向藻粉中加入甲醇和固体催化剂，并且将得到的混合物在加热下、在高压釜中进行酯交换反应；

(b)将步骤(a)中得到的产物离心分离，得到含有除油藻粕和固体催化剂的固体相，以及含有生物柴油粗油、甲醇和甘油的液体相。

根据本发明的某些优选实施方案，其中步骤(a)中所述的藻粉是通过将微藻藻液脱水、干燥得到的。

根据本发明的某些优选实施方案，其中所述方法在步骤(b)后还包括下列步骤：

(c)将步骤(b)中得到的液体相蒸馏，以得到除去了甲醇的液体相；和

(d)将步骤(c)中得到的液体相静置分层，以分离出作为下层的甘油和作为上层的生物柴油粗油。

根据本发明的某些优选实施方案，在本发明中采用自养或异养养殖的富含油脂的淡水或海水微藻，其具体实例包括眼点拟微绿球藻(nannochloropsisocula ta)和小球藻(chlorella sp)。所述微藻在用于本发明的提取方法之前可以通过下列方法预处理：1.通过蝶式离心机离心浓缩后，经喷雾干燥后得到藻粉；2.藻液经卧螺式离心机离心浓缩后，通过链式干燥机干燥脱水得到藻粉。3.藻液经带式压滤机浓缩脱水后，通过链式干燥机干燥脱水得到藻粉。

根据本发明的某些优选实施方案，在本发明的酯交换过程中使用固体酸碱催化剂，其具体实例选自硫酸钛、镁铝水滑石、介孔氧化钙等及其混合物。所述介孔氧化钙的粒径为2-6mm，孔径为5-10nm。由于固体催化剂的加入，改善了超临界法的工艺条件，使得反应温度和压力显著降低，减少了设备投入。同时固体催化剂易于回收利用，降低了催化剂的消耗量，使得整个工艺过程中无废水产生。

镁铝水滑石和介孔氧化钙属于固体碱催化剂，硫酸钛属于固体酸催化剂。提取出的微藻油脂中以甘油三酯为主，甘油三酯在酸碱催化剂的作用下，与甲醇发生酯交换反应，生成脂肪酸甲酯(即生物柴油)和甘油。

在酸碱催化酯交换反应过程，催化剂提供的活性离子(酸催化反应中是质子，碱催化反应中是甲氧阴离子)首先攻击甘油三酯的羰基碳原子，形成一个四面体结构的中间体，然后这个中间体分解成一个脂肪酸甲酯和一个甘油二酯，并产生一个相同的活性离子催化下一轮反应。甘油二酯及甘油单酯也按这个过程反应，最终生成脂肪酸甲酯和甘油。下图为酸碱催化酯交换反应的化学反应式。

根据本发明的某些优选实施方案，所述方法还包括将步骤(b)中得到的固体相筛分的步骤。在根据本发明方法的步骤(b)中得到了含有除油藻粕和固体催化剂的固体相，为了将除油藻粕与固体催化剂分离，从而将分离的除油藻粕进一步用于动物饲料，并且将分离的固体催化剂回收再利用，可以根据固体相中除油藻粕和催化剂的颗粒大小不同而利用筛网实现分离。根据本发明，所使用的筛网的网孔直径为2mm-6mm。

根据本发明的某些优选实施方案，在所述酯交换反应中，所述藻粉与甲醇的重量比为1∶1-1∶5，优选为1∶3-1∶4。在该方法中使用的甲醇的量远远小于现有技术中的萃取溶剂甲醇的量(现有技术中通常采用的待萃取物与甲醇的重量比通常为1∶10)。在所述酯交换反应中，所述藻粉与所述固体催化剂的重量比为100∶1-20∶1，优选为50∶1-25∶1。所述高压釜中的所述酯交换反应的反应温度为260℃-350℃，反应时间为10分钟-40分钟。优选地，所述高压釜中的所述酯交换反应的反应温度为280℃-320℃，反应时间为20分钟-30分钟。

根据本发明的实施方案，在步骤(a)中，在以上所述的温度下，高压釜内的压力在2-7Mpa的范围内，高压釜中的甲醇处于超临界状态。以超临界甲醇为媒介物进行藻油提取和酯交换反应，在反应体系中，超临界甲醇既是微藻油脂的提取溶剂，又是酯交换反应的反应介质。在超临界状态下的甲醇，分子的扩散性、渗透性明显的增强，缩短了微藻油脂提取时间；同时超临界甲醇具有疏水性和较低的介电常数，可以与提取出来的微藻油脂充分地溶解到一起，因此极大地提高了酯交换反应的效率。缩短了微藻制备生物柴油的反应时间，提高了生产效率。

同时在超临界甲醇状态下的酯交换反应，减少了甲醇的用量，减轻了甲醇回收利用的负担，降低了成本。并且在超临界甲醇反应体系中水分的存在对酯交换反应几乎没有影响，因此该工艺对藻粉含水量要求不高，≤20％即可满足要求。

根据本发明的某些优选实施方案，在步骤(c)中，将步骤(b)中得到的液体相在-0.05MPa至-0.1MPa的压力、30℃-50℃的温度减压蒸馏，从而除去液体相中的甲醇，并且可以将回收的甲醇再利用。

图1显示了根据本发明的通过一步法从微藻制备生物柴油的流程图。其中，将一定量的甲醇、藻粉和固体催化剂放入反应釜中，将得到混合物在一定的压力和温度下加热反应，将反应产物经离心实现固液分离，将液体经减压蒸发除去甲醇后，静止分层后，得到上层的生物柴油。

实施例

下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。需要指出，这些描述和实施例都是为了使本发明便于理解，而非对本发明的限制。本发明的保护范围以所附的权利求书为准。

在本发明中，除非另外规定，百分比“％”以重量计。

实施例中所用的反应釜为GS1L型反应釜，厂家为威海市正威机械设备有限公司。

实施例中所用的碟式离心机型号为DHC400型，生产厂家为辽阳华联制药机械有限公司。

实施例中所用的卧式螺旋沉降离心机为LW220*700型，生产厂家为浙江丽水天工环保设备有限公司。

实施例中所用的带式压滤机为DYQ-1000型，生产厂家为潍坊天成环保设备有限公司。

实施例中所用的链式平板烘干机型号为YBHG 15型，生产厂家为河南省航海粮油机械有限公司。

实施例中所用的化学试剂均为市售商品。

微藻油脂提取率评价方法

在本发明中，采用“生物柴油提取率”表示从微藻中提取生物柴油的效率。具体地，生物柴油提取率通过下列方法和公式测量：

微藻中生物柴油含量的测定方法为

在冷冻干燥后的藻粉50mg中，加入10％乙酰氯甲醇溶液6.0mL，充氮气后，进行密封，在80℃下磁力搅拌2h，之后取出冷却至室温。将反应后的样液转移至50mL离心管中，分别用3.0mL 6％碳酸钠溶液清洗玻璃管三次，合并碳酸钠溶液于50mL离心管中，混匀，5000r/min离心5min。取上层清液作为试液，用Agilent 7890GC-FID气相色谱仪进行测定，微藻中生物柴油含量以脂肪酸甲酯的含量计。

色谱条件为：SP2560色谱柱；氮气载气；进样口温度：220℃；分流比：30∶1；检测器温度：260℃；柱温箱温度：初始温度140℃，保持5min，以4℃/min升温至240℃，保持15min；载气流速：1.0mL/min。

粗油中生物柴油含量的测定方法

取生物柴油粗油50mg，加入10％乙酰氯甲醇溶液6.0mL，转移至50mL离心管中，分别用3.0mL 6％碳酸钠溶液清洗玻璃管三次，合并碳酸钠溶液于50mL离心管中，混匀，5000r/min离心5min。取上层清液作为试液，用Agilent7890GC-FID气相色谱仪进行测定，粗油中生物柴油含量以脂肪酸甲酯含量计。色谱条件同上。

实施例1

眼点拟微绿球藻(nannochloropsis ocula ta)购于中国水产科学研究院黄海水产研究所，C1502，该藻种的培养等详细信息参见《中国海洋药物》，2003，91(1)，《富含EPA的海洋微藻眼点拟微球藻的大规模培养》，5～10。

通过下列程序从眼点拟微绿球藻藻液提取生物柴油：

1.眼点拟微绿球藻(nannochloropsis oculata)藻液经蝶式离心机(离心后，经过喷雾干燥后得到藻粉，所得藻粉的含水量为7重量％；

2.将100g眼点拟微绿球藻藻粉放入高压反应釜(GS1L型反应釜，威海市正威机械设备有限公司)中，然后加入1g镁铝水滑石(湖南邵阳天堂助剂化工有限公司)，500g甲醇，密封后，控制反应釜的温度到300±5℃，连续搅拌，反应20min，冷却至室温；

3.将所得产物采用立式离心机(7780，日本久保田公司)以5000rpm离心分离10分钟，从而得到固体相和液体相。将固体相用20目的筛网筛分，得到0.95g镁铝水滑石和49g除油藻粕；

4.将液体相在-0.1MPa的压力和30℃的温度下减压蒸馏，以除去甲醇，并且收集甲醇再利用；

5.将除去了甲醇的液体相静置1小时，该液体相分为上下两层，其中上层为生物柴油粗油，而下层为甘油。

在最终得到的生物柴油粗油中，生物柴油提取率为92.6重量％。

实施例2

小球藻(chlorella sp)，中国科学院水生生物研究所FACHB-1298，该藻种的培养方法等详细信息参见中国专利申请200810246702.2。

通过下列程序从小球藻藻液提取生物柴油：

1.小球藻(chlorella sp)藻液经带式压滤机浓缩脱水后，通过链式平板烘干机进行干燥后，所得藻粉的含水量为8重量％；

2.将100g藻粉放入高压反应釜(GS1L型反应釜，威海市正威机械设备有限公司)中，然后加入2g镁铝水滑石(湖南邵阳天堂助剂化工有限公司)，400g甲醇，密封后，控制反应釜的温度到320±5℃，连续搅拌，反应20min，冷却至室温；

3.将所得产物采用立式离心机以5000rpm离心分离10分钟，从而得到固体相和液体相。将固体相用20目的筛网筛分，得到1.9g镁铝水滑石和48g除油藻粕；

4.将液体相在-0.1MPa的压力和40℃的温度下减压蒸馏，以除去甲醇，并且收集甲醇再利用；

5.将除去了甲醇的液体相静置1小时，该液体相分为上下两层，其中上层为生物柴油粗油，而下层为甘油。

在最终得到的生物柴油粗油中，生物柴油提取率为94.3重量％。

实施例3

眼点拟微绿球藻(nannochloropsis oculata)购于中国水产科学研究院黄海水产研究所C1502，该藻种的培养等详细信息参见《中国海洋药物》，2003，91(1)，《富含EPA的海洋微藻眼点拟微球藻的大规模培养》，5～10。

通过下列程序从眼点拟微绿球藻藻液提取生物柴油：

1.眼点拟微绿球藻(nannochloropsis oculata)藻液经卧螺式离心机离心后，经过链式平板烘干机干燥后得到藻粉，所得藻粉的含水量为8重量％；

2.将100g眼点拟微绿球藻藻粉放入高压反应釜(GS1L型反应釜，威海市正威机械设备有限公司)中，然后加入1g介孔氧化钙(淄博学文工贸有限公司粒径2-6mm孔径5-10nm)，100g甲醇，密封后，控制反应釜的温度到260±5℃，连续搅拌，反应40min，冷却至室温；

3.将所得产物采用立式离心机、以5000r pm离心分离10分钟，从而得到固体相和液体相。将固体相用20目的筛网筛分，得到0.95g介孔氧化钙和52g除油藻粕；

4.将液体相在-0.1MPa的压力和30℃的温度下减压蒸馏，以除去甲醇，并且收集甲醇再利用；

5.将除去了甲醇的液体相静置1小时，该液体相分为上下两层，其中上层为生物柴油粗油，而下层为甘油。

在最终得到的生物柴油粗油中，生物柴油提取率为89.7重量％。

实施例4

眼点拟微绿球藻(nannoch loropsis oculata)购于中国水产科学研究院黄海水产研究所C1502，该藻种的培养等详细信息参见《中国海洋药物》，2003，91(1)，《富含EPA的海洋微藻眼点拟微球藻的大规模培养》，5～10。

通过下列程序从眼点拟微绿球藻藻液提取生物柴油：

1.眼点拟微绿球藻(nannochloropsis oculata)藻液经蝶式离心机离心后，经过喷雾干燥后得到藻粉，所得藻粉的含水量为7重量％；

2.将100g眼点拟微绿球藻藻粉放入高压反应釜(GS1L型反应釜，威海市正威机械设备有限公司)中，然后加入4g硫酸钛(苏州市格林曼化工有限公司)，300g甲醇，密封后，控制反应釜的温度到350±5℃，连续搅拌，反应20min，冷却至室温；

3.将所得产物采用立式离心机、以5000rpm离心分离10分钟，从而得到固体相和液体相。将固体相用20目的筛网筛分，得到3.95g硫酸钛和45g除油藻粕；

4.将液体相在-0.1MPa的压力和30℃的温度下减压蒸馏，以除去甲醇，并且收集甲醇再利用；

5.将除去了甲醇的液体相静置1小时，该液体相分为上下两层，其中上层为生物柴油粗油，而下层为甘油。

在最终得到的生物柴油粗油中，生物柴油提取率为94.7重量％。

实施例5

眼点拟微绿球藻(Nannochloropsis ocula ta)购于中国水产科学研究院黄海水产研究所C1502，该藻种的培养等详细信息参见《中国海洋药物》，2003，91(1)，《富含EPA的海洋微藻眼点拟微球藻的大规模培养》，5～10。

通过下列程序从眼点拟微绿球藻藻液提取生物柴油：

1.眼点拟微绿球藻(Nannochloropsis oculata)藻液经带式压滤机脱水后，再经过链式干燥机干燥后得到藻粉，所得藻粉的含水量为9重量％；

2.将100g眼点拟微绿球藻藻粉放入高压反应釜(GS1l型反应釜，威海市正威机械设备有限公司)中，然后加入1g硫酸钛(苏州市格林曼化工有限公司)，350g甲醇，密封后，控制反应釜的温度到290±5℃，连续搅拌，反应30min，冷却至室温；

3.将所得产物采用立式离心机、以5000rpm离心分离10分钟，从而得到固体相和液体相。将固体相用20目的筛网筛分，得到0.95g硫酸钛和45g除油藻粕；

4.将液体相在-0.1MPa的压力和30℃的温度下减压蒸馏，以除去甲醇，并且收集甲醇再利用；

5.将除去了甲醇的液体相静置1小时，该液体相分为上下两层，其中上层为生物柴油粗油，而下层为甘油。

在最终得到的生物柴油粗油中，生物柴油提取率为95.6重量％。

由以上实施例可知，本发明的方法具有微藻提取快速、工艺简单、成本低、污染小的优点，从而实现了本发明的目的。

Claims (10)

1.一种利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，所述方法包括下列步骤：

(0a)通过下列方法对所述微藻预处理：通过蝶式离心机离心浓缩后，经喷雾干燥后得到藻粉；或者，藻液经卧螺式离心机离心浓缩后，通过链式干燥机干燥脱水得到藻粉；或者，藻液经带式压滤机浓缩脱水后，通过链式干燥机干燥脱水得到藻粉；其中，所述藻粉的含水量≤20％；

(a)向藻粉中加入甲醇和固体催化剂，并且将得到的混合物在加热下、在高压釜中进行酯交换反应，其中所述藻粉与甲醇的重量比为1:1-1:5，所述藻粉与所述固体催化剂的重量比为100:1-20:1，所述高压釜中的所述酯交换反应的反应温度为260℃-350℃，反应时间为10分钟-40分钟；

(b)将步骤(a)中得到的产物离心分离，得到含有除油藻粕和固体催化剂的固体相，以及含有生物柴油粗油、甲醇和甘油的液体相。

2.根据权利要求1所述的利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，其中步骤(a)中所述的藻粉是通过将微藻藻液脱水、干燥得到的。

3.根据权利要求1或2所述的利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，其中所述方法在步骤(b)后还包括下列步骤：

(c)将步骤(b)中得到的液体相蒸馏，以得到除去了甲醇的液体相；和

(d)将步骤(c)中得到的液体相静置分层，以分离出作为下层的甘油和作为上层的生物柴油粗油。

4.根据权利要求1所述的利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，其中所述微藻为眼点拟微绿球藻(nannochloropsis oculata)或小球藻(chlorella sp)。

5.根据权利要求1所述的利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，其中所述固体催化剂选自硫酸钛、镁铝水滑石、介孔氧化钙中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，其中所述介孔氧化钙的粒径为2-6mm，孔径为5-10nm。

7.根据权利要求1所述的利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，所述方法还包括将步骤(b)中得到的固体相筛分的步骤。

8.根据权利要求1所述的利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，其中所述藻粉与所述固体催化剂的重量比为50:1-25:1。

9.根据权利要求1所述的利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，其中在步骤(a)中，所述高压釜中的所述酯交换反应的反应温度为280℃-320℃，反应时间为20分钟-30分钟。

10.根据权利要求3所述的利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法，其中在步骤(c)中，将步骤(b)中得到的液体相在-0.05MPa至-0.1MPa的压力、30℃-50℃的温度减压蒸馏。