CN103224835B - 含油微藻提取不饱和脂肪酸并制备航空燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含油微藻提取不饱和脂肪酸并制备航空燃料的方法，该方法包括：1）将微藻粉碎破壁制得微藻粉颗粒并加入夹带剂，利用超临界CO2萃取技术对微藻粉颗粒中的不饱和脂肪酸进行萃取，得到混合油脂和藻渣；2）对步骤1）中萃取的混合油脂进行分离富集分别得到不饱和脂肪酸和剩余油脂；3)将步骤1）中得到的藻渣进行热裂解得到热解生物油，接着将得到的热解生物油与所述剩余油脂混合，先进行加氢处理得到包含煤油的主产物和包含汽油和柴油的副产物。本发明的方法的不饱和脂肪酸的提取率可达到80-95%，油脂总提取率70-90%。所得到煤油组分可达到航空煤油的用油标准。

Description

含油微藻提取不饱和脂肪酸并制备航空燃料的方法
技术领域
本发明涉及含油微藻综合利用领域，具体涉及提取包括但不限于多不饱和脂肪酸DHA(二十二碳六烯酸)/EPA(二十碳五烯酸)后，剩余油脂与剩余残渣热解生物油共同加氢、异构生产航空煤油，并副产汽油、柴油的方法。
背景技术
微藻与其他能源植物相比由于高光合效率、高油脂产量、不占耕地、不与人征粮等特点成为替代能源的主要生物原料。另外，藻细胞中还含有大量可降低高血压、降低心脏病多不饱和脂肪酸营养物质，这为开发微藻多效利用奠定基础。
目前多不饱和脂肪酸其来源有限，主要从脂肪含量较高海洋鱼油中提取。鱼类自身并不能合成大量多不饱和脂肪酸，只是从食物中摄取并累积DHA(二十二碳六烯酸)和EPA(二十碳五烯酸)，产量低难于满足要求。藻类是多不饱和脂肪酸主要的最初来源，多种微藻自身均能合成DHA和EPA，其相对含量高出鱼油数百倍，甚至更多。因此，从数百种微藻中提纯脂肪酸，具有较大的开发价值。
微藻具有油脂含量高的特点。在实验室条件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60％以上，户外生产也可增加到40％以上，而一般自然状态下微藻的脂质含量为5％-20％。从微藻中提取油脂后，通过常规化学或生物方法将藻类油脂转化为能源产品如生物柴油等。
除利用微藻油脂外，微藻中还含有大量纤维素、半纤维素、糖、蛋白质等，而微藻热解技术不仅可以利用微藻中油脂，而且还可利用微藻中其他多种有机物质。采用藻体为原料的快速热解技术获取生物油的研究受到人们的重视。
虽然含油微藻具有多种用途，但目前对微藻利用仅局限于某一方面利用，或只提取微藻不饱和脂肪酸作为保健品，或仅提取油脂制备生物燃料，或直接热解制备生物燃料。而且，虽然生物航空燃料承担着能源安全和碳减排双重责任，但是微藻生物燃料商业化仍然存在许多技术上障碍。究其原因，其一，主要是由于藻类物质在实际运行过程中存在综合利用效率低导致生产成本高等问题。因此，迫切需要提供一种新藻类物质综合利用技术解决上述现有技术和产业化中存在的问题；其二，直接热解得到的生物油具有热值低、酸度高、稳定性差等缺点，通过引入催化剂可有效改善油品品质，微藻催化热解效率有待进一步提高；其三，通过常规制备工艺获得藻油还远不能达到航空煤油要求，除了成分与现有航空煤油存在差异外，其粘度、表面张力、安定性、低温性能等指标都远不能达到航空煤油指标，也就是必须设计可行加氢精制、加氢异构裂化工艺以达到或接近航空用油标准。其四，微藻制备航空煤油成本高，工业应用受到限制。本发明通过先提取微藻中高附加值的不饱和脂肪酸，再制备航空煤油的方法，就可弥补这一不足。
发明内容
本发明目的在于提供一种耦合藻类生物质提取不饱和脂肪酸，如EPA(二十碳五烯酸)和DHA(二十二碳六烯酸)，并同时制备航空燃料的方法。本发明采用超临界CO2萃取和精馏技术提取油脂，并分离纯化EPA和DHA。提取油脂后藻渣采用热解得到粗油，粗油与上述提取EPA和DHA剩余油脂混合、脱水、脱胶后通过加氢精制、加氢异构裂化，获得以航空煤油为主要组分的液体燃料。
本发明提供了一种含油微藻提取不饱和脂肪酸并制备航空燃料的方法，该方法包括：
1)将微藻粉碎破壁制得微藻粉颗粒并加入夹带剂，利用超临界CO2萃取技术对微藻粉颗粒中的不饱和脂肪酸进行萃取，得到混合油脂和藻渣；
2)对步骤1)中萃取的混合油脂进行分离富集分别得到不饱和脂肪酸和剩余油脂；
3)将步骤1)中得到的藻渣进行热裂解得到热解生物油，接着将得到的热解生物油与步骤2)得到的剩余油脂混合，进行加氢处理得到包含煤油的主产物和包含汽油和柴油的副产物，所述包含煤油的主产物能够作为航空燃料使用。
在本发明的一个优选实施方式中，所述不饱和脂肪酸为二十碳五烯酸和/或二十二碳六烯酸。
微藻收集后采用传统干燥方法得到微藻粉，由于微藻油脂多存在于细胞壁所包裹藻体细胞内。因此，在油脂提取前对藻体进行破壁以利于提高后续油脂和不饱和脂肪酸提取率。
因此，在本发明的一个优选实施方式中，所述破碎优选采用机械超微粉碎、微波破碎或超声破碎的方式。
在本发明的一个优选实施方式中，步骤1)中所述微藻粉颗粒的平均粒径为20-60目。
超临界CO2萃取技术具备能耗低、操作方便、回收CO2容易、不污染不饱和脂肪酸等优点，但CO2是非极性物质，单纯CO2只能萃取极性较低的亲脂性物质，而藻类中EPA和DHA分布于低极性的甘油脂、中极性半乳糖脂和极性更大磷脂中。因此，萃取过程加入极性夹带剂，以提高极性和非极性油脂提取率，从而提高EPA和DHA提取率。
因此，在本发明的一个优选实施方式中，步骤1)中所述夹带剂选自以下化合物中的一种或多种：乙醇、乙酸乙酯、石油醚、乙醚、氯仿、丙酮或甲醇。
在本发明的一个优选实施方式中，步骤1)中所述微藻粉颗粒与所述夹带剂的质量比为1:0.3-1.0。
在本发明的一个优选实施方式中，步骤1)中所述超临界CO2萃取的压力为25-50MPa，温度为35-45℃，CO2耗量150-250ml/g。
超临界CO2萃取中，温度相同，压力高，则分离选择性低，产品纯度低；压力低，混合物分离选择性好，产品纯度高。且低压下，脂肪酸酯可溶性组分在超临界CO2中溶解度下降，需要增大溶剂与进料量比；高压下，则溶剂与进料量比小。因此，在实际操作过程中，则应结合不同藻种油脂分布特点综合考虑产品纯度、溶剂与进料量比等因素。
在本发明的一个优选实施方式中，步骤2)所述的分离富集为采取超临界萃取精馏技术进行分离富集。从而分离富集得到EPA和DHA。
其是利用EPA和DHA碳数不同而在CO2中溶解度不同进行分离的。在分离柱上设置一个由低到高温度梯度，会产生自然回流精馏效果。精馏柱温度梯度设置对分离选择性有重要作用，再进一步采用程序升压法从而使EPA和DHA得到更好富集。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤3)所述的热裂解中，使用HZSM-5、MCM-48、MCM-41或HY分子筛作为催化剂。将上述提取油脂的藻渣采用催化热解技术制备生物油。
通过优化热解温度、气体停留时间、藻渣停留时间、升温速率、热解设备，获得以生物油为主的热解产物。
在本发明的一个具体实施方式中，步骤3)中所述的加氢处理包括加氢精制处理和加氢异构化处理。
所述加氢精制使用加氢精制催化剂，所述加氢精制催化剂选自以下物质中的一种或几种：Ni-W/A12O3、Ni-Mo/A12O3或Co-Mo/A12O3。
所述加氢精制处理中，氢分压为5-15MPa，氢油比为600-1000m3/m3，温度为280℃-420℃，空塔流速为0.25-2h-1。
所述加氢异构化处理是加氢异构裂化处理，且所述加氢异构裂化处理使用加氢异构裂化催化剂，加氢异构裂化催化剂选自以下物质中的一种或几种：Ni-Mo/B2O3-A12O3、Ni-Co/B2O3-A12O3、Ni-Mo/SiO2-A12O3或Ni-Mo/SiO2-A12O3。
所述加氢异构裂化处理中，氢分压为8-15MPa，氢油比为1000-1500m3/m3，温度为350-440℃，空塔流速为0.5-2h-1。
两段加氢形成两个独立的加氢体系，该流程的特点是：对原料的适应性强，操作灵活性较大，产品分布可调节性较大。
在本发明的一个优选实施方式中，步骤3)所述的加氢处理后，再经分馏可得到包含煤油的主产物和包含汽油和柴油的副产物。
在本发明的方法得到的煤油可达到航空煤油的用油标准，可作为航空燃料使用。
在本发明利用上述系统进行藻类生物质提取DHA/EPA耦合制备航空燃料方法中，具体的，包括以下步骤：
1.将微藻干粉按比例(1:0.3-1.0)加入夹带剂，夹带剂可选乙醇、乙酸乙酯、石油醚、乙醚、氯仿、丙酮或甲醇等，混合均匀后进行CO2超临界萃取，超临界萃取压力为25-50MPa，温度为35-45℃，CO2耗量150-250ml/g，在此条件下可最大程度的萃取出混合油脂，并送入精馏柱，萃取并进一步分离EPA、DHA和混合油脂。精馏压力为11-15MPa，精馏温度梯度为40-80℃，CO2耗量为200-300mL/g，在此工艺条件下，EPA和DHA提取率为80-95％，油脂总提取率70-90％。
2.提取油脂后的藻渣与催化剂按质量比(2-5:1)混合，选用HZSM-5、MCM-48、MCM-41或HY分子筛作为催化剂，反应器采用流化床，载气为氮气，温度控制在300-450℃，气体停留时间0.5-1s，进行快速热裂解，经冷凝得到液体生物油，离心分离去除水分，得到热解生物油。
3.热解生物油与萃取提出多不饱和脂肪酸的剩余油脂混合，脱水脱胶后进行加氢精制、加氢异构裂化。加氢精制催化剂可选用Ni-W/A12O3、Ni-Mo/A12O3、Co-Mo/A12O3；氢分压为5-15MPa；氢油比为600-1000m3/m3，温度为280℃-420℃，空塔流速为0.25-2h-1；加氢异构裂化催化剂可选用以下物质中的一种或几种：Ni-Mo/B2O3-A12O3、Ni-Co/B2O3-A12O3、Ni-Mo/SiO2-A1203或Ni-Mo/SiO2-A12O3，氢分压为8-15MPa，氢油比为1000-1500m3/m3，温度为350-440℃，空塔流速为0.5-2h-1；在固定床反应器中，催化剂预硫化后，生物油经过脱羧、脱氧、脱氮、脱硫、裂化异构后，生成包括烷烃、环烷烃、芳香烃的产物，收率65-80％，脱氧率为99.9％。进一步分馏得到作为主产物的煤油和作为副产汽油和柴油。
发明的有益效果：
1.超临界CO2萃取精馏技术令萃取过程具有萃取和精馏双重性能，且通过合理设计温度梯度、压力梯度，同时兼顾EPA、DHA和油脂共提取效率；
2.微藻提取油脂后采用快速催化热解，通过优化加热速率、传热速率、气相停留时间和快速冷却，以及优选催化剂提高了生物油产量；
3.微藻油脂和微藻热解油经加氢精制、加氢异构裂化得到以航空煤油为主并副产柴油、汽油的标准油品。
4.所制备的航空燃料其各项指标如含水量、酸值、粘度、表面张力等均能达到航空煤油性能指标；
5.本发明提供了全面且高效利用微藻的技术方法。
附图说明
图1为本发明含油微藻提取不饱和脂肪酸并制备航空燃料的方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明的范围并不限于以下实施例。
实施例1.
一种含油微藻提取DHA和EPA耦合制备航空燃料方法，如图1所示该系统包括：
1.提取油脂，分离纯化EPA和DHA：采用附加有精馏柱的超临界萃取系统。将微藻干粉按1:0.6-0.8比例加入乙酸乙酯夹带剂，混合均匀后进行CO2超临界萃取，超临界萃取压力25-35MPa，温度35-45℃，CO2耗量150-250ml/g，萃取出混合油脂送入精馏柱进行分离富集，精馏压力控制11.0-15.0MPa，精馏温度梯度40-80℃，CO2耗量200-300mL/g，在此工艺条件下，EPA和DHA提取率可达到80-95％，油脂总提取率70-90％。
2.藻渣热解：提取油脂后藻渣与MCM-41催化剂或HY分子筛按质量比2-3:1混合，流化床反应器，氮气为载气进料，在温度300℃-450℃，0.5s气体停留时间条件下进行快速热裂解，经冷凝、离心分离去除水分得到液体生物油。
3.生物油加氢精制、加氢异构裂化：热解生物油与萃取提出多不饱和脂肪酸的剩余油脂混合，脱水脱胶后进行加氢精制、加氢异构裂化。在固定床反应器中，选用Ni-W/A12O3或Ni-Mo-P/A12O3加氢精制催化剂，预硫化后，在氢分压8-10MPa，氢油比800-1000m3/m3，温度280-420℃，空塔流速0.5-1h-1条件下，生物油经两段加氢精制脱出氮、硫、氧等后进入两段加氢异构裂化；选用Ni-Mo/SiO2-A12O3或Ni-Mo/B2O3-A12O3加氢异构裂化催化剂，氢分压8-12MPa，氢油比1000-1500m3/m3，温度350-440℃，空塔流速0.5-2h-1；生物油加氢裂化异构后，生成包括烷烃、环烷烃、芳香烃的产物，收率65-80％，脱氧率99.9％。油品经脱水及调酸后进一步分馏得到煤油、汽油和柴油。煤油收率为50-75％，所述煤油可作为航空煤油使用。
实施例2
一种含油微藻提取不饱和脂肪酸并制备航空燃料的方法。如图1中所示，包括如下步骤：
1.提取油脂，分离纯化EPA和DHA：将微藻干粉按1:0.5-1.0比例加入乙醇或乙酸乙酯夹带剂，混合均匀后进行CO2超临界萃取，超临界萃取压力30-35MPa，温度38-42℃，CO2耗量170-250ml/g，萃取出混合油脂送入精馏柱进行分离富集，精馏压力控制11.0-15.0MPa，精馏温度梯度40-80℃，CO2耗量200-300mL/g，在此工艺条件下，EPA和DHA提取率可达到75-95％，油脂总提取率70-90％。
2.藻渣热解：提取油脂后藻渣与MCM-41或HZSM-5按质量比2-4:1混合，流化床反应器，氮气为载气进料，在温度330-420℃，0.5-1s气体停留时间条件下进行快速热裂解，经冷凝、离心分离去除水分得到液体生物油。
3.生物油加氢精制、加氢异构裂化：热解生物油与萃取提出多不饱和脂肪酸的剩余油脂混合，脱水调酸后进行加氢精制、加氢异构裂化。在两段加氢精制固定床反应器中分层装填有多种组成和性能不同的催化剂，原料油自上而下滴流进入反应器，首先通过加氢脱金属催化剂，随后相继是加氢脱硫和加氢脱氮催化剂。选用Ni-W/SiO2-A12O3或Ni-Mo-P/A12O3加氢精制催化剂，预硫化后，在氢分压8-10MPa，氢油比800-1000m3/m3，温度280-420℃，空塔流速0.5-1h-1条件下，生物油经两段加氢精制脱出氮、硫、氧等后进入一段加氢异构裂化；选用Ni-Mo/SiO2-A12O3或Ni-Mo/B2O3-A12O3加氢异构裂化催化剂，氢分压8-12MPa，氢油比1000-1500m3/m3，温度350-440℃，空塔流速0.5-2h-1；生物油加氢裂化异构后，生成包括烷烃、环烷烃、芳香烃的产物，收率65-80％，脱氧率99.9％。油品经脱水及调酸后进一步分馏得到煤油、汽油和柴油。

Claims (14)

1.一种含油微藻提取不饱和脂肪酸并制备航空燃料的方法，该方法包括：
1)将微藻粉碎破壁制得微藻粉颗粒并加入夹带剂，利用超临界CO2萃取技术对微藻粉颗粒中的不饱和脂肪酸进行萃取，得到混合油脂和藻渣；
2)对步骤1)中得到的混合油脂进行分离富集分别得到不饱和脂肪酸和剩余油脂；
3)将步骤1)中得到的藻渣进行热裂解得到热解生物油，接着将得到的热解生物油与步骤2)得到的剩余油脂混合，进行加氢处理得到包含煤油的主产物和包含汽油和柴油的副产物，所述包含煤油的主产物能够作为航空燃料使用；
其中，步骤1)中所述夹带剂选自以下化合物中的一种或多种：乙醇、乙酸乙酯、石油醚、乙醚、氯仿、丙酮或甲醇。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不饱和脂肪酸为二十碳五烯酸和/或二十二碳六烯酸。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述微藻粉颗粒的平均粒径为20-60目。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述微藻粉颗粒与所述夹带剂的质量比为1:0.3-1.0。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述超临界CO2萃取的压力为25-50MPa，温度为35-45℃，CO2耗量为150-250ml/g。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤2)所述的富集分离为采取超临界萃取精馏技术进行分离富集。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤3)所述的热裂解中，使用HZSM-5、MCM-48、MCM-41或HY分子筛作为催化剂。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述的加氢处理包括加氢精制处理和加氢异构化处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述加氢精制处理使用加氢精制催化剂，所述加氢精制催化剂选自以下物质中的一种或几种：Ni-W/A12O3、Ni-Mo/A12O3或Co-Mo/A12O3。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述加氢精制处理中，氢分压为5-15MPa；氢油比为600-1000m3/m3，温度为280℃-420℃，空塔流速为0.25-2h-1。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述加氢异构化处理是加氢异构裂化处理，且所述加氢异构裂化处理使用加氢异构裂化催化剂，所述加氢异构裂化催化剂选自以下物质中的一种或几种：Ni-Mo/B2O3-A12O3、Ni-Co/B2O3-A12O3、Ni-Mo/SiO2-A1203或Ni-Mo/SiO2-A12O3。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述加氢异构裂化处理中，氢分压为8-15MPa，氢油比为1000-1500m3/m3，温度为350-440℃，空塔流速为0.5-2h-1。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤3)所述的加氢处理后，再经分馏可得到包含煤油的主产物和包含汽油和柴油的副产物。
14.一种根据权利要求1-13中任一项所述的方法制备的包含煤油的主产物作为航空燃料的使用。
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