CN103396895A - 一种微藻超声波辅助直接酯交换制备生物柴油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微藻超声波辅助直接酯交换制备生物柴油的方法，其原理在于利用海洋微藻为原料，通过超声波产生的空化作用及其高效的混合作用，加快反应的进行，在碱催化条件下，与甲醇通过酯交换反应直接制备生物柴油。本发明的方法不仅工艺过程简单、清洁环保，而且缩短了反应的时间、有效降低生产成本。

Description

一种微藻超声波辅助直接酯交换制备生物柴油的方法
技术领域
本发明涉及生物能源领域，具体地涉及超声波辅助以栅藻为原料制备生物柴油的方法。
背景技术
随着现代工业的发展和人口的急剧增加，全世界对能源的需求量越来越大，也加大了对地球资源的开采和利用。能源危机一词已经越来越频繁的被各国的专家提到。据相关的评估报告，按照目前的速度，世界传统石油资源将在40年后用尽。随着石油资源的日益枯竭，未来世界各国对石油能源的争夺将更为激烈。为了解决石油的不可再生问题，各国开始寻找可替代的能源。
生物柴油经内燃机使用后，排放出的有害气体少。对于人类和大自然有积极的保护意义。大力发展生物柴油，对推进能源替代、摆脱对矿物能源的依赖、减少CO2排放，控制因汽车尾气引起的城市大气污染和实现经济可持续发展都具有极其重要的意义。
藻类作为一种重要的可再生资源，具有分布广、生物量大、光合效率高、环境适应能力强、生长周期短、油脂含量高和环境友好等突出特点。藻类尤其是微型藻类将会成为提供新能源和新资源的“明星”，微藻的能源化利用有望成为“后石油时代”破解能源危机的一把金钥匙。在最近两年，不管是国内外有关利用微藻生产生物燃料的基础研究，还是应用开发报道都呈现大幅增长的态势。
超声波对酯交换反应的作用机理是基于气穴现象。在超声波辐射下，液体流动而产生数以万计的微小气泡，微小气泡(空化核)在声场作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后内爆破灭，气泡破灭时产生冲击波，使其周围产生上千大气压力。辐射波输入的能量被转换成摩擦、紊流、波浪和气穴，负压的气穴气泡破灭可产生激烈的局部高温(约5000K)和高压(约100MPa)，并伴随巨大的冷却速率(大于109K/s)及液体喷射流(约400km/h)，造成的压差和搅动可克服液体的黏附力和粘合力，使反应体系在很短的时间里达到较好的混合。
目前利用栅藻超声波辅助制备生物柴油的研究多采用超声波清洗器作为超声波发生装置，集中于低功率，一般在200W左右。以栅藻为原料，通过超声波辅助直接制备生物柴油的专利尚无报道。本发明使用的超声波合成萃取仪功率范围为0-1500W，直接将超声波探头浸入盛放物料的容器中，并对物料进行测温控温，可更全面地考察超声波对于微藻制备生物柴油的辅助作用及影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术方案的不足，从而提供一种微藻超声波辅助直接酯交换制备生物柴油的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种微藻超声波辅助直接酯交换制备生物柴油的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）酯交换反应：
将干燥的藻粉与无水甲醇溶液按料液质量比为1:2-1:6与质量为藻粉3%-11%的催化剂KOH进行混合，在温度为60-100℃，超声波功率为400W条件下反应10-50分钟；
（2）分离纯化：
将步骤（1）反应完的溶液取出，于室温下静置冷却1-1.5小时，过滤藻粉，滤液用石油醚萃取，加入饱和NaCl溶液，静置分层后，收集上层石油醚相，反复萃取3-4次，合并有机相，减压蒸馏，即得到生物柴油粗产品。
步骤（1）中料液质量比优选1:3-1:4，催化剂KOH优选其质量为藻粉的7%-9%；所述藻粉优选栅藻藻粉。
步骤（2）中石油醚与饱和NaCl溶液以及滤液体积比为2:2:3-4。
本发明提供的利用超声波进行甲醇酯交换制备生物柴油的方法，其原理在于利用海洋微藻为原料，通过超声波产生的空化作用及其高效的混合作用，加快反应的进行，在碱催化条件下，与甲醇通过酯交换反应直接制备生物柴油。本发明的方法不仅工艺过程简单、清洁环保，而且缩短了反应的时间、有效降低生产成本。
附图说明
图1为通过气相色谱—质谱联用仪对实施例3制备的生物柴油样品进样测定所得质谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步的说明：
实施例1
称取干燥栅藻粉10g于100mL三口烧瓶中，称取0.9gKOH，用30g甲醇溶解后，加入三口烧瓶。设定反应温度为70℃，超声波功率为100W，将三口烧瓶固定于超声波合成萃取仪上，通入冷凝水，水浴反应30min后，取出三口烧瓶，于室温下静置冷却1小时，过滤藻粉，转移至分液漏斗，加入20mL石油醚萃取，加入20mL的饱和NaCl溶液，静置分层后，收集上层石油醚相，反复萃取3次，合并有机相，减压蒸馏，称得生物柴油粗产品0.254g。
实施例2
称取干燥栅藻粉10g于100mL三口烧瓶中，称取0.9gKOH，用40g甲醇溶解后，加入三口烧瓶。设定反应温度为80℃，超声波功率为0，将三口烧瓶固定于超声波合成萃取仪上，通入冷凝水，水浴反应30min后，取出三口烧瓶，于室温下静置冷却1小时，过滤藻粉，转移至分液漏斗，加入20mL石油醚萃取，加入20mL的饱和NaCl溶液，静置分层后，收集上层石油醚相，反复萃取4次，合并有机相，减压蒸馏，称得生物柴油粗产品0.312g。
实施例3
称取干燥栅藻粉10g于100mL三口烧瓶中，称取0.7gKOH，用40g甲醇溶解后，加入三口烧瓶。设定反应温度为70℃，超声波功率为200W，将三口烧瓶固定于超声波合成萃取仪上，通入冷凝水，水浴反应30min后，取出三口烧瓶，于室温下静置冷却1.5小时，过滤藻粉，转移至分液漏斗，加入20mL石油醚萃取，加入20mL的饱和NaCl溶液，静置分层后，收集上层石油醚相，反复萃取3次，合并有机相，减压蒸馏，称得生物柴油粗产品0.394g。
图1为通过气相色谱—质谱联用仪本实施例制备的生物柴油样品进样测定所得质谱图。本发明利用峰面积归一化法测定了脂肪酸甲酯的含量（表1），并用气质联用仪总离子流色谱检测，所得的质谱图经计算机质谱图数据库检索，并结合文献解析出峰相应的质谱图。
表1
保留时间/min 分子式 名称 含量/%
18.269 C15H30O2 豆蔻酸甲酯 0.31
22.531 C17H34O2 棕榈酸甲酯 22.37
25.715 C19H34O2 亚油酸甲酯 9.19
25.888 C19H36O2 油酸甲酯 44.54
26.314 C19H38O2 硬脂酸甲酯 3.46
29.352 C21H40O2 二十烯酸甲酯 1.05
29.795 C21H42O2 二十酸甲酯 0.36
33.800 C23H46O2 二十二烷酸甲酯 0.49
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种微藻超声波辅助直接酯交换制备生物柴油的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）酯交换反应：
将干燥的藻粉与无水甲醇溶液按料液质量比为1:2-1:6与质量为藻粉3%-11%的催化剂KOH进行混合，在温度为60-100℃，超声波功率为400W条件下反应10-50分钟；
（2）分离纯化：
将步骤（1）反应完的溶液取出，于室温下静置冷却1-1.5小时，过滤藻粉，滤液用石油醚萃取，加入饱和NaCl溶液，静置分层后，收集上层石油醚相，反复萃取3-4次，合并有机相，减压蒸馏，即得到生物柴油粗产品。
2.根据权利要求1所述的微藻超声波辅助直接酯交换制备生物柴油的方法，其特征在于，步骤（1）中料液质量比为1:3-1:4，催化剂KOH其质量为藻粉的7%-9%。
3.根据权利要求1所述的微藻超声波辅助直接酯交换制备生物柴油的方法，其特征在于，所述藻粉为栅藻藻粉。
4.根据权利要求1所述的微藻超声波辅助直接酯交换制备生物柴油的方法，其特征在于，步骤（2）中石油醚与饱和NaCl溶液以及滤液体积比为2:2:3-4。
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