CN103756777A - 利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物质能利用技术，旨在提供利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法。该利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法，包括步骤：取微藻液体过滤或离心后，得到固体含水量为40～90%的湿藻生物质；将湿藻生物质、氯仿、甲醇和浓硫酸放入微波消解罐密封后，进行微波处理，然后将藻液离心提取并提纯，即得到生物柴油产品。本发明省掉了传统湿藻干燥脱水和研磨制粉的巨大能耗，简化了传统油脂萃取和酯交换两步法制取生物柴油的复杂工艺流程；另外，在微波加热条件下，湿藻细胞壁高效破碎，细胞破壁后的油脂扩散速度是未破壁前渗透穿壁速度的152倍。
Description
技术领域
本发明是关于生物质能利用技术，特别涉及利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法。
背景技术
藻类是一种数量巨大的生物质能源，据估计地球上每年通过光合作用可生产1.46×1011吨生物质，其中40%应归功于藻类光合作用。微藻种质资源丰富，含有较高的蛋白质、油脂和可溶性多糖等成分，没有叶、茎、根，不产生木质纤维素类难降解生物质，不与传统农业争地，不因收获而破坏生态系统。由于微藻转化太阳能为生物质能的量子效率高达2-10%，而陆生植物的量子效率都小于1%，并且微藻生长速率极快，每天生物质的增长量可达到1-3倍，故利用微藻生物质转化制取生物柴油具有突出优势。微藻生物柴油的热值可高达41MJ/kg，与传统石化柴油的热值相当，大约是燃料乙醇热值的1.4倍，因此能够替代应用于航空航天和重型交通工具等必需的高热值柴油燃料，故开发微藻能源对发展低碳经济和节能减排具有重要意义实验部分。
目前微藻制油的主要方法有溶剂萃取/酯交换(Kumari et al.,2011)、超临界萃取和酯交换(Cheng et al.,2011)、闪速热裂解(Miao et al.,2004)、水热反应(Brown et al.,2010)等方法。传统的溶剂萃取和酯交换两步法往往使用干藻粉，对于湿藻生物质的脱水烘干和磨制成粉需要消耗巨大能量。脱水约占微藻制油总能耗的84%(Patil et al.,2012)。而且传统两步法制油工艺复杂往往需要反应0.5～1.5小时左右。Johnson et al(2009)等采用传统加热方法利用湿藻生物质一步法制取生物柴油，但其最终生物柴油的含量在生物油中仅为7.76%，所以制油效率不高。曾有学者采用微波方法转化蓖麻油进行酯交换制取生物柴油，表明微波加热相比传统加热有明显优势：制油的热力学效率从70%提高到94%，反应时间从3小时缩减为1小时(Yuan et al.,2009)。
有文献对比了许多破碎微藻细胞壁的方法，包括渗透压冲击、高温高压（125℃,1.5Mpa）、微波、超声波、珠搅拌等，证实微波是制取微藻生物柴油的一种高效节能方法(Lee et al.,2010)。据报道利用微波加热处理干藻生物质一步法制取生物柴油，采用碱性催化剂（氧化锶strontium oxide），在5分钟内大约99.9%的甘油三酯转化成生物柴油(Koberg et al.,2011)，但是使用干藻粉需要预先的脱水干燥消耗了巨大能量。Patil et al.(2011)等采用微波加热对干藻粉生物质进行甲醇萃取和酯交换的一步法制取生物柴油，但是没有深入分析微藻细胞的破壁效率以及生物柴油产量等指标。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供直接使用湿藻在微波加热条件下一步法制取生物柴油、能够省掉传统湿藻干燥脱水和研磨制粉的巨大能耗，而且简化了传统油脂萃取和酯交换两步法制取生物柴油的复杂工艺流程的方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法，具体包括下述步骤：
（1）取微藻液体，采用过滤（抽滤、压滤）或离心方法使微藻液体脱除水分，得到固体含水量为40～90%的湿藻生物质；
（2）称取1～100g步骤（1）中制得的湿藻生物质放入离心管内，加入4～100ml氯仿和4～100ml甲醇，将离心管放在均质机上震动20～40s，然后将离心管内的藻液倒入微波消解罐内，再向微波消解罐内加入0.2～5ml的浓度为98%的浓硫酸，将微波消解罐密封后放入微波炉中进行微波处理；
（3）微波处理的方法为：将微波炉的功率设定为500～1000w，处理40～80s，当微波消解罐的温度达到60～90摄氏度后，将微波炉的功率降低为400～600w，并恒温保持2～60min；微波处理结束后，冷却微波消解罐10～20min，使微波消解罐的温度降低到25～30摄氏度，然后将微波消解罐中的藻液倒到藻液收集瓶中，再向微波消解罐内两次加入4～100ml的氯仿，依次分别提取残余的藻液，倒入藻液收集瓶中；
（4）向藻液收集瓶中加入15～300ml的去离子水，在4000rpm下离心5min分层，下层为油相，中间为藻渣，上层为水相；用移液枪取出下层油相，再向藻液收集瓶中两次加入10～200ml的去离子水，使残余的甲醇和甘油溶解于水，依次分别再在4000rpm下离心5min分层，再分别用移液枪提取下层的油相；
（5）使用烘箱烘干步骤（4）中提取出的油相中的氯仿，油相中剩余的即为生物油，称取得到的生物油重量；将生物油倒入玻璃瓶中，再向玻璃瓶中添加1～100ml的正己烷，静置30分钟后，用移液枪取出上层的溶解了生物柴油的正己烷液相，弃置下层的固体不溶物（包含色素等杂质），将取出的上层液相在50～70摄氏度下蒸发回收正己烷，剩余油相即为能用作汽车发动机燃料的生物柴油产品。
作为进一步的改进，所述步骤（1）中的微藻液体是生物质密度为1～10g/L的微藻液体，包括从自然环境中筛选得到的天然藻种、物理化学诱变得到的藻种突变体、经过基因改良得到的转基因藻种。
作为进一步的改进，所述步骤（1）中的微藻液体的藻种采用藻细胞干重的油脂含量为10%～70%的藻种，包括绿藻（包括小球藻、微拟球藻和葡萄藻）、硅藻（包括菱板藻、角毛藻和褐指藻）、蓝藻（螺旋藻、微囊藻和鱼腥藻）。
作为进一步的改进，所述步骤（3）中微波处理的频率为2450MHz或者915MHz。
作为进一步的改进，所述微波消解罐采用容量为50～300ml的消解罐，在步骤（3）中，进行微波处理的密封的微波消解罐数量为4～10个。
作为进一步的改进，所述步骤（2）中，向离心管中加入的氯仿与甲醇的体积比为1:1。
作为进一步的改进，所述步骤（5）中制得的生物油中含有C14～C22的脂肪酸甲酯，且占生物油总量的50～80%。
作为进一步的改进，所述步骤（5）中制得的生物柴油产品，通过在生物柴油产品中加入浓度为3.8～4.3mg/ml的内标样C19:0的脂肪酸甲酯标准品，能采用气相色谱仪或者色谱质谱联用仪进行定量分析成分。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
使用湿藻微波加热一步法制取生物柴油明显优于传统使用干藻粉的两步法制油，其制油动力学速率提高到传统两步方法的大约6倍，而制油热力学效率提高到传统方法的大约1.3倍；且省掉了传统湿藻干燥脱水和研磨制粉的巨大能耗，简化了传统油脂萃取和酯交换两步法制取生物柴油的复杂工艺流程；另外，在微波加热条件下，湿藻细胞壁高效破碎，细胞破壁后的油脂扩散速度是未破壁前渗透穿壁速度的152倍。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示的利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法，具体包括下述步骤：
（1）取人工开放池塘或密闭式反应器养殖的生物质密度为1～10g/L的微藻液体，包括从自然环境中筛选得到的天然藻种、物理化学诱变得到的藻种突变体、经过基因改良得到的转基因藻种，采用抽滤、压滤等过滤方法或者离心方法，使微藻液体脱除水分，得到固体含水量为40～90%的湿藻生物质。微藻液体的藻种采用藻细胞干重的油脂含量为10%～70%的微藻种类，包括小球藻、微拟球藻和葡萄藻等绿藻，菱板藻、角毛藻和褐指藻等硅藻，螺旋藻、微囊藻和鱼腥藻等蓝藻。
（2）称取1～100g步骤（1）中制得的湿藻生物质放入离心管内，加入4～100ml氯仿和4～100ml甲醇，且氯仿与甲醇的体积比为1:1，将离心管放在均质机上震动20～40s，然后将离心管内的藻液倒入容量为50～300ml的微波消解罐内，再向微波消解罐内加入0.2～5ml的浓度为98%的浓硫酸，将微波消解罐密封后放入微波炉中进行微波处理。这里使用氯仿与甲醇的混合物作为微藻细胞内油脂的萃取溶剂，甲醇同时作为酯交换制取生物柴油的反应试剂，而浓硫酸作为酯交换反应的催化剂。
（3）微波处理的方法为：将微波炉的功率设定为500～1000w，微波处理的频率为2450MHz或者915MHz，处理40～80s，当微波消解罐的温度达到60～90摄氏度后，将微波炉的功率降低为400～600w，并恒温保持2～60min；且进行微波处理的密封的微波消解罐数量为4～10个。微波处理结束后，冷却微波消解罐10～20min，使微波消解罐的温度降低到25～30摄氏度，然后将微波消解罐中的藻液倒到藻液收集瓶中，再向微波消解罐内两次加入4～100ml的氯仿，依次分别提取残余的藻液，倒入藻液收集瓶中。
（4）向藻液收集瓶中加入15～300ml的去离子水，在4000rpm下离心5min分层，下层为油相，中间为藻渣，上层为水相；用移液枪取出下层油相，再向藻液收集瓶中两次加入10～200ml的去离子水，使残余的甲醇和甘油溶解于水，依次分别再在4000rpm下离心5min分层，再分别用移液枪提取下层的油相。
（5）使用烘箱烘干步骤（4）中提取出的油相中的氯仿，油相中剩余的即为生物油，称取得到的生物油重量。生物油中含有C14～C22的脂肪酸甲酯，且占生物油总量的50～80%。将生物油倒入玻璃瓶中，再向玻璃瓶中添加1～100ml的正己烷，静置30分钟后，用移液枪取出上层的溶解生物柴油的正己烷液相，弃置下层的固体不溶物，固体不溶物包含色素等杂质。将取出的上层液相在50～70摄氏度蒸发回收正己烷，得到的剩余油相即为可用作汽车发动机燃料的生物柴油产品。
对于制得的生物柴油产品，通过在生物柴油产品中加入浓度为3.8～4.3mg/ml的内标样C19:0的脂肪酸甲酯标准品，便能采用气相色谱仪或者色谱质谱联用仪进行定量分析成分。
下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。本发明实施例中所采用的各种微藻液体，皆为普遍的常见藻种，均已被公开的专利和各类论文使用。
实施例1
取生物质密度为1g/L的菱板藻液体，藻细胞干重的油脂含量为40%，采用抽滤方法使微藻液体脱水后得到固体含水量为60%的湿藻生物质。称取1g湿藻生物质放入离心管内，加入4ml氯仿和4ml甲醇，在均质机上震动20s。然后倒入4个微波消解罐内，每个消解罐的容量为50ml。再向消解罐内加入0.2ml浓度为98%的浓硫酸，密封消解罐后放入微波炉，微波处理的频率为2450MHz。设定微波功率为500w处理40s，当微波消解罐的温度达到60摄氏度后，降低微波炉功率为400w保持恒温60min。微波处理后冷却10min，使消解罐温度降低到30摄氏度，然后将微波消解罐中的藻液倒到藻液收集瓶中。再向微波消解罐内两次加入4ml的氯仿，依次分别提取残余的藻液，倒入藻液收集瓶中。在藻液收集瓶中加入15ml的去离子水，在4000rpm下离心5min分层，下层为油相，中间为藻渣，上层为水相。用移液枪取出下层油相，再两次加入10ml的去离子水，将残余的甲醇和甘油溶解于水。再次在4000rpm下离心5min分层，用移液枪提取下层的油相。使用烘箱烘干油相中的氯仿，称取剩余的生物油重量。制得的生物油中含有C14～C22的脂肪酸甲酯，且占生物油总量的65%。向盛放生物油的玻璃瓶中添加1ml的正己烷，静置30分钟后，用移液枪取出上层的溶解生物柴油的正己烷液相，弃置下层的固体不溶物，固体不溶物包含色素等杂质。将取出的上层液相在60摄氏度下，蒸发回收正己烷，得到的剩余油相即可用作汽车发动机燃料的生物柴油产品。通过在生物柴油产品中加入浓度为3.8mg/ml的内标样C19:0的脂肪酸甲酯标准品，采用气相色谱仪进行定量分析成分。
在本实施例中，将菱板藻替换成角毛藻和褐指藻，也能得到可用作汽车发动机燃料的生物柴油产品。
实施例2
取生物质密度为5g/L的小球藻液体，藻细胞干重的油脂含量为70%，采用离心方法使微藻液体脱水后得到固体含水量为40%的湿藻生物质。称取约50g湿藻生物质放入离心管内，加入50ml氯仿和50ml甲醇，在均质机上震动30s。然后倒入7个微波消解罐内，每个消解罐的容量为170ml。再向消解罐内加入2.5ml浓度为98%的浓硫酸，密封消解罐后放入微波炉中，微波处理的频率为2450MHz。设定微波功率为800w处理60s，当微波消解罐的温度达到80摄氏度后，降低微波炉功率为500w保持恒温30min。微波处理后冷却15min，使消解罐温度降低到28摄氏度，然后将微波消解罐中的藻液倒到藻液收集瓶中。再向微波消解罐内两次加入50ml的氯仿，依次分别提取残余的藻液，倒入藻液收集瓶中。在藻液收集瓶中加入150ml的去离子水，在4000rpm下离心5min分层，下层为油相，中间为藻渣，上层为水相。用移液枪取出下层油相，再两次加入100ml的去离子水，将残余的甲醇和甘油溶解于水。并再两次分别在4000rpm下离心5min分层，用移液枪提取下层的油相。使用烘箱烘干油相中的氯仿，称取剩余的生物油重量。生物油中含有C14～C22的脂肪酸甲酯，且占生物油总量的80%。向盛放生物油的玻璃瓶中添加50ml的正己烷，静置30分钟后，用移液枪取出上层的溶解生物柴油的正己烷液相，弃置下层的固体不溶物，固体不溶物包含色素等杂质。将取出的上层液相在70摄氏度蒸发回收正己烷，得到的剩余油相即可用作汽车发动机燃料的生物柴油产品。通过在生物柴油产品中加入浓度为4.0mg/ml的内标样C19:0的脂肪酸甲酯标准品，采用气相色谱仪进行定量分析成分。
在本实施例中，将小球藻替换成微拟球藻和葡萄藻，也能得到可用作汽车发动机燃料的生物柴油产品。
实施例3
取生物质密度为10g/L的螺旋藻液体，藻细胞干重的油脂含量为10%，采用压滤方法使微藻液体脱水后得到固体含水量为90%的湿藻生物质。称取100g湿藻生物质放入离心管内，加入100ml氯仿和100ml甲醇，在均质机上震动40s。然后倒入10个微波消解罐内，每个消解罐的容量为300ml。再向消解罐内加入5ml浓度为98%的浓硫酸，密封消解罐后放入微波炉中，微波处理的频率为915MHz。设定微波功率为1000w处理80s，当微波消解罐的温度达到90摄氏度后，降低微波炉功率为600w保持恒温2min。微波处理后冷却20min，使消解罐温度降低到25摄氏度，然后将微波消解罐中的藻液倒到藻液收集瓶中。再向微波消解罐内两次加入100ml的氯仿，依次分别提取残余的藻液，倒入藻液收集瓶中。在藻液收集瓶中加入300ml的去离子水，在4000rpm下离心5min分层，下层为油相，中间为藻渣，上层为水相。用移液枪取出下层油相，再两次加入200ml的去离子水，将残余的甲醇和甘油溶解于水。再次在4000rpm下离心5min分层，用移液枪提取下层的油相。使用烘箱烘干油相中的氯仿，称取剩余的生物油重量。生物油中含有C14～C22的脂肪酸甲酯，且占生物油总量的50%。向盛放生物油的玻璃瓶中添加100ml的正己烷，静置30分钟后，用移液枪取出上层的溶解生物柴油的正己烷液相，弃置下层的固体不溶物，固体不溶物包含色素等杂质。将取出的上层液相在50摄氏度蒸发回收正己烷，得到的剩余油相即可用作汽车发动机燃料的生物柴油产品。通过在生物柴油产品中加入浓度为4.3mg/ml的内标样C19:0的脂肪酸甲酯标准品，采用色谱质谱联用仪进行定量分析成分。
在本实施例中，将螺旋藻替换成微囊藻和鱼腥藻，也能得到可用作汽车发动机燃料的生物柴油产品。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法，其特征在于，具体包括下述步骤：
（1）取微藻液体，采用过滤或离心方法使微藻液体脱除水分，得到固体含水量为40～90%的湿藻生物质；
（2）称取1～100g步骤（1）中制得的湿藻生物质放入离心管内，加入4～100ml氯仿和4～100ml甲醇，将离心管放在均质机上震动20～40s，然后将离心管内的藻液倒入微波消解罐内，再向微波消解罐内加入0.2～5ml的浓度为98%的浓硫酸，将微波消解罐密封后放入微波炉中进行微波处理；
（3）微波处理的方法为：将微波炉的功率设定为500～1000w，处理40～80s，当微波消解罐的温度达到60～90摄氏度后，将微波炉的功率降低为400～600w，并恒温保持2～60min；微波处理结束后，冷却微波消解罐10～20min，使微波消解罐的温度降低到25～30摄氏度，然后将微波消解罐中的藻液倒到藻液收集瓶中，再向微波消解罐内两次加入4～100ml的氯仿，依次分别提取残余的藻液，倒入藻液收集瓶中；
（4）向藻液收集瓶中加入15～300ml的去离子水，在4000rpm下离心5min分层，下层为油相，中间为藻渣，上层为水相；用移液枪取出下层油相，再向藻液收集瓶中两次加入10～200ml的去离子水，使残余的甲醇和甘油溶解于水，依次分别再在4000rpm下离心5min分层，再分别用移液枪提取下层的油相；
（5）使用烘箱烘干步骤（4）中提取出的油相中的氯仿，油相中剩余的即为生物油，称取得到的生物油重量；将生物油倒入玻璃瓶中，再向玻璃瓶中添加1～100ml的正己烷，静置30分钟后，用移液枪取出上层的溶解了生物柴油的正己烷液相，弃置下层的固体不溶物，将取出的上层液相在50～70摄氏度下蒸发回收正己烷，剩余油相即为能用作汽车发动机燃料的生物柴油产品。
2.根据权利要求1所述的利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的微藻液体是生物质密度为1～10g/L的微藻液体，包括从自然环境中筛选得到的天然藻种、物理化学诱变得到的藻种突变体、经过基因改良得到的转基因藻种。
3.根据权利要求1所述的利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的微藻液体的藻种采用藻细胞干重的油脂含量为10%～70%的藻种，包括绿藻、硅藻、蓝藻。
4.根据权利要求1所述的利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法，其特征在于，所述步骤（3）中微波处理的频率为2450MHz或者915MHz。
5.根据权利要求1所述的利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法，其特征在于，所述微波消解罐采用容量为50～300ml的消解罐，在步骤（3）中，进行微波处理的密封的微波消解罐数量为4～10个。
6.根据权利要求1所述的利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，向离心管中加入的氯仿与甲醇的体积比为1:1。
7.根据权利要求1所述的利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法，其特征在于，所述步骤（5）中制得的生物油中含有C14～C22的脂肪酸甲酯，且占生物油总量的50～80%。
8.根据权利要求1所述的利用湿藻生物质微波加热一步法制取生物柴油的方法，其特征在于，所述步骤（5）中制得的生物柴油产品，通过在生物柴油产品中加入浓度为3.8～4.3mg/ml的内标样C19:0的脂肪酸甲酯标准品，能采用气相色谱仪或者色谱质谱联用仪进行定量分析成分。
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