CN103897801A - 湿法提取小球藻油脂的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿法提取小球藻油脂的方法及装置，该方法包括：浓缩小球藻泥，同时加入易挥发性有机溶剂及添加剂，形成一混合物，所述添加剂为强氧化剂或者强氧化剂和碳酸盐类剂的组合；对该混合物加压至400-600MPa，持续一保压时间，泄压。取出压力处理后的该混合物离心，取上清液，弃下层水层，上清液进行蒸发浓缩，得到湿法提取的小球藻油脂；该装置包括容器，介质存储罐及增压器。本发明的湿法提取小球藻油脂的方法及装置，可解决湿法提取小球藻油脂的过程中，有机溶剂提取率低、溶剂损耗大等问题。

Description

湿法提取小球藻油脂的方法及装置

技术领域

本发明涉及提取小球藻油脂的方法及装置，尤其涉及一种小球藻在高水分含量（75%-85%）的条件下的油脂萃取方法及其装置。

背景技术

目前已有多种微藻油脂提取技术，其中有机溶剂提取还是较为普遍的方式。在提取之前，由于细胞壁的存在，需要对其进行破壁。普遍采用溶胀法、反复冻融、低浓度氯化钙溶液、蒸汽高压、酶、珠磨、微波、超声波、抗氧化剂等方法进行破壁处理。提取的有机溶剂包括正己烷、异丙醇、乙醇、乙醚-石油醚、氯仿甲醇等，也利用二氧化碳超临界提取。有人利用微藻粉一步法进行萃取和酯化产生生物柴油。Xu.L等人比较了微藻干燥和在湿基的条件下直接萃取酯化在能量的消耗上的比较。根据现有技术计算，经过干燥后萃取生物柴油的能耗比（fossil energy ratio(FER)）比湿基直接催化要高，但从长远来看，湿基萃取的技术还有很大可提高的空间，是值得期待。

从工艺实施和过程放大的角度，目前主要还是从干燥的藻粉中进行溶剂萃取。然而微藻细胞中水含量高达70%以上，仅干燥过程的能耗就会超过微藻产出的能源。Bradley D.Wahlen等利用萃取和转化生物柴油同时进行的方式，通过分别萃取干物质微藻和湿基进行萃取转化反应，干物质取得的效果较理想，但湿基反应需大量的有机溶剂，湿法提取效果低于真空冷冻干燥方法，方法有待提高。

目前湿法提取的方式主要为先破碎后提取的方式。高压破碎方式为连续高压均质设备进行细胞的破碎，Ronald Halim等人研究发现连续高压均质对湿基进行细胞破碎，能提高细胞的破碎率，降低了细胞成团率，提高油脂提取率。但连续高压均质设备所能达到的压力在100-200MPa，提高的效率和细胞的破碎率相对较低。

超高压技术在食品技工领域应用较广，由于食品的超高压加工技术具有诸多优越性,所以被人们称之为当今世界十大类纯科技之一。所谓超高压技术，是指将物料放入液体介质中，加100-1000MPa压力下作用一段时间后，使物料中的酶、蛋白质、淀粉等生物高分子物质分别失去活性、变性和糊化，破坏细胞结构，同时致死以微生物为主的生物的过程。压力加工时，液体介质在高压下体积一旦被压缩，物系平衡向解除压力升高的方向移动，于是浸于介质中的物料的蛋白质、淀粉等物质在静水压下呈体积减少的趋势，形成生物高分子立体结构的氢键、离子键、疏水键等非共价键即发生变化，使蛋白质、淀粉等发生变化，生命停止活动，细菌等微生物被杀死。超高压提取的过程是先对物料加压，保持一定时间后，突然泄压，造成细胞内外的压差急剧上升，以使细胞中的内含物释放出来。压力大于400MPa，细胞的细胞壁和细胞膜才可充分被破坏，但压力再提高，细胞已经破坏，压力对油脂提取率的影响较小。高压提取的优势在于，高分子物质及色素、维生素、脂肪酸、香气成分等低分子化合物的共价键却未发生任何变化，从而高压处理过的物料能保持原有的营养价值，提取的脂肪酸组成不发生改变。并且与其他提取技术相比较，超高压提取技术可以降低能耗、缩短提取时间，提高有效成分的收率。解决了因高温引起的有效成分结构变化、损失及生理活性降低的难题，有效地保持了其有效成份。

因此湿法提取油脂是未来发展的方向，如何提高溶剂的萃取率及降低能源消耗将是科研人员需克服的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种湿法提取小球藻油脂的方法及装置，解决湿法提取小球藻油脂的过程中，有机溶剂提取率低、溶剂损耗大等问题。

为实现上述目的，本发明提供一种湿法提取小球藻油脂的方法，包括：

步骤(a)：提供一小球藻原收集液，将其浓缩为一小球藻泥，随后加入一易挥发性有机溶剂及一添加剂，形成一混合物，其中该添加剂为强氧化剂或者强氧化剂与碳酸盐类剂的组合；

步骤(b)：对步骤(a)中的该混合物增压至400-600MPa，持续一保压时间，然后泄压；

步骤(c)：将经过步骤(b)压力处理后的该混合物取出，离心后取上清液，弃下层水层，将该上清液进行蒸发浓缩，得到湿法提取的小球藻油脂。

其中，该小球藻泥含水量为75%-85%，密度为0.90-0.95kg/L。

其中，所述的易挥发性有机溶剂为石油醚、氯仿、甲醇及其组合的其中之一，该小球藻泥与该易挥发性有机溶剂的添加体积比为1:1-1:3，即，小球藻泥体积：易挥发性有机溶剂体积=1:1-1:3。

其中，所述添加剂添加重量为小球藻泥重量的0.1%-0.5%。

其中，所述强氧化剂为浓硫酸、高氯酸及其组合的其中之一。

其中，所述碳酸盐类剂为碳酸钠、碳酸钾及其组合的其中之一。

其中，所述保压时间为400-1200S。

其中，步骤(c)中离心设置为3000-6000r/min，5-20min。

其中，步骤(c)中离心后先取上清液，加入易挥发性有机溶剂，摇匀，静止一静置时间后，再弃下层水层并对上清液进行蒸发浓缩。

其中，所述的易挥发性有机溶剂为石油醚、甲醇及其组合的其中之一。

其中，所述静置时间为2-5h。

其中，所述蒸发浓缩为减压旋转蒸发，条件为真空度0.05-0.09条件下，蒸发20-50min。

本发明还提供一种湿法提取小球藻油脂的装置，包括：

一容器，用以对一小球藻泥进行油脂提取，该容器具有一容腔，其顶部具有一容器顶盖，其底部具有一进口及一出口，使该容腔与外界连通；

一介质存储罐，用以储存一介质油，介质存储罐进口端与该容器出口通过耐高压管路相连，介质存储罐出口端与增压器进口端通过耐高压管路相连；以及

一增压器，其出口端与该容器进口端通过耐高压管路相连；

其中，该小球藻泥与一易挥发性有机溶剂及一添加剂混合后装入一包装袋中并排气密封形成一包装好的小球藻泥包装袋，该添加剂为强氧化剂或者强氧化剂与碳酸盐类剂的组合，进行小球藻泥油脂提取过程时，该容腔中容置该包装好的小球藻泥包装袋，并且该容腔内进行小球藻泥油脂提取的压力为400-600MPa（通过打开该容器顶盖将包装好的小球藻泥包装袋置入到该容腔中，封闭该容腔后通过增压器将介质存储罐内的介质油不断泵入容腔以将该容腔内的压力升至400-600MPa），持续一保压时间后泄压，在对包装袋内容物进行分离处理即可完成小球藻泥的油脂提取。

特别指出的是，本发明的超高压技术的压力范围选取400MPa-600MPa，本发明湿法提取小球藻油脂的装置的容器、耐高压管路至少可耐受400MPa-600MPa这一范围内压力。

本发明利用超高压技术，比较常压萃取与高压萃取的区别，比较破碎处理与非破碎处理在高压下的区别，摸索出不经细胞破碎的湿法油脂提取工艺，提出了利用静态超高压的方式对微藻进行细胞破碎并提取油脂，一步实现生物油的提取工艺，简化提取工艺。

本发明根据在湿法提取小球藻油脂的过程中，有机溶剂提取率低、溶剂损耗大等缺点，研发出以超高压技术为基础湿法提取小球藻中的油脂，此方法能有效提高细胞的破碎率、油脂提取率，降低溶剂损耗，从而为微藻生产生物柴油降低成本，逐步达到工业化的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1.无需对小球藻进行干燥，节省了大量的热量。

2.微藻细胞普遍具有细胞壁厚，胞内油脂很难萃取的问题，因此普遍的方法先对细胞进行破壁处理，接着对其进行提取工艺，本发明将破壁提取一步完成，省去了破壁工序。

3.在超高压条件下（400-600MPa），细胞壁被破碎，且在有机溶剂存在的条件下，细胞的破碎率明显提高。

4.在超高压的条件下，有机溶剂能更好地渗透入组织，提取率明显提高，减少有机溶剂的加入量，降低了小球藻油脂提取成本，为实现微藻生物能源工业化又迈进一步。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明湿法提取小球藻油脂的装置示意图。

图2为本发明小球藻油脂提取工艺路线图。

图3为本发明与现有技术的技术效果比较图。

其中，附图标记：

1：小球藻泥

2：容腔

3：容器

4：介质存储罐

5：增压器

6：容器顶盖

具体实施方式

为使本领域技术人员更加了解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，但以下所述仅为举例说明，并非用于对本发明的限定。

请参考图1所示，图1为本发明湿法提取小球藻油脂的装置提取小球藻油脂示意图。本发明提供一种湿法提取小球藻油脂的装置，包括：

一容器3，用以对一小球藻泥1进行油脂提取，该容器3具有一容腔2，其顶部具有一容器顶盖6，其底部具有一进口及一出口，使该容腔与外界连通；

一介质存储罐4，用以储存一介质油，介质存储罐4进口端与容器3出口通过耐高压管路相连，介质存储罐4出口端与增压器5进口端通过耐高压管路相连；以及

一增压器5，其出口端与容器3进口端通过耐高压管路相连；

其中，该小球藻泥与一易挥发性有机溶剂及一添加剂混合后装入一包装袋中并排气密封，该添加剂为强氧化剂或者强氧化剂与碳酸盐类剂的组合，进行小球藻泥油脂提取过程时，该容腔2中容置该包装好的小球藻泥包装袋，并且该容腔2内的压力为400-600MPa（通过打开该容器顶盖6将包装好的小球藻泥包装袋置入到该容腔2中，封闭该容腔2后通过增压器5将介质存储罐4内的介质油不断泵入容腔2以将该容腔2内的压力升至400-600MPa），持续一保压时间后泄压，在对包装袋内容物进行分离处理即可完成小球藻泥的油脂提取。

具体而言，本发明的湿法提取小球藻油脂的装置在运行时，首先如上所述将包装好的小球藻泥包装袋放入容腔2内，关闭容器顶盖6，增压器5将存储在介质存储罐4中的介质油通过容器3进口泵入容器3，使容器3容腔2内充满介质油，通过不断泵入介质油可持续增压，达到设定的压力后即可停止泵入并使容器3内保持压力，需要泄压时打开容器3出口排出介质油即可，排出的介质油回到介质存储罐4回收，可重复使用。

对本领域技术人员而言，超高压技术的压力范围为100MPa-1000MPa。本发明为有效的实现技术效果，在其中选取了400MPa-600MPa的超高压压力范围，使之既可以有效的实现本发明技术效果，又不会造成能源浪费。本发明湿法提取小球藻油脂的装置的容器、耐高压管路至少可耐受400MPa-600MPa这一范围内压力，为了保证安全，较佳为可耐受100MPa-1000MPa范围内的压力。本发明一实施例中的小球藻泥包装袋选用PE真空包装袋，介质油为癸二酸二辛酯（C₂₆H₅₀O₄），耐高压管路以不锈钢材料制成，但此处的小球藻泥包装袋材料、介质油材料及耐高压管路材料仅为举例，本发明并不以此为限。

请再参考图2所示，图2为小球藻油脂提取工艺路线图。本发明的湿法提取小球藻油脂的方法，包括以下步骤：(a)提供一小球藻原收集液，将其浓缩为一含水量75%-85%的小球藻泥1，装入一圆筒包装袋，同时在该圆筒包装袋内加入一易挥发性有机溶剂及一添加剂，形成一混合物，排除空气封袋，其中该添加剂为强氧化剂或者强氧化剂与碳酸盐类剂的组合；(b)将装有该混合物的圆筒包装袋放入一容器3中，增压至400-600MPa，持续一保压时间，然后泄压；(c)取出该圆筒包装袋，将经过压力处理后的该混合物取出，离心后取上清液，弃下层水层，将该上清液进行减压旋转蒸发，浓缩完成即得到湿法提取的小球藻油脂。

使用本发明的装置进行步骤(b)，则具体操作方式如下：打开容器顶盖6，将包装好的小球藻泥1放入容器3中，旋紧容器顶盖6。在增压器5的作用下，将存储在介质存储罐4中的介质油通过密封耐高压管路泵入容器3中，使小球藻泥周围充满介质油（小球藻泥与易挥发性有机溶剂、添加剂等混合在一起置于包装袋中，当介质油充满容器3容腔2时，就会使该包装袋悬浮在介质油中，被介质油所包围）。继续泵入介质油，增压至400-600MPa，持续一保压时间，然后泄压；

步骤(a)中所述的易挥发性有机溶剂为石油醚、氯仿、甲醇及其组合的其中之一，该小球藻泥与该有机溶剂的添加体积比为1:1-1:3。所述强氧化剂为浓硫酸、高氯酸及其组合的其中之一，所述碳酸盐类剂为碳酸钠、碳酸钾及其组合的其中之一，所述添加剂添加重量为小球藻泥重量的0.1%～0.5%。

步骤(b)中所述保压时间为400-1200S。

步骤(c)中离心设置为3000-6000r/min，5-20min。所述减压旋转蒸发为真空度0.05-0.09条件下，蒸发20-50min。

又，本发明的湿法提取小球藻油脂的方法的步骤(c)也可以按照以下方法实施：(c)取出该圆筒包装袋，将经过压力处理后的该混合物取出，离心后先取上清液，加入易挥发性有机溶剂，摇匀，静置2-5h后，再弃下层水层并对上清液进行减压旋转蒸发。所述的易挥发性有机溶剂为石油醚、氯仿、甲醇及其组合的其中之一。

本发明在进行小球藻的油脂提取步骤(a)前，还包括对小球藻进行培养、收集。

下面结合实施例对本发明进行详细描述，但不作为本发明的限定。

实施例1

将絮凝浓缩得到100g（约100mL）含水量80%的小球藻泥1放入包装袋，加入0.2mL浓硫酸、0.05g碳酸钠，加入50mL氯仿、100mL甲醇，排气，密封。将包装袋放入容器3中，升压至600MPa，保压600S。取出后放入离心管，在4500r/min的条件下离心18min。将上清液倒入分液漏斗中，加入50mL氯仿，摇匀，静置3h。弃下层水层，取上清液进行减压旋转蒸发，浓缩完成即得到湿法提取的小球藻油脂。

实施例2

将絮凝浓缩得到100g（约100mL）含水量75%的小球藻泥1放入包装袋，加入0.1mL浓硫酸、0.1mL高氯酸，0.05g碳酸钠，加入160mL石油醚，甲醇100mL，排气，密封。将包装袋放入容器3中，升压至400MPa，保压200S，升压至500MPa，保压200S，泄压。取出后放入离心管，在3000r/min的条件下离心5min。将上清液倒入分液漏斗中，弃下层水层，取上清液进行减压旋转蒸发，浓缩完成即得到湿法提取的小球藻油脂。

实施例3

将絮凝浓缩得到含水量80%的小球藻泥100g（约100mL）放入包装袋，加入0.1mL浓硫酸，加入50mL氯仿、100mL甲醇，排气，密封。将包装袋放入容器3中，升压至400MPa，保压1200S。取出后放入离心管，在4500r/min的条件下离心18min。将上清液倒入分液漏斗中，加入50mL氯仿，摇匀，静置3h。弃下层水层，取上清液进行减压旋转蒸发，浓缩完成即得到湿法提取的小球藻油脂。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1.无需对小球藻进行干燥，节省了大量的热量。

2.微藻细胞普遍具有细胞壁厚，胞内油脂很难萃取的问题，因此普遍的方法先对细胞进行破壁处理，接着对其进行提取工艺，本发明将破壁提取一步完成，省去了破壁工序。

3.在超高压条件下（400-600MPa），细胞壁被破碎，且在有机溶剂存在的条件下，细胞的破碎率明显提高。

4.在超高压的条件下，有机溶剂能更好地渗透入组织，提取率明显提高，减少有机溶剂的加入量，降低了小球藻油脂提取成本，为实现微藻生物能源工业化又迈进一步。

请再参考图3，图3为100-200MPa连续高压均质设备（现有技术）、仅静态超高压400Mpa与静态超高压400Mpa并添加有机溶剂（本发明）三种不同破壁提取方式在细胞破碎率、油脂提取率方面的数据比较图。

通过不同方式的比较可以看出，小球藻细胞破壁率由连续高压破壁的78%左右，上升到由静态超高压加有机溶剂提取方式的87%以上；油脂提取率也从86%上升到了96%。由此可见，本发明所提出的技术方案确有显著的技术效果。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种湿法提取小球藻油脂的方法，其特征在于，包括：

步骤(a)：提供一小球藻原收集液，将其浓缩为一小球藻泥，随后加入一易挥发性有机溶剂及一添加剂，形成一混合物，其中该添加剂为强氧化剂或者强氧化剂与碳酸盐类剂的组合；

步骤(b)：对步骤(a)中的该混合物加压至400-600MPa，持续一保压时间；以及

步骤(c)：将经过步骤(b)处理的该混合物离心后取上清液，对上清液进行一蒸发浓缩，得到小球藻油脂。

2.根据权利要求1所述的一种湿法提取小球藻油脂的方法，其特征在于，所述易挥发性有机溶剂为石油醚、氯仿、甲醇及其组合的其中之一。

3.根据权利要求1所述的一种湿法提取小球藻油脂的方法，其特征在于，所述强氧化剂为浓硫酸、高氯酸及其组合的其中之一。

4.根据权利要求1所述的一种湿法提取小球藻油脂的方法，其特征在于，所述碳酸盐类剂为碳酸钠、碳酸钾及其组合的其中之一。

5.根据权利要求1所述的一种湿法提取小球藻油脂的方法，其特征在于，该小球藻泥与该易挥发性有机溶剂的添加体积比为1:1-1:3。

6.根据权利要求1所述的一种湿法提取小球藻油脂的方法，其特征在于，所述添加剂的添加重量为该小球藻泥重量的0.1%～0.5%。

7.根据权利要求1所述的湿法提取小球藻油脂的方法，其特征在于，所述保压时间为400-1200S。

8.根据权利要求1所述的一种湿法提取小球藻油脂的方法，其特征在于，步骤(c)中离心后先取上清液，加入易挥发性有机溶剂，摇匀，静止一静置时间后，再弃下层水层并对上清液进行蒸发浓缩。

9.根据权利要求8所述的一种湿法提取小球藻油脂的方法，其特征在于，所述静置时间为2-5h。

10.根据权利要求1所述的一种湿法提取小球藻油脂的方法，其特征在于，所述蒸发浓缩为真空度0.05-0.09条件下，蒸发20-50min。

11.根据权利要求1所述的一种湿法提取小球藻油脂的方法，其特征在于，该小球藻泥的含水量为75%-85%。

12.一种湿法提取小球藻油脂的装置，其特征在于，包括：

一容器，用以对一小球藻泥进行油脂提取，该容器具有一容腔，其底部具有一进口及一出口；

一介质存储罐，用以储存一介质油，介质存储罐进口端与该容器出口相连，介质存储罐出口端与增压器进口端相连；以及

一增压器，其出口端与该容器进口端相连；

其中，该小球藻泥与一易挥发性有机溶剂及一添加剂混合后装入一包装袋中并排气密封形成一包装好的小球藻泥包装袋，该添加剂为强氧化剂或者强氧化剂与碳酸盐类剂的组合，进行小球藻泥油脂提取过程时，该容腔中容置该包装好的小球藻泥包装袋，并且该容腔内进行小球藻泥油脂提取的压力为400-600MPa。

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