CN106190347B - 一种利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法，将经过脉冲电场处理后的料液进行离心分离，上清液用于提取蓝藻多糖，固体残渣用于提取生物燃料，实现了对蓝藻中有价值物质的综合提取和利用，为治理环境提供了一条变废为宝、提升综合治理效益的有效新型途径，同时，利用脉冲电场辅助提取蓝藻多糖，利用超声波辅助提取生物燃料，不仅起到了分级提取的效果，提高了目标提取物的提取率和纯度，而且节约了生产时间和溶剂使用量，提高了经济效益。

Description

一种利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法
技术领域
本发明涉及生物燃料的制备方法，特别涉及一种利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法。
背景技术
蓝藻，又名蓝绿藻、蓝细菌，是一门最原始、最古老的藻类植物，它们可在富营养化的内陆水体爆发性繁殖，并在水体表面大量堆积，不仅严重影响水体景观，而且其释放的藻毒素和异味物质严重损害水质，危及人类的健康和社会的可持续发展，是一种夏季出现在我国湖泊流域的主要污染物之一。因此，如何对蓝藻进行综合利用，为治理环境提供一条变废为宝、提升综合治理效益的有效新型途径为当前的迫切需要。
高压脉冲电场是一种可连续可操作、非热且无需化学参与的物理场处理方式。利用高压脉冲电场能对细胞壁和细胞膜产生电穿孔效应，改变其通透性，使活性成分从细胞內萃取到溶剂中，并且对不同分子量的活性物质具有一定的选择性，是活性胞內物质从植物细胞中回收的理想途径。而超声波提取则是将超声波产生的空化、振动、粉碎、搅拌等综合效应应用到天然产物成分提取工艺中，通过破坏细胞壁，增加溶剂穿透力，从而提高提取率和缩短提取时间，减少溶剂用量，达到高效、快速提取细胞内容物的过程。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法，实现了对蓝藻中有价值物质的综合提取和利用，为治理环境提供了一条变废为宝、提升综合治理效益的有效新型途径。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法，包括以下步骤：
(1)将蓝藻烘干后粉碎，得到蓝藻粉；
(2)按料液比1:10～1:15加入蓝藻粉和水，调节pH至8.0～10.0，浸泡、搅拌均匀后，进行高压脉冲电场处理，处理条件为：场强10～25kv，频率500～3000Hz，脉冲数6～10；
(3)将经过步骤(2)处理后的料液进行离心分离，得到上清液和蓝藻渣泥；
(4)将步骤(3)得到的蓝藻渣泥，加入1～2倍体积水、2～3倍体积甲醇和2～4倍体积氯仿，搅拌混匀，进行超声波处理，处理条件为：
超声波输出功率100～400w，频率为18～21kHz，超声时间为2～10s，间隔时间为2～10s，处理时间为10～30min；
(5)将经过步骤(4)处理的混合液经离心，取氯仿层，再加入氯化钠溶液，混匀，离心，取氯仿层，氯仿层经无水硫酸钠干燥后，用氮气吹干溶剂，置于烘箱中烘干，再经过酸催化酯交换反应获得蓝藻生物燃料。
所述的利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法，还包括以下步骤：
(6)将步骤(3)得到的上清液进行减压蒸馏浓缩，加入乙醇醇析，于3～5℃静置10h以上，过滤得到沉淀物，沉淀物加水复溶，再次进行醇析，重复多次，再将所得到的沉淀物依次用无水乙醇、无水乙醚和丙酮进行洗涤，真空干燥后得到蓝藻多糖提取物。
步骤(1)所述烘干，具体为：置于40～60℃烘箱中烘干12～24h，至恒重。
步骤(2)所述浸泡，具体为：浸泡20～30min。
步骤(5)所述将经过步骤(4)处理的混合液经离心，取氯仿层，再加入氯化钠溶液，混匀，离心，取氯仿层，氯仿层经无水硫酸钠干燥后，用氮气吹干溶剂，置于烘箱中烘干，再经过酸催化酯交换反应获得蓝藻生物燃料，具体为：
将经过步骤(4)处理的混合液离心，取氯仿层，再加入等体积氯化钠溶液，混匀，离心，取氯仿层，经无水硫酸钠干燥后，用氮气吹干溶剂，加入浓硫酸，甲醇，于30～60℃保温反应2～10h，将反应液转移至分液漏斗中静置分层，弃去下层，将上层粗制生物柴油先用等体积的石油醚洗涤,离心，取上层有机相并用两倍体积的45～50℃蒸馏水洗涤,然后离心,直至完全透明，分离出上层透明的油相,用无水硫酸钠干燥后,30～50℃真空干燥将石油醚蒸发干净,得到澄清透明的产品即为蓝藻生物燃料。
步骤(6)所述加入乙醇醇析，具体为：加入浓缩液3～5倍体积的95％乙醇于3～5℃静置10h以上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明将经过脉冲电场处理后的料液进行离心分离，上清液用于提取蓝藻多糖，固体残渣用于提取生物燃料，实现了对蓝藻中有价值物质的综合提取和利用，为治理环境提供了一条变废为宝、提升综合治理效益的有效新型途径。
(2)本发明先利用脉冲电场辅助提取蓝藻多糖，通过高压脉冲电场能对细胞壁和细胞膜产生电穿孔效应，改变其通透性，使胞内多糖从细胞萃取到溶剂中，得到纯度较高的多糖提取液，同时也为后续提取生物燃料除去部分杂质，再利用超声波产生的空化、振动、粉碎、搅拌等综合效应进一步破坏细胞壁和细胞膜，提取胞内和胞外的生物燃料成分，即先提取胞內活性物质，再对残渣进行综合提取利用，起到分级提取的效果。
(3)本发明先以水为溶剂，利用脉冲电场辅助提取蓝藻多糖，再经过离心分离，对残渣进行超声波辅助提取生物燃料，将目标物萃取至有机溶剂相(氯仿)中，两个提取过程分别采用了极性(水)和弱极性(氯仿)两种极性不同的溶剂进行提取，充分利用了溶剂和目标提取物的相似相溶原理，提高了目标提取物的萃取效率和纯度。
(4)本发明利用脉冲电场辅助提取蓝藻多糖，利用超声波辅助提取生物燃料，充分发挥了物理场辅助提取的优势，不仅提高了目标物的提取率，而且节约了生产时间和溶剂使用量，提高了经济效益。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
在水华蓝藻大量发生的水体中，用浮游生物网收集蓝藻，将收集获得的蓝藻泥置于50℃烘箱中烘干24h，至恒重后，进行粉碎，过80目筛，得到蓝藻粉。按料液比1:10加入蓝藻粉和水，调节pH至9.0，浸泡30min搅拌均匀后，用液体泵将料液连续泵入高压脉冲电场机组中，处理条件为：场强25kv，脉冲数8。将高压脉冲电场处理后的料液，进行离心分离，分别收集上清液和固体残渣，得到多糖提取液和蓝藻渣泥。
对多糖提取液进行减压蒸馏浓缩4倍后，加入4倍体积95％乙醇醇析，于4℃冰箱中静置12h，过滤得到的沉淀物加水复溶，再次进行醇析，如此三次，再将所得到的沉淀物依次用无水乙醇、无水乙醚和丙酮进行洗涤，真空干燥后得到蓝藻多糖提取物。本实施例较传统水提法多糖的得率提高15％。
对离心分离得到的蓝藻渣泥，加入1倍体积水、2.5倍体积甲醇和2倍体积氯仿，搅拌混匀，置于超声波提取器中进行处理，处理条件为：超声波输出功率为每1L混合液200w，频率为21kHz，超声时间为5s，间隔时间为5s，处理时间为20min。将经过超声波处理的混合液离心，取氯仿层，再加入等体积0.1％氯化钠溶液，混匀，离心，取氯仿层，经无水硫酸钠干燥后，用氮气吹干溶剂，加入等体积浓硫酸，30倍体积甲醇，于45℃保温反应6h，将反应液转移至分液漏斗中静置分层，弃去下层，将上层粗制生物柴油先用等量的石油醚洗涤,离心，取上层有机相并用两倍体积的50℃蒸馏水洗涤,然后离心,直至完全透明。分离出上层透明的油相,用无水硫酸钠干燥后,40℃真空干燥将石油醚蒸发干净,得到澄清透明的产品即为蓝藻生物燃料。本实施例较没有经过超声波处理方法生物燃料的得率提高15％，得到的蓝藻生物燃料符合国家生物柴油标准，热值为41MJ/kg。
实施例2
在水华蓝藻大量发生的水体中，用浮游生物网收集蓝藻，将收集获得的蓝藻泥置于30℃烘箱中烘干24h，至恒重后，进行粉碎，过80目筛，得到蓝藻粉。按料液比1:12加入蓝藻粉和水，调节pH至9.0，浸泡30min搅拌均匀后，用液体泵将料液连续泵入高压脉冲电场机组中，处理条件为：场强25kv，脉冲数10。将高压脉冲电场处理后的料液，进行离心分离，分别收集上清液和固体残渣，得到多糖提取液和蓝藻渣泥。
对多糖提取液进行减压蒸馏浓缩4倍后，加入3倍体积95％乙醇醇析，于3℃冰箱中静置12h，过滤得到的沉淀物加水复溶，再次进行醇析，如此三次，再将所得到的沉淀物依次用无水乙醇、无水乙醚和丙酮进行洗涤，真空干燥后得到蓝藻多糖提取物。本实施例较传统水提法多糖的得率提高17％。
对离心分离得到的蓝藻渣泥，加入1倍体积水、2.5倍体积甲醇和2倍体积氯仿，搅拌混匀，置于超声波提取器中进行处理，处理条件为：超声波输出功率为每1L混合液200w，频率为21kHz，超声时间为10s，间隔时间为10s，处理时间为20min。将经过超声波处理的混合液离心，取氯仿层，再加入等体积0.1％氯化钠溶液，混匀，离心，取氯仿层，经无水硫酸钠干燥后，用氮气吹干溶剂，加入50％体积浓硫酸，40倍体积甲醇，于40℃保温反应6h，将反应液转移至分液漏斗中静置分层，弃去下层，将上层粗制生物柴油先用等量的石油醚洗涤,离心，取上层有机相并用两倍体积的50℃蒸馏水洗涤,然后离心,直至完全透明。分离出上层透明的油相,用无水硫酸钠干燥后,45℃真空干燥将石油醚蒸发干净,得到澄清透明的产品即为蓝藻生物燃料。本实施例较没有经过超声波处理方法生物燃料的得率提高13％,得到的蓝藻生物燃料符合国家生物柴油标准，热值为41MJ/kg。
实施例3
在水华蓝藻大量发生的水体中，用浮游生物网收集蓝藻，将收集获得的蓝藻泥置于60℃烘箱中烘干24h，至恒重后，进行粉碎，过80目筛，得到蓝藻粉。按料液比1:15加入蓝藻粉和水，调节pH至9.5，浸泡30min搅拌均匀后，用液体泵将料液连续泵入高压脉冲电场机组中，处理条件为：场强20kv，脉冲数10。将高压脉冲电场处理后的料液，进行离心分离，分别收集上清液和固体残渣，得到多糖提取液和蓝藻渣泥。
对多糖提取液进行减压蒸馏浓缩5倍后，加入5倍体积95％乙醇醇析，于5℃冰箱中静置12h，过滤得到的沉淀物加水复溶，再次进行醇析，如此三次，再将所得到的沉淀物依次用无水乙醇、无水乙醚和丙酮进行洗涤，真空干燥后得到蓝藻多糖提取物。本实施例较传统水提法多糖的得率提高15％。
对离心分离得到的蓝藻渣泥，加入1倍体积水、2.5倍体积甲醇和2倍体积氯仿，搅拌混匀，置于超声波提取器中进行处理，处理条件为：超声波输出功率为每1L混合液200w，频率为21kHz，超声时间为2s，间隔时间为2s，处理时间为30min。将经过超声波处理的混合液离心，取氯仿层，再加入等体积0.1％氯化钠溶液，混匀，离心，取氯仿层，经无水硫酸钠干燥后，用氮气吹干溶剂，加入等体积浓硫酸，50倍体积甲醇，于40℃保温反应8h，将反应液转移至分液漏斗中静置分层，弃去下层，将上层粗制生物柴油先用等量的石油醚洗涤,离心，取上层有机相并用两倍体积的50℃蒸馏水洗涤,然后离心,直至完全透明。分离出上层透明的油相,用无水硫酸钠干燥后,40℃真空干燥将石油醚蒸发干净,得到澄清透明的产品即为蓝藻生物燃料。本实施例较没有经过超声波处理方法生物燃料的得率提高13％,得到的蓝藻生物燃料符合国家生物柴油标准，热值为41MJ/kg。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将蓝藻烘干后粉碎，得到蓝藻粉；
(2)按料液比1:10～1:15加入蓝藻粉和水，调节pH至8.0～10.0，浸泡、搅拌均匀后，进行高压脉冲电场处理，处理条件为：场强10～25kv，频率500～3000Hz，脉冲数6～10；
(3)将经过步骤(2)处理后的料液进行离心分离，得到上清液和蓝藻渣泥；
(4)将步骤(3)得到的蓝藻渣泥，加入1～2倍体积水、2～3倍体积甲醇和2～4倍体积氯仿，搅拌混匀，进行超声波处理，处理条件为：
超声波输出功率100～400w，频率为18～21kHz，超声时间为2～10s，间隔时间为2～10s，处理时间为10～30min；
(5)将经过步骤(4)处理的混合液经离心，取氯仿层，再加入氯化钠溶液，混匀，离心，取氯仿层，氯仿层经无水硫酸钠干燥后，用氮气吹干溶剂，置于烘箱中烘干，再经过酸催化酯交换反应获得蓝藻生物燃料。
2.根据权利要求1所述的利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(6)将步骤(3)得到的上清液进行减压蒸馏浓缩，加入乙醇醇析，于3～5℃静置10h以上，过滤得到沉淀物，沉淀物加水复溶，再次进行醇析，重复多次，再将所得到的沉淀物依次用无水乙醇、无水乙醚和丙酮进行洗涤，真空干燥后得到蓝藻多糖提取物。
3.根据权利要求1所述的利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法，其特征在于，步骤(1)所述烘干，具体为：置于40～60℃烘箱中烘干12～24h，至恒重。
4.根据权利要求1所述的利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法，其特征在于，步骤(2)所述浸泡，具体为：浸泡20～30min。
5.根据权利要求1所述的利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法，其特征在于，步骤(5)所述将经过步骤(4)处理的混合液经离心，取氯仿层，再加入氯化钠溶液，混匀，离心，取氯仿层，氯仿层经无水硫酸钠干燥后，用氮气吹干溶剂，置于烘箱中烘干，再经过酸催化酯交换反应获得蓝藻生物燃料，具体为：
将经过步骤(4)处理的混合液离心，取氯仿层，再加入等体积氯化钠溶液，混匀，离心，取氯仿层，经无水硫酸钠干燥后，用氮气吹干溶剂，加入浓硫酸，甲醇，于30～60℃保温反应2～10h，将反应液转移至分液漏斗中静置分层，弃去下层，将上层粗制生物柴油先用等体积的石油醚洗涤,离心，取上层有机相并用两倍体积的45～50℃蒸馏水洗涤,然后离心,直至完全透明，分离出上层透明的油相,用无水硫酸钠干燥后,30～50℃真空干燥将石油醚蒸发干净,得到澄清透明的产品即为蓝藻生物燃料。
6.根据权利要求2所述的利用高压脉冲电场和超声波辅助提取生物燃料的方法，其特征在于，步骤(6)所述加入乙醇醇析，具体为：加入浓缩液3～5倍体积的95％乙醇于3～5℃静置10h以上。
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