CN106318597A - 一种以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法 - Google Patents

一种以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法，包括以下步骤：将螺旋藻接种至培养基，用红蓝双色LED补光灯照射14‑18h/天,在23‑26℃下培养8‑10天，即可收集螺旋藻细胞；收集的螺旋藻细胞加入高速球磨机破碎，再用有机溶剂提取，得到微藻油脂，再将微藻油脂、甲醇和沸石分子筛催化剂按照质量比为1:3‑5:0.02‑0.05的比例加入反应器中进行酯化反应，得到酯化产物，酯化产物再经过分离、提纯，即可得到生物柴油。本发明方法以生产周期短、分布广泛、光合作用强、油脂含量高的螺旋藻为原料，解决了生物柴油开发中的植物油脂原料存在的问题。同时还具有制备工艺简单、催化效率高、油脂提取率高、产品产率高等优点，为生物柴油产业化、规模化打下了良好的基础。

Description

一种以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法
技术领域
本发明属于生物质能源技术领域，具体来说是一种以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法。
背景技术
随着石化燃料的日益枯竭，石油价格持续大幅上涨，探寻可再生能源已成为解决人类生存和保持世界经济可持续发展的需要,作为新型替代能源的生物柴油在世界各国发展迅速。生物柴油是指以油料作物如大豆、油菜、棉、棕榈等，野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换或热化学工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油的优势不仅限于可再生性，与现有柴油相比，还具有以下优势：十六烷值高，使得燃烧性能更好；较好的润湿性能，使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损减少，延长使用寿命；生物柴油中硫含量低，二氧化硫和硫化物的排放低，降低环境污染；生物柴油闪点高，不属于危险品，在运输、储存、使用方面等均有优势。
目前，我国工业化生产生物柴油主要是以菜籽油、棉籽油、乌桕油、文冠果油、茶油和地沟油等为原料。但这些原料的产量有限，生产的生物柴油只能满足当前车用燃料需求量的0.3％。而且大量用植物油脂生产生物柴油，势必会造成土地资源的紧张和农作物价格的上涨，特别在我国人多地少的情况下，这些问题尤为突出。在这种情况下，微藻生物柴油以其独特的优势吸引了越来越多人的关注。微藻作为一种重要的生物柴油原料，与油料植物相比，具有分布广、生物量高、光合效率高、环境适应能力强、生长周期短、油脂含量高、成本低和环境友好等显著优势。
近年来，有关生物柴油制备的研究主要集中在木本油料和废弃垃圾油等方面，从微藻中提取油脂用于制备生物柴油的研究报道很少。其中，以微藻为原料制备生物柴油一般包括以下工艺步骤：藻种筛选、规模化培养、提取油脂、酯化反应制备生物柴油粗产品、经过精炼即可得到生物柴油。选择油脂含量高的微藻种类是制备生物柴油的关键，同时培养基和环境因子对微藻的含脂量也有着重要的影响。因此，如何提高培养基的营养成分和改变环境因子是提高藻类油脂产率的途径之一。虽然提高微藻含脂量可为生物柴油打下良好的基础，但是生物柴油的生产工艺对其产量影响至关重要。现有生物柴油的生产工艺一般存在以下问题：催化效率低、生物柴油产量低、反应时间长、腐蚀设备、工艺复杂、能耗较大、成本较高等不足。
螺旋藻(Spirulina)，亦称节旋藻，蓝藻纲，颤藻科。螺旋藻是一类低等生物，原核生物，由单细胞或多细胞组成的丝状体，生长于各种淡水和海水中，常浮游生长于中、低潮带海水中或附生于其他藻类和附着物上形成青绿色的被覆物，油脂含量15％左右，油脂成分中主要含有C18、C16碳链的脂肪酸甘油酯，与从植物油中提取的生物柴油组分相近，是一类具有开发潜力的生物能源材料。
发明内容
本发明针对植物油脂产量有限和现有生物柴油制备方法存在的问题，提供一种以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法。本发明方法具有原料来源广泛、催化效率高、耗能低、生物柴油产率高、制备工艺简单等优点，为生物柴油产业化、规模化打下了良好的基础，能有效缓解能源危机问题。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现：
一种以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法，包括以下步骤:
S1.螺旋藻培养：以螺旋藻为原料，再以100-300万个细胞/mL的接种密度接种至培养基，用红蓝双色LED补光灯照射14-18h/天,控制光照强度在2500-3500LX，培养温度控制在23-26℃，培养8-10天，螺旋藻的密度达到浓度达到8000万个细胞/mL，收集螺旋藻细胞；所述的培养基由以下组分组成：葡萄糖15-25mg/L、NaNO3 2.2-2.4mg/L、KH2PO41.5-1.8mg/L、Na2SiO30.5-0.8mg/L、壳聚糖0.5-0.7mg/L、沼液7-9mg/L、f2维生素3-4mL和海水1L；
S2.油脂提取：将步骤S1收集螺旋藻细胞浓缩干燥后，加入高速球磨机破碎，得螺旋藻粉，在螺旋藻粉中加入与其质量比为1:5-8的石油醚，混匀静置4-7h，上层液即为油脂提取液，再将提取液在85-90℃蒸馏，即可得到微藻油脂；
S3.酯交换反应：将微藻油脂、甲醇和沸石分子筛催化剂按照质量比为1:3-5:0.02-0.05的比例加入反应器中，在温度为40-50℃下，进行酯化反应75-80min，得到酯化产物；
S4.静置分离；将酯化产物在转速为30-450r/min下离心13-16min，静置分层，分离出上层甘油，下层为生物柴油粗品；
S5.蒸馏提纯：将生物柴油粗品加至蒸馏塔，在80-85℃下蒸馏除去多余甲醇，即可得到生物柴油。
进一步地，以上步骤S1所述的f2维生素的配制方法如下：0.5mg维生素B12、0.5mg维生素H、100mL维生素B1和纯水1000mL。
进一步地，以上所述的红蓝双色LED补光灯中的红光与蓝光配比为1-3:1，优选配比为3：1。
进一步地，以上步骤S2所述的高速球磨机破碎是控制转速在300-800r/min下破碎15-20min。。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果：
1、本发明以螺旋藻为原料制备生物柴油，可有效缓解当今的能源危机和环境污染问题，螺旋藻具有分布广、生物量高、光合效率高、环境适应能力强、生长周期短、油脂含量高、成本低和环境友好等显著优势，能够解决生物柴油开发中的植物油脂原料不足、成本过高等问题。
2、本发明在培养基中加入的壳聚糖和沼液，含有大量的微量元素、有机物等营养成分，可加快微藻生产速度和提高微藻的油脂产率。
3、本发明方法通过采用红蓝双色LED补光灯改变光照条件，不仅可以提高螺旋藻的光合作用，加快螺旋藻生产和提高产量，同时还可以提高螺旋藻的油脂产率，与常用的白炽灯、荧光灯或单色LED灯相比，螺旋藻的油脂产率提高5％左右。
4、本发明采用高速球磨机破碎微藻细胞，具有成本低、效率高、对环境无污染、耗能低等优点，是一种经济有效地处理方法。
5、本发明方法采用沸石分子筛作为催化剂，具备反应界面大、表面积大、传质阻力小、反应条件温和、活性高、无污染、不腐蚀设备等特点，提高了催化效率，缩短了酯化反应时间，催化效果显著，提高生物柴油的产量。
6、本发明方法具有制备工艺简单、催化效率高、油脂提取率高、生物柴油产率高、产品纯度高、原料来源广泛、成本低、耗能低等优点，具有很好的社会、生态和经济效益，为微藻生物柴油产业化、规模化打下了良好的基础。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明进一步说明，但不限于本发明的保护范围。
实施例1
螺旋藻培养基的配制：葡萄糖25mg/L、NaNO3 2.2mg/L、KH2PO41.5mg/L、Na2SiO30.5mg/L、壳聚糖0.5mg/L、沼液7mg/L、f2维生素3mL和海水1L；
一种以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法，包括以下步骤：
S1.螺旋藻培养：以螺旋藻为原料，再以200万个细胞/mL的接种密度接种至培养基，用红蓝双色LED补光灯照射18h/天,其中红光与蓝光配比为1:1，控制光照强度在2500LX，培养温度控制在23℃，培养10天，螺旋藻的密度达到浓度达到8000万个细胞/mL，收集螺旋藻细胞；
S2.油脂提取：将步骤S1收集螺旋藻细胞浓缩干燥后，加入高速球磨机在转速为300r/min下破碎20min，得螺旋藻粉，在螺旋藻粉中加入与其质量比为1:5的石油醚，混匀静置4h，上层液即为油脂提取液，再将提取液在85℃蒸馏，即可得到微藻油脂；
S3.酯交换反应：将微藻油脂、甲醇和沸石分子筛催化剂按照质量比为1:3:0.05的比例加入反应器中，在温度为40℃下，进行酯化反应80min，得到酯化产物；
S4.静置分离；将酯化产物在转速为300r/min下离心16min，静置分层，分离出上层甘油，下层为生物柴油粗品；
S5.蒸馏提纯：将生物柴油粗品加至蒸馏塔，在80℃下蒸馏除去多余甲醇，即可得到生物柴油。
实施例2
螺旋藻培养基的配制：葡萄糖20mg/L、NaNO3 2.3mg/L、KH2PO41.6mg/L、Na2SiO30.6mg/L、壳聚糖0.6mg/L、沼液9mg/L、f2维生素4mL和海水1L；
一种以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法，包括以下步骤：
S1.螺旋藻培养：以螺旋藻为原料，再以100万个细胞/mL的接种密度接种至培养基，用红蓝双色LED补光灯照射16h/天,其中红光与蓝光配比为3:1，控制光照强度在3000LX，培养温度控制在24℃，培养9天，螺旋藻的密度达到浓度达到8000万个细胞/mL，收集螺旋藻细胞；
S2.油脂提取：将步骤S1收集螺旋藻细胞浓缩干燥后，加入高速球磨机在转速为500r/min下破碎17min，得螺旋藻粉，在螺旋藻粉中加入与其质量比为1:7的石油醚，混匀静置6h，上层液即为油脂提取液，再将提取液在88℃蒸馏，即可得到微藻油脂；
S3.酯交换反应：将微藻油脂、甲醇和沸石分子筛催化剂按照质量比为1:5:0.02的比例加入反应器中，在温度为45℃下，进行酯化反应75min，得到酯化产物；
S4.静置分离；将酯化产物在转速为400r/min下离心15min，静置分层，分离出上层甘油，下层为生物柴油粗品；
S5.蒸馏提纯：将生物柴油粗品加至蒸馏塔，在85℃下蒸馏除去多余甲醇，即可得到生物柴油。
实施例3
螺旋藻培养基的配制：葡萄糖15mg/L、NaNO3 2.4mg/L、KH2PO41.8mg/L、Na2SiO30.8mg/L、壳聚糖0.7mg/L、沼液8mg/L、f2维生素3mL和海水1L；
一种以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法，包括以下步骤：
S1.螺旋藻培养：以螺旋藻为原料，再以300万个细胞/mL的接种密度接种至培养基，用红蓝双色LED补光灯照射14h/天,其中红光与蓝光配比为2:1，控制光照强度在3500LX，培养温度控制在26℃，培养8天，螺旋藻的密度达到浓度达到8000万个细胞/mL，收集螺旋藻细胞；
S2.油脂提取：将步骤S1收集螺旋藻细胞浓缩干燥后，加入高速球磨机在转速为800r/min下破碎15min，得螺旋藻粉，在螺旋藻粉中加入与其质量比为1:8的石油醚，混匀静置7h，上层液即为油脂提取液，再将提取液在90℃蒸馏，即可得到微藻油脂；
S3.酯交换反应：将微藻油脂、甲醇和沸石分子筛催化剂按照质量比为1:4:0.04的比例加入反应器中，在温度为50℃下，进行酯化反应78min，得到酯化产物；
S4.静置分离；将酯化产物在转速为450r/min下离心13min，静置分层，分离出上层甘油，下层为生物柴油粗品；
S5.蒸馏提纯：将生物柴油粗品加至蒸馏塔，在82℃下蒸馏除去多余甲醇，即可得到生物柴油。
利用油脂提取称重法对以上实施例采集到的螺旋藻进行油脂含量测定，结果如表1所示。其中油脂总含量＝(微藻油脂/螺旋藻粉)×100％。
表1.螺旋藻油脂含量
油脂总含量(％)
实施例1 21
实施例2 23
实施例3 20
以上实施例制备的生物柴油按照GB/T20828-2007(柴油机燃料调合用生物柴油)标准检测产品的性能，检测结果如表2所示。
表2.本实施例的生物柴油的产品性能
密度(g/cm3) 粘度(40℃mm2/s) 酸值(mgKOH/g) 闪点(℃) 十六烷值
实施例1 0.86 3.98 0.42 135 63
实施例2 0.85 4.12 0.55 149 77
实施例3 0.84 4.31 0.53 132 55
标准值 0.82-0.9 1.9-6.0 ≤0.8 ≥130℃ ＞49
从上表可以看出，本发明制备的生物柴油的各项指标均高于柴油机燃料调合用生物柴油的标准，市场前景良好。
以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.螺旋藻培养：以螺旋藻为原料，再以100-300万个细胞/mL的接种密度接种至培养基，用红蓝双色LED补光灯照射14-18h/天,控制光照强度在2500-3500LX，培养温度控制在23-26℃，培养8-10天，螺旋藻的密度达到浓度达到8000万个细胞/mL，收集螺旋藻细胞；所述的培养基由以下组分组成：葡萄糖15-25mg/L、NaNO3 2.2-2.4mg/L、KH2PO4 1.5-1.8mg/L、Na2SiO3 0.5-0.8mg/L、壳聚糖0.5-0.7mg/L、沼液7-9mg/L、f2维生素3-4mL和海水1L；
S2.油脂提取：将步骤S1收集螺旋藻细胞浓缩干燥后，加入高速球磨机破碎，得螺旋藻粉，在螺旋藻粉中加入与其质量比为1:5-8的石油醚，混匀静置4-7h，上层液即为油脂提取液，再将提取液在85-90℃蒸馏，即可得到微藻油脂；
S3.酯交换反应：将微藻油脂、甲醇和沸石分子筛催化剂按照质量比为1:3-5:0.02-0.05的比例加入反应器中，在温度为40-50℃下，进行酯化反应75-80min，得到酯化产物；
S4.静置分离；将酯化产物在转速为30-450r/min下离心13-16min，静置分层，分离出上层甘油，下层为生物柴油粗品；
S5.蒸馏提纯：将生物柴油粗品加至蒸馏塔，在80-85℃下蒸馏除去多余甲醇，即可得到生物柴油。
2.根据权利要求1所述的以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法，其特征在于：所述的红蓝双色LED补光灯中的红光与蓝光配比为1-3:1。
3.根据权利要求1所述的以微藻油脂为原料制备生物柴油的方法，其特征在于：所述的高速球磨机破碎是控制转速在300-800r/min下破碎15-20min。
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