CN107746863A - 一种高热值微藻生物柴油的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物工程和清洁能源制备技术领域，具体涉及一种高热值微藻生物柴油的制备方法。本发明以球藻为原料，自备得到球藻油脂，将球藻油脂酯化、离心分层，得到下层生物柴油粗品，继续蒸馏得到高热值微藻生物柴油，本发明采用较温和的光照和光质、高浓缩的土壤提取液作为培养液、适宜的温度等条件促进微藻快速生长，从而提高了产油效率，球藻是一种单细胞蛋白核小球藻，蛋白核小球藻对环境具有稳定的适应能力，能够吸收沼液中丰富的氮磷元素和无机元素，对球藻细胞油脂的积累起着促进作用，从而使生物柴油生产的效率提高，获取最大的油脂含量，提高油脂的含碳率，达到提高生物柴油的热值的目的。
Description
技术领域
本发明涉及生物工程和清洁能源制备技术领域，具体涉及一种高热值微藻生物柴油的制备方法。
背景技术
随着世界经济的快速发展，石化燃料已经不能满足世界经济发展的需要。尤其是近年国际油价大幅飙升，对各国经济的影响越来越大。生物柴油是一种优良的可再生新能源，作为目前全世界正积极推进的可再生能源项目，与清洁核能、风能、光伏发电等将成为人类21世纪的主要能源构成。
生产生物柴油最常见的方法是酯化反应，即在植物油中加入一定量的甲醇，加热到一定温度，在催化剂作用下反应生成脂肪酸甲酯，并分离出副产品甘油的过程。据统计，生物柴油生产成本的70～80％是原料成本，影响生物柴油成本的最根本因素是原料油脂，比设备折旧、人工费用、能耗、甲醇、催化剂都重要，因此，采用廉价油脂原料及提高油脂转化率从而降低成本，是生物柴油是否能规模化、产业化的关键，选取合适的、低成本的油脂资源来生产生物柴油是发展的总趋势。
微藻是一种CO2固定效率及油脂含量高、生物周期短、不影响食物安全保障的单细胞生物。据理论计算，微藻产油能力是油菜、大豆、玉米等作物产油量的几十倍，是生物柴油的理想来源。然而目前有关生物柴油制备的研究基本上都集中在蔬菜油（如大豆油、葵花油以及菜籽油）方面，未见微藻油脂制备生物柴油的报道。微藻生物柴油是一种优良的可再生新能源，对于解决人类面临的能源短缺和全球变暖两大危机具有重大战略意义。
生物产物是非常好的可再生生物能源，具有化石能源所不具备的优点：能源无污染，可不断再生；加工工艺简单；原料来源广泛等。但是，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、容易对设备造成腐蚀等不足。
发明内容
本发明主要解决的技术问题，针对目前生物柴油的生产中，产油效率低，与石化柴油相比，热值较低的的的缺陷，提供了一种高热值微藻生物柴油的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高热值微藻生物柴油的制备方法的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取0.5～0.7kg河底淤泥置于烧杯中，向烧杯中加入800～1000mL蒸馏水，将烧杯口用透气塞封住，移入水浴锅中加热升温，蒸煮自然冷却至室温，静置分层，过滤去除下层泥沙，得到上清液，将灭菌蒸馏水加入上清液至总体积为900～1000mL，得到土壤提取液；
（2）将土壤提取液装入锥形瓶中，将球藻接种至土壤提取液中，培养；
（3）向上述锥形瓶中添加70～80mL沼液、50～60g贝壳粉、20～30g尼罗红，并在充气泵与锥形瓶之间放置一个装有高锰酸钾溶液的烧杯，用玻璃管将充气泵、烧杯、锥形瓶连通，用充气泵向锥形瓶中通入空气，在锥形瓶中开启磁力搅拌器搅拌，开始培养；
（4）培养期间，每日光照结束后，用紫外光对锥形瓶内培养液进行检查，发现锥形瓶培养液被红色充满后，结束培养，将锥形瓶中培养产物取出，放入高速离心机中离心处理，去除上层液，得到下层球藻细胞，将球藻细胞放入烘箱中，加热升温，干燥，得到干燥球藻细胞；
（5）将干燥球藻细胞用超声波破碎仪中破壁处理，得到球藻干粉，配置氯仿、甲醇、水的有机萃取液，将球藻干粉与有机萃取液混合，放入分液漏斗中，静置，去除下层液，取上层液放入蒸馏装置中，加热升温，蒸馏，得球藻油脂；
（6）将球藻油脂、甲醇、沸石分子筛混合放入反应釜中，水浴加热升温，保温反应，得到酯化产物，将酯化产物放入高速离心机中离心，静置分层，去除上层液体，得到下层生物柴油粗品，将生物柴油粗品置于蒸馏装置中，加热升温，蒸馏至不再有液体蒸出，得到高热值微藻生物柴油。
步骤（1）所述的加热升温后温度为90～100℃，蒸煮时间为2～3h，静置分层10～15min。
步骤（2）所述的球藻接种密度为400万个细胞/mL，控制培养液温度为26～28℃，可见光照射强度为2000～2200Lx，培养时间为4～5天。
步骤（3）所述的高锰酸钾溶液的质量分数为65%，充气泵充气速率为3～4L/min，磁力搅拌器转速为300～400r/min，控制每日光照时间为10～12h。
步骤（4）所述的高速离心机转速为4000～4300r/min，离心处理时间为12～15min，对烘箱加热升温后温度为80～90℃，干燥时间为10～12h。
步骤（5）所述的控制超声波功率为180～200W，超声处理时间为20～25min，有机萃取液中氯仿、甲醇、水的体积混合比为2︰1︰2，球藻干粉与有机萃取液混合的质量比为1︰10，静置时间为20～30min，加热升温后温度为90～100℃，蒸馏时间为4～5h。
步骤（6）所述的球藻油脂、甲醇、沸石分子筛混合的质量比为1︰5︰0.5，对反应釜水浴加热升温后温度为60～70℃，保温反应时间为2～3h，高速离心机转速为2000～2200r/min，离心时间为15～20min，蒸馏时加热升温后温度为70～80℃。
本发明的有益效果是：
（1）本发明以球藻为所需的生物原料，先接种至河底淤泥提取的土壤提取液中培养至对数期，然后向土壤提取液中加入沼液、贝壳粉等，通入空气培养，培养结束后，离心干燥得到干燥球藻细胞，以超声波破碎法破碎球藻细胞壁，再用有机萃取液萃取、蒸馏干燥得到球藻油脂，将球藻油脂酯化、离心分层，得到下层生物柴油粗品，继续蒸馏得到高热值微藻生物柴油，本发明在球藻培养到对数期的阶段，采用较温和的光照和光质、高浓缩的土壤提取液作为培养液、适宜的温度等条件，促进球藻的健康生长，使球藻中不含污染性杂质，提高油脂品质，适宜的培养条件使微藻快速生长至对数期，从而提高了产油效率；
（2）本发明球藻是一种单细胞蛋白核小球藻，细胞为球形，细胞壁较薄，色素体呈杯状，几乎充满整个细胞，蛋白核小球藻藻株具有一个很明显的蛋白核，直径3～5μm，蛋白核小球藻对环境具有稳定的适应能力，竞争夺取养分能力非常强，球藻培养至对数期后，小球藻的生长速率最快，向其中加入沼液、贝壳粉等原料后，能够吸收沼液中丰富的氮磷元素，并且其他微生物会被小球藻吸收，帮助小球藻吸收无机元素，对球藻细胞油脂的积累起着促进作用，油脂品质得到提高，培养液中加入的尼罗红是一种亲脂性的恶嗪类荧光染料，与脂类物质包括腊酯和三酰甘油以及各种脂肪酸结合后，紫外光照射下，显示强烈桔红色荧光，这对球藻中油脂的累积检测起到关键作用，能够精确确定小球藻油脂累积含量最高的生长点，确认培养结束时间，从而使生物柴油生产的效率提高，获取最大的油脂含量，提高油脂的含碳率，达到提高生物柴油的热值的目的。
具体实施方式
取0.5～0.7kg河底淤泥置于烧杯中，向烧杯中加入800～1000mL蒸馏水，将烧杯口用透气塞封住，移入水浴锅中加热升温至90～100℃，蒸煮2～3h，自然冷却至室温，静置分层10～15min，过滤去除下层泥沙，得到上清液，将灭菌蒸馏水加入上清液至总体积为900～1000mL，得到土壤提取液；将土壤提取液装入锥形瓶中，将球藻以400万个细胞/mL的接种密度接种至土壤提取液中，控制培养液温度为26～28℃，可见光照射强度为2000～2200Lx，培养4～5天；向上述锥形瓶中添加70～80mL沼液、50～60g贝壳粉、20～30g尼罗红，并在充气泵与锥形瓶之间放置一个装有质量分数为65%的高锰酸钾溶液的烧杯，用玻璃管将充气泵、烧杯、锥形瓶连通，用充气泵以3～4L/min的速率向锥形瓶中通入空气，在锥形瓶中开启磁力搅拌器，以300～400r/min转速搅拌，控制每日光照时间为10～12h，开始培养；培养期间，每日光照结束后，用紫外光对锥形瓶内培养液进行检查，发现锥形瓶培养液被红色充满后，结束培养，将锥形瓶中培养产物取出，放入高速离心机中以4000～4300r/min的转速，离心处理12～15min，去除上层液，得到下层球藻细胞，将球藻细胞放入烘箱中，加热升温至80～90℃，干燥10～12h，得到干燥球藻细胞；将干燥球藻细胞用超声波破碎仪中破壁处理，控制超声波功率为180～200W，超声处理时间为20～25min，得到球藻干粉，配置氯仿、甲醇、水体积混合比为2︰1︰2的有机萃取液，将球藻干粉与有机萃取液按质量比为1︰10混合，放入分液漏斗中，静置20～30min，去除下层液，取上层液放入蒸馏装置中，加热升温至90～100℃，蒸馏4～5h，得球藻油脂；将球藻油脂、甲醇、沸石分子筛按质量比为1︰5︰0.5混合放入反应釜中，水浴加热升温至60～70℃，保温反应2～3h，得到酯化产物，将酯化产物放入高速离心机中以2000～2200r/min的转速离心15～20min，静置分层，去除上层液体，得到下层生物柴油粗品，将生物柴油粗品置于蒸馏装置中，加热升温至70～80℃，蒸馏至不再有液体蒸出，得到高热值微藻生物柴油。
实例1
取0.5kg河底淤泥置于烧杯中，向烧杯中加入800mL蒸馏水，将烧杯口用透气塞封住，移入水浴锅中加热升温至90℃，蒸煮2h，自然冷却至室温，静置分层10min，过滤去除下层泥沙，得到上清液，将灭菌蒸馏水加入上清液至总体积为900mL，得到土壤提取液；将土壤提取液装入锥形瓶中，将球藻以400万个细胞/mL的接种密度接种至土壤提取液中，控制培养液温度为26℃，可见光照射强度为2000Lx，培养4天；向上述锥形瓶中添加70mL沼液、50g贝壳粉、20g尼罗红，并在充气泵与锥形瓶之间放置一个装有质量分数为65%的高锰酸钾溶液的烧杯，用玻璃管将充气泵、烧杯、锥形瓶连通，用充气泵以3L/min的速率向锥形瓶中通入空气，在锥形瓶中开启磁力搅拌器，以300r/min转速搅拌，控制每日光照时间为10h，开始培养；培养期间，每日光照结束后，用紫外光对锥形瓶内培养液进行检查，发现锥形瓶培养液被红色充满后，结束培养，将锥形瓶中培养产物取出，放入高速离心机中以4000r/min的转速，离心处理12min，去除上层液，得到下层球藻细胞，将球藻细胞放入烘箱中，加热升温至80℃，干燥10h，得到干燥球藻细胞；将干燥球藻细胞用超声波破碎仪中破壁处理，控制超声波功率为180W，超声处理时间为20min，得到球藻干粉，配置氯仿、甲醇、水体积混合比为2︰1︰2的有机萃取液，将球藻干粉与有机萃取液按质量比为1︰10混合，放入分液漏斗中，静置20min，去除下层液，取上层液放入蒸馏装置中，加热升温至90℃，蒸馏4h，得球藻油脂；将球藻油脂、甲醇、沸石分子筛按质量比为1︰5︰0.5混合放入反应釜中，水浴加热升温至60℃，保温反应2h，得到酯化产物，将酯化产物放入高速离心机中以2000r/min的转速离心15min，静置分层，去除上层液体，得到下层生物柴油粗品，将生物柴油粗品置于蒸馏装置中，加热升温至70℃，蒸馏至不再有液体蒸出，得到高热值微藻生物柴油。
实例2
取0.6kg河底淤泥置于烧杯中，向烧杯中加入900mL蒸馏水，将烧杯口用透气塞封住，移入水浴锅中加热升温至95℃，蒸煮2.5h，自然冷却至室温，静置分层13min，过滤去除下层泥沙，得到上清液，将灭菌蒸馏水加入上清液至总体积为950mL，得到土壤提取液；将土壤提取液装入锥形瓶中，将球藻以400万个细胞/mL的接种密度接种至土壤提取液中，控制培养液温度为27℃，可见光照射强度为2100Lx，培养4.5天；向上述锥形瓶中添加75mL沼液、55g贝壳粉、25g尼罗红，并在充气泵与锥形瓶之间放置一个装有质量分数为65%的高锰酸钾溶液的烧杯，用玻璃管将充气泵、烧杯、锥形瓶连通，用充气泵以3.5L/min的速率向锥形瓶中通入空气，在锥形瓶中开启磁力搅拌器，以350r/min转速搅拌，控制每日光照时间为11h，开始培养；培养期间，每日光照结束后，用紫外光对锥形瓶内培养液进行检查，发现锥形瓶培养液被红色充满后，结束培养，将锥形瓶中培养产物取出，放入高速离心机中以4150r/min的转速，离心处理13min，去除上层液，得到下层球藻细胞，将球藻细胞放入烘箱中，加热升温至85℃，
干燥11h，得到干燥球藻细胞；将干燥球藻细胞用超声波破碎仪中破壁处理，控制超声波功率为190W，超声处理时间为23min，得到球藻干粉，配置氯仿、甲醇、水体积混合比为2︰1︰2的有机萃取液，将球藻干粉与有机萃取液按质量比为1︰10混合，放入分液漏斗中，静置25min，去除下层液，取上层液放入蒸馏装置中，加热升温至95℃，蒸馏4.5h，得球藻油脂；将球藻油脂、甲醇、沸石分子筛按质量比为1︰5︰0.5混合放入反应釜中，水浴加热升温至65℃，保温反应2.5h，得到酯化产物，将酯化产物放入高速离心机中以2100r/min的转速离心17min，静置分层，去除上层液体，得到下层生物柴油粗品，将生物柴油粗品置于蒸馏装置中，加热升温至75℃，蒸馏至不再有液体蒸出，得到高热值微藻生物柴油。
实例3
取0.7kg河底淤泥置于烧杯中，向烧杯中加入1000mL蒸馏水，将烧杯口用透气塞封住，移入水浴锅中加热升温至100℃，蒸煮3h，自然冷却至室温，静置分层15min，过滤去除下层泥沙，得到上清液，将灭菌蒸馏水加入上清液至总体积为1000mL，得到土壤提取液；将土壤提取液装入锥形瓶中，将球藻以400万个细胞/mL的接种密度接种至土壤提取液中，控制培养液温度为28℃，可见光照射强度为2200Lx，培养5天；向上述锥形瓶中添加80mL沼液、60g贝壳粉、30g尼罗红，并在充气泵与锥形瓶之间放置一个装有质量分数为65%的高锰酸钾溶液的烧杯，用玻璃管将充气泵、烧杯、锥形瓶连通，用充气泵以4L/min的速率向锥形瓶中通入空气，在锥形瓶中开启磁力搅拌器，以400r/min转速搅拌，控制每日光照时间为12h，开始培养；培养期间，每日光照结束后，用紫外光对锥形瓶内培养液进行检查，发现锥形瓶培养液被红色充满后，结束培养，将锥形瓶中培养产物取出，放入高速离心机中以4300r/min的转速，离心处理15min，去除上层液，得到下层球藻细胞，将球藻细胞放入烘箱中，加热升温至90℃，干燥12h，得到干燥球藻细胞；将干燥球藻细胞用超声波破碎仪中破壁处理，控制超声波功率为200W，超声处理时间为25min，得到球藻干粉，配置氯仿、甲醇、水体积混合比为2︰1︰2的有机萃取液，将球藻干粉与有机萃取液按质量比为1︰10混合，放入分液漏斗中，静置30min，去除下层液，取上层液放入蒸馏装置中，加热升温至100℃，蒸馏5h，得球藻油脂；将球藻油脂、甲醇、沸石分子筛按质量比为1︰5︰0.5混合放入反应釜中，水浴加热升温至70℃，保温反应3h，得到酯化产物，将酯化产物放入高速离心机中以2200r/min的转速离心20min，静置分层，去除上层液体，得到下层生物柴油粗品，将生物柴油粗品置于蒸馏装置中，加热升温至80℃，蒸馏至不再有液体蒸出，得到高热值微藻生物柴油。
对比例
以济南市某公司生产的生物柴油作为对比例 对本发明制得的高热值微藻生物柴油和对比例中的生物柴油进行检测，检测结果如表1所示： 1、测试方法
酸值试验方法参照GB/T264。
热值试验方法参照GB/T384。
运动粘度试验方法参照GB/T265。
闪点试验方法参照GB/T261。
按照GB/T20828-2007标准进行测试。
表1
由表1数据可知，本发明制得的高热值微藻生物柴油，具有产油效率高、热值高、酸值低，对设备不易产生腐蚀、运动粘度大等优点，均达到了GB/T20828-2007柴油机燃料调合用生物柴油的标准。因此，具有广阔的使用前景。
Claims (7)
1.一种高热值微藻生物柴油的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取0.5～0.7kg河底淤泥置于烧杯中，向烧杯中加入800～1000mL蒸馏水，将烧杯口用透气塞封住，移入水浴锅中加热升温，蒸煮自然冷却至室温，静置分层，过滤去除下层泥沙，得到上清液，将灭菌蒸馏水加入上清液至总体积为900～1000mL，得到土壤提取液；
（2）将土壤提取液装入锥形瓶中，将球藻接种至土壤提取液中，培养；
（3）向上述锥形瓶中添加70～80mL沼液、50～60g贝壳粉、20～30g尼罗红，并在充气泵与锥形瓶之间放置一个装有高锰酸钾溶液的烧杯，用玻璃管将充气泵、烧杯、锥形瓶连通，用充气泵向锥形瓶中通入空气，在锥形瓶中开启磁力搅拌器搅拌，开始培养；
（4）培养期间，每日光照结束后，用紫外光对锥形瓶内培养液进行检查，发现锥形瓶培养液被红色充满后，结束培养，将锥形瓶中培养产物取出，放入高速离心机中离心处理，去除上层液，得到下层球藻细胞，将球藻细胞放入烘箱中，加热升温，干燥，得到干燥球藻细胞；
（5）将干燥球藻细胞用超声波破碎仪中破壁处理，得到球藻干粉，配置氯仿、甲醇、水的有机萃取液，将球藻干粉与有机萃取液混合，放入分液漏斗中，静置，去除下层液，取上层液放入蒸馏装置中，加热升温，蒸馏，得球藻油脂；
（6）将球藻油脂、甲醇、沸石分子筛混合放入反应釜中，水浴加热升温，保温反应，得到酯化产物，将酯化产物放入高速离心机中离心，静置分层，去除上层液体，得到下层生物柴油粗品，将生物柴油粗品置于蒸馏装置中，加热升温，蒸馏至不再有液体蒸出，得到高热值微藻生物柴油。
2.根据权利要求1所述的一种高热值微藻生物柴油的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的加热升温后温度为90～100℃，蒸煮时间为2～3h，静置分层10～15min。
3.根据权利要求1所述的一种高热值微藻生物柴油的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的球藻接种密度为400万个细胞/mL，控制培养液温度为26～28℃，可见光照射强度为2000～2200Lx，培养时间为4～5天。
4.根据权利要求1所述的一种高热值微藻生物柴油的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的高锰酸钾溶液的质量分数为65%，充气泵充气速率为3～4L/min，磁力搅拌器转速为300～400r/min，控制每日光照时间为10～12h。
5.根据权利要求1所述的一种高热值微藻生物柴油的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的高速离心机转速为4000～4300r/min，离心处理时间为12～15min，对烘箱加热升温后温度为80～90℃，干燥时间为10～12h。
6.根据权利要求1所述的一种高热值微藻生物柴油的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的控制超声波功率为180～200W，超声处理时间为20～25min，有机萃取液中氯仿、甲醇、水的体积混合比为2︰1︰2，球藻干粉与有机萃取液混合的质量比为1︰10，静置时间为20～30min，加热升温后温度为90～100℃，蒸馏时间为4～5h。
7.根据权利要求1所述的一种高热值微藻生物柴油的制备方法，其特征在于：步骤（6）所述的球藻油脂、甲醇、沸石分子筛混合的质量比为1︰5︰0.5，对反应釜水浴加热升温后温度为60～70℃，保温反应时间为2～3h，高速离心机转速为2000～2200r/min，离心时间为15～20min，蒸馏时加热升温后温度为70～80℃。
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