殷海，許瑾，王忠銘，郝小紅，袁振宏，王亞兵

（1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640 ）

能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，是促使經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力。目前為止，人類使用的能源絕大多數(shù)來(lái)自于傳統(tǒng)的化石燃料。然而隨著傳統(tǒng)化石能源的逐步耗盡、環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，人們迫切要求可持續(xù)的發(fā)展，急需尋找新的清潔能源來(lái)替代傳統(tǒng)能源。生物質(zhì)能源由于數(shù)量龐大、種類繁多的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被越來(lái)越多的決策者和科研人員所關(guān)注。

微藻作為一種用于生產(chǎn)生物柴油的極具潛力的生物質(zhì)原料，逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。微藻分布廣泛，種類繁多，并且適應(yīng)能力極強(qiáng)，作為能源生物質(zhì)，其還具有光合作用效率高、生產(chǎn)周期短、油脂產(chǎn)量高且品質(zhì)優(yōu)良、不與糧食競(jìng)爭(zhēng)[3-4]，同時(shí)微藻還可以消耗環(huán)境中的CO2[5]等優(yōu)點(diǎn)，使得微藻能源在新型可再生替代能源中顯得尤為突出。

微藻生物柴油的生產(chǎn)工藝包括微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)、微藻的采收、微藻油脂的提取和生物柴油的轉(zhuǎn)化等一系列環(huán)節(jié)[6]。其中，微藻油脂的提取是影響生物柴油推廣應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，微藻油脂的常用提取方法主要包括壓榨法和水酶解法，這些方法的油脂提取殘油率高[7]；其次有超臨界流體萃取、離子液體提取法[8-9]以及水熱液化技術(shù)[10]，這些方法對(duì)設(shè)備要求較高，成本較大[11]，并且超臨界流體萃取對(duì)于極性脂的提取率較低[12]；還有索氏提取法，該方法具有提取周期較長(zhǎng)、能量消耗高、提取率低的特點(diǎn)；而最常見(jiàn)的是有機(jī)浸提法，該方法雖然對(duì)有機(jī)溶劑具有很強(qiáng)的選擇性，但其對(duì)設(shè)備要求低、操作簡(jiǎn)單、提取率較高。

溶劑浸提法是利用能溶解油脂的有機(jī)溶劑，通過(guò)滲透、濕潤(rùn)、對(duì)流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散等作用，將微藻中的油脂溶解在溶劑中，再通過(guò)將浸提溶劑和油脂分離，進(jìn)而得到粗脂[13]。極性溶劑能有效破壞膜蛋白間結(jié)合力，使得細(xì)胞膜疏松多孔，非極性溶劑可以很好的與細(xì)胞內(nèi)油脂結(jié)合[14]，這使得雙溶劑體系在油脂提取中占有一定的優(yōu)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)利用有機(jī)溶劑提取微藻油脂，探究了不同的條件對(duì)微藻油脂提取率的影響，為微藻生物柴油的實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 微藻材料

小球藻藻粉，由中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所佛山三水能源微藻培養(yǎng)示范基地提供。

1.2 儀器設(shè)備

NewClassic 電子天平，上海梅特勒-托利多儀器有限公司；DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌水浴鍋，河南鞏義予華儀器有限公司；TDL-5-A 型離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；HGC/HSC 系列氮吹儀，廣州易測(cè)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 微藻培養(yǎng)及藻粉制備

所用微藻為中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所三水區(qū)能源微藻培養(yǎng)示范基地戶外大型跑道池內(nèi)養(yǎng)殖的小球藻，通過(guò)離心機(jī)收集微藻后，利用噴霧干燥設(shè)備制取得到干燥的藻粉，將干燥的藻粉密封放置在4℃的冰箱中待用。

1.3.2 提取劑的選擇

目前利用有機(jī)溶劑提取微藻油脂所用的提取劑主要包括氯仿-甲醇[15]、正己烷-異丙醇[16]、DMSO-甲醇混合液[17]、正己烷[18]、DUB、DUB-辛醇、二氯甲烷-甲醇[19-21]等，但是這些有機(jī)溶劑存在毒性強(qiáng)、成本高或沸點(diǎn)高難以分離等缺點(diǎn)。因此采用成本相對(duì)較低、沸點(diǎn)較低、毒性低的沸程為60～90℃的石油醚作為提取劑，同時(shí)使用甲醇和石油醚兩種有機(jī)溶劑作為提取劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。

1.3.3 微藻油脂提取

稱取200mg±10mg 的干燥藻粉于螺口的玻璃瓶中，按每次實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的液料比加入相應(yīng)量的有機(jī)溶劑，放入所設(shè)計(jì)溫度下的恒溫加熱磁力攪拌水浴鍋中，攪拌相應(yīng)的時(shí)間后，取出玻璃瓶放入離心機(jī)中，在3500r/min 的轉(zhuǎn)速下離心5min，收集上清液，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下蒸發(fā)溶劑，轉(zhuǎn)移含有少量溶劑的總脂到預(yù)先稱重的EP 管中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下蒸發(fā)溶劑至恒重，稱量得到總脂的質(zhì)量，計(jì)算得出有油脂的提取率。

在使用甲醇-石油醚兩種有機(jī)溶劑提取微藻油脂時(shí)，按相應(yīng)的液料比在玻璃管中第一次加入甲醇試劑，放置在所設(shè)定溫度的水浴鍋中加熱一定的時(shí)間，離心收集上清液后，再向玻璃管的剩余固體內(nèi)加入等量的石油醚，恒溫加熱相同的時(shí)間，離心收集上清液，合并兩次所得的上清液，添加等量的去離子水使溶液分層，靜置10min，收集上層包含總脂成分的混合液后在氮?dú)庾饔孟麓蹈芍梁阒?，稱量得到總脂的質(zhì)量，并計(jì)算得出油脂的提取率。

考察各種工藝參數(shù)對(duì)油脂提取率的影響以及實(shí)驗(yàn)誤差的存在，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)平行組，實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次。

1.3.4 提取率的計(jì)算

微藻含油率的測(cè)定采用Bligh-Dyer 的快速油脂提取方法[22]，經(jīng)測(cè)定本實(shí)驗(yàn)所用微藻的含油率為11.07%。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取時(shí)間對(duì)提取率的影響

在微藻油脂的提取中，提取時(shí)間對(duì)提取率有一定的影響。如果提取時(shí)間過(guò)短，有機(jī)溶劑不能充分穿透微藻的細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，不能充分地與細(xì)胞內(nèi)的油脂接觸；同時(shí)本實(shí)驗(yàn)的單一有機(jī)溶劑采用的是石油醚（沸程60～90℃），低沸程的石油醚具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，故提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致石油醚揮發(fā)造成有機(jī)溶劑的浪費(fèi)，并且在工業(yè)應(yīng)用時(shí)，提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)必然導(dǎo)致生產(chǎn)周期變長(zhǎng)，從而降低油脂提取效率同時(shí)增加生產(chǎn)成本。故實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3h、4h、5h、6h 共4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，探究不同的時(shí)間對(duì)于該微藻的油脂提取率的影響，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 提取時(shí)間對(duì)微藻油脂提取率的影響

由圖1 可以看出，在提取時(shí)間小于4h 時(shí)，油脂的提取率維持在一個(gè)較低的值；當(dāng)提取時(shí)間超過(guò)4h時(shí)，油脂提取率上升；而提取時(shí)間超過(guò)5h 后，提取率上升速度變慢。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)前的理論分析相吻合。但是從圖1 可以看出，時(shí)間的變化對(duì)油脂提取率的影響不明顯，故在本次實(shí)驗(yàn)中提取時(shí)間不作為影響提取率的主要因素。綜合考慮，在本實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的提取時(shí)間為5h。

2.2 液料比對(duì)提取率的影響

利用有機(jī)溶劑提取微藻油脂主要是利用傳質(zhì)推動(dòng)力，同時(shí)利用固相主體和液相主體之間的濃度差[23]，從而使藻體內(nèi)的油脂被攜帶出來(lái)，所以液料比就是影響這一進(jìn)程的重要因素。液料比過(guò)小，會(huì)使得傳質(zhì)推動(dòng)力變小，不易將藻細(xì)胞內(nèi)的油脂提取出來(lái)；而液料比過(guò)大會(huì)增加有機(jī)溶劑的使用量，從而使得成本大大升高，不利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用。因此，選擇一個(gè)合適的液料比十分必要。本次實(shí)驗(yàn)按照有機(jī)溶劑的體積（mL）與微藻的質(zhì)量（g）比分別為5mL/g、10mL/g、15mL/g、20mL/g 和30mL/g探究了在不同液料比時(shí)的提取率，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 液料比對(duì)微藻油脂提取率的影響

結(jié)果表明，在較低的液料比的情況下即所加入的有機(jī)溶劑較少時(shí)，提取率非常低；隨著所加入的有機(jī)溶劑的含量增多，提取率顯著升高；最后保持在某一個(gè)定值。為了獲取較高的微藻油脂提取率，選取液料比為15mL/g 作為最佳的工藝條件。

2.3 溫度對(duì)提取率的影響

溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)速率越大，有機(jī)溶劑可以更快速地進(jìn)入藻細(xì)胞內(nèi)部，使得油脂提取所需的時(shí)間減少。但是，提取溫度有時(shí)會(huì)破壞微藻內(nèi)的有效成分，而且需要考慮提取溶劑的沸點(diǎn)的限制因素[24]。同時(shí)較高的溫度必然會(huì)造成能量的浪費(fèi)，這也是目前限制微藻能源推廣應(yīng)用的主要制約因素。所以為了使生物柴油具有市場(chǎng)大規(guī)模應(yīng)用所需的條件，同時(shí)最大限度地保持微藻內(nèi)部的活性物質(zhì)和油脂的品質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)所探究的溫度條件都在接近常溫的條件下進(jìn)行的，使得在消耗較少能量的同時(shí)可以獲得盡量高的提取率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在接近常溫時(shí)利用有機(jī)溶劑溶劑提取微藻油脂，油脂的提取率滿足先增后減的總體趨勢(shì)，在溫度為45℃時(shí)提取率達(dá)到最大值，隨后提取率下降。

圖3 溫度對(duì)微藻油脂提取率的影響

2.4 甲醇和石油醚分步提取對(duì)提取率的影響

通過(guò)上述單種溶劑的實(shí)驗(yàn)可知，在選用石油醚作為提取劑，提取溫度為45℃，所加入的石油醚和微藻的比為15mL/g，并且加熱時(shí)間為5h 時(shí)，微藻油脂的提取率可以達(dá)到最大值為58.71%。但是該提取率仍然較低，在推廣應(yīng)用的過(guò)程中就會(huì)造成微藻中殘余大量的油脂，從而造成能源浪費(fèi)。為了進(jìn)一步提高油脂的提取率，研究采用兩種溶劑分步作用來(lái)進(jìn)行油脂的提取，本實(shí)驗(yàn)采用極性較強(qiáng)的甲醇試劑和極性相對(duì)較弱的石油醚來(lái)提取微藻油脂。

按液料比為15mL/g 向微藻中加入極性較強(qiáng)的甲醇試劑，在45℃的條件下，加熱到指定的時(shí)間，充分破壞微藻的細(xì)胞膜，之后轉(zhuǎn)移溶劑后加入等量的石油醚溶劑在相同的溫度、加熱時(shí)間，利用油脂與石油醚相容的原理將油脂從細(xì)胞內(nèi)部提取出來(lái)。結(jié)果得到，微藻油脂的提取率為77.16%，相比于之前的單一有機(jī)溶劑，油脂的提取率上升明顯。同時(shí)，在各個(gè)影響油脂提取率的因素中，考慮到溫度的來(lái)源需要消耗一定的能量，故在規(guī)模化的工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)盡量使提取溫度接近常溫。為了滿足這一需求，實(shí)驗(yàn)在雙溶劑提取時(shí)再次選用溫度作為單因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以尋找在可接受的提取率的范圍內(nèi)的最佳溫度，結(jié)果如圖4 所示。

從圖4 可以看出，相比于單種溶劑，在提取劑上選用甲醇和石油醚兩種有機(jī)溶劑時(shí)，不僅僅在各個(gè)對(duì)應(yīng)的溫度下油脂提取率有了較大幅度的提高，同時(shí)微藻在更低的溫度下，油脂提取率反而可以達(dá)到一個(gè)最大的值，即溫度為35℃時(shí)提取率就能達(dá)到87.90%，這不僅使得微藻油脂提取率有了較大的提高，同時(shí)使在微藻提取的過(guò)程中能量的消耗大幅降低。

圖4 改進(jìn)后溫度對(duì)于油脂提取率的影響

3 結(jié) 論

（1）采用有機(jī)溶劑提取微藻油脂的過(guò)程中，有機(jī)溶劑的種類、溫度、液料比、時(shí)間對(duì)微藻油脂提取率都有著一定的影響，而影響本實(shí)驗(yàn)所用微藻的主要因素是溫度和液料比，以石油醚作為提取劑，在溫度為45℃、液料比為15 mL/g、提取時(shí)間為5h 的條件下，微藻油脂的提取率達(dá)到最大值為58.71%。

（2）使用一種極性有機(jī)溶劑——甲醇、一種非極性溶劑——石油醚作為提取劑分兩步對(duì)微藻進(jìn)行處理會(huì)使微藻油脂的提取率大大升高，同時(shí)所需要的提取溫度還可以相應(yīng)地降低。實(shí)驗(yàn)表明，在相同的液料比和提取時(shí)間的條件下，實(shí)驗(yàn)溫度在35℃時(shí)微藻油脂的提取率會(huì)達(dá)到87.90%。

研究結(jié)果表明，在一定的溫度和料液比的條件下提取微藻油脂，使用甲醇和石油醚作為提取劑，可以得到較高的提取率，同時(shí)可以改善了目前微藻油脂提取中有機(jī)溶劑有毒、成本高、高耗能等缺點(diǎn)，為微藻油脂的工業(yè)化生產(chǎn)提供了一定的科學(xué)參考依據(jù)。

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