微藻生物柴油制备及理化性质分析

孙协军 李秀霞 李佳伟 陶秀春

微藻生物柴油制备及理化性质分析

孙协军 李秀霞 李佳伟 陶秀春

（渤海大学化学化工与食品安全学院，锦州 121013）

对盐藻生物柴油的制备工艺进行了优化，并对3种海水微藻生物柴油的理化性质进行了分析。试验利用溶剂浸渍法制备了K2O／Al2O3固体碱催化剂，采用超声波空化作用代替机械搅拌进行了盐藻生物柴油固体碱催化酯交换制备研究，最佳制备工艺为：在超声波功率450 W、反应温度65℃和醇油摩尔比12∶1条件下，用2.5%固体碱为催化剂催化盐藻油酯交换反应2.5 h，获得酯交换率为57.78%；对3种微藻生物柴油理化性质分析的结果表明，3种微藻生物柴油的密度、酸价、过氧化值和水分含量等均符合国标规定，热值比0＃柴油略低，碳氢元素的总量低于0＃柴油，但3种微藻生物柴油具有更高的碳氢比；3种微藻生物柴油的黏度均略高于国标规定，在实际应用中，微藻生物柴油可与石化柴油按一定比例掺混使用。

微藻 生物柴油 理化性质

微藻（microalgae）为单细胞、群体或丝状藻类，有20 000多种，广泛分布于我国沿海和内地水域［1－2］。是生产生物柴油的良好原料。生物柴油的制备方法主要有直接混合法、微乳化法、高温裂解法和酯交换法等，目前工业化生产主要采用的是酯交换法［3］，可用酸催化剂［4］、碱催化剂［5］或酶催化剂催化等［6－7］。与其他资源相比，微藻作为生物柴油原料使用具有很大的潜力和优势［8－9］，以微藻油为原料制备的生物柴油理化性质符合国家标准的规定，可作为燃料使用［10］。对盐藻油固体碱催化法制备盐藻生物柴油的工艺进行了研究，并对3种海水微藻生物柴油的理化性质进行了分析，为微藻的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

盐藻粉：大连丰源达饵料有限公司；螺旋藻粉、小球藻粉：陕西森弗生物技术有限公司。

1.2 主要试剂与仪器

47%三氟化硼乙醚：国药集团化学试剂有限公司；37种脂肪酸甲酯混合标准品（30 mg／mL）：美国Restek公司；颗粒活性炭（12～40目）：北京普林森环保科技有限公司；硫酸、甲醇、乙酸乙酯、氧化铝、硝酸钾等，均为分析纯。

GC－2014C气相色谱仪：岛津苏州有限公司；HGT－300E氮、氢、空气发生器：北京汇龙公司；ZDJ－4A自动电位滴定仪：上海雷磁精科仪器厂；KQ－500DV型数控超声波清洗器：昆山超声仪器有限公司；品式黏度计：浙江椒江玻璃仪器厂；TU－1800SPC紫外可见光光度计：北京普析通用仪器公司；6300全自动氧弹式量热仪：美国Parr公司；Vario macro CHNS元素分析仪：德国ELEMENTAR元素分析系统公司。

1.3 试验方法

1.3.1 微藻油提取方法

向微藻粉中加入适量乙酸乙酯，浸泡一段时间，然后50℃条件下超声波提取一定时间后，减压抽滤，滤渣重复提取多次至滤液呈浅黄或浅绿色，合并滤液并于40℃减压蒸干大部分溶剂，收集于烧杯中，60℃烘箱烘至液面无气泡，冷藏备用。

1.3.2 生物柴油主要理化指标测定方法

含水量：参照GB／T 5528—2008；运动黏度：参照GB／T 265—1988；密度：参照GB／T 2540—1981；酸价：参照GB／T 5530—2005；过氧化值：参照GB／T 5538—2005；热值：参照GB／T 384—1981；碳和氢元素分析：元素分析仪测定；闪点：参照GB／T 261—2000闭口杯方法测定。

1.3.3 微藻油脂脂肪酸组成分析

色谱条件及样品处理方法见孙协军等［11］方法。

1.3.4 微藻油预处理方法

先对微藻油进行脱色处理，取50 g微藻油置于5000 mL大烧杯中，加入甲醇稀释至465 nm吸光度为1.0以下，加入质量为微藻油重2%的活性炭，在温度30℃条件下脱色处理1.5 h，脱色结束后混合液过滤，所得滤液蒸干溶剂后105℃烘箱干燥至无气泡冒出，然后进行酯化脱酸处理，在反应温度70℃和醇油摩尔比25∶1条件下，用1.5%硫酸为催化剂超声波震荡100 min，减压蒸馏去除甲醇，水洗除去残留的硫酸，70℃烘去残余水分，得到脱色和脱酸后的微藻油，4℃冷藏备用。此时微藻油为浅黄或浅绿色，黏度与植物油近似，酸价小于1.0 mgKOH／g，可满足碱催化酯交换制备生物柴油的要求。

1.3.5 碱催化酯交换制备生物柴油方法

1.3.5.1 固体碱催化剂的制备

参照韩毅方法［12］制备强碱固体催化剂，先将氧化铝在550℃下活化4 h，按质量比3∶1比例浸渍在一定浓度的硝酸钾水溶液中，在60℃下烘干，充分研磨后，于110℃下烘干，再置于马弗炉中700℃焙烧6 h，制得K2O／Al2O3催化剂。

1.3.5.2 固体碱催化酯交换制备生物柴油

取一定量预处理后的盐藻油于100 mL小烧杯中，按试验设计加入一定量固体碱催化剂和甲醇，在超声波清洗器中反应一段时间后取出，趁热过滤去除催化剂，滤液转入分液漏斗中，静止分液，取上层液体，水浴蒸干甲醇后用乙酸调节pH值偏酸后，去离子水洗3遍，烘箱烘干，称重，进行脂肪酸组成和含量测定，计算酯转化率，每个处理重复2次，结果取平均值。酯转化率定义为单位盐藻生物柴油中所有可定量的脂肪酸甲酯总质量与生物柴油质量的比值。参照盐藻生物柴油制备的优化条件制备小球藻和螺旋藻生物柴油，备用。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2003和SPSS11.0软件进行数理统计和方差分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

以超声波的空化作用代替生物柴油传统制备方法中的机械搅拌作用可起到很好的效果［13］，本试验对超声波辅助固体碱催化制备盐藻生物柴油工艺进行优化研究。

2.1.1 超声波功率的影响

固定醇油摩尔比10∶1，反应温度50℃，催化剂用量2%，反应时间1 h，考查超声波功率对盐藻生物柴油脂肪酸甲酯转化率的影响，试验结果见图1。由图1可知，随着超声波功率的提高，盐藻生物柴油的甲酯转化率逐渐增加，在超声波功率增加到400 W时，酯转化率提高到39.37%，在超声波功率超过400 W后，转化率增加趋势不明显，原因可能是较高的超声波功率导致了皂的产生，从而降低甲酯转化率。因此，选择超声波功率为400 W。

图1 超声波功率对脂肪酸甲酯转化率的影响

2.1.2 醇油摩尔比的影响

固定反应温度50℃，催化剂用量2%，反应时间1 h，考查醇油摩尔比对盐藻生物柴油脂肪酸甲酯转化率的影响。试验结果见图2，由图2可知，当醇油摩尔比为12∶1时，甲酯转化率最高，此后再增加醇油摩尔比，甲酯转化率没有太大改善，说明酯交换反应的进行需要适合的醇油比，过低没有提供足够的底物，过高则稀释了催化剂的浓度，并且带来了后继处理的麻烦，因此，选择醇油摩尔比为12∶1进行下一步试验。

图2 醇油摩尔比对脂肪酸甲酯转化率的影响

2.1.3 催化剂用量的影响

固定反应温度50℃，反应时间1 h，考查催化剂用量对盐藻生物柴油脂肪酸甲酯转化率的影响。试验结果见图3。由图3可知，甲酯转化率随着催化剂用量的增加而增加，但当催化剂用量达到3%，再增加催化剂的用量，酯转化率增加趋势变缓，说明3%的固体碱催化剂用量已基本满足酯交换反应的需要。因此，选择催化剂用量为3%进行下一步试验。

图3 催化剂用量对脂肪酸甲酯转化率的影响

2.1.4 反应温度的影响

固定反应时间1 h，考查反应温度对盐藻生物柴油脂肪酸甲酯转化率的影响。试验结果见图4，由图4可知，甲酯转化率随着反应温度的升高而增加，当反应温度在60℃时，甲酯转化率接近50%，当反应温度大于60℃时，由于接近甲醇的沸点，溶剂损失较严重，甲酯转化率也不再增加，因此，选择反应温度为60℃。

图4 反应温度对脂肪酸甲酯转化率的影响

2.1.5 反应时间的影响

反应时间对盐藻生物柴油脂肪酸甲酯转化率的影响结果见图5。由图5可知，甲酯转化率随着反应时间的增加而增加，当反应时间达到1.5 h后，各反应时间之间的甲酯转化率无显著差异（P＞0.05），说明酯交换反应已基本进行完全，此时盐藻生物柴油甲酯转化率达到55%。

2.2 正交试验

图5 反应时间对脂肪酸甲酯转化率的影响

根据单因素试验结果，考虑盐藻生物柴油甲酯转化率受超声波功率、温度、时间、催化剂用量和醇油摩尔比的综合影响，采用五因素四水平即L16（45）进行正交试验，对盐藻生物柴油的制备工艺参数进行优化研究，试验结果见表1。

根据极差分析的结果，各因素对盐藻油甲酯转化率影响的大小顺序为：RA＞RC＞RD＞RE＞RB。即超声波功率＞反应温度＞醇油摩尔比＞反应时间＞催化剂用量。最佳酯化反应条件为：A3B2C3D3E4。根据极差分析结果，在最佳条件下，即在超声波功率450 W、反应温度65℃和醇油摩尔比12∶1条件下，用2.5%固体碱K2O／Al2O3催化盐藻油酯交换反应2.5 h，获得酯交换率为57.78%。

本试验中盐藻生物柴油的甲酯转化率远低于其他动植物油脂，主要原因可能是盐藻油的主要组成成分中不只是三酰甘油，脱色后的盐藻油中还存在大量β－胡萝卜素等油溶性杂质，导致脂肪酸甲酯的产率过低。

表1 正交试验设计及结果分析L16（45）

2.3 微藻生物柴油理化性质分析

我国生物柴油的开发和应用尚处于起步阶段，GB／T 20828—2007是我国首次制定的生物柴油标准［14］，规定了包括密度、含水量、黏度、闪点、酸价和水分含量等评价指标。密度是单位体积内所含物质的质量，燃油密度的大小对喷射器喷出的燃料量有很大的影响。0＃柴油的密度约为0.83 g／cm3，生物柴油的密度比柴油高2%～7%左右［15］。生物柴油在制备过程中体系黏度的变化与反应的进行程度有一定的联系，黏度的变化反应了脂肪酸甲酯的转化率［16］，而酸价是衡量油品腐蚀性和使用性能的重要依据。

采用国标方法分析了3种微藻生物柴油的闪点、密度、黏度等理化指标，结果见表2。

表2 几种微藻生物柴油的主要理化性能分析

少量的甲醇含量将引起闪点产生显著的变化，当甲醇含量达到5%时，闪点由165℃降低到65℃［17］，因此，生物柴油标准对闪点的限定在一定意义上来说是用来限制反应所残留的甲醇含量。由表2可知，螺旋藻和小球藻生物柴油的闪点低于GB／T 20828—2007 国家标准，这与Xu 等［18］以小球藻为原料的试验结果相近，可满足美国、巴西和法国等大多数国家对于生物柴油闪点（≥100）的规定。微藻生物柴油的密度、酸价、过氧化值和水分含量等均符合国标规定。从表2还可以看出，微藻生物柴油的热值要比0＃柴油略低，碳氢元素的组成低于0＃柴油，但微藻生物柴油具有更高的碳氢比，并含有一定量的氧元素，起到助燃作用，更适合作为燃油使用。

3种微藻生物柴油的黏度均高出国家规定标准，将3种微藻生物柴油分别按一定比例与0＃柴油掺混后检测20℃运动黏度，当盐藻生物柴油和小球藻生物柴油掺混0＃柴油达到5%、螺旋藻生物柴油掺混0＃柴油达到10%以上时，微藻生物柴油的黏度可达到国标要求，由于车用柴油标准的黏度规定范围较宽，因此任意掺混比混合燃料的黏度均能符合国标要求，微藻生物柴油的高黏度会影响到它整体燃烧性能，与石化柴油掺混使用是更好的选择。

对微藻生物柴油的脂肪酸甲酯组成进行了分析，结果见表3，盐藻和小球藻生物柴油的脂肪酸甲酯以棕榈酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯及亚麻酸甲酯为主；螺旋藻生物柴油主要由棕榈酸甲酯、亚油酸甲酯和次亚麻酸甲酯组成。油脂的饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸一般位于甘油三酯的Sn－1位和Sn－3位，而多不饱和脂肪酸一般位于Sn－2位（Sn－2表示立体结构中甘油三酯的二位碳），饱和脂肪酸往往先于不饱和脂肪酸甲酯化。因此，通过对其甲酯化产物生物柴油的不饱和度分析可以判断其甲酯化的充分程度［19］。本试验中所制备的几种微藻生物柴油与其原料油脂肪酸组成和比例基本一致［11］，间接说明生物柴油的甲酯化已较完全。

表3 3种微藻生物柴油主要脂肪酸甲酯组成／%

3 结论

利用溶剂浸渍的方法制备了K2O／Al2O3固体碱催化剂，利用超声波空化作用代替机械搅拌进行了杜氏盐藻生物柴油固体碱催化酯交换制备研究，最佳制备工艺为：超声波功率450 W、反应温度65℃和醇油摩尔比12∶1条件下，用2.5%固体碱为催化剂催化盐藻油酯交换反应2.5 h，获得酯交换率为57.78%；3种微藻生物柴油的密度、酸价、过氧化值和水分含量等均符合国标规定，热值比0＃柴油略低，碳氢元素的组成低于0＃柴油，但3种微藻生物柴油具有更高的碳氢比，更适合作为燃料使用；微藻生物柴油的黏度略高于国标规定，在实际应用中，可采取与石化柴油掺混的方法解决，并且，生物柴油的高黏度更有利于提高燃烧性能。

［1］蒋霞敏，郑亦周.14种微藻总脂含量和脂肪酸组成研究［J］.水生生物学报，2003，27 （3）：243－247

Jiang XM，Zheng YZ.Total lipid and fatty acid composition of 14 species of mircoalgae［J］.Acta Hydrobiologica Sinica，2003，27（3）：243－247

［2］郑洪立，张齐，马小琛，等.产生物柴油微藻培养研究进展［J］.中国生物工程杂志，2009，29 （3）：110－116

Zheng HL，Zhang Q，Ma XS，et al.Research progress on bio－diesel－producing microalgae cultication ［J］.China Biotechnology，2009，29 （3）：110 －116

［3］Fukuda H，Kondo A，＆ Noda H.Biodiesel fuel production by transesterification of oils ［J］.J.Biosci.Bioeng，2001，92 （5）：405－416

［4］Serio MD，Tesser R，Dimiccoli M.et al．Synthesis of biodiesel via homogeneous acid catalyst［J］.J.Mol.Cataly.A：Chemical，2005，239 （1）：111－115

［5］Meher LC，Vidia Sagar D，＆ NaiK SN.Technical aspects of biodiesel production by transesterification a review ［J］.Renew.Sustain.Energy Rev，2006，3 （10）：248－268

［6］Xu YY.A novel enzymatic route for biodiesel production from renewable oils in a solvent－flee medium ［J］.Biotechno.Letters.2003，25 （15）：1239－1241

［7］秦文婷，周全，潘虎，等.固体碱催化制备生物柴油的最新研究进展［J］.广州化工，2014，42 （11）：22－24

Qin WT，Zhou Q，Pan H，et al.Recent Research Advances for Solid Base Catalyst in Biodiesel Production ［J］.Guangzhou Chemical Industry，2014，42 （11）：22－24

［8］Knothe G.Dependence of biodiesel fuel properties on the structure of fatty acid alkyl esters［J］.Fuel Process Techno.2005，86（10）：1059－1070

［9］郭丹，银建中.微藻制备生物柴油的技术进展［J］.化工装备技术，2014，35（4）：4－9

Guo D，Yin JZ.Technology Progress of Biodiesel Production from Microalgae ［J］.Chemical Equipment Technology，2014，35（4）：4－9

［10］齐沛沛.微藻油脂制备生物柴油研究［D］.南京：南京林业大学，2008

Qi PP.Investigation on the preparation of biodiesel from microaglgae oil ［D］.Nanjing：Nanjing Forestry University，2008

［11］孙协军，王珍，李秀霞，等.三种微藻油脂肪酸组成和理化性质分析［J］.食品科学，2012，33（16）：212－215

Sun XJ，Wang Z，Li XX，et al.Fatty Acid Composition and Physical and Chemical Properties of Microalga Oils from Three Species ［J］.Food Science，2012，33 （16）：212 －215

［12］韩毅.固体碱法制备生物柴油［D］.天津：天津科技大学，2008

Han Y.Solid alkaline or preparation of biodiesel［D］.Tianjin：Tianjin University of Science and Technology，2008

［13］杨建斌，陈明铠，汤世华.超声波辅助制备微生物柴油的研究［J］.武汉工业学院学报，2008，27（1）：23－27

Yang JB，Chen MK，Tang SH.Ultrasonic Wave－assisted Preparation of Microbial Biodiesel［J］.Journal of Wuhan Polytechnic University，2008，27 （1）：23 －27

［14］GB 20828—2007.柴油机燃料调和用生物柴油［S］.北京：中国标准出版社.2007 GB 20828—2007.Diesel fuel to reconcile with biodiesel［S］.Beijing：China Standards Press，2007

［15］黄小明，谢文磊，彭红，等.生物柴油的标准和质量控制［J］.粮油食品科技，2005，13 （3）：40－42

Huang XM，Xie WL，Peng H，et al.Standards and quality control of biodiesel［J］.Science and Technology of Cereals，Oils and Foods，2005，13 （3）：40 －42

［16］陈正中.植物油制备生物柴油体系黏度的变化［J］.化工技术与开发.2009，38（3）：11－12

Chen ZZ.Systems Viscosity of Biodiesel Produced with Vegetable Oil［J］.Technology ＆ development of chemical industry.2009，38 （3）：11－12

［17］罗文，袁振宏，谭天伟，等.生物柴油理化性质与组分关系的研究［J］.太阳能学报，2008，29 （7）：878－882

Luo W，Yuan ZH，Tan TW，et al.Study on the relationship between the fuel properties and components of biodiesel［J］.Acta Energlae Silarls Sinica.2008，29 （7）：878 －882

［18］Xu H，Miao XL，Wu QY.High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth in fermenters ［J］.J.Biotechno，2006，126 （4）：499－507

［19］Vicente，G.，Martinez，M.，＆ Aracil，J.Optimization of integrated biodiesel production ［J］.Bioreso.Techno.2007，98 （9）：1724－1733.

Preparation，Physical and Chemical Properties of Biodiesel of Microalgae

Sun Xiejun Li Xiuxia Li Jiawei Tao Xiuchun
（College of Chemistry，Chemical Engineering and Food Safety，Bohai University，Jinzhou 121013）

The technology of preparation of D．Salina biodiesel by solid alkali catalysis was optimized；the physical and chemical properties of three marine microalgae biodiesel were analyzed.K2O／Al2O3solid base catalyst was prepared by solvent impregnation method，and D．Salina biodiesel was prepared with solid base catalyzed transesterification under the condition of ultrasonic cavitation instead of mechanical stirring，and the optimal preparation parameter was：ultrasonic power 450 W，reaction temperature 65℃，molar ratio of methanol to oil was 12∶1，and reaction with 2.5%solid base for 2.5 h，under the optimal conditions，the transesterification ratio was 57.78%；Density，acid value，peroxide value and moisture content of microalgae biodiesel could all meet the national standards，while heating value of biodiesel was slightly lower than the of 0＃ diesel，and the biodiesel viscosity was slightly higher than that of national standard，and the carbon and hydrogen content were lower than that of 0＃ diesel，while biodiesel had higher hydro to carbon ratio and were more suitable for use as fuel.The viscosity of three microalgae biodiesel was all slightly higher than that of national standards，and when being used as the fuel oil in diesels，microalgae biodiesel can be blended with a petrified diesel in a certain ratio to form a blended fuel oil.

microalgae，biodiesel，physical and chemical proprieties

TS219

A

1003－0174（2016）07－0070－06

中国博士后科学基金面上资助项目（20090460422）

2014－10－28

孙协军，男，1969年出生，实验师，食品资源开发利用

李秀霞，女，1973年出生，副教授，水产品贮藏加工