湿藻藻泥乙醇脱水干燥法的研究

王亚君，赵奎，武振晋，孙繁荣，季春丽，薛金爱，李润植

(山西农业大学 分子农业与生物能源研究所，山西 太谷 030801)

湿藻藻泥乙醇脱水干燥法的研究

王亚君，赵奎，武振晋，孙繁荣，季春丽，薛金爱，李润植*

(山西农业大学 分子农业与生物能源研究所，山西 太谷 030801)

[目的]为有效降低小球藻油脂提取过程中湿藻体脱水干燥成本。[方法]以BG11培养液培养的小球藻进行离心预处理后加入不同浓度和比例的乙醇、经不同的脱水次数，探究在不同条件下湿藻泥的脱水效果，并以湿藻泥脱水干燥后制备的藻粉为材料，比较了小球藻藻粉在不同含水率条件下的油脂提取率。[结果]加入的乙醇浓度为80%，乙醇溶液与藻泥中原含水量的体积比为1∶1，经一次挥发脱水后，湿藻泥中的含水率可从89.04%降至30.1%。[结论]藻粉含水率在40%以下时，对粗油脂得率影响较小，即湿藻用乙醇进行协助脱水时，藻泥含水量降至40%以下即可进行油脂提取。

小球藻；湿藻泥；脱水;乙醇处理；含水率；油脂萃取

随着化石能源的过度消耗和生态环境的不断恶化，寻找新的具有优良特性和开发潜力的绿色生物能源已成为当今全球可持续发展的迫切任务。生物柴油作为一种新型能源，因其具有可再生、安全性和稳定性好以及环境友好而受到人们的广泛关注。目前生物柴油的主要来源为油料作物等，想要大力发展生物柴油必然会占用大量的耕地面积，影响粮食产量，违背了“不与人争粮，不与粮争地”的生物质能源发展原则[1]。微藻作为一种新兴的生物质资源，具有光合作用效率高、生长速率快、生长周期短、油脂及生物质产率高、不占用土地面积、不受季节和气候的限制等优点，可以进行大规模的人工养殖，是生产生物柴油的理想原料[2]，具有巨大的发展潜力。小球藻是一种淡水藻类，可利用光合作用进行自养生长繁殖[3]，具有分布广泛、生长繁殖速度快、易于培养、光合效率高、油脂含量高且油产率高等特点[4]，在生物质能源发展过程中有很高的应用价值[5]。

目前以微藻为原料，制备生物柴油的生产工艺包括微藻的规模化培养、采收、干燥、油脂的萃取及生物柴油的转化等一系列环节[6]。其中，由于培养收获后的藻泥含水量可达70%以上，脱水干燥过程需要大量能耗，制约了藻类生物燃料的规模化发展[7]。常用干燥方法有喷雾干燥、滚筒干燥和冷冻干燥等，但这些干燥方法成本较高。尽管可以利用太阳能进行干燥，但是完全依赖于阳光也需要消耗大量的时间成本，并且长时间的高温会破坏小球藻细胞内的营养成分[7]。因此，寻找一种高效、低成本的脱水方式降低湿藻泥干燥过程中的耗能成本对发展微藻生物柴油技术具有重要意义[8]。乙醇是与水100%互溶、价格低、环境友好的溶剂[9～11]，乙醇脱水被广泛应用于各个行业较传统的加热、冷冻干燥脱水等方面，在干燥效率和能耗节约等方面具有突出优势。 乙醇脱水在微藻干燥及制取生物柴油中应用已有报道，但因藻种和预处理等条件不同，干燥效果及对油脂萃取率影响差异较大。

本试验利用乙醇脱水法干燥湿藻藻泥，研究了乙醇浓度、乙醇添加比例和脱水次数对蛋白核小球藻藻泥的脱水干燥和提油效果的影响，并得到一种脱水效果较好的高效节能的湿藻泥干燥方案，为微藻规模化生产生物柴油提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究中的藻种为蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidesa)，培养基为BG11培养基，其母液成分及工作液组分见表1、表2。培养液pH为6.5左右[12]，室温(21±2) ℃，光照3 500 lx,通气条件：CO2含量为3%，通气速率为5 L·min-1。培养9～10 d，离心浓缩收集藻泥备用。小球藻藻粉由藻泥烘干，研磨成粉备用。

本次试验的化学药剂：三氯甲烷(分析纯)；甲醇(分析纯)；无水乙醇(分析纯)；去离子水。

1.2 试验方法

1.2.1 藻样预处理

取培养结束后的藻液35 mL于50 mL离心管中，11 400 r·min-1离心4 min，弃掉上清液，重复一次，收集藻泥用于后续实验。

1.2.2 测定藻泥含水率

为保证每组试验湿藻泥材料的含水率相同，先测定不同生长时期藻泥含水率情况。藻泥含水率即水分占藻泥的质量分数，采用烘箱法烘干测定，测定方法如下：

表1 BG11培养基(母液)配方

表2 BG11工作液配方

将装有藻泥离心管(管重M)进行称重记为m1，放入烘箱75 ℃烘干至恒重，再次将离心管进行称重记为m2，计算含水量(m水)与含水率。每组试验做3个平行样。

m水=m1-m2

(1)

含水率=m水/(m1-M)×100%

(2)

1.2.3 乙醇脱水法

准确称取0.17 g藻泥于50 mL已知重量的离心管中，将离心管和藻泥总重记为m3，按不同比例添加不同浓度的乙醇溶液与湿藻泥混合，涡旋30 s后，11 400 r·min-1离心 4.00 min，去掉上清液(含乙醇与水)，然后将离心管放入水浴锅中(水面超过藻泥高度)，温度设置50 ℃，挥发干燥1 h。观察离心管中藻泥变化，1 h后称量记录挥发干燥后的离心管重量m4，计算干燥后藻泥的含水率。每组试验做3个平行样。乙醇脱水干燥湿藻藻泥流程如图1所示。

脱水后藻泥含水m=m水-(m3-m4)

(3)

脱水后藻泥含水率=(m/0.17)×100%

(4)

图1 乙醇脱水干燥湿藻藻泥流程图Fig.1 Flow chart of dehydration and desiccation of wet algae with ethanol

1.2.4 油脂提取

将藻泥烘干后研磨制成藻粉，用改进后的Bligh-Dyer[13]提取油脂：称取1 g左右藻粉(m)放入锥形瓶中，加入50 mL氯仿-甲醇(v∶v=3∶1)混合溶剂，将锥形瓶放置在260 r·min-1的摇床上充分震荡10 min使含水的藻粉充分溶于有机溶剂，室温下静置萃取2 h，萃取结束后将混合液11 400 r·min-1离心5 min，取上清于已知重量m5的烧杯中，将烧杯放入70 ℃水浴锅中迅速蒸除萃取液中的有机溶剂，得到粗油脂之后将烧杯连同粗油放入65 ℃烘箱中烘干至恒重，并称重记作m6，按公式(5)计算油脂得率。每个试验重复3次。

油脂得率= (m6-m5)/m×100%

(5)

2 结果与分析

2.1 不同生长时期收获藻泥的含水率

通过比色法，用紫外分光光度计测定不同生长时期的藻液在波长680 nm处的吸光度(OD680)，采用方法1.2.2测定不同生长时期藻液浓缩后所得藻泥的含水率，结果如表3所示。

表3 不同生长期藻液对应的OD值与藻泥含水率

Table 3 The OD values of algae culture and moisture contents of wet algae paste under different growth phase

OD680值OD680values含水率/%Moisturecontents1.01688.861.56986.532.04787.672.56189.04

由表3可得，不同生长时期的藻液在相同离心条件下，所得藻泥的含水率不同，含水率与OD值之间也无线性关系，所以进行后续试验时，需采用同一生长时期的小球藻藻液为原料进行试验。

2.2 乙醇浓度对湿藻泥脱水效果的影响

测定乙醇浓度对湿藻泥脱水干燥的影响时，所选藻液离心后藻泥含水率为89.04%。用无水乙醇分别配制浓度为60%、70%、80%、90%、100%的乙醇溶液，按照乙醇溶液与藻泥中原含水量的体积比1∶1对湿藻泥进行协助脱水干燥，用未添加乙醇的藻泥作对照。试验结果见图2。

图2 乙醇浓度对藻泥脱水效果的影响Fig.2 Effect of different ethanol concentration on the dehydration of wet algae

由图2可以看出，未加入乙醇处理的藻泥经1 h水浴挥发后，含水率由89.04%降到了78.62%，加入乙醇溶液处理的藻泥含水率可以减少39.07%～53.39%。当加入的乙醇浓度不超过80%时，脱水干燥后的藻泥含水率随乙醇浓度的增加而逐渐下降，在50 ℃水浴锅中，乙醇快速挥发会带走水分，加快了水的蒸发。乙醇浓度为60%、70%、80%时，藻泥中含水率分别降为49.97%、47.01%、35.65%。而乙醇浓度为90%和100%时，藻泥脱水干燥的效果有所下降。因此，80%的乙醇浓度对藻泥脱水干燥的效果较好。

2.3 乙醇添加比例对湿藻泥脱水效果的影响

测定乙醇浓度对藻泥脱水干燥的影响时，所选藻液离心后藻泥含水率为89.04%。用80%的乙醇溶液为脱水剂，分别按照乙醇溶液与藻泥中原含水量的体积比为1∶5、1∶3、1∶1、3∶1、5∶1的添加量对湿藻泥进行处理，用未添加乙醇的藻泥作对照，结果见图3。

图3 乙醇添加比例对藻泥脱水效果的影响Fig.3 Effect of volume ratio of ethanol and water (in the wet algae) on the dehydration of wet algae

由图3可以看出，随着乙醇溶液体积比的增加，脱水干燥后的湿藻泥的含水率逐渐减少。当乙醇溶液与藻泥中原含水量的体积比为1∶1时，脱水干燥后的藻泥含水率降为30.52%。随着乙醇量的逐步增加，脱水干燥后的藻泥含水率减少的趋势则趋于缓慢。综合考虑湿藻泥脱水率且尽量降低油脂损失，乙醇添加量与藻泥中原含水量的体积比为1∶1时，获得较好的脱水干燥效果。

2.4 乙醇脱水次数对湿藻泥脱水效果的影响

一般情况下从藻液中离心获取的藻泥含水率较高，需要进行乙醇的多次脱水才能达到适合油脂提取的含水率的藻泥，本试验所选藻液离心后藻泥含水率为89.04%，用80%的乙醇溶液为脱水剂、按照乙醇溶液与藻泥中原含水量的体积比为1∶1为基础，对湿藻泥进行多次脱水然后挥发干燥，探究脱水次数对湿藻泥脱水干燥的影响，用未添加乙醇的藻泥作对照。结果如图4。

图4 乙醇脱水次数对藻泥脱水效果的影响Fig.4 Effect of dehydration times on the dehydration of wet algae

由图4可得，离心后的藻泥经过1次、2次、3次乙醇脱水并干燥后，藻泥中含水率分别下降为30.09%、21.32%、17.52%。虽然藻泥含水量会随着脱水次数的增加有所降低，但有研究表明，用乙醇脱水藻泥时，脱水次数越多，藻中脂肪酸甲酯(FAME)的损失越高。

2.5 小球藻藻粉含水率对油脂得率的影响

以干燥的小球藻藻粉为原料，加入一定量的蒸馏水，制备含水率分别为20%、40%、60%、80%的藻泥，用不加蒸馏水藻粉为对照，进行有机溶剂浸提法提取粗油。结果如图5。

图5 小球藻藻粉含水率对油脂提取率的影响Fig.5 Effect of moisture content on the lipid extraction ratio of Chlorella

由图5可以看出，随着含水率的增加，油脂提取率逐步减少，当含水率由40%上升至60%、80%时，油脂提取率有明显下降的趋势。含水率从0上升到40%的过程中，油脂提取率降低趋势缓慢，含水率为0时的油脂提取率分别比含水量为20%和40%时减少了1.59%和2.48%。由此可知，小球藻藻粉的含水率在40%以下时，对油脂得率的影响较小。综合考虑微藻采收过程的成本以及藻泥含水率40%以下对油脂提取影响无显著差异，选取湿藻泥进行一次脱水即可。

3 讨论与结论

(1) 乙醇脱水应用到辅助湿藻提油前的脱水干燥处理，既有效的降低了藻泥干燥过程中所需的能耗，也有效的提高了藻泥的脱水效率，有利于微藻湿法提油后期工艺建立，为整个微藻提取生物柴油的过程降低了成本。但是，在实际的应用中还存在乙醇回收率低的问题[14]。如果将乙醇脱水后乙醇的回收率提高，那么回收的乙醇就能重复利用于藻泥的脱水。

(2) 本文通过研究乙醇浓度、乙醇的添加比例及脱水次数对湿藻泥脱水干燥的影响，确定了乙醇脱水干燥湿藻藻泥最佳条件为：乙醇浓度 80%，添加乙醇溶液与藻泥中原含水量的体积比 1∶1，经过1次脱水后，藻泥中含水率可以从 89.04%降低至30.52%。本试验还证实小球藻藻粉的含水率在40%以下时，对油脂得率的影响较小。 所以乙醇脱水干燥湿藻藻泥的最终目标含水量是40%以内。综合考虑藻泥脱水干燥的效果和含水量对小球藻提油的影响，确定了藻泥可直接作为提油的原料。这与袁显渊[8]微藻藻泥湿法提油与藻油纯化的工艺优化中乙醇脱水湿藻藻泥的结论一致。

(3) 在研究乙醇浓度对藻泥脱水的影响时，乙醇浓度在60%～80%范围，藻泥的含水率逐渐下降，但当乙醇浓度大于80%时，乙醇的脱水率反而下降，这可能与乙醇性质有关。当乙醇浓度低于80%，随着乙醇浓度的增加，藻泥中的水被乙醇溶解的量逐渐增加，脱水效果越来越好；当乙醇浓度大于80%时，脱水效果反而不好。可能是由于乙醇浓度较高时，疏水性过大，脱水时湿藻泥结成团，导致加入的乙醇溶液无法与藻泥内部的水顺利的进行交换。在研究乙醇添加比例对藻泥脱水的影响时，随着乙醇添加比例的增加，脱水后藻泥的含液率先减少后趋于平缓。这可能是由于乙醇属于有机溶剂，加入乙醇量过多时会使藻泥中的油脂含量受到影响，在试验过程中可以观察到乙醇添加量越多，离心后上清液越绿，可能是由于藻泥中的色素溶解到乙醇溶液中。在研究乙醇脱水次数对藻泥脱水的影响时，主要是考虑到油脂提取和成本的原因而选择了一次脱水。本试验通过研究乙醇浓度、乙醇添加比例和脱水次数对湿藻藻泥脱水效果的影响，建立了乙醇干燥湿藻藻泥的最佳条件，为微藻的规模化培养、收集干燥及藻油炼制生物柴油提供现实依据。

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(编辑：武英耀)

Study on dehydration method of wet algae using ethanol

Wang Yajun， Zhao Kui， Wu Zhenjin， Sun Fanrong， Ji Chunli， Xue Jin’ai， Li Runzhi*

(InstituteofMolecularAgricultureandBioenergy，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801,China)

[Objective]To effectively decrease the cost of dehydration and desiccation of wet Chlorella sp.[Methods]Paste for lipid extraction, the wet microalgal paste was dehydrated and desiccated by ethanol in this study. Chlorella was cultivated in BG11 culture medium and the wet algal paste was collected by centrifugation of algal solution. The effect of ethanol concentration, volume ratio of ethanol and water and dehydration time on water content of algal paste were investigated and the effect of water content in algal paste on lipid extraction ratio was also studied.[Results]The water content of wet Chlorella paste decreased from 89.04% to 30.1% when the ethanol concentration, volume ratio of ethanol and water and dehydration time were 80%, 1∶1 and once, respectively.[Conclusion]Besides, the effect of water content in algal paste on lipid extraction ratio was insignificant when the water content was below 40%. It was meant that algal paste with water content of no more than 40% after dehydrated and desiccated by ethanol could be used for the lipid extraction.

Chlorella， Wet algal paste， Dehydration， Ethanol treatment， Water content， Oil extraction

2016-08-09

2016-09-13

王亚君(1990-)，女(汉)，山西忻州人，硕士，研究方向：生物固碳与生物质综合利用

*通信作者：李润植，博士，教授，博士生导师。Tel:0354-6288344；E-mail: rli2001@hotmail.com

国家“948”项目(2014-Z39)；山西省煤基重点科技攻关项目(FT-2014-01)。

TQ517

A

1671-8151(2017)02-0110-05