專利名稱:基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及生物柴油技術(shù)領(lǐng)域,尤其是指基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生 產(chǎn)方法。
背景技術(shù):
生物柴油是各種脂肪酸甲酯(FAME)混合物,其通常是由甘油三酸酯(TAG)通過酯 交換反應(yīng)獲得。當(dāng)前,這種可再生的能源采用油料作物來進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn),并應(yīng)用來驅(qū)動(dòng)汽 車、飛機(jī)等。在美國(guó)和歐洲,大豆油和油菜籽油分別是最常見生物柴油的原料。全球生物柴 油產(chǎn)量在2008年已經(jīng)增加至120億升。由于生物燃料的清潔、不破壞生態(tài)平衡的特點(diǎn),以諸如乙醇、氫氣以及生物柴油 等生物燃料來取代化石燃油已經(jīng)被倡導(dǎo)了數(shù)十年。然而,即使各國(guó)政府對(duì)使用生物柴油進(jìn) 行補(bǔ)貼,基于農(nóng)作物的生物柴油的價(jià)格仍然比化石燃料要高不少。而且,2008年4月,聯(lián)合 國(guó)官方宣稱美國(guó)和歐洲采用大量的糧食作物來生產(chǎn)生物乙醇、生物柴油是導(dǎo)致全球糧食危 機(jī)的重要原因,這也使得基于農(nóng)作物的生物柴油的使用處于更困難的局面。微藻是一種比油料作物更好的生物柴油原料,因?yàn)槠洳粫?huì)侵占糧食種植面積、生 長(zhǎng)周期短以及較高的單位面積產(chǎn)油率。作為可能的生物柴油原料,微藻是在水生物種研究 (Aquatic Species Program,ASP)結(jié)束之后才開始被人們重視,而ASP是由美國(guó)能源部于 1978年創(chuàng)設(shè),被認(rèn)為是歷史上在微藻-燃料研究方面最綜合的成果。1998年發(fā)布的ASP最 終報(bào)告討論了利用微藻的可行性,因?yàn)樵?995年微藻生物柴油的報(bào)價(jià)為4(Γ60美元/桶, 化石燃料價(jià)格為20美元/桶。為降低微藻生物柴油成本,改進(jìn)這個(gè)綜合項(xiàng)目中的每個(gè)環(huán)節(jié) 都將有利于降低終端產(chǎn)品的零售價(jià)?;虿僮鳌⑸镔|(zhì)培養(yǎng)以及更廉價(jià)的收獲技術(shù)都有助 于成本降低。另一個(gè)有希望的方式是優(yōu)化常規(guī)生產(chǎn)工藝,這被簡(jiǎn)稱為酯交換提取工藝。農(nóng)作物基生物柴油植物的傳統(tǒng)能源生產(chǎn)過程如下首先是采用有機(jī)溶劑(通常是 己烷)從油料作物原料(例如大豆)中提取出未經(jīng)加式的油料成分;其次,油料成分被送至反 應(yīng)容器中進(jìn)行酯交換反應(yīng),在酯交換反應(yīng)過程中,進(jìn)行己烷真空蒸發(fā)、高速攪拌以及加熱這 三種操作更利于反應(yīng)的進(jìn)行。在這三個(gè)重要的操作中,攪拌可能不是生物柴油生產(chǎn)過程中 像加熱或甲醇還原那樣高成本的操作,但是,沒有攪拌或者以更佳的方式攪拌將有可能是 節(jié)省成本的處理策略。之所以需要采用成本高昂的操作,一方面,是因?yàn)榧和椴荒苋苡诩?醇,因此需要在加入甲醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)之前即從未經(jīng)加工的油料成分除去己烷;另一方 面,甲醇不溶于油,因此,需要在酯交換反應(yīng)過程中進(jìn)行攪拌使反應(yīng)物均勻。若能找到一種 特別催化劑,其能具有己烷那樣的功效,同時(shí)又能溶于甲醇和油成分,那么,蒸發(fā)、加熱,甚 至攪拌都將不再是必需的。在特別催化劑的協(xié)助下,將油料成分的提取和酯交換反應(yīng)組合 在一個(gè)步驟中,即“原位酯交換反應(yīng)”,將會(huì)有效簡(jiǎn)化工藝并大大降低生產(chǎn)操作成本。到目前為止,有關(guān)原位酯交換反應(yīng)的文獻(xiàn)主要包括兩類成果一類是原位酯交換 反應(yīng)使用油料種子而無共溶劑;而另一類是原位酯交換反應(yīng)使用原始油料并配合以共溶 劑。有關(guān)研究者研究了以氫氧化鈉作為棉花種子、向日葵種子與甲醇進(jìn)行原位酯交換反應(yīng)時(shí)的觸媒劑,并同時(shí)分別在60°C下進(jìn)行低頻超聲波處理以及機(jī)械攪拌。結(jié)果顯示,這種操作 的酯產(chǎn)量與傳統(tǒng)酯交換反應(yīng)的酯產(chǎn)量相當(dāng)。還有研究者研究了在大豆的酯交換反應(yīng)中加入 氫氧化鈉為觸媒劑,分別在23°C和60°C的反應(yīng)溫度進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,前者的預(yù)測(cè) 生物柴油產(chǎn)量比后者更高。在60°C下,輔助原位酯交換反應(yīng)的共溶劑也被報(bào)導(dǎo)了幾種有機(jī) 溶劑,使用四氫呋喃(THF)或甲基三丁酯醚導(dǎo)致單相反應(yīng)并加速甲醇分解。特別選擇THF, 因?yàn)槠浞悬c(diǎn)是67. 8°C,在反應(yīng)的末段,它能與甲醇共餾。至于以微藻為原料,最近的研究是 針對(duì)以硫酸作為在綠藻油料的原位酯交換反應(yīng)中的觸媒劑的各種影響因素,包括乙醇量、 溫度、反應(yīng)時(shí)間、生物水份含量以及攪拌等。結(jié)果顯示,溫度升高有助于提升生物柴油產(chǎn)量, 間歇攪拌的效果與連續(xù)攪拌的效果基本相同。當(dāng)前,由于現(xiàn)有技術(shù)中未能尋得有效的共溶 劑,致使基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油的研究和生產(chǎn)一直進(jìn)展緩慢而亟待改善。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是,提供一種基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生 產(chǎn)方法,以便通過簡(jiǎn)單、低成本的方法生產(chǎn)微藻生物柴油。為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于原位酯交換反應(yīng)的微 藻生物柴油生產(chǎn)方法,包括如下步驟將微藻原料送入反應(yīng)器中,并加入反應(yīng)觸媒劑和復(fù)合 共溶劑,所述復(fù)合共溶劑是由極性溶劑和非極性溶劑混合而成;將反應(yīng)器內(nèi)的各原料攪拌 均勻后,置于室溫條件下進(jìn)行第一階段原位酯交換反應(yīng);待反應(yīng)充分后加入足量的反應(yīng)終 止劑終止反應(yīng),提取位于上層的液體經(jīng)萃取即獲得微藻生物柴油。進(jìn)一步地,在終止反應(yīng)后,將上層的液體吸走而保留微藻泥,并加入新鮮的反應(yīng)觸 媒劑和復(fù)合共溶劑,攪拌均勻后,再置于室溫條件下進(jìn)行第二階段酯交換反應(yīng),等反應(yīng)充分 后加入足量的反應(yīng)終止劑再次終止反應(yīng),提取位于上層的液體經(jīng)萃取即獲得微藻生物柴 油。進(jìn)一步地,所述復(fù)合共溶劑為甲苯-甲醇體系,甲苯與甲醇的體積比為2 :Γ4 :1。進(jìn)一步地,所述復(fù)合共溶劑的用量為每0.5g微藻加入15ml復(fù)合共溶劑。進(jìn)一步地,所述復(fù)合共溶劑為二氯甲烷-甲醇體系,二氯甲烷與甲醇的體積比為 1 :Γ2 :1ο進(jìn)一步地,所述微藻為螺旋藻。進(jìn)一步地,所述反應(yīng)觸媒劑為氫氧化鉀或氫氧化鈉。進(jìn)一步地,所述反應(yīng)終止劑為鹽酸。本發(fā)明的有益效果如下本申請(qǐng)直接使用微藻進(jìn)行原位酯交換反應(yīng)來獲得生物柴 油,而且通過選擇極性溶劑和非極性溶劑混合形成的復(fù)合共溶劑,在反應(yīng)過程中無需攪拌 和加熱,仍能實(shí)現(xiàn)原位酯交換反應(yīng),從而簡(jiǎn)化了生產(chǎn)步驟,而且能量消耗低,降低了生物柴 油的生產(chǎn)成本,進(jìn)而可以有效降低生物柴油的零售價(jià)格,有利于生物柴油的推廣使用。
圖1是分別采用甲苯/甲醇體系以及二氯甲烷/甲醇體系作為共溶劑時(shí),不同的 組分比例與生物柴油產(chǎn)量關(guān)系圖。圖2是采用甲苯/甲醇體系作為復(fù)合共溶劑時(shí),第一階段酯交換反應(yīng)和第二階段酯交換反應(yīng)與生物柴油產(chǎn)量的關(guān)系圖。圖3是采用石油醚/甲苯體系作為復(fù)合共溶劑時(shí),不同組分比例與生物柴油產(chǎn)量 關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明提供一種基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法,包括如下步驟 將微藻原料送入反應(yīng)器中,并加入反應(yīng)觸媒劑和復(fù)合共溶劑,所述復(fù)合共溶劑是由極
性溶劑和非極性溶劑混合而成;將反應(yīng)器內(nèi)的各原料攪拌均勻,置于室溫條件下進(jìn)行第一 階段原位酯交換反應(yīng);待反應(yīng)充分后加入反應(yīng)終止劑終止反應(yīng),提取位于上層的液體經(jīng)萃 取即獲得微藻生物柴油。在終止反應(yīng)后,還可進(jìn)一步將上層的液體吸走而保留微藻泥,并加入新鮮的反應(yīng) 觸媒劑和復(fù)合共溶劑,攪拌均勻后,再置于室溫條件下進(jìn)行第二階段酯交換反應(yīng),等反應(yīng)充 分后加入反應(yīng)終止劑再次終止反應(yīng),提取位于上層的液體經(jīng)萃取即獲得微藻生物柴油。本發(fā)明采用的微藻為螺旋藻,當(dāng)然也可以考慮綠藻等其他常見的微藻類。在反應(yīng)過程中,復(fù)合共溶劑中的非極性溶劑將會(huì)表現(xiàn)出與非極性的甘油三酸脂更 好的親和力,而極性溶劑則會(huì)更容易破壞甘油三酸脂與細(xì)胞成分之間的結(jié)合,從而促使甘 油三酸脂更多地被提取出來。本發(fā)明采用的復(fù)合共溶劑為甲苯-甲醇體系,其中,甲苯為非極性溶劑,而甲醇為 極性溶劑。甲苯與甲醇的體積比為2:1、1。使用甲苯-甲醇體系時(shí),所述復(fù)合共溶劑的 用量為每0. 5g微藻加入15ml復(fù)合共溶劑。本發(fā)明還可采用二氯甲烷-甲醇體系作為復(fù)合共溶劑,二氯甲烷與甲醇的體積比 為 1 :Γ2 :1ο所述反應(yīng)觸媒劑不僅作為催化劑,而且還能促進(jìn)細(xì)胞破碎,反應(yīng)觸媒劑可選用氫 氧化鉀或氫氧化鈉;所述反應(yīng)終止劑為鹽酸。以下通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施過程以及后期的檢測(cè)分析進(jìn)行詳細(xì)說明。具體實(shí)施時(shí),首先,將0.5g干微藻被置入50ml的聚丙烯圓錐試管,再加入15ml 選定的復(fù)合共溶劑和0. 0485g氫氧化鉀,并攪拌一分鐘使體系均勻;然后,試管保持在室溫
)進(jìn)行第一階段原位酯交換反應(yīng),反應(yīng)過程中不攪拌,隨后在試管中形成兩層,溶劑位 于上層,而微藻位于下層;等反應(yīng)1小時(shí)后,加入0.0878g鹽酸終止反應(yīng)。用吸管從試管中 取得200 μ 1液體進(jìn)行GC-MS分析。在上述第一階段原位酯交換反應(yīng)終止后,使用吸管從反應(yīng)體系中提取走上層的液 體,而將微藻保留下來,再將5ml新鮮的復(fù)合共溶劑以及0. 0485g氫氧化鉀加入到微藻泥 中,并攪拌1分鐘使反應(yīng)體系均勻;然后,試管被置于室溫(24°C)條件下進(jìn)行第二階段原位 酯交換反應(yīng),同樣不進(jìn)行攪拌,在試管中也同樣形成了上下兩層。反應(yīng)1小時(shí)后,再次加入 0. 0878g鹽酸來終止反應(yīng)。同樣,用吸管從試管中取得200 μ 1液體進(jìn)行GC-MS分析。GC-MS分析法在本技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆诔S玫募夹g(shù)分析方法,其分析操作過程在此不多 贅述。
復(fù)合共溶劑在輔助原位酯交換反應(yīng)時(shí)的性能表現(xiàn),將通過微藻的綜合生物柴油產(chǎn) 量(overall biodiesel yield,0ΒΥ)來進(jìn)行評(píng)估。圖1所示,是本發(fā)明以螺旋藻為原料,配合不同的共溶劑或復(fù)合共溶劑時(shí)的綜合 生物柴油產(chǎn)量分布情況。從圖1中可以看出,單獨(dú)采用甲苯或二氯甲烷的OBY值分別為 42. 6%和30. 3%,而當(dāng)將甲苯與甲醇組合、二氯甲烷與甲醇組合以分別形成復(fù)合共溶劑時(shí), 其OBY值均能得以提升,尤其是甲苯與甲醇的體積比為2:廣4:1,或者二氯甲烷與甲醇的體 積比為2 :Γ1 1時(shí),OBY值提升非常顯著,其中,在甲苯-甲醇體系中,甲苯與甲醇體積比為 2 :1時(shí),OBY值最大,為70. 3% ;而在二氯甲烷-甲醇體系中,二氯甲烷與甲醇體積比為2 1 時(shí),OBY值最大,為67. 1%。而圖2顯出了采用甲苯-甲醇體系時(shí),當(dāng)甲苯與甲醇的體積比為2 1時(shí),不同用 量的復(fù)合共溶劑對(duì)OBY值的影響,以及兩階段的酯交換反應(yīng)對(duì)OBY值的貢獻(xiàn),從圖2可以看 出,每5g微藻加入5ml復(fù)合共溶劑時(shí),第一階段原位酯交換反應(yīng)結(jié)束時(shí),其OBY值為76. 0%, 高于加入15ml復(fù)合共溶劑的70. 3%,而且進(jìn)行第二階段原位酯交換反應(yīng)可以使OBY值提升 10. 1%??梢?,進(jìn)行第二階段原位酯交換反應(yīng),可以提取出更多的生物柴油。此外,本發(fā)明還嘗試以石油醚-甲苯體系作為復(fù)合共溶劑,其中石油醚與甲苯的 體積比為0. 5 :Γ4 :1。圖3即示出了采用石油醚/甲苯體系作為復(fù)合共溶劑時(shí),不同組分 比例對(duì)生物柴油產(chǎn)量的影響,從中可以看出,石油醚與甲苯的組合的OBY值最大值也僅為 45. 5%,略高于單獨(dú)使用甲苯時(shí)的42. 6%,可見,石油醚與甲苯的組合并非理想的組合。
權(quán)利要求
1.一種基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法,其特征在于包括如下步驟 將微藻原料送入反應(yīng)器中,并加入反應(yīng)觸媒劑和復(fù)合共溶劑,所述復(fù)合共溶劑是由極性溶 劑和非極性溶劑混合而成;將反應(yīng)器內(nèi)的各原料攪拌均勻后,置于室溫條件下進(jìn)行第一階 段原位酯交換反應(yīng);待反應(yīng)充分后加入足量的反應(yīng)終止劑終止反應(yīng),提取位于上層的液體 經(jīng)萃取即獲得微藻生物柴油。
2.如權(quán)利要求1所述的基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法,其特征在于 在終止反應(yīng)后,將上層的液體吸走而保留微藻泥,并加入新鮮的反應(yīng)觸媒劑和復(fù)合共溶劑, 攪拌均勻后,再置于室溫條件下進(jìn)行第二階段酯交換反應(yīng),等反應(yīng)充分后加入足量的反應(yīng) 終止劑再次終止反應(yīng),提取位于上層的液體經(jīng)萃取即獲得微藻生物柴油。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法,其特征在 于所述復(fù)合共溶劑為甲苯-甲醇體系,甲苯與甲醇的體積比為2 :Γ4 :1。
4.如權(quán)利要求3所述的基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法,其特征在于 所述復(fù)合共溶劑的用量為每0. 5g微藻加入5 15ml復(fù)合共溶劑。
5.如權(quán)利要求1或2所述的基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法,其特征在 于所述復(fù)合共溶劑為二氯甲烷-甲醇體系,二氯甲烷與甲醇的體積比為1 廣2 :1。
6.如權(quán)利要求1或2所述的基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法,其特征在 于所述微藻為螺旋藻或綠藻。
7.如權(quán)利要求1或2所述的基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法,其特征在 于所述反應(yīng)觸媒劑為氫氧化鉀或氫氧化鈉。
8.如權(quán)利要求1或2所述的基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法,其特征在 于所述反應(yīng)終止劑為鹽酸。
9.如權(quán)利要求1或2所述的基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法,其特征在 于反應(yīng)進(jìn)行了 1小時(shí)加入反應(yīng)終止劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于原位酯交換反應(yīng)的微藻生物柴油生產(chǎn)方法,包括如下步驟將微藻原料送入反應(yīng)器中,并加入反應(yīng)觸媒劑和復(fù)合共溶劑,所述復(fù)合共溶劑是由極性溶劑和非極性溶劑混合而成;將反應(yīng)器內(nèi)的各原料攪拌均勻,置于室溫條件下進(jìn)行第一階段原位酯交換反應(yīng);待反應(yīng)充分后加入反應(yīng)終止劑終止反應(yīng),提取位于上層的液體經(jīng)萃取即獲得微藻生物柴油。本申請(qǐng)直接使用微藻進(jìn)行原位酯交換反應(yīng)來獲得生物柴油,而通過選擇極性溶劑和非極性溶劑混合形成的復(fù)合共溶劑,在反應(yīng)過程中無需攪拌和加熱,仍能實(shí)現(xiàn)原位酯交換反應(yīng),從而簡(jiǎn)化了生產(chǎn)步驟,且能量消耗低,降低了生物柴油生產(chǎn)成本,可有效降低生物柴油的零售價(jià)格,有利于生物柴油的推廣使用。
文檔編號(hào)C10L1/02GK102120938SQ20101055745
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者弭永利, 李凝, 許若愚 申請(qǐng)人:普羅米綠色能源(深圳)有限公司