切换溶剂萃取微藻油脂研究

发布时间：2018-11-21 11:41

【摘要】：随着世界石油资源的日益减少,生物能源的研究成为热点。生长于水环境中的微藻,含油量高,繁殖速度快,可作为生物能源的重要原料,但如何从微藻中高效地获取可作为生物燃料的油脂成为难点。目前对微藻提取油脂方法研究较多的是有机溶剂萃取法和超临界二氧化碳萃取法。这两种方法各有利弊:有机溶剂萃取法产率高、溶剂相对便宜,但所用有机溶剂有毒、易燃、回收能耗高;超临界二氧化碳萃取耗时短、使用溶剂无毒安全,但超临界二氧化碳萃取运营成本高,需使用高压设备,难以实现规模化生产。此外,微藻干燥和溶剂回收过程的高能量消耗也是限制该产业发展的主要因素。因此,研究一种从微藻中低能耗萃取油脂的新方法变得尤为重要。本文从富油微藻(Neochloris oleoabundans)的生长特性入手,探索了Neochloris oleoabundans在小型光生物反应器中的生长条件,针对微藻油脂萃取过程能耗高的问题,提出了一种以切换溶剂为萃取剂,直接从微藻浓缩液中萃取油脂及其分离回收的新方法。从密度、溶解度和极性强度等方面建立了切换溶剂筛选标准,对溶剂分子结构和物理性质进行了模拟验证,检验了溶剂的切换能力和萃取能力,优化了微藻油脂的萃取条件,并对不同萃取工艺进行了能量评估。研究了温度、光照、p H值、氮源浓度等对微藻生长的影响。发现在实验所测数据范围内,Neochloris oleoabundans的最佳培养条件为温度30℃,光照强度247μmol/(m2·s),pH值7.3,NaNO3初始浓度250 mg/L,经检测油脂生产率为37.67 mg·L-1·d-1。筛选了可用于油脂萃取的切换溶剂。发现2-(二丁基氨基)乙醇(DBAE)、二丙胺(DPA)和N-乙基正丁胺(EBA)都具有可切换性,其极性随CO2的通入和移除而逐渐升高和降低,提高温度有利于加快逆反应速率。DPA和EBA的萃取效果好于DBAE,各萃取产物中脂肪酸种类和含量基本一致:油酸(C18:1)含量最高,其次为棕榈酸(C16:0)和亚油酸(C18:2)。优化了切换溶剂(DPA)萃取Neochloris oleoabundans中油脂的试验条件。在试验范围内,萃取时间、萃取温度和溶剂-藻液体积比对油脂得率的影响依次增大,最优萃取工艺条件为:萃取时间102 min,萃取温度35℃,溶剂-藻液体积比2。经验证,在这一萃取条件下,微藻油脂得率为19.9%±0.2%,与理论值基本一致,表明回归模型准确可靠,具有实际应用价值。提出了提出切换溶剂对Neochloris oleoabundans油脂的萃取机理。通过分析萃取产物中中性脂、糖脂和磷脂的比例与萃取时间的变化规律,结合微藻细胞壁、细胞膜的结构特点,得出切换溶剂对Neochloris oleoabundans油脂的萃取过程可分为五个步骤:形成有机溶剂膜;溶解糖脂和磷脂,进入细胞质;结合中性脂形成切换溶剂-油脂混合物;切换溶剂-油脂混合物穿过细胞膜和细胞壁;扩散进入切换溶剂中。从能量平衡角度评估了切换溶剂萃取微藻油脂技术的可行性。设计了正己烷萃取、超临界二氧化碳萃取和切换溶剂萃取的工艺方案,建立了萃取过程各步骤能量消耗的计算方法,用MATLAB软件对萃取过程能量平衡的计算方法进行建模,对影响萃取能耗的主要参数进行了敏感性分析。切换溶剂萃取相比于其他萃取方法具有明显的优势,这一技术具有较好的可行性和经济、社会价值。
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【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE667

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