新型二氧化碳膨胀乙醇提取裂殖壶藻油脂的工艺研究

发布时间：2020-07-06 07:50

【摘要】：二氧化碳膨胀乙醇(CO_2-expanded ethanol,CXE)是一种将压缩CO_2加到乙醇中,导致液相急剧膨胀,从而形成的混合流体,具有扩散速度快、溶解能力可调的特点。由于其操作温度低、压力适中,能够较好地保护热敏性、易氧化物质的生理活性,CXE作为一种新兴的优良介质,广泛应用于天然产物分离和化学反应。基于相平衡性质,本文将CO_2-乙醇二元体系划分为两相区、亚临界区及超临界区,考察了在不同相平衡状态下CXE提取裂殖壶藻油脂的能力和效率,并与传统的有机溶剂提取、超临界CO_2萃取进行对比。最后从理化性质、脂肪酸组成及抗氧化活性等方面,综合评估不同提取方法得到的油脂品质。主要研究内容如下:(1)优化了有机溶剂提取裂殖壶藻油的工艺。首先采用索氏提取法、酸热法、超声波辅助提取法三种常见方法从微藻干粉中提取油脂,确定油脂含量。然后,以温度、超声功率、液固比为影响因素,通过中心组合设计,对超声波辅助提取进行了响应面优化,得到最佳提取条件:温度36?C、超声功率225 w、液固比17:1。在该条件下,油脂得率为24.6%。(2)以乙醇为夹带剂,研究了超临界CO_2流体从裂殖壶藻中提取油脂的新工艺。基于气液相平衡性质,确定了夹带剂乙醇的加量范围,并对提取过程进行动力学分析,确定了二氧化碳的使用量。通过中心组合设计的响应面优化试验,获得了最佳提取工艺条件:温度52?C、压力38 MPa、乙醇摩尔分率0.04。该条件下,微藻油脂的回收率约为88.2%,显著高于纯超临界CO_2萃取的回收率(71.9%)。根据Peng-Robinson方程考察了混合流体的密度变化对油脂溶解度的影响,部分解释了操作条件对油脂回收率的影响。(3)考虑到CO_2的物态变化,基于CO_2-乙醇相平衡原理,将CXE细分为两相CXE、亚临界CXE及超临界CXE,综合评估了不同相平衡区域内的CXE从微藻中提取油脂的能力。结果显示,亚临界CXE中溶解了大量CO_2,形成了具有特定极性的单相流体,最大油脂回收率可达92.4%,与有机溶剂完全提取基本相当。此外,乙醇膨胀导致流体的粘度、扩散性等物理化学性质改变,提高了流体的传质能力。在20g微藻的固定床层连续提取中,以亚临界CXE为溶剂,每毫升乙醇可提取到15.6 mg油脂,显著高于两相CXE、超临界CXE及有机溶剂的提取效率(3~6 mg/mL)。该研究揭示了采用CXE进行提取时,充分考虑相平衡性质的必要性。(4)从油脂的理化性质、脂肪酸组成、抗氧化活性等方面,评估了不同提取方法得到的微藻油脂的品质。研究表明,在不皂化物含量、酸价及过氧化值等方面,CXE提取油和超临界提取油的品质均优于有机溶剂提取油。气相色谱分析显示,CXE提取油中DHA含量高达41.92%,高于超临界CO_2提取油(37.09%)和有机溶剂提取油(38.96%)中的含量。DPPH自由基清除试验结果表明,CXE提取油的中值抑制浓度(IC_(50))为2.49 mg/mL,比其他两种方法提取到的油脂具有更强的抗氧化活性。综上所述,在提取易氧化、热敏性的高品质产品方面,亚临界CXE是一种具有广阔前景的新技术。
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ644
【图文】：

光生物反应器,微藻,开放式,圆池

光合异养培养，通常在开放的池塘中或密闭的光生物反应器中进行。开放池培养是指微藻在与环境直接接触的各类池塘结构体系中进行的培养，培养池的结构包括跑道池、圆池等[9]。目前，开放式培养是使用最广泛的微藻发酵系统，具有易于扩大培养、运营成本低的优点，但由于日常天气变化、生物入侵等问题，其油脂产率不稳定[10]。密闭式光合生物反应器是针对开放式跑道池产率低、易污染、难控制等问题开发的封闭式反应结构[9]，具有占耕地面积小、培养条件易调控、油脂得率高等优点[11-13]。(a)开放式圆池 (b)开放式跑道池

示意图,状态变化,示意图,乙醇

图 1.3 GXL 状态变化示意图) 常压下的有机溶剂；(B) 加入压缩 CO2，在平衡状态下，形成了具有液相和气相的两相 GX(C) 加压(在该示意图中，通过减小体积来实现)导致相变，形成单相 GXL[53]Fig. 1.3 Schematic illustrating the state transition of GXL) organic liquid solvent at ambient pressure; (B) compressed liquid CO2is added, giving a liquid po-phase GXL) in equilibrium with a vapor phase; (C) pressure is increased (in this case by decreasinvolume) to a magnitude that phase transfer occurs giving only one liquid phase (one-phase GXL)乙醇与甲醇的性质相近，属于第二类溶剂。随着乙醇中 CO2含量的增大，CXE积急剧膨胀，其变化过程与 GXL 的相变过程一致，如图 1.3 所示[53]。常压下，态形式存在；加入压缩CO2后，部分CO2溶解在乙醇中使其体积膨胀，形成两相C过加压，CO2完全溶解在乙醇中，形成单相 CXE。银建中等[56]应用 Peng-Robins程对 CXLs 二元及三元体系的体积膨胀度进行了模拟计算，拟合曲线和实验结果较好，表明该方程能够预测多元体系的气液相平衡状态。

等高线图,超声功率,响应面,纯误差

C23.45 1 3残差 1.13 10 0失拟项 0.16 5 0.纯误差 0.97 5 0总离差 22.10 19由表 2.4 可知，模型项 P 值小于 0.0000.05，表示差异不显著，两相综合值说明构建依次为：超声功率 > 温度 > 液固比。模型0.9487、0.9025，说明该模型能够解释 94.873.3.2 响应面交互作用分析基于回归分析结果，通过 Design Expert的响应面及等高线图如图 2.6-2.8 所示。

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