【摘要】：利用生長快和含油高的微藻生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制取生物柴油,對解決石油嚴重短缺和環(huán)境污染嚴重的矛盾問題具有重要意義。本文以微藻濕生物質(zhì)為研究對象,提出了微藻細胞先酯交換和酯化促進正己烷萃取制生物柴油的創(chuàng)新原理方法；揭示了瞬時彈射式蒸汽爆破細胞壁提取微藻油脂的微觀機理；利用連續(xù)流亞臨界水實現(xiàn)了無溶劑高效分離微藻油脂及一步法酸催化酯化制生物柴油。通過瞬時彈射式蒸汽爆破使?jié)裨寮毎麅?nèi)水分在瞬間汽化膨脹產(chǎn)生巨大剪切力,揭示了微藻細胞破壁促進油脂萃取的微觀機理。當蒸汽爆破預(yù)熱時間增加到5min時,藻細胞的分形維數(shù)從初始1.53增大到1.65；隨著蒸汽爆破的生物質(zhì)填充率降低,藻細胞平均直徑從1.69 μ m降低到1.44 μ m。藻細胞表面產(chǎn)生的爆破缺口面積(0.08-0.22μm2)隨著蒸汽爆破壓力升高而增加。蒸汽爆破使微藻細胞的破壁能耗由傳統(tǒng)方法的33-529MJ/kg顯著降低到8.15 MJ/kg,使?jié)裨逵椭腿÷视晌刺幚頃r的56%提高到93.9%。首次提出濕藻預(yù)先進行酯交換和酯化反應(yīng)有效降低大分子油脂的直徑和極性,使綠色無毒和弱極性的正己烷對微藻油脂的萃取效率提高到傳統(tǒng)方法的6倍。揭示了色素等有機質(zhì)及電磁加熱效應(yīng)能有效降低反應(yīng)物的極性差異從而促進酸催化酯交換,簡化了傳統(tǒng)的先干燥-再萃取-后酯化的三步法制油復(fù)雜工藝,避免了使用劇毒的氯仿萃取劑,并顯著降低了濕藻生物質(zhì)的脫水干燥能耗。微藻生物質(zhì)的親水性指數(shù)(1.96)比油脂更高,故能更好地與極性醇接觸促進酯交換反應(yīng)。微波作用下甲醇的介電常數(shù)顯著降低,使甲醇與油脂的極性差異減小有利于酯交換反應(yīng)。但是微藻細胞中水分使甲醇與油脂的接觸角增加了20.51。,阻礙了醇酯接觸導(dǎo)致酸催化酯交換效率降低72.6%。而細胞質(zhì)中的非極性官能團使甲醇與油脂的接觸角降低了13.92。,使得酸催化酯交換效率提高了2.4倍。由于乙醇和異丙醇極性較低比甲醇更易溶解油脂,故在微藻細胞內(nèi)進行酯交換時能獲得更高的生物柴油產(chǎn)率(95%),而且制得生物柴油的冷凝點(0.190℃和-3.15℃)顯著低于甲醇制備的生物柴油(2.08℃)。利用連續(xù)流亞臨界水破壞微藻細胞質(zhì)大分子之間的氫鍵,實現(xiàn)了無溶劑高效分離微藻油脂,并且促進了甘油三酯水解生成脂肪酸,顯著提高了微藻油脂的酸催化轉(zhuǎn)化制生物柴油效率。在連續(xù)流亞臨界水的溫度260℃時得到無溶劑分離油脂效率為72.3%,微藻油脂的酸催化酯化制生物柴油效率由未處理時的49.6%顯著提高到98.4%,大大簡化了微藻油脂萃取及轉(zhuǎn)化制生物柴油的技術(shù)工藝。本文通過先酯交換再使用正己烷萃取的方法使粗油中的脂肪酸甲酯含量由氯仿萃取的75.45%提高到86.74%,粗油熱值由38.45MJ/kg升高到41.19MJ/kg。經(jīng)梯級溫度105℃-254℃、255℃-259-C和260℃-280℃減壓蒸餾,獲得提純后的輕組分、中組分和重組分的微藻基生物柴油。采用色質(zhì)聯(lián)機、核磁共振和熱解儀等分析了減壓蒸餾后的生物柴油,發(fā)現(xiàn)255℃-259℃蒸餾得到中組分生物柴油的品質(zhì)最佳,脂肪酸甲酯含量高達94.6%,燃燒活化能最低,是理想的生物液體燃料。設(shè)計開發(fā)研制了微藻細胞內(nèi)先酯交換制生物柴油再正己烷萃取的中試設(shè)備裝置,應(yīng)用于內(nèi)蒙古恩格貝微藻制生物柴油示范工程,簡化了傳統(tǒng)復(fù)雜的生物柴油制備工藝,避免了使用劇毒的氯仿萃取劑促進了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。中試設(shè)備年產(chǎn)生物柴油能力達到10.3噸,生產(chǎn)的藻基生物柴油熱值達到40.79MJ/kg,經(jīng)第三方檢測達到國家生物柴油標準。
【圖文】：

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本文編號：2625296