CN103421600B - 一种提取湿藻油脂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提取湿藻油脂的方法,所述方法包括如下步骤:(1)将产油微藻的湿藻泥和不与水混溶的有机溶剂混合,将得到的混合液加入到耐压反应釜中,密封反应釜,待达到反应温度后开始反应,其中反应温度为不与水混溶的有机溶剂和水的共沸点以上;(2)反应结束后放料,分别收集上层混合油相和下层水渣相,将上层混合油相去除溶剂,得到毛油。本发明直接利用高含水量的微藻泥为原料,无需藻细胞干燥脱水,节省了干燥能耗,且萃取过程使用一种溶剂,萃取溶剂用量少,易回收分离,降低了回收分离成本。

Description

一种提取湿藻油脂的方法
技术领域
本发明属于微藻生化工程技术领域,具体涉及一种提取湿藻油脂的方法。
背景技术
微藻作为新的生物能源潜力巨大,但迄今为止尚未获得商业化生产能源产品的途径,其中一个重要原因在于目前微藻产油的成本过高。目前的微藻油脂提取,虽然已有多种技术方法,溶剂萃取法、量子压裂法和超临界CO2萃取法等,但从工艺、能耗与设备规模考虑,采用最多的还是干藻粉的溶剂萃取法。然而微藻细胞中水含量高达80%以上,有分析表明仅干燥过程的能耗将使微藻生产出的能源产品的能量“入不敷出”(Lardon L et al.,Environ Sci Technol,2009)。因此避免干燥的高能耗,开发以湿藻为原料的低能耗微藻油脂提取技术非常重要。
专利CN100460513C专利利用加热和碱处理方法破坏微生物细胞壁,从而使得胞内的脂质和蛋白质溶出,后续通过离心分离手段得到含油脂质轻相和由水和破裂细胞组成的重水相。对轻相进行水洗或极性有机溶剂破乳,收集获得微生物油脂。该工艺过程中,细胞破裂使用碱、破裂后细胞内产物大量进入水相,造成水体污染,同时大量水体中收集油脂的收率低,产量低,不适于进行微生物油脂提取工艺放大。
专利CN102071100A利用一定体积的低级醇类溶剂(甲醇或乙醇)和低级烷烃(C5-C7烷烃或其混合物)的混合溶剂从湿藻泥中提取油脂,在确定条件下对于微藻泥的油脂提取率在80%以上,图1为该发明的湿藻油脂混合溶剂亚临界提取工艺流程示意图。但该方案需要收集水中的醇类溶剂,增加了回收成本,操作步骤多,溶剂中的低分子醇类在亚临界状态下可以萃取出微藻中的极性物质,这些物质进入水相,增加了提油废水的处理难度。而且,亚临界反应釜降温过程耗时长,整个工艺过程提油速度慢。
现有技术中所公开的提取湿藻油脂方法提油废水的处理难度高、油脂的收率低、提油工艺复杂,因此,提供一种快速、环保且工艺简单的湿藻油脂提取方法颇为亟待。
发明内容
针对现有技术中所存在的提油废水的处理难度高、油脂的收率低、提油工艺复杂的问题,本发明提供了一种提取湿藻油脂的方法,所述方法包括如下步骤:
(1)将产油微藻的湿藻泥和不与水混溶的有机溶剂混合,将得到的混合液加入到耐压反应釜中,密封反应釜,待达到反应温度后开始反应,其中反应温度为不与水混溶的有机溶剂和水的共沸点以上;
(2)反应结束后放料,分别收集上层混合油相和下层水渣相,将上层混合油相去除溶剂,得到毛油。
所述毛油即微藻毛油,将微藻毛油经脱胶,脱色,脱酸和脱臭,即可得到富含DHA的微藻油脂。
本发明所述方法避免使用和水混溶的极性溶剂,减少了溶剂成本和废水处理难度,同时,简化了操作步骤,缩短了工艺操作时间,加快了提油过程,而且,本发明萃取过程使用一种溶剂,萃取溶剂用量少,易回收分离,降低了回收分离成本。
以下作为本发明优选的技术方案,但不作为本发明提供的技术方案的限制,通过以下技术方案,可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
优选地,在本发明提供的技术方案的基础上,所述不与水混溶的有机溶剂选自正己烷、环己烷、正庚烷、石油醚类或***中的任意一种或者至少两种的混合物。
优选地,在本发明提供的技术方案的基础上,所述反应温度为100~180℃。
优选地,在本发明提供的技术方案的基础上,所述反应时间为5~60分钟。
优选地,在本发明提供的技术方案的基础上,步骤(1)中向反应釜内通入惰性气体置换反应釜内空气,然后再密封反应釜。
优选地,在本发明提供的技术方案的基础上,置换反应釜内空气后,向反应釜内通入惰性气体使反应釜初始压力达到0~1MPa,然后再密封反应釜。
优选地,在本发明提供的技术方案的基础上,所述产油微藻为微拟球藻、小球藻、栅藻、角毛藻、三角褐指藻、金藻、裂壶藻、盐藻或杜氏藻中的任意一种或者至少两种的混合物。
优选地,在本发明提供的技术方案的基础上,所述产油微藻的湿藻泥的含水量为70%以上,优选70~90%。
优选地,在本发明提供的技术方案的基础上,所述不与水混溶的有机溶剂的质量和干藻质量的比为3~10。
优选地,在本发明提供的技术方案的基础上,所述反应在搅拌下进行,所述搅拌的转速为70~300rpm。
与现有技术相比,本发明所述方法避免使用和水混溶的极性溶剂,减少了溶剂成本和废水处理难度,同时,简化了操作步骤,缩短了工艺操作时间,加快了提油过程,而且,本发明萃取过程使用一种溶剂,萃取溶剂用量少,易回收分离,降低了回收分离成本。
此外,本发明直接利用高含水量的微藻泥为原料,无需藻细胞干燥脱水,节省了干燥能耗。油脂提取率高,油脂提取率可达到80%以上,所得油脂成分简单,易于分离纯化。过程操作简单,对设备要求较低,易于放大,低能耗高效微藻油脂的提取及其微藻生物能源产业化具有重要意义。
附图说明
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
图1:现有技术中湿藻油脂混合溶剂亚临界提取工艺流程示意图;
图2:本发明提取湿藻油脂的工艺流程图。
具体实施方式
为更好地说明本发明,便于理解本发明的技术方案,本发明的典型但非限制性的实施例如下:
在本发明的一种典型的实施方式中,一种提取湿藻油脂的方法,包括如下步骤:
(1)将产油微藻的湿藻泥和不与水混溶的有机溶剂混合,将得到的混合液加入到耐压反应釜中,密封反应釜,待达到反应温度后开始反应,其中反应温度为不与水混溶的有机溶剂和水的共沸点以上;
(2)反应结束后放料,分别收集上层混合油相和下层水渣相,将上层混合油相去除溶剂,得到毛油。
本发明利用高温下湿藻泥中水的极性变弱,溶剂更溶剂穿透湿藻胞外水膜进入细胞,同时高温可破坏溶质内部之间的相互作用,油脂在高温下更容易被溶剂溶解,进入溶剂萃取体系,实现萃取。
重复进行步骤(1)和步骤(2)1~3次,例如2次,以提高萃取率。
所述不与水混溶的有机溶剂选自正己烷、环己烷、正庚烷、石油醚类或***中的任意一种或者至少两种的混合物。所述混合物例如正己烷和环己烷的混合物,环己烷和正庚烷的混合物,正庚烷和石油醚的混合物,石油醚和***的混合物,正己烷和正庚烷的混合物,正己烷和石油醚的混合物,正己烷和***的混合物,正己烷、环己烷和正庚烷的混合物,环己烷、正庚烷和石油醚的混合物。
所述反应温度为100~180℃,例如105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、170℃或175℃。
在基于水和溶剂的极性的考虑下,本发明选择此温度更能实现微藻油脂萃取,同时避免过高温度造成提油成本增加。
所述反应时间为5~60分钟,例如8分钟、11分钟、14分钟、17分钟、22分钟、27分钟、31分钟、35分钟、39分钟、43分钟、47分钟、51分钟、55分钟或59分钟。
步骤(1)中向反应釜内通入惰性气体置换反应釜内空气,然后再密封反应釜,待达到反应温度后开始反应。置换反应釜内空气可以减少反应釜中的氧气量,避免了油脂中含有的DHA等营养物质的氧化,保证了油脂的品质。
所述置换的次数为2~3次,优选2次。
通入惰性气体置换反应釜内空气的方法为:打开进气口的阀门,关闭出气口的阀门,充入惰性气体,然后关闭进气口的阀门,打开出气口的阀门,放气,即完成1次置换。所述置换的次数为2~3次,即重复上述过程2~3次。
置换反应釜内空气后,向反应釜内通入惰性气体使反应釜初始压力达到0~1MPa(表压),以加快萃取反应的进行,然后再密封反应釜,待达到反应温度后开始反应。所述压力例如为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa或0.9MPa。
即,步骤(1)还可以为:将产油微藻的湿藻泥和不与水混溶的有机溶剂混合,将得到的混合液加入到耐压反应釜中,向反应釜内通入惰性气体置换反应釜内空气,置换次数为2~3次,然后密封反应釜,待达到反应温度后开始反应,其中反应温度为有机溶剂和水的共沸点以上,或,
步骤(1)还可以为:将产油微藻的湿藻泥和不与水混溶的有机溶剂混合,将得到的混合液加入到耐压反应釜中,向反应釜内通入惰性气体置换反应釜内空气,置换次数为2~3次,置换完后,向反应釜内通入惰性气体使反应釜初始压力达到0~1MPa(表压),然后密封反应釜,待达到反应温度后开始反应,其中反应温度为有机溶剂和水的共沸点以上。
为了加快反应的进行,在步骤(1)的混合液中可以适当添加无机酸辅助萃取。所述无机酸选自硫酸、盐酸或磷酸中的任意一种或者至少两种的混合物。所述混合物例如硫酸和盐酸的混合物,硫酸和磷酸的混合物,盐酸和磷酸的混合物,盐酸、硫酸和磷酸的混合物。
所述无机酸的添加量为干藻质量的0.4~2wt%。所述干藻质量即产油微藻的湿藻泥除水以外的质量,即,产油微藻的湿藻泥×(1-湿藻泥的含水量%)。所述无机酸的添加量例如为干藻质量的0.5wt%、0.7wt%、0.9wt%、1.1wt%、1.3wt%、1.5wt%、1.7wt%或1.9wt%。
所述产油微藻为微拟球藻、小球藻、栅藻、角毛藻、三角褐指藻、金藻、裂壶藻、盐藻或杜氏藻中的任意一种或者至少两种的混合物。所述混合物例如微拟球藻和小球藻的混合物,栅藻和角毛藻的混合物,三角褐指藻和金藻的混合物,裂壶藻、盐藻和杜氏藻的混合物,微拟球藻、小球藻和栅藻的混合物,角毛藻、三角褐指藻和金藻的混合物,裂壶藻、盐藻、杜氏藻和小球藻的混合物。所述裂壶藻也称裂殖弧菌。
所述产油微藻的湿藻泥的含水量为70%以上,例如72%、74%、76%、78%、80%、82%、84%、86%、88%或89%,优选70~90%。本发明直接利用高含水量的微藻泥为原料,无需藻细胞干燥脱水,节省了干燥能耗。
所述不与水混溶的有机溶剂的质量和产油微藻中干藻质量的比为3~10,例如3.2、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、9.8,优选3.3~9.7,进一步优选3.5~9.4。所述干藻质量即产油微藻的湿藻泥除水以外的质量,即,产油微藻的湿藻泥×(1-湿藻泥的含水量%)。本发明选择该质量比可在保证高产油量条件下控制最低的溶剂用量,降低单位藻油成本。
所述反应在搅拌下进行,所述搅拌的转速为70~300rpm,例如80rpm、100rpm、130rpm、160rpm、190rpm、220rpm、250rpm、280rpm,优选90~290rpm,进一步优选110~270rpm。
将上层混合油相蒸发去除溶剂,得到毛油。在得到毛油的同时,得到了回收的溶剂。
具体实施方式1
一种提取湿藻油脂的方法,所述方法包括如下步骤:
(1’’’’’’)将产油微藻的湿藻泥和不与水混溶的有机溶剂混合,将得到的混合液加入到耐压反应釜中,密封反应釜,待达到反应温度后开始反应,其中反应温度为100~180℃,反应时间为5~60分钟;
(2’’’’’’)反应结束后放料,分别收集上层混合油相和下层水渣相,将上层混合油相去除溶剂,得到毛油。
其中,所述不与水混溶的有机溶剂选自正己烷、环己烷、正庚烷、石油醚类或***中的任意一种或者至少两种的混合物。
具体实施方式2
一种提取湿藻油脂的方法,所述方法包括如下步骤:
(1’)将产油微藻的湿藻泥和不与水混溶的有机溶剂混合,将得到的混合液加入到耐压反应釜中,向反应釜内通入惰性气体置换反应釜内空气,置换次数为2~3次,然后密封反应釜,待达到反应温度后开始反应,反应温度为不与水混溶的有机溶剂和水的共沸点以上;
(2’)反应结束后放料,分别收集上层混合油相和下层水渣相,将上层混合油相蒸发去除溶剂,得到毛油。
(3’)重复步骤(1’)和步骤(2’)1~3次。
具体实施方式3
一种提取湿藻油脂的方法,所述方法包括如下步骤:
(1’’)将产油微藻的湿藻泥和不与水混溶的有机溶剂混合,将得到的混合液加入到耐压反应釜中,向反应釜内通入惰性气体置换反应釜内空气,置换次数为2~3次,置换完后,向反应釜内通入惰性气体使反应釜初始压力达到0~1MPa(表压),密封反应釜,待达到反应温度后开始反应,反应温度为不与水混溶的有机溶剂和水的共沸点以上;
(2’’)反应结束后放料,分别收集上层混合油相和下层水渣相,将上层混合油相蒸发去除溶剂,得到毛油。
具体实施方式4
一种提取湿藻油脂的方法,所述方法包括如下步骤:
(1’’’’)将产油微藻的湿藻泥和不与水混溶的有机溶剂混合,将得到的混合液加入到耐压反应釜中,向反应釜内通入惰性气体置换反应釜内空气,置换次数为2~3次,密封反应釜,待达到反应温度后开始反应,反应温度为100~180℃,反应温度为5~60分钟;
(2’’’’)反应结束后放料,分别收集上层混合油相和下层水渣相,将上层混合油相蒸发去除溶剂,得到毛油;
所述不与水混溶的有机溶剂选自正己烷、环己烷、正庚烷、石油醚类或***中的任意一种或者至少两种的混合物。
具体实施方式5
一种提取湿藻油脂的方法,所述方法包括如下步骤:
(1’’’)将产油微藻的湿藻泥和不与水混溶的有机溶剂混合,将得到的混合液加入到耐压反应釜中,向反应釜内通入惰性气体置换反应釜内空气,置换次数为2~3次,置换完后,向反应釜内通入惰性气体使反应釜初始压力达到0~1MPa(表压),密封反应釜,待达到反应温度后开始反应,反应温度为100~180℃,反应温度为5~60分钟;
(2’’’)反应结束后放料,分别收集上层混合油相和下层水渣相,将上层混合油相蒸发去除溶剂,得到毛油;
所述不与水混溶的有机溶剂选自正己烷、环己烷、正庚烷、石油醚类或***中的任意一种或者至少两种的混合物。
具体实施例1
小球藻(chlorella sp),中国科学院水生生物研究所FACHB-1298,该藻种的培养方法等详细信息参见中国专利申请CN101481656。
小球藻藻泥含水量为70%,油脂含量为43%。
提油方法a:取藻泥100g到高压反应釜中,加入150mL正己烷,密封反应釜,设定反应釜温度为160℃,搅拌转速为200rpm。开始搅拌加热,升温到设定160℃后,停止加热,保持0.5h后,给反应釜通入循环冷却水降温至40℃,打开反应釜放空阀,缓慢放空至常压,打开反应釜,将混合物转移至接收瓶中。取混合物上层混合油相到旋蒸瓶中,旋蒸脱除溶剂,得到毛油12.8g,油脂提取率为99%。
具体实施例2微藻眼点拟微绿球藻提取油脂
眼点拟微绿球藻(nannochloropsis oculata)购于中国水产科学研究院黄海水产研究所C1502,该藻种的培养等详细信息参见《中国海洋药物》,2003,91(1),《富含EPA的海洋微藻眼点拟微球藻的大规模培养》,5-10。
藻泥含水量为85%,油脂含量为52%。
提油处理方法a:按照表1所示实验条件,取一定量的指定含水量的藻泥到高压反应釜中,按表1所示的液固比加入定量的正己烷,密封反应釜,通入N2使反应釜压力达到1MPa,打开反应釜放空阀,放空;反复置换3次后,再通入N2使反应釜压力达到表1所指定压力,密封反应釜,设定反应釜温度,搅拌转速。开始搅拌加热,升温到设定温度后,停止加热,保持一定时间后,给反应釜通入循环冷却水降温至40℃,打开反应釜放空阀,缓慢放空至常压,打开反应釜,将混合物转移至接收瓶中。取混合物上层混合油相到旋蒸瓶中,旋蒸脱除溶剂,得到毛油,称重,按照公式1所示计算油脂提取率。
原料中含油质量=藻泥体积×(1-藻泥含水量)×含油量
表1:实验条件与实验结果
具体实施例3小球藻提油
小球藻(chlorella sp),中国科学院水生生物研究所FACHB-1298,该藻种的培养方法等详细信息参见中国专利申请CN101481656。
小球藻藻泥含水量为70%,油脂含量为43%。
提油方法a:取藻泥100mL到高压反应釜中,加入150mL正己烷,密封反应釜,通入N2使反应釜压力达到1MPa,打开反应釜放空阀,放空;反复置换3次后,密封反应釜,设定反应釜温度为160℃,搅拌转速为200rpm。开始搅拌加热,升温到设定160℃后,停止加热,保持0.5h后,给反应釜通入循环冷却水降温至40℃,打开反应釜放空阀,缓慢放空至常压,打开反应釜,将混合物转移至接收瓶中。取混合物上层混合油相到旋蒸瓶中,旋蒸脱除溶剂,得到毛油12.8g,油脂提取率为90.7%。
提油方法b:取藻泥100mL到高压反应釜中,加入150mL正己烷,密封反应釜,通入N2使反应釜压力达到1MPa,打开反应釜放空阀,放空;反复置换3次,再通入N2,使反应釜初始压力为0.6MPa,然后密封反应釜,设定反应釜温度为160℃,搅拌转速为200rpm。开始搅拌加热,升温到设定160℃后,停止加热,保持0.5h后,给反应釜通入循环冷却水降温至40℃,打开反应釜放空阀,缓慢放空至常压,打开反应釜,将混合物转移至接收瓶中。取混合物上层混合油相到旋蒸瓶中,旋蒸脱除溶剂,得到毛油12.6g,油脂提取率为89.4%。
具体实施例4裂壶藻(裂殖弧菌)提油
裂壶藻(Schizochytrium sp.)购于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,其编号为CCTCC No.M209059,该藻种的培养方法等详细信息参见中国专利申请号CN101575584。
裂壶藻藻泥含水量为90%,油脂含量为63%。
提油方法a:取藻泥200mL到高压反应釜中,加入100mL正己烷,密封反应釜,通入N2使反应釜压力达到1MPa,打开反应釜放空阀,放空;反复置换3次后,密封反应釜,设定反应釜温度为140℃,搅拌转速为200rpm。开始搅拌加热,升温到设定140℃后,停止加热,保持0.5h后,给反应釜通入循环冷却水降温至40℃,打开反应釜放空阀,缓慢放空至常压,打开反应釜,将混合物转移至接收瓶中。取混合物上层混合油相到旋蒸瓶中,旋蒸脱除溶剂,得到毛油10.1g,油脂提取率为80.2%。
提油方法b:取藻泥200mL到高压反应釜中,加入100mL正己烷,密封反应釜,通入N2使反应釜压力达到1MPa,打开反应釜放空阀,放空;反复置换3次后,密封反应釜,设定反应釜温度为170℃,搅拌转速为200rpm。开始搅拌加热,升温到设定170℃后,停止加热,保持20min后,给反应釜通入循环冷却水降温至40℃,打开反应釜放空阀,缓慢放空至常压,打开反应釜,将混合物转移至接收瓶中。取混合物上层混合油相到旋蒸瓶中,旋蒸脱除溶剂,得到毛油12.1g,油脂提取率为96.0%。
提油方法c:取藻泥200mL到高压反应釜中,加入100mL正己烷,加入浓硫酸0.05ml,浓硫酸质量是干藻质量的0.46wt%,密封反应釜,通入N2使反应釜压力达到1MPa,打开反应釜放空阀,放空;反复置换3次后,密封反应釜,设定反应釜温度为150℃,搅拌转速为200rpm。开始搅拌加热,升温到设定150℃后,停止加热,保持20min后,给反应釜通入循环冷却水降温至40℃,打开反应釜放空阀,缓慢放空至常压,打开反应釜,将混合物转移至接收瓶中。取混合物上层混合油相到旋蒸瓶中,旋蒸脱除溶剂,得到毛油11.1g,油脂提取率为88.1%。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法,但本发明并不局限于上述详细方法,即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种提取湿藻油脂的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)将产油微藻的湿藻泥和不与水混溶的有机溶剂混合,将得到的混合液加入到耐压反应釜中,密封反应釜,待达到反应温度后开始反应,其中反应温度为不与水混溶的有机溶剂和水的共沸点以上;
(2)反应结束后放料,分别收集上层混合油相和下层水渣相,将上层混合油相去除溶剂,得到毛油;所述不与水混溶的有机溶剂选自正己烷、环己烷、正庚烷、石油醚类或***中的任意一种或者至少两种的混合物;所述反应温度为100~180℃。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述反应时间为5~60分钟。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中向反应釜内通入惰性气体置换反应釜内空气,然后再密封反应釜。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,置换反应釜内空气后,向反应釜内通入惰性气体使反应釜初始压力达到0~1MPa,然后再密封反应釜。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述产油微藻为微拟球藻、小球藻、栅藻、角毛藻、三角褐指藻、金藻、裂壶藻、盐藻或杜氏藻中的任意一种或者至少两种的混合物。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述产油微藻的湿藻泥的含水量为70%以上。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述产油微藻的湿藻泥的含水量为70~90%。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述不与水混溶的有机溶剂的质量和干藻质量的比为3~10。
9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述反应在搅拌下进行,所述搅拌的转速为70~300rpm。
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