濕藻藻泥乙醇脫水干燥法的研究

王亞君，趙奎，武振晉，孫繁榮，季春麗，薛金愛，李潤植

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所，山西 太谷 030801)

濕藻藻泥乙醇脫水干燥法的研究

王亞君，趙奎，武振晉，孫繁榮，季春麗，薛金愛，李潤植*

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所，山西 太谷 030801)

[目的]為有效降低小球藻油脂提取過程中濕藻體脫水干燥成本。[方法]以BG11培養(yǎng)液培養(yǎng)的小球藻進行離心預(yù)處理后加入不同濃度和比例的乙醇、經(jīng)不同的脫水次數(shù)，探究在不同條件下濕藻泥的脫水效果，并以濕藻泥脫水干燥后制備的藻粉為材料，比較了小球藻藻粉在不同含水率條件下的油脂提取率。[結(jié)果]加入的乙醇濃度為80%，乙醇溶液與藻泥中原含水量的體積比為1∶1，經(jīng)一次揮發(fā)脫水后，濕藻泥中的含水率可從89.04%降至30.1%。[結(jié)論]藻粉含水率在40%以下時，對粗油脂得率影響較小，即濕藻用乙醇進行協(xié)助脫水時，藻泥含水量降至40%以下即可進行油脂提取。

小球藻；濕藻泥；脫水;乙醇處理；含水率；油脂萃取

隨著化石能源的過度消耗和生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，尋找新的具有優(yōu)良特性和開發(fā)潛力的綠色生物能源已成為當(dāng)今全球可持續(xù)發(fā)展的迫切任務(wù)。生物柴油作為一種新型能源，因其具有可再生、安全性和穩(wěn)定性好以及環(huán)境友好而受到人們的廣泛關(guān)注。目前生物柴油的主要來源為油料作物等，想要大力發(fā)展生物柴油必然會占用大量的耕地面積，影響糧食產(chǎn)量，違背了“不與人爭糧，不與糧爭地”的生物質(zhì)能源發(fā)展原則[1]。微藻作為一種新興的生物質(zhì)資源，具有光合作用效率高、生長速率快、生長周期短、油脂及生物質(zhì)產(chǎn)率高、不占用土地面積、不受季節(jié)和氣候的限制等優(yōu)點，可以進行大規(guī)模的人工養(yǎng)殖，是生產(chǎn)生物柴油的理想原料[2]，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。小球藻是一種淡水藻類，可利用光合作用進行自養(yǎng)生長繁殖[3]，具有分布廣泛、生長繁殖速度快、易于培養(yǎng)、光合效率高、油脂含量高且油產(chǎn)率高等特點[4]，在生物質(zhì)能源發(fā)展過程中有很高的應(yīng)用價值[5]。

目前以微藻為原料，制備生物柴油的生產(chǎn)工藝包括微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)、采收、干燥、油脂的萃取及生物柴油的轉(zhuǎn)化等一系列環(huán)節(jié)[6]。其中，由于培養(yǎng)收獲后的藻泥含水量可達70%以上，脫水干燥過程需要大量能耗，制約了藻類生物燃料的規(guī)?；l(fā)展[7]。常用干燥方法有噴霧干燥、滾筒干燥和冷凍干燥等，但這些干燥方法成本較高。盡管可以利用太陽能進行干燥，但是完全依賴于陽光也需要消耗大量的時間成本，并且長時間的高溫會破壞小球藻細胞內(nèi)的營養(yǎng)成分[7]。因此，尋找一種高效、低成本的脫水方式降低濕藻泥干燥過程中的耗能成本對發(fā)展微藻生物柴油技術(shù)具有重要意義[8]。乙醇是與水100%互溶、價格低、環(huán)境友好的溶劑[9～11]，乙醇脫水被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)較傳統(tǒng)的加熱、冷凍干燥脫水等方面，在干燥效率和能耗節(jié)約等方面具有突出優(yōu)勢。 乙醇脫水在微藻干燥及制取生物柴油中應(yīng)用已有報道，但因藻種和預(yù)處理等條件不同，干燥效果及對油脂萃取率影響差異較大。

本試驗利用乙醇脫水法干燥濕藻藻泥，研究了乙醇濃度、乙醇添加比例和脫水次數(shù)對蛋白核小球藻藻泥的脫水干燥和提油效果的影響，并得到一種脫水效果較好的高效節(jié)能的濕藻泥干燥方案，為微藻規(guī)?；a(chǎn)生物柴油提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究中的藻種為蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidesa)，培養(yǎng)基為BG11培養(yǎng)基，其母液成分及工作液組分見表1、表2。培養(yǎng)液pH為6.5左右[12]，室溫(21±2) ℃，光照3 500 lx,通氣條件：CO2含量為3%，通氣速率為5 L·min-1。培養(yǎng)9～10 d，離心濃縮收集藻泥備用。小球藻藻粉由藻泥烘干，研磨成粉備用。

本次試驗的化學(xué)藥劑：三氯甲烷(分析純)；甲醇(分析純)；無水乙醇(分析純)；去離子水。

1.2 試驗方法

1.2.1 藻樣預(yù)處理

取培養(yǎng)結(jié)束后的藻液35 mL于50 mL離心管中，11 400 r·min-1離心4 min，棄掉上清液，重復(fù)一次，收集藻泥用于后續(xù)實驗。

1.2.2 測定藻泥含水率

為保證每組試驗濕藻泥材料的含水率相同，先測定不同生長時期藻泥含水率情況。藻泥含水率即水分占藻泥的質(zhì)量分數(shù)，采用烘箱法烘干測定，測定方法如下：

表1 BG11培養(yǎng)基(母液)配方

表2 BG11工作液配方

將裝有藻泥離心管(管重M)進行稱重記為m1，放入烘箱75 ℃烘干至恒重，再次將離心管進行稱重記為m2，計算含水量(m水)與含水率。每組試驗做3個平行樣。

m水=m1-m2

(1)

含水率=m水/(m1-M)×100%

(2)

1.2.3 乙醇脫水法

準(zhǔn)確稱取0.17 g藻泥于50 mL已知重量的離心管中，將離心管和藻泥總重記為m3，按不同比例添加不同濃度的乙醇溶液與濕藻泥混合，渦旋30 s后，11 400 r·min-1離心 4.00 min，去掉上清液(含乙醇與水)，然后將離心管放入水浴鍋中(水面超過藻泥高度)，溫度設(shè)置50 ℃，揮發(fā)干燥1 h。觀察離心管中藻泥變化，1 h后稱量記錄揮發(fā)干燥后的離心管重量m4，計算干燥后藻泥的含水率。每組試驗做3個平行樣。乙醇脫水干燥濕藻藻泥流程如圖1所示。

脫水后藻泥含水m=m水-(m3-m4)

(3)

脫水后藻泥含水率=(m/0.17)×100%

(4)

圖1 乙醇脫水干燥濕藻藻泥流程圖Fig.1 Flow chart of dehydration and desiccation of wet algae with ethanol

1.2.4 油脂提取

將藻泥烘干后研磨制成藻粉，用改進后的Bligh-Dyer[13]提取油脂：稱取1 g左右藻粉(m)放入錐形瓶中，加入50 mL氯仿-甲醇(v∶v=3∶1)混合溶劑，將錐形瓶放置在260 r·min-1的搖床上充分震蕩10 min使含水的藻粉充分溶于有機溶劑，室溫下靜置萃取2 h，萃取結(jié)束后將混合液11 400 r·min-1離心5 min，取上清于已知重量m5的燒杯中，將燒杯放入70 ℃水浴鍋中迅速蒸除萃取液中的有機溶劑，得到粗油脂之后將燒杯連同粗油放入65 ℃烘箱中烘干至恒重，并稱重記作m6，按公式(5)計算油脂得率。每個試驗重復(fù)3次。

油脂得率= (m6-m5)/m×100%

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生長時期收獲藻泥的含水率

通過比色法，用紫外分光光度計測定不同生長時期的藻液在波長680 nm處的吸光度(OD680)，采用方法1.2.2測定不同生長時期藻液濃縮后所得藻泥的含水率，結(jié)果如表3所示。

表3 不同生長期藻液對應(yīng)的OD值與藻泥含水率

Table 3 The OD values of algae culture and moisture contents of wet algae paste under different growth phase

OD680值OD680values含水率/%Moisturecontents1.01688.861.56986.532.04787.672.56189.04

由表3可得，不同生長時期的藻液在相同離心條件下，所得藻泥的含水率不同，含水率與OD值之間也無線性關(guān)系，所以進行后續(xù)試驗時，需采用同一生長時期的小球藻藻液為原料進行試驗。

2.2 乙醇濃度對濕藻泥脫水效果的影響

測定乙醇濃度對濕藻泥脫水干燥的影響時，所選藻液離心后藻泥含水率為89.04%。用無水乙醇分別配制濃度為60%、70%、80%、90%、100%的乙醇溶液，按照乙醇溶液與藻泥中原含水量的體積比1∶1對濕藻泥進行協(xié)助脫水干燥，用未添加乙醇的藻泥作對照。試驗結(jié)果見圖2。

圖2 乙醇濃度對藻泥脫水效果的影響Fig.2 Effect of different ethanol concentration on the dehydration of wet algae

由圖2可以看出，未加入乙醇處理的藻泥經(jīng)1 h水浴揮發(fā)后，含水率由89.04%降到了78.62%，加入乙醇溶液處理的藻泥含水率可以減少39.07%～53.39%。當(dāng)加入的乙醇濃度不超過80%時，脫水干燥后的藻泥含水率隨乙醇濃度的增加而逐漸下降，在50 ℃水浴鍋中，乙醇快速揮發(fā)會帶走水分，加快了水的蒸發(fā)。乙醇濃度為60%、70%、80%時，藻泥中含水率分別降為49.97%、47.01%、35.65%。而乙醇濃度為90%和100%時，藻泥脫水干燥的效果有所下降。因此，80%的乙醇濃度對藻泥脫水干燥的效果較好。

2.3 乙醇添加比例對濕藻泥脫水效果的影響

測定乙醇濃度對藻泥脫水干燥的影響時，所選藻液離心后藻泥含水率為89.04%。用80%的乙醇溶液為脫水劑，分別按照乙醇溶液與藻泥中原含水量的體積比為1∶5、1∶3、1∶1、3∶1、5∶1的添加量對濕藻泥進行處理，用未添加乙醇的藻泥作對照，結(jié)果見圖3。

圖3 乙醇添加比例對藻泥脫水效果的影響Fig.3 Effect of volume ratio of ethanol and water (in the wet algae) on the dehydration of wet algae

由圖3可以看出，隨著乙醇溶液體積比的增加，脫水干燥后的濕藻泥的含水率逐漸減少。當(dāng)乙醇溶液與藻泥中原含水量的體積比為1∶1時，脫水干燥后的藻泥含水率降為30.52%。隨著乙醇量的逐步增加，脫水干燥后的藻泥含水率減少的趨勢則趨于緩慢。綜合考慮濕藻泥脫水率且盡量降低油脂損失，乙醇添加量與藻泥中原含水量的體積比為1∶1時，獲得較好的脫水干燥效果。

2.4 乙醇脫水次數(shù)對濕藻泥脫水效果的影響

一般情況下從藻液中離心獲取的藻泥含水率較高，需要進行乙醇的多次脫水才能達到適合油脂提取的含水率的藻泥，本試驗所選藻液離心后藻泥含水率為89.04%，用80%的乙醇溶液為脫水劑、按照乙醇溶液與藻泥中原含水量的體積比為1∶1為基礎(chǔ)，對濕藻泥進行多次脫水然后揮發(fā)干燥，探究脫水次數(shù)對濕藻泥脫水干燥的影響，用未添加乙醇的藻泥作對照。結(jié)果如圖4。

圖4 乙醇脫水次數(shù)對藻泥脫水效果的影響Fig.4 Effect of dehydration times on the dehydration of wet algae

由圖4可得，離心后的藻泥經(jīng)過1次、2次、3次乙醇脫水并干燥后，藻泥中含水率分別下降為30.09%、21.32%、17.52%。雖然藻泥含水量會隨著脫水次數(shù)的增加有所降低，但有研究表明，用乙醇脫水藻泥時，脫水次數(shù)越多，藻中脂肪酸甲酯(FAME)的損失越高。

2.5 小球藻藻粉含水率對油脂得率的影響

以干燥的小球藻藻粉為原料，加入一定量的蒸餾水，制備含水率分別為20%、40%、60%、80%的藻泥，用不加蒸餾水藻粉為對照，進行有機溶劑浸提法提取粗油。結(jié)果如圖5。

圖5 小球藻藻粉含水率對油脂提取率的影響Fig.5 Effect of moisture content on the lipid extraction ratio of Chlorella

由圖5可以看出，隨著含水率的增加，油脂提取率逐步減少，當(dāng)含水率由40%上升至60%、80%時，油脂提取率有明顯下降的趨勢。含水率從0上升到40%的過程中，油脂提取率降低趨勢緩慢，含水率為0時的油脂提取率分別比含水量為20%和40%時減少了1.59%和2.48%。由此可知，小球藻藻粉的含水率在40%以下時，對油脂得率的影響較小。綜合考慮微藻采收過程的成本以及藻泥含水率40%以下對油脂提取影響無顯著差異，選取濕藻泥進行一次脫水即可。

3 討論與結(jié)論

(1) 乙醇脫水應(yīng)用到輔助濕藻提油前的脫水干燥處理，既有效的降低了藻泥干燥過程中所需的能耗，也有效的提高了藻泥的脫水效率，有利于微藻濕法提油后期工藝建立，為整個微藻提取生物柴油的過程降低了成本。但是，在實際的應(yīng)用中還存在乙醇回收率低的問題[14]。如果將乙醇脫水后乙醇的回收率提高，那么回收的乙醇就能重復(fù)利用于藻泥的脫水。

(2) 本文通過研究乙醇濃度、乙醇的添加比例及脫水次數(shù)對濕藻泥脫水干燥的影響，確定了乙醇脫水干燥濕藻藻泥最佳條件為：乙醇濃度 80%，添加乙醇溶液與藻泥中原含水量的體積比 1∶1，經(jīng)過1次脫水后，藻泥中含水率可以從 89.04%降低至30.52%。本試驗還證實小球藻藻粉的含水率在40%以下時，對油脂得率的影響較小。 所以乙醇脫水干燥濕藻藻泥的最終目標(biāo)含水量是40%以內(nèi)。綜合考慮藻泥脫水干燥的效果和含水量對小球藻提油的影響，確定了藻泥可直接作為提油的原料。這與袁顯淵[8]微藻藻泥濕法提油與藻油純化的工藝優(yōu)化中乙醇脫水濕藻藻泥的結(jié)論一致。

(3) 在研究乙醇濃度對藻泥脫水的影響時，乙醇濃度在60%～80%范圍，藻泥的含水率逐漸下降，但當(dāng)乙醇濃度大于80%時，乙醇的脫水率反而下降，這可能與乙醇性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)乙醇濃度低于80%，隨著乙醇濃度的增加，藻泥中的水被乙醇溶解的量逐漸增加，脫水效果越來越好；當(dāng)乙醇濃度大于80%時，脫水效果反而不好?？赡苁怯捎谝掖紳舛容^高時，疏水性過大，脫水時濕藻泥結(jié)成團，導(dǎo)致加入的乙醇溶液無法與藻泥內(nèi)部的水順利的進行交換。在研究乙醇添加比例對藻泥脫水的影響時，隨著乙醇添加比例的增加，脫水后藻泥的含液率先減少后趨于平緩。這可能是由于乙醇屬于有機溶劑，加入乙醇量過多時會使藻泥中的油脂含量受到影響，在試驗過程中可以觀察到乙醇添加量越多，離心后上清液越綠，可能是由于藻泥中的色素溶解到乙醇溶液中。在研究乙醇脫水次數(shù)對藻泥脫水的影響時，主要是考慮到油脂提取和成本的原因而選擇了一次脫水。本試驗通過研究乙醇濃度、乙醇添加比例和脫水次數(shù)對濕藻藻泥脫水效果的影響，建立了乙醇干燥濕藻藻泥的最佳條件，為微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)、收集干燥及藻油煉制生物柴油提供現(xiàn)實依據(jù)。

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(編輯：武英耀)

Study on dehydration method of wet algae using ethanol

Wang Yajun， Zhao Kui， Wu Zhenjin， Sun Fanrong， Ji Chunli， Xue Jin’ai， Li Runzhi*

(InstituteofMolecularAgricultureandBioenergy，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801,China)

[Objective]To effectively decrease the cost of dehydration and desiccation of wet Chlorella sp.[Methods]Paste for lipid extraction, the wet microalgal paste was dehydrated and desiccated by ethanol in this study. Chlorella was cultivated in BG11 culture medium and the wet algal paste was collected by centrifugation of algal solution. The effect of ethanol concentration, volume ratio of ethanol and water and dehydration time on water content of algal paste were investigated and the effect of water content in algal paste on lipid extraction ratio was also studied.[Results]The water content of wet Chlorella paste decreased from 89.04% to 30.1% when the ethanol concentration, volume ratio of ethanol and water and dehydration time were 80%, 1∶1 and once, respectively.[Conclusion]Besides, the effect of water content in algal paste on lipid extraction ratio was insignificant when the water content was below 40%. It was meant that algal paste with water content of no more than 40% after dehydrated and desiccated by ethanol could be used for the lipid extraction.

Chlorella， Wet algal paste， Dehydration， Ethanol treatment， Water content， Oil extraction

2016-08-09

2016-09-13

王亞君(1990-)，女(漢)，山西忻州人，碩士，研究方向：生物固碳與生物質(zhì)綜合利用

*通信作者：李潤植，博士，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:0354-6288344；E-mail: rli2001@hotmail.com

國家“948”項目(2014-Z39)；山西省煤基重點科技攻關(guān)項目(FT-2014-01)。

TQ517

A

1671-8151(2017)02-0110-05