离子液体酸催化小球藻油脂转化生物柴油

D0L:10.13374f.issn1001-053x.2011.11.004 第33卷第11期 北京科技大学学报 Vol.33 No.11 2011年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2011 离子液体酸催化小球藻油脂转化生物柴油 尹春华) 徐 佩” 何欢聚” 贾 璇) 王海鸥) 姜泽毅) 王 戈2) 张欣欣》 闫 海)回 1)北京科技大学化学与生物工程学院，北京1000832)北京科技大学机械工程学院，北京100083 区通信作者，E-mail:haiyant@usth.cu.cn 摘要以提取得到的小球藻(USTB-01)油脂为原料，采用离子液体酸([C,MIm]HSO,)为催化剂，研究了通过酯交换反应 制备生物柴油的适宜条件，并采用气相色谱一质谱联用仪(GC$)对小球藻油脂及所制备的生物柴油的脂肪酸组成进行了分 析测定.结果表明，研磨破碎藻细胞壁能显著提高索氏法提取藻脂的提取率，石油醚是最适宜的提取溶剂.提取得到的小球 藻脂富含C16和C18脂肪酸.藻脂转化生物柴油的适宜条件是：醇油摩尔比为9：1，催化剂用量占藻脂质量的8%，反应时间 为6，反应温度为150℃.在此条件下，生物柴油的产率为64%.气质联用仪(GC-MS)分析表明该生物柴油主要成分为棕榈 酸(C16:0)甲酯和不饱和的亚油酸(C18:2)甲酯，是可行的石化柴油替代品 关键词小球藻：离子液体酸：酯交换反应：生物柴油 分类号S216.3 Conversion of Chlorella oil to biodiesel catalyzed by bronsted acid ionic liquid YIN Chun-hua”,XU Pei"',HE Huanju',JIA Xuan”,WANG Hai--ou”,JIANG Ze-》,WANG Ge2,ZHANG Xin-xin2, YAN Hai) 1)School of Chemical and Biological Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:haiyan@ustb.edu.cn ABSTRACT Suitable conditions for biodiesel synthesis by the transesterification of lipid were studied by using microalgal oil extrac- ted from Chlorella USTB-01 cells as feedstock and bronsted acid ionic liquid ([C MIm]HSO)as a catalyst.Gas chromatograph-mass spectrometry (GC-MS)was used to determine fatty acids in the microalgal oil and its derived biodiesel.The results indicate that break- ing the algae cell wall by grinding can significantly improve the extraction yield of algal lipid using Soxhlet extraction method;among the solvents tested,petroleum ether is the best solvent for the extraction.The major components of Chlorella USTB-01 oil are fatty acids containing C16 and C18.The optimum conditions for synthesizing the microalgae biodiesel are as follows:the molar ratio of methanol to the microalgae oil is 9:1,the dosage of the catalyst accounts for 8%of the mass of the microalgae oil,the reaction temperature is 150 C and the reaction time is 6h.Under this condition,the yield of biodiesel can reach 64%.GC-MS analysis shows that biodiesel from Chlorella USTB-01 oil is mainly composed of methyl esters of saturated fatty acid (C16:0)and unsaturated fatty acid (C18:2).The product is feasible to supplement fossil diesel fuel. KEY WORDS Chlorella:acidic ionic liquid:transesterification:biodiesel 1988年以来，许多国家开始将生物柴油作为传 脂含量高等优点，是合成生物柴油的理想原料习， 统石化柴油的替代品加以利用，但是由于较高的原 在众多微藻中，某些小球藻同时具备光照自养和无 材料成本使得生物柴油的价格高于传统柴油)，因 光照异养双重生长能力，并在异养生长条件下可获 此选取低成本油脂资源来生产生物柴油是国内外的 得高油脂含量，因而得到广泛关注 研究热点.微藻具有光合作用效率高、生长快和油 生产生物柴油最常用的方法是酯交换法，酯交 收稿日期：2010-11-24 基金项目：中央高校基本科研业务费(FRF一ASO9O03A):北京市教委共建项目资助

第 33 卷 第 11 期 2011 年 11 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 11 Nov． 2011 离子液体酸催化小球藻油脂转化生物柴油 尹春华1) 徐 佩1) 何欢聚1) 贾 璇1) 王海鸥1) 姜泽毅2) 王 戈2) 张欣欣2) 闫 海1) 1) 北京科技大学化学与生物工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: haiyan@ ustb． edu． cn 摘 要 以提取得到的小球藻( USTB--01) 油脂为原料，采用离子液体酸( ［C4 MIm］HSO4 ) 为催化剂，研究了通过酯交换反应 制备生物柴油的适宜条件，并采用气相色谱--质谱联用仪( GC--MS) 对小球藻油脂及所制备的生物柴油的脂肪酸组成进行了分 析测定． 结果表明，研磨破碎藻细胞壁能显著提高索氏法提取藻脂的提取率，石油醚是最适宜的提取溶剂． 提取得到的小球 藻脂富含 C16 和 C18 脂肪酸． 藻脂转化生物柴油的适宜条件是: 醇油摩尔比为 9∶ 1，催化剂用量占藻脂质量的 8% ，反应时间 为 6 h，反应温度为 150 ℃ ． 在此条件下，生物柴油的产率为 64% ． 气质联用仪( GC--MS) 分析表明该生物柴油主要成分为棕榈 酸( C16: 0) 甲酯和不饱和的亚油酸( C18: 2) 甲酯，是可行的石化柴油替代品． 关键词 小球藻; 离子液体酸; 酯交换反应; 生物柴油 分类号 S 216. 3 Conversion of Chlorella oil to biodiesel catalyzed by bronsted acid ionic liquid YIN Chun-hua1) ，XU Pei 1) ，HE Huan-ju1) ，JIA Xuan1) ，WANG Hai-ou1) ，JIANG Ze-yi 2) ，WANG Ge 2) ，ZHANG Xin-xin2) ， YAN Hai 1) 1) School of Chemical and Biological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: haiyan@ ustb． edu． cn ABSTRACT Suitable conditions for biodiesel synthesis by the transesterification of lipid were studied by using microalgal oil extrac￾ted from Chlorella USTB-01 cells as feedstock and bronsted acid ionic liquid ( ［C4MIm］HSO4 ) as a catalyst． Gas chromatograph-mass spectrometry ( GC-MS) was used to determine fatty acids in the microalgal oil and its derived biodiesel． The results indicate that break￾ing the algae cell wall by grinding can significantly improve the extraction yield of algal lipid using Soxhlet extraction method; among the solvents tested，petroleum ether is the best solvent for the extraction． The major components of Chlorella USTB-01 oil are fatty acids containing C16 and C18． The optimum conditions for synthesizing the microalgae biodiesel are as follows: the molar ratio of methanol to the microalgae oil is 9∶ 1，the dosage of the catalyst accounts for 8% of the mass of the microalgae oil，the reaction temperature is 150 ℃ and the reaction time is 6 h． Under this condition，the yield of biodiesel can reach 64% ． GC-MS analysis shows that biodiesel from Chlorella USTB-01 oil is mainly composed of methyl esters of saturated fatty acid ( C16: 0) and unsaturated fatty acid ( C18: 2) ． The product is feasible to supplement fossil diesel fuel． KEY WORDS Chlorella; acidic ionic liquid; transesterification; biodiesel 收稿日期: 2010--11--24 基金项目: 中央高校基本科研业务费( FRF--AS--09--003A) ; 北京市教委共建项目资助 1988 年以来，许多国家开始将生物柴油作为传 统石化柴油的替代品加以利用，但是由于较高的原 材料成本使得生物柴油的价格高于传统柴油［1］，因 此选取低成本油脂资源来生产生物柴油是国内外的 研究热点． 微藻具有光合作用效率高、生长快和油 脂含量高等优点，是合成生物柴油的理想原料［2--3］． 在众多微藻中，某些小球藻同时具备光照自养和无 光照异养双重生长能力，并在异养生长条件下可获 得高油脂含量，因而得到广泛关注［4--5］． 生产生物柴油最常用的方法是酯交换法，酯交 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.11.004

·1420· 北京科技大学学报 第33卷 换法包括酸催化、碱催化、酶催化和超临界法等方 和酸值计算得到)以一定摩尔比混合加入三口烧 法6-习.离子液体酸作为一种新型的环境友好溶剂 瓶中，然后加入适量的离子液体酸，在一定温度下搅 和液体酸催化剂，同时拥有液体酸的高密度反应活 拌反应一定时间后，产物即为含生物柴油的混合物 性位和固体酸的不挥发性，其结构和酸性可调，催化 将反应产物转入分液漏斗中，静置分层，上层主 剂和产物易分离，热稳定性高。因此离子液体酸具 要为生物柴油一脂肪酸甲酯，下层为甘油、甲醇和离 备了取代传统工业催化剂的潜力，得到了业内广泛 子液体酸，取下层液体用去离子水洗涤至pH7后将 关注®)，但目前尚未见有采用离子液体酸催化藻 溶液放入离心管离心30min(4000rmin-1),取下 脂转化生物柴油的文献报道.本文以具备自养和异 层溶液用CH,CL,萃取至无色，蒸出CH2Cl2,回收离 养双重生长能力的小球藻种(USTB-01)高密度异 子液体酸以便重复使用. 养发酵培养(46.6gL-细胞干重)得到的微藻为原 1.4微藻油脂及生物柴油的组成分析 料0，研究确定藻酯的提取方法，并选择水稳定 采用气质联用仪(GC-MS)对微藻油脂及生物 性好、带一S0,H官能团的磺酸类离子液体酸作为催 柴油中脂肪酸类别和含量进行分析测定.微藻油脂 化剂，对其催化小球藻油脂转酯化制备生物柴油的 在分析前需进行甲酯化处理，即将20mg藻脂加入 适宜条件进行了研究 到装有2mL苯/石油醚（体积比为1：1）混合溶剂的 1实验部分 离心管(10mL)中进行充分溶解，再加入0.4molL-氢 氧化钾-甲醇溶液，摇匀，室温下反应20min后加入 1.1实验材料 5L蒸馏水，摇匀，静置分层后，吸取澄清谜层液供 1-丁基3甲基咪唑硫酸氢盐([C4Mm]HS0,) 色谱分析. （上海成捷化学有限公司，纯度大于99.0%)：石油 醚（沸程60~90℃），正己烷等试剂（分析纯，北京 GC-MS分析条件：Agilent6890N-5975B气相 化学试剂公司)：棕榈酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲 色谱质谱联用仪，DB-5ms(0.25mm×30m×0.25 酯、亚麻酸甲酯和棕榈油酸甲酯标准品（美国Ac- um)色谱柱.程序升温：在180℃下保温1min,然后 cuStandard公司)：小球藻粉，本实验室小球藻种 以3℃·min-升温速率升至260℃并保温2min.进 (Chlorella USTB-O1)异养发酵培养后经冷冻干燥得 样口温度为250℃，气化室温度为250℃，离子源温 到1- 度为250℃，载气为氦气，流速为0.7mL·min-',分 1.2小球藻油脂提取 流比为1：10，进样量为1L.藻脂和生物柴油脂肪 (1)索氏提取法：称取2g藻粉倒入索氏提取器 酸中不同组分的质量分数按照面积归一化法计算 的提取瓶中，并加入50mL石油醚作为提取剂，温水 反应产物中生物柴油的定量计算采用外标法，其产 浴锅中加热提取，约9min回流一次，提取6h后，室 率定义为反应产物中的生物柴油质量（即各脂肪酸 温下冷却，然后旋蒸去掉烧瓶中的提取剂，即得粗藻 甲酯质量之和)占反应前小球藻油脂总质量的百 脂，称重计算油脂产率 分比 (2)研磨破壁预处理结合索氏提取法：称取2g 2结果与讨论 藻粉，加入2g无水硫酸钠和2g石英砂，在研钵内 充分研磨30min后，以石油醚作为提取剂采用索氏 2.1小球藻油脂的优化提取条件 提取法提取油脂6h. 2.1.1索氏提取中溶剂对油脂提取效率的影响 (3)微波预处理结合索氏提取法：称取2g藻 此部分实验用藻粉未经破壁，直接用各种有机 粉，微波处理5min(微波功率为350W),然后以石 溶剂索氏提取油脂.根据“相似相溶”原理，要选用 油醚作为提取剂采用索氏提取法提取油脂6h. 与油脂极性相似的提取剂.另外，提取剂应当易于 (4)微波一研磨预处理结合索氏提取法：称取 回收、容易汽化、比热容小、汽化潜热小及沸点适当， 2g藻粉，经微波处理5min(微波功率为350W)后， 以减少油脂中的溶剂残留.图1为不同溶剂对油脂 再加入2g无水硫酸钠和2g石英砂于研钵内充分 产率的影响.结果表明石油瞇提取小球藻效果最好 研磨30min,再以石油醚为提取剂采用索氏提取法 (油脂产率3.84%)，其次是乙醚（油脂产率 提取油脂6h. 2.73%).由于小球藻油脂多为中性脂，极性较小的 1.3离子液体酸催化小球藻油脂制备生物柴油 提取剂比较适合用于提取小球藻油脂，因此与其他 将甲醇和藻脂（相对分子质量为912，由皂化值 烷类化合物相比，石油醚是提取小球藻油脂的较好

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 换法包括酸催化、碱催化、酶催化和超临界法等方 法［6--7］． 离子液体酸作为一种新型的环境友好溶剂 和液体酸催化剂，同时拥有液体酸的高密度反应活 性位和固体酸的不挥发性，其结构和酸性可调，催化 剂和产物易分离，热稳定性高． 因此离子液体酸具 备了取代传统工业催化剂的潜力，得到了业内广泛 关注［8--9］，但目前尚未见有采用离子液体酸催化藻 脂转化生物柴油的文献报道． 本文以具备自养和异 养双重生长能力的小球藻种( USTB--01) 高密度异 养发酵培养( 46. 6 g·L － 1 细胞干重) 得到的微藻为原 料［10--11］，研究确定藻酯的提取方法，并选择水稳定 性好、带—SO3H 官能团的磺酸类离子液体酸作为催 化剂，对其催化小球藻油脂转酯化制备生物柴油的 适宜条件进行了研究． 1 实验部分 1. 1 实验材料 1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐( ［C4 MIm］HSO4 ) ( 上海成捷化学有限公司，纯度大于 99. 0% ) ; 石油 醚( 沸程 60 ～ 90 ℃ ) ，正己烷等试剂( 分析纯，北京 化学试剂公司) ; 棕榈酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲 酯、亚麻酸甲酯和棕榈油酸甲酯标准品( 美国 Ac￾cuStandard 公司) ; 小 球 藻 粉，本实验室小球藻种 ( Chlorella USTB--01) 异养发酵培养后经冷冻干燥得 到［11--12］． 1. 2 小球藻油脂提取 ( 1) 索氏提取法: 称取 2 g 藻粉倒入索氏提取器 的提取瓶中，并加入 50 mL 石油醚作为提取剂，温水 浴锅中加热提取，约 9 min 回流一次，提取 6 h 后，室 温下冷却，然后旋蒸去掉烧瓶中的提取剂，即得粗藻 脂，称重计算油脂产率． ( 2) 研磨破壁预处理结合索氏提取法: 称取 2 g 藻粉，加入 2 g 无水硫酸钠和 2 g 石英砂，在研钵内 充分研磨 30 min 后，以石油醚作为提取剂采用索氏 提取法提取油脂 6 h． ( 3) 微波预处理结合索氏提取法: 称取 2 g 藻 粉，微波处理 5 min( 微波功率为 350 W) ，然后以石 油醚作为提取剂采用索氏提取法提取油脂 6 h． ( 4) 微波--研磨预处理结合索氏提取法: 称取 2 g藻粉，经微波处理 5 min( 微波功率为 350 W) 后， 再加入 2 g 无水硫酸钠和 2 g 石英砂于研钵内充分 研磨 30 min，再以石油醚为提取剂采用索氏提取法 提取油脂 6 h． 1. 3 离子液体酸催化小球藻油脂制备生物柴油 将甲醇和藻脂( 相对分子质量为 912，由皂化值 和酸值计算得到［13］) 以一定摩尔比混合加入三口烧 瓶中，然后加入适量的离子液体酸，在一定温度下搅 拌反应一定时间后，产物即为含生物柴油的混合物． 将反应产物转入分液漏斗中，静置分层，上层主 要为生物柴油--脂肪酸甲酯，下层为甘油、甲醇和离 子液体酸，取下层液体用去离子水洗涤至 pH 7 后将 溶液放入离心管离心 30 min ( 4 000 r·min － 1 ) ，取下 层溶液用 CH2Cl2萃取至无色，蒸出 CH2 Cl2，回收离 子液体酸以便重复使用． 1. 4 微藻油脂及生物柴油的组成分析 采用气质联用仪( GC--MS) 对微藻油脂及生物 柴油中脂肪酸类别和含量进行分析测定． 微藻油脂 在分析前需进行甲酯化处理，即将 20 mg 藻脂加入 到装有 2 mL 苯/石油醚( 体积比为 1∶ 1) 混合溶剂的 离心管( 10 mL) 中进行充分溶解，再加入0. 4 mol·L －1 氢 氧化钾--甲醇溶液，摇匀，室温下反应 20 min 后加入 5 mL 蒸馏水，摇匀，静置分层后，吸取澄清醚层液供 色谱分析． GC--MS 分析条件: Agilent 6890N--5975B 气相 色谱质谱联用仪，DB--5ms( 0. 25 mm × 30 m × 0. 25 μm) 色谱柱． 程序升温: 在 180 ℃下保温 1 min，然后 以 3 ℃·min － 1 升温速率升至 260 ℃并保温 2 min． 进 样口温度为 250 ℃，气化室温度为 250 ℃，离子源温 度为 250 ℃，载气为氦气，流速为 0. 7 mL·min － 1 ，分 流比为 1∶ 10，进样量为 1 μL． 藻脂和生物柴油脂肪 酸中不同组分的质量分数按照面积归一化法计算． 反应产物中生物柴油的定量计算采用外标法，其产 率定义为反应产物中的生物柴油质量( 即各脂肪酸 甲酯质量之和) 占反应前小球藻油脂总质量的百 分比． 2 结果与讨论 2. 1 小球藻油脂的优化提取条件 2. 1. 1 索氏提取中溶剂对油脂提取效率的影响 此部分实验用藻粉未经破壁，直接用各种有机 溶剂索氏提取油脂． 根据“相似相溶”原理，要选用 与油脂极性相似的提取剂． 另外，提取剂应当易于 回收、容易汽化、比热容小、汽化潜热小及沸点适当， 以减少油脂中的溶剂残留． 图 1 为不同溶剂对油脂 产率的影响． 结果表明石油醚提取小球藻效果最好 ( 油 脂 产 率 3. 84% ) ，其 次 是 乙 醚 ( 油 脂 产 率 2. 73% ) ． 由于小球藻油脂多为中性脂，极性较小的 提取剂比较适合用于提取小球藻油脂，因此与其他 烷类化合物相比，石油醚是提取小球藻油脂的较好 ·1420·

第11期 尹春华等：离子液体酸催化小球藻油脂转化生物柴油 ·1421· 提取剂. 100r 14.26 16.24 4.5 80 35 等60 25 1.5 20 05 1214 179421.21 乙醚 石油醒正己烷环己烷乙酸乙酯 10 15 20 图1不同溶剂对油脂产率的影响 时间min Fig.1 Effect of different solvents on the vield of oil 图3小球藻脂肪酸各组分GC-MS总离子流图 Fig.3 Gas-MS total ion current of fatty acids in Chlorella USTB-01 oil 2.1.2研磨和微波辅助对油脂提取效率的影响 经研磨和微波预处理后的藻细胞，通过索氏提 表1小球藻油脂脂肪酸种类、保留时间和质量分数 取法提取油脂的产率见图2.结果表明：微波预处理 Table 1 Types,retention time and mass fraction of fatty acids in Chlo- rella USTB-01 oil 藻细胞对于微藻油脂产率的提高效果有限（从 脂肪酸种类 保留时间/min 质量分数/% 3.84%到4.27%)：研磨破壁对提高油脂产率效果 C14:0 12.14 0.77 明显，产率从3.84%提高到9.94%，提高了1.6倍： C15:0 12.89 0.72 将微藻细胞微波处理后再充分研磨对提高微藻油脂 C16:0 14.26 31.44 产率没有明显效果.因此通过研磨使小球藻细胞破 C16:1 14.18 1.48 C16:3 14.49 9.85 壁是提高藻脂产率的有效方法 C17:0 14.84 1.52 12 C18:1 16.14 8.06 10 C18:2 16.24 30.01 是8 C18:3 16.44 10.58 6 C20:1 17.94 0.87 脂质量8%，反应温度为150℃，反应时间为6h的 2 条件下，研究了不同甲醇和藻脂摩尔比对生物柴油 未处理 微波 研磨 微波加研磨 产率的影响（图4）.结果表明，随着醇油摩尔比的 图2小球藻(USTB-01)细胞预处理方法对索氏法提取油脂 增加，生物柴油的产率也显著增加，当醇油摩尔比达 效果的影响 到9：1时，生物柴油产率达到最高，为63.9%.当醇 Fig.2 Effect of methods for pretreating Chlorella USTB01 cells 油摩尔比继续增加，生物柴油产率反而略微下降 on Soxhlet extraction efficiency 其原因是当甲醇含量较低时，随着甲醇含量的增加， 2.2小球藻油脂脂肪酸组成 有利于酯交换反应朝正方向进行，促使油脂的充分 首先将提取得到的藻脂进行甲酯化，然后通过 转化：另外，离子液体在甲醇中有很好的溶解性，甲 气相色谱-质谱(GC-MS)联用仪分析其脂肪酸组成 醇含量的增加有利于离子液体酸的分散，使离子液 (图3)，各个色谱出峰对应的化合物、保留时间和含 体酸与油脂界面接触更为充分，从而有利于生物柴 量见表1.从图3可以看出，小球藻(USTB01)的脂 油的转化.但是，当甲醇的含量增加到一定程度后， 肪酸组成很复杂，主要包含10种脂肪酸，其中饱和 催化剂被过度稀释，导致生物柴油产率反而下降，因 脂肪酸主要是棕榈酸(C16),同时包含微量的C14, 此适宜醇油摩尔比为9：1. C15和C17,不饱和脂肪酸含量由高到低的顺序是 2.3.2反应温度对酯交换反应的影响 C18:2>C18:3>C18:1>C16:3>C16:1>C20:1, 反应温度是转酯化制备生物柴油的重要影响因 由此可见小球藻USTB-01脂富含C16和C18脂肪 素，温度过高或过低都不利于油脂的转酯化.这主 酸，可以作为制备生物柴油的原料 要是因为升高温度可以降低反应中不同相的分离 2.3离子液体酸催化藻脂转化生物柴油条件 度，即改善了混溶度，有利于生物柴油的合成.但 2.3.1醇油摩尔比对酯交换反应的影响 是，反应温度过高会引起甲醇大量气化上浮，反应体 在离子液体酸催化剂[C,Mm]HSO,用量占藻 系中甲醇浓度降低，导致藻脂的转化率下降：而且反

第 11 期 尹春华等: 离子液体酸催化小球藻油脂转化生物柴油 提取剂． 图 1 不同溶剂对油脂产率的影响 Fig． 1 Effect of different solvents on the yield of oil 2. 1. 2 研磨和微波辅助对油脂提取效率的影响 经研磨和微波预处理后的藻细胞，通过索氏提 取法提取油脂的产率见图 2． 结果表明: 微波预处理 藻细胞 对 于 微 藻 油 脂 产 率 的 提 高 效 果 有 限 ( 从 3. 84% 到 4. 27% ) ; 研磨破壁对提高油脂产率效果 明显，产率从 3. 84% 提高到 9. 94% ，提高了 1. 6 倍; 将微藻细胞微波处理后再充分研磨对提高微藻油脂 产率没有明显效果． 因此通过研磨使小球藻细胞破 壁是提高藻脂产率的有效方法． 图 2 小球藻( USTB--01) 细胞预处理方法对索氏法提取油脂 效果的影响 Fig． 2 Effect of methods for pretreating Chlorella USTB-01 cells on Soxhlet extraction efficiency 2. 2 小球藻油脂脂肪酸组成 首先将提取得到的藻脂进行甲酯化，然后通过 气相色谱--质谱( GC--MS) 联用仪分析其脂肪酸组成 ( 图 3) ，各个色谱出峰对应的化合物、保留时间和含 量见表 1． 从图 3 可以看出，小球藻( USTB--01) 的脂 肪酸组成很复杂，主要包含 10 种脂肪酸，其中饱和 脂肪酸主要是棕榈酸( C16) ，同时包含微量的 C14， C15 和 C17，不饱和脂肪酸含量由高到低的顺序是 C18: 2 ＞ C18: 3 ＞ C18: 1 ＞ C16: 3 ＞ C16: 1 ＞ C20: 1， 由此可见小球藻 USTB--01 脂富含 C16 和 C18 脂肪 酸，可以作为制备生物柴油的原料． 2. 3 离子液体酸催化藻脂转化生物柴油条件 2. 3. 1 醇油摩尔比对酯交换反应的影响 在离子液体酸催化剂［C4MIm］HSO4用量占藻 图 3 小球藻脂肪酸各组分 GC--MS 总离子流图 Fig． 3 Gas-MS total ion current of fatty acids in Chlorella USTB-01 oil 表 1 小球藻油脂脂肪酸种类、保留时间和质量分数 Table 1 Types，retention time and mass fraction of fatty acids in Chlo￾rella USTB-01 oil 脂肪酸种类 保留时间/min 质量分数/% C14: 0 12. 14 0. 77 C15: 0 12. 89 0. 72 C16: 0 14. 26 31. 44 C16: 1 14. 18 1. 48 C16: 3 14. 49 9. 85 C17: 0 14. 84 1. 52 C18: 1 16. 14 8. 06 C18: 2 16. 24 30. 01 C18: 3 16. 44 10. 58 C20: 1 17. 94 0. 87 脂质量 8% ，反应温度为 150 ℃，反应时间为 6 h 的 条件下，研究了不同甲醇和藻脂摩尔比对生物柴油 产率的影响( 图 4) ． 结果表明，随着醇油摩尔比的 增加，生物柴油的产率也显著增加，当醇油摩尔比达 到 9∶ 1时，生物柴油产率达到最高，为 63. 9% ． 当醇 油摩尔比继续增加，生物柴油产率反而略微下降． 其原因是当甲醇含量较低时，随着甲醇含量的增加， 有利于酯交换反应朝正方向进行，促使油脂的充分 转化; 另外，离子液体在甲醇中有很好的溶解性，甲 醇含量的增加有利于离子液体酸的分散，使离子液 体酸与油脂界面接触更为充分，从而有利于生物柴 油的转化． 但是，当甲醇的含量增加到一定程度后， 催化剂被过度稀释，导致生物柴油产率反而下降，因 此适宜醇油摩尔比为 9∶ 1． 2. 3. 2 反应温度对酯交换反应的影响 反应温度是转酯化制备生物柴油的重要影响因 素，温度过高或过低都不利于油脂的转酯化． 这主 要是因为升高温度可以降低反应中不同相的分离 度，即改善了混溶度，有利于生物柴油的合成． 但 是，反应温度过高会引起甲醇大量气化上浮，反应体 系中甲醇浓度降低，导致藻脂的转化率下降; 而且反 ·1421·

·1422· 北京科技大学学报 第33卷 70F 2.3.4反应时间对酯交换反应的影响 草60 图7为反应时间对催化转酯化制备生物柴油的 ￥50 :40 影响，反应条件为醇油摩尔比为9：1，反应温度为 150℃，催化剂用量为藻脂质量的8%.结果显示， 20 随反应时间的延长，反应进行得更加充分，生物柴油 9 12 15 的产率提高，当反应时间超过6h后，反应基本趋于 平衡.在高温条件下，若反应时间过长，会使油脂分 解、聚合等副反应加剧，这会降低生物柴油的品质， 图4醇油摩尔比对生物柴油产率的影响 Fig.4 Effect of the molar ratio of methanol to oil on biodiesel yield 因此酯交换反应时间以6h为宜. 应温度过高可能导致二甲醚、甘油醚等副产物的生 成.本实验在反应时间为6h,醇油摩尔比为9：1，催 化剂用量为藻脂质量8%的条件下，研究了不同反 应温度对生物柴油产率的影响（图5）.结果表明， 藻脂转化生物柴油的适宜温度为150℃，生物柴油 6 8 10 的产率是63.9% 反应时间h 70 图7反应时间对生物柴油产率的影响 速60 50 Fig.7 Effect of reaction time on biodiesel yield 40 综上所述，离子液体酸(1-丁基3甲基咪唑硫 20 10 酸氢盐)催化小球藻油脂转酯化制备生物柴油的适 宜条件为：甲醇和藻脂摩尔比为9：1，反应温度为 130 140150160 170 180 温度① 150℃，催化剂用量为藻脂质量的8%，酯交换反应 时间为6h.在上述适宜条件下生物柴油的产率为 图5反应温度对生物柴油产率的影响 63.9%.这一结果与Mia0和Wu的研究结果 Fig.5 Effect of reaction temperature on biodiesel yield 相近. 2.3.3催化剂用量对酯交换反应的影响 2.4生物柴油性能评价 在反应时间为6h,醇油摩尔比为9：1，反应温度 采用GC-MS分析小球藻油脂转化所得生物柴 为150℃的条件下，研究了催化剂用量对生物柴油 油的脂肪酸组成见图8，各个色谱峰对应的化合物、 产率的影响（图6）.在催化剂用量较少时，生物柴 保留时间和含量见表2.结果表明，通过小球藻 油产率不高.随催化剂用量的增加，生物柴油产率 (USTB01)藻脂的提取和采用1-丁基3甲基咪唑 逐步提高：但当催化剂用量达到藻脂质量的8%后， 硫酸氢盐([C,Mm]HSO,)催化藻脂的酯交换反应， 再进一步增加催化剂用量，生物柴油产率反而略有 成功获得了主要含有C16和C18的脂肪酸甲酯即 下降.这可能是因为催化剂用量过大时会降低其在 生物柴油. 小球藻油脂中的分散程度，使催化剂与小球藻油脂 分为两相，导致催化效果下降 5 5678910 催化剂用量修 图8生物柴油GC-MS总离子流图 图6催化剂用量对生物柴油产率的影响 Fig.8 GC-MS total ion current of biodiesel products Fig.6 Effect of catalyst dosage on biodiesel yield

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 4 醇油摩尔比对生物柴油产率的影响 Fig． 4 Effect of the molar ratio of methanol to oil on biodiesel yield 应温度过高可能导致二甲醚、甘油醚等副产物的生 成． 本实验在反应时间为 6 h，醇油摩尔比为 9∶ 1，催 化剂用量为藻脂质量 8% 的条件下，研究了不同反 应温度对生物柴油产率的影响( 图 5) ． 结果表明， 藻脂转化生物柴油的适宜温度为 150 ℃，生物柴油 的产率是 63. 9% ． 图 5 反应温度对生物柴油产率的影响 Fig． 5 Effect of reaction temperature on biodiesel yield 2. 3. 3 催化剂用量对酯交换反应的影响 在反应时间为6 h，醇油摩尔比为9∶ 1，反应温度 为 150 ℃的条件下，研究了催化剂用量对生物柴油 产率的影响( 图 6) ． 在催化剂用量较少时，生物柴 油产率不高． 随催化剂用量的增加，生物柴油产率 逐步提高; 但当催化剂用量达到藻脂质量的 8% 后， 再进一步增加催化剂用量，生物柴油产率反而略有 下降． 这可能是因为催化剂用量过大时会降低其在 小球藻油脂中的分散程度，使催化剂与小球藻油脂 分为两相，导致催化效果下降． 图 6 催化剂用量对生物柴油产率的影响 Fig． 6 Effect of catalyst dosage on biodiesel yield 2. 3. 4 反应时间对酯交换反应的影响 图 7 为反应时间对催化转酯化制备生物柴油的 影响，反应条件为醇油摩尔比为 9 ∶ 1，反应温度为 150 ℃，催化剂用量为藻脂质量的 8% ． 结果显示， 随反应时间的延长，反应进行得更加充分，生物柴油 的产率提高，当反应时间超过 6 h 后，反应基本趋于 平衡． 在高温条件下，若反应时间过长，会使油脂分 解、聚合等副反应加剧，这会降低生物柴油的品质， 因此酯交换反应时间以 6 h 为宜． 图 7 反应时间对生物柴油产率的影响 Fig． 7 Effect of reaction time on biodiesel yield 综上所述，离子液体酸( 1-丁基-3-甲基咪唑硫 酸氢盐) 催化小球藻油脂转酯化制备生物柴油的适 宜条件为: 甲醇和藻脂摩尔比为 9 ∶ 1，反应温度为 150 ℃，催化剂用量为藻脂质量的 8% ，酯交换反应 时间为 6 h． 在上述适宜条件下生物柴油的产率为 63. 9% ． 这 一 结 果 与 Miao 和 Wu ［14］ 的 研 究 结 果 相近． 2. 4 生物柴油性能评价 采用 GC--MS 分析小球藻油脂转化所得生物柴 油的脂肪酸组成见图 8，各个色谱峰对应的化合物、 保留时间和含量见表 2． 结 果 表 明，通 过 小 球 藻 ( USTB--01) 藻脂的提取和采用 1-丁基-3-甲基咪唑 硫酸氢盐( ［C4MIm］HSO4 ) 催化藻脂的酯交换反应， 成功获得了主要含有 C16 和 C18 的脂肪酸甲酯即 生物柴油． 图 8 生物柴油 GC--MS 总离子流图 Fig． 8 GC-MS total ion current of biodiesel products ·1422·

第11期 尹春华等：离子液体酸催化小球藻油脂转化生物柴油 ·1423· Harrington认为理想的柴油替代品应当具有 报，2008,28(2)：219) 碳直链分子结构，分子中尽可能没有或只有很少的 B] Yan H,Zhang K Y,Wang Z J,et al.Advances in culture and 碳支链，不含有芳香烃结构.其原因是碳链较长可 applications of Chlorella sp.China Sci Technol Achiev,2010,11 (1):35 以保证有比较高的沸点，不易挥发，有利于安全储 (闫海，张可毅，王子敬，等。小球藻培养与应用的研究进展 存、运输和使用，但碳链过长则会使其熔点过高而导 中国科技成果，2010,11(1)：35) 致流动性和低温性变差，故一般认为具有16~19个 [4] Yang K,Wang Y,Shi Q L,et al.Effect of different concentra- 碳链的高分子比较适宜生产高品质的生物柴油.含 tions of NaNO on growth,content and composition of total fatty 有部分双键的C16~19脂肪酸甲酯在常温下为液 acids of three microalgae.Plant Resour Enriron,2010,19(1):43 (杨凯，王涌，史全良，等.不同质量浓度NaNO3对3种微藻生 态，流动性尤其是低温流动性好，保证了作为燃料使 长及总脂肪酸含量和组成的影响.植物资源与环境学报， 用的必要条件.不含碳支链的生物柴油燃烧充分， 2010,19(1):43) 不会产生碳沉积堵塞发动机的喷嘴.不含芳香烃可 [5] Yan H,Zhang B,Wang S Q,et al.Advances in the heterotrophic 以保证其燃烧完全，不产生碳黑.从图8和表2可 culture of Chlorella sp.Mod Chem Ind,2007,27(4):18 以看出，本研究所得生物柴油产品的主要成分为 (闫海，张宾，王素琴，等.小球藻异养培养的研究进展.现代 化工，2007,27(4)：18) C16和C18长直链饱和或不饱和脂肪酸甲酯，双键 [6] Han M H,Chen H,Wang J F,et al.Advance in research for 数目为一个或两个，不含有支链或芳香烃结构，可以 preparation of biodiesel oil.Petrochem Technol,2006,35(12): 作为传统柴油的替代品 1119 表2脂肪酸甲酯的组成、保留时间和质量分数 (韩明汉，陈和，王金福，等.生物柴油制备技术的研究进展 Table 2 Composition,retention time and mass fraction of fatty acid 石油化工，2006,35(12)：1119) [] methyl esters in biodiesel Wang X G.Present state of overseas biodiesel industrialization and its enlightenment for China.Cereal Food Ind,2006,13(4):41 脂肪酸种类 保留时间/min 质量分数/% (王兴国.国外生物柴油产业化发展现状及对我国的启示.粮 C16:0 14.26 22.31 食与食品工业，2006,13(4)：41) C16:1 14.18 1.89 8] Zhang L,Yu S T,Liu F S,et al.Synthesis of biodiesel from soy- C18:1 16.14 2.18 bean oil catalyzed by ionic liquids.Ind Catal,2007,15 (7):34 C18:2 16.24 70.52 (张磊，于世涛，刘福胜，等.离子液体催化大豆油制备生物柴 C18:3 16.44 0.02 油.工业催化，2007,15(7)：34) [9] Zhao D B,Wu M,Kou Y,et al.lonic liquids:application in ca- 3结论 talysis.Catal Today,2002,74(1/2):157 [10]Yan H,Zhou J,He H S,et al.Isolation and heterotrophic cul- (1)与正己烷和环己烷等其他溶剂相比，石油 ture of Chlorella sp.J Univ Sci Technol Beijing,2005,27(4): 醚是最适宜的提取剂.研磨破碎藻细胞壁可提高藻 408 脂产率1.6倍 (闫海，周洁，何宏胜，等。小球藻的筛选和异养培养.北京科 技大学学报，2005,27(4)：408) (2)小球藻(USTB01)的主要脂肪酸组成有10 [11]Jing J K,Xu QQ,Liu S,et al.Heterotrophic mass culture of 种，主要为C16和C18脂肪酸. Chlorella USTB-0l in fermentor.Mod Chem Ind,2008,28(12)67 (3)以酸性离子液体1-丁基3甲基咪唑硫酸氢 (景建克，许倩倩，刘顾，等.大规模异养发酵培养小球藻 盐为催化剂，通过酯交换反应制备生物柴油的适宜 USTB01研究.现代化工，2008,28(12)：67) 条件为：醇油摩尔比为9：1，催化剂用量为原料油质 [12]Wang Z J,Jing J K,Xu QQ,et al.Effects of different tempera- 量的8%，反应时间为6h,反应温度为150℃，生物 ture and pH on the growth and quality of Chlorella USTB-O1.Mod Chem Ind,2009,29(2):210 柴油产率约为64%.产物主要成分为C16和C18 (王子敬，景建克，许倩倩，等.不同温度和H对小球藻 两种直链脂肪酸甲酯 USTB01生长和品质的效应.现代化工，2009,29(2)：210) [13]Xu H,Miao X L,Wu Q Y.High quality biodiesel production 参考文献 from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth [1]Antolin G,Tinaut F V,Briceno Y,et al.Optimisation of biodie- in fermenters.J Biotechnol,2006,126:499 sel production by sunflower oil transesterification.Bioresour Techn- [14]Miao X L,Wu Q Y.Biodiesel production from heterotrophic mi- od,2002,83(2):111 croalgal oil.Bioresour Technol,2006,97(6):841 Miao X L,Wu Q Y.Study on preparation of biodiesel from mi- [15]Harrington K J.Chemical and physical properties of vegetable oil croalgal oil.Acta Energ Sol Sin,2008,28(2):219 esters and their effect on diesel fuel performance.Biomass, (缪晓玲，吴庆余.微藻油脂制备生物柴油的研究。太阳能学 1986,9(1):1

第 11 期 尹春华等: 离子液体酸催化小球藻油脂转化生物柴油 Harrington ［15］认为理想的柴油替代品应当具有 碳直链分子结构，分子中尽可能没有或只有很少的 碳支链，不含有芳香烃结构． 其原因是碳链较长可 以保证有比较高的沸点，不易挥发，有利于安全储 存、运输和使用，但碳链过长则会使其熔点过高而导 致流动性和低温性变差，故一般认为具有 16 ～ 19 个 碳链的高分子比较适宜生产高品质的生物柴油． 含 有部分双键的 C16 ～ 19 脂肪酸甲酯在常温下为液 态，流动性尤其是低温流动性好，保证了作为燃料使 用的必要条件． 不含碳支链的生物柴油燃烧充分， 不会产生碳沉积堵塞发动机的喷嘴． 不含芳香烃可 以保证其燃烧完全，不产生碳黑． 从图 8 和表 2 可 以看出，本研究所得生物柴油产品的主要成分为 C16 和 C18 长直链饱和或不饱和脂肪酸甲酯，双键 数目为一个或两个，不含有支链或芳香烃结构，可以 作为传统柴油的替代品． 表 2 脂肪酸甲酯的组成、保留时间和质量分数 Table 2 Composition，retention time and mass fraction of fatty acid methyl esters in biodiesel 脂肪酸种类 保留时间/min 质量分数/% C16: 0 14. 26 22. 31 C16: 1 14. 18 1. 89 C18: 1 16. 14 2. 18 C18: 2 16. 24 70. 52 C18: 3 16. 44 0. 02 3 结论 ( 1) 与正己烷和环己烷等其他溶剂相比，石油 醚是最适宜的提取剂． 研磨破碎藻细胞壁可提高藻 脂产率 1. 6 倍． ( 2) 小球藻( USTB--01) 的主要脂肪酸组成有 10 种，主要为 C16 和 C18 脂肪酸． ( 3) 以酸性离子液体 1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢 盐为催化剂，通过酯交换反应制备生物柴油的适宜 条件为: 醇油摩尔比为 9∶ 1，催化剂用量为原料油质 量的 8% ，反应时间为 6 h，反应温度为 150 ℃，生物 柴油产率约为 64% ． 产物主要成分为 C16 和 C18 两种直链脂肪酸甲酯． 参 考 文 献 ［1］ Antolin G，Tinaut F V，Briceno Y，et al． Optimisation of biodie￾sel production by sunflower oil transesterification． Bioresour Techn￾ol，2002，83( 2) : 111 ［2］ Miao X L，Wu Q Y． Study on preparation of biodiesel from mi￾croalgal oil． Acta Energ Sol Sin，2008，28( 2) : 219 ( 缪晓玲，吴庆余． 微藻油脂制备生物柴油的研究． 太阳能学 报，2008，28( 2) : 219) ［3］ Yan H，Zhang K Y，Wang Z J，et al． Advances in culture and applications of Chlorella sp． China Sci Technol Achiev，2010，11 ( 1) : 35 ( 闫海，张可毅，王子敬，等． 小球藻培养与应用的研究进展． 中国科技成果，2010，11( 1) : 35) ［4］ Yang K，Wang Y，Shi Q L，et al． Effect of different concentra￾tions of NaNO3 on growth，content and composition of total fatty acids of three microalgae． J Plant Resour Environ，2010，19( 1) : 43 ( 杨凯，王涌，史全良，等． 不同质量浓度 NaNO3 对 3 种微藻生 长及总脂肪酸含量和组成的影响． 植物资源与环境学报， 2010，19( 1) : 43) ［5］ Yan H，Zhang B，Wang S Q，et al． Advances in the heterotrophic culture of Chlorella sp． Mod Chem Ind，2007，27( 4) : 18 ( 闫海，张宾，王素琴，等． 小球藻异养培养的研究进展． 现代 化工，2007，27( 4) : 18) ［6］ Han M H，Chen H，Wang J F，et al． Advance in research for preparation of biodiesel oil． Petrochem Technol，2006，35( 12) : 1119 ( 韩明汉，陈和，王金福，等． 生物柴油制备技术的研究进展． 石油化工，2006，35( 12) : 1119) ［7］ Wang X G． Present state of overseas biodiesel industrialization and its enlightenment for China． Cereal Food Ind，2006，13( 4) : 41 ( 王兴国． 国外生物柴油产业化发展现状及对我国的启示． 粮 食与食品工业，2006，13( 4) : 41) ［8］ Zhang L，Yu S T，Liu F S，et al． Synthesis of biodiesel from soy￾bean oil catalyzed by ionic liquids． Ind Catal，2007，15( 7) : 34 ( 张磊，于世涛，刘福胜，等． 离子液体催化大豆油制备生物柴 油． 工业催化，2007，15( 7) : 34) ［9］ Zhao D B，Wu M，Kou Y，et al． Ionic liquids: application in ca￾talysis． Catal Today，2002，74( 1 /2) : 157 ［10］ Yan H，Zhou J，He H S，et al． Isolation and heterotrophic cul￾ture of Chlorella sp． J Univ Sci Technol Beijing，2005，27( 4) : 408 ( 闫海，周洁，何宏胜，等． 小球藻的筛选和异养培养． 北京科 技大学学报，2005，27( 4) : 408) ［11］ Jing J K，Xu Q Q，Liu S，et al． Heterotrophic mass culture of Chlorella USTB-0l in fermentor． Mod Chem Ind，2008，28( 12) : 67 ( 景建克，许倩倩，刘硕，等． 大规模异养发酵培养小球藻 USTB--01 研究． 现代化工，2008，28( 12) : 67) ［12］ Wang Z J，Jing J K，Xu Q Q，et al． Effects of different tempera￾ture and pH on the growth and quality of Chlorella USTB-0l． Mod Chem Ind，2009，29( 2) : 210 ( 王子敬，景 建 克，许 倩 倩，等． 不 同 温 度 和 pH 对 小 球 藻 USTB--01 生长和品质的效应． 现代化工，2009，29( 2) : 210) ［13］ Xu H，Miao X L，Wu Q Y． High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth in fermenters． J Biotechnol，2006，126: 499 ［14］ Miao X L，Wu Q Y． Biodiesel production from heterotrophic mi￾croalgal oil． Bioresour Technol，2006，97( 6) : 841 ［15］ Harrington K J． Chemical and physical properties of vegetable oil esters and their effect on diesel fuel performance． Biomass， 1986，9( 1) : 1 ·1423·