微藻油脂提取工艺优化_毕生雷

第 51 卷（总第 186 期）
毕生雷等：微藻油脂提取工艺优化
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.1.3 萃取时间 萃取的过程中按照传统的萃取工艺由于只有
油相和固相，不会发生乳化现象。在本研究的工艺 流程中，没有进行藻细胞浓缩直接进行细胞破碎， 溶液中存在大量的细胞碎片， 与乙酸乙酯混合后 细胞碎片、油、水形成乳化层，而且油脂存在于细 胞碎片内，这都需要足够的时间来完成萃取过程。 本 试 验 使用萃取温度 60℃、 乙酸乙酯/物料干重为 6∶1（v/w）的条件下进行萃取。
Abstract： With the extraction temperature， extraction agent content， extraction time as the object of study， the orthogonal tests were carried out on the basis of single factor experiment， the results showed that using ethyl acetate as the extraction agent， to carry out the acid heat extraction of oil， the extraction temperature 60℃ ， adding amount of extractant 10∶1 （v/w）， extraction time 5h， on the condition，the fat rate can reach 56.59%. According tothe process of “fermentation liquid-cell crushing-extraction oil”. The oil extraction process was shorter than the existing patent short， the extractant usage and the fat rate were unchanged. Key words： heterotrophic chlorella； cell crushing； extraction； the oil production rate doi：10.3969/j.issn.1674-506X.2015.02-011
收 稿 日 期 ：2015-03-18 作 者 简 介 ：毕 生 雷 （1981-），男 ，工 程 师 。主 要 从 事 生 物 化 工 方 面 的 工 作 。
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霖等［9］的研究结果 表 明 ，萃 取 剂 与 藻 细 胞 的 干 重 的 比值（v∶w）呈 1∶1~1∶100（g∶L）的对应关系，而跟水的 含量无关。这意味着发酵液可以直接开展细胞破碎。 从而省略浓缩和干燥的步骤、 降低过程能耗和物料 损失。
为了选择探索最佳的萃取条件，本研究在单因 素 试 验 的 基 础 上 选 取 萃 取 温 度 （50℃、60℃、70℃）， 萃 取 剂 添 加 量 （6 、8 、10 ） ， 萃 取 时 间 （4h 、5h 、6h ） 做 三 因素三水平方差分析。
从表 1 可知，各因素对油脂得率的重要性依次 是 B>A>C，由此得出理论最佳萃取条件是 A2B3C2，即 萃取温度 60℃、萃取剂添加量 10∶1（v/w）、萃取时间 5h ， 使 用 该 萃 取 条 件 进 行 油 脂 提 取 油 脂 得 率 达 到 了 56.59%。 3 结语
取异养小球藻发酵液在显微镜下进行细胞计 数，然后参照酸热法 ， ［11］ 对 发 酵 液 进 行 细 胞 破 碎,破 碎后再次进行细胞计数。 1.3.2 油脂提取方法
取异养小球藻细胞破碎液，然后参照乙酸乙酯 法 ， ［12］ 进行油脂萃取。萃取结束后，离心，取油相，接 下来称量蒸馏瓶空瓶的重量， 放入旋转蒸发仪内 在 温 度 为 60℃ 、 真 空 度 为 30mbar、 蒸 馏 瓶 转 速 100r/min 条 件 下 蒸 馏 ，待 真 空 度 不 再 变 化 时 ，称 量 蒸馏后蒸馏瓶的重量，并计算所得藻油重量。 1.3.3 数据分析方法
有机溶剂相似互溶， 能够在合适的温度条件
2015 年第 2 期
下 ， 获 得 较 高 的 萃 取 效 率 。 本 试 验 用 乙 酸 乙 酯/物 料 干重为 13∶1（v/w），提取时间 5h 的条件下进行萃取。
油 脂 得 率 ／％
４６ ４４ ４２ ４０ ３８ ３６ ３４ ３２ ３０ ２８ ２６
３０
（1.State Key Laboratory of Motor Vehicle Biofuel Technology，Henan Tianguan Group Co.，Ltd.，Henan Nanyang 473000，China； 2.Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China； 3.Beijing Engineering Research Center of Biofuels，Beijing 100084，China）
小球藻的提油工艺一般需要经过藻细胞的采 收和浓缩、干燥、细胞破碎、油脂提取，工艺路线长 能耗高。同时也意味着整体收率的降低。现有技术 中， 已经出现了藻细胞浓缩后直接进行细胞破碎、 油脂提取的工艺 ， ［4-6］ 新 工 艺 流 程 相 对 比 较 短 ，但 是 藻细胞 的 浓 缩 依 然 是 高 能 耗 的 过 程 。天 冠 集 团 ［7］使 用 半 连 续 发 酵 工 艺 获 得 了 140g/L 的 较 高 细 胞 密 度， 能够直接开展细胞破碎略去藻细胞浓缩的过 程 ［8］， 这就 意 味 着 降 低 了 过 程 能 耗 和 物 料 损 失 。张
关键词：异养小球藻；细胞破碎；萃取；产油率
中图分类号：TS228 TS224
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1674-506X（2015）02-0049-0003
Optimization of Extraction Process of Microalgae Oil
BI Sheng-lei1， ZHANG Cheng-ming2，3， JIN Hong-bo1， ZHENG Shi-wen1， WU Juan1， LU Long1
使用 origin75 做图，使用 Spss18.0 进行方差分析。 1.4 计算公式 1.4.1 细胞破碎率 （%）=破碎后的 细 胞 数×100/发 酵液的细胞数 1.4.2 油脂得率（%）=获得藻油重量/藻粉干重×100 1.4.3 藻油重量 （g）=蒸馏后蒸馏瓶的重量-蒸馏 前空蒸馏瓶的重量 2 结果与分析 2.1 单因素试验 2.1.1 萃取温度
本文研究了微藻油脂提取工艺，通过单因素试 验和正交试验确定了最佳工艺为：使用乙酸乙酯做 为萃取剂，开展酸热法提油，工艺参数为萃取温度
摘 要：以萃取温度、萃取剂添加量、萃取时间为考察对象，在单因素试验基础上进行正交试验，结果表明使用乙酸乙
酯做为萃取剂，开展酸热法提油，在萃取温度 60℃、萃取剂添加量 10∶1（v/w）、萃取时间 5h 条件下，油脂得率可以达到
56.59%。按 照 “发 酵 液 -细 胞 破 碎 -提 油 ”的 工 艺 ，提 油 流 程 比 现 有 专 利 短 、使 用 萃 取 剂 不 变 、油 脂 得 率 相 当 。
有机溶剂的添加量要与微藻细胞中的油脂含 量相匹配才能获得最佳的萃取效果，添加过少不能 把油脂完全萃取出来，添加过多则浪费。本试验用 萃取温度 60℃、 乙酸乙酯提取时间 5h 的条件下进 行萃取。
图 2 是不同萃取剂添加比例下的油脂得率变 化 ， 从 图 中 可 以 看 出 ， 萃 取 剂 添 加 比 例 （v/w） 在 达 到 6∶1（乙 酸 乙 酯/物 料 干 重 ，mL/g）后 油 脂 得 率 即 达 到 最大值 45%，继续增加萃取剂的添加比例并不能提 高 油 脂 得 率 。说 明 萃 取 剂 添 加 比 例 （v/w）为 6∶1 时 乙酸乙酯对藻油的萃取效率最高。
为了探索更有效率的工艺流程，本研究使用酸 热法处理后的发酵液开展提油试验进行了工艺参 数方面的探索。 1 实验部分 1.1 实验材料
异 养 小 球 藻 （Heterotrophic chlorella）： 清 华 大 学提供，发酵液：车用生物燃料技术国家重点实验 室提供，发酵液使用酸热法进行细胞破碎，细胞破 碎率 99%。
不同萃取温度的油脂得率变化
油脂得率 ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０
萃 取 温 度 ／℃
图1 不同萃取温度下的油脂得率变化图 Fig.1 Picture of the fat rate change of different extraction temperatures
图 1 是不同萃取温度下的油脂得率变化图，从 图中可以看 出 ，当 萃 取 温 度 为 60℃时 ，产 油 率 达 到 最 高 值 45%，说 明 对 于 藻 油 的 萃 取 来 说 ，萃 取 温 度 60℃ 时 萃 取 效 率 最 高 。 2.1.2 萃取剂添加量
小 球 藻 （Chlorella） 除 了 可 以 利 用 光 能 和 CO2 进行正常的光合自养生长外，还可以在无光条件下 利 用 有 机 碳 源 和 O2， 进 行 异 养 生 长 繁 殖 ， 生 产 效 率 也 比 自 养 条 件 下 快 得 多 ［1］， 其 中 异 养 小 球 藻 （Heterotrophic chlorella）的比 生 长 速 率 是 自 养 时 的 2.13 倍，小球藻在异养条件下获得的生物量约为自 养 培 养 条 件 时 的 20 倍 ［2］、 异 养 小 球 藻 胞 内 脂 类 化 合 物 含 量 高 达 细 胞 干 重 的 55% ， 是 自 养 藻 细 胞 （14%）的 4 倍［3］。
油 脂 得 率 ／％
５２
不同萃取时间的油脂得率
４８
４４ ４０
３６
３２
２８
油脂得率
２４
２０
０
２
４
６
萃 取 时 间 ／ｈ
图3 不同萃取时间下的油脂得率变化 Fig.3 Picture of the fat rate changes of different extraction time
图 3 是不同萃取时间下的油脂得率变化，从图 中可以看出随着提取时间的增长，藻油不断被乙酸 乙酸从细胞碎片、乳化层中萃取出来，这体现在油 脂得率不断提高， 并且在萃取时间达到 6h 达到最 大值 50%。但是从图中还可以观察到当萃取时间达 到 5h 后油脂得率增长很小， 说明再增加萃取时间 对增加油脂得率帮助不大。 2.2 正交试验
分析纯乙酸乙酯：购自国药集团；分析纯酒精： 购自国药集团。 1.2 实验仪器
panda plus 2000H 高压均质机：意大利尼鲁公 司 ；JOYN-SXF-04 四 联 脂 肪 测 定 仪 ： 上 海 乔 跃 公 司；R-215 旋转蒸发仪：瑞士 Buchi 公司。 1.3 实验方法 1.3.1 藻细胞破碎方法
Food and Fermentation Technology 第 51 卷（第 2 期） Vol.51，No.2
微藻油脂提取工艺优化
毕生雷 1，张成明 2，3，金洪波 1，郑世文 1，吴娟 1，鲁龙 1
（1.河南天冠企业集团有限公司车用生物燃料技术国家重点实验室，河南南阳 473000； 2.清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084；3.北京市生物燃料工程技术研究中心，北京 100084）
油 脂 得 率 ／％
５０
不同添加比例的油脂得率变化
４８
４６
４４
４２
４０
３８
３６
３４ ３２
油脂得率
３０ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ １３ １４
萃取剂添加比例
图2 不同萃取剂添加比例下的油脂得率变化 Fig.2 Picture of the fat rate changes of different extractants add ratio