利用可切换丁二胺溶剂萃取湿藻油脂的方法与流程

本发明涉及生物质能利用技术，特别涉及一种利用可切换丁二胺溶剂萃取湿藻油脂的方法。

背景技术：

微藻具有含油量高、油质好、生长速度快、不占用耕地、减排二氧化碳、净化环境等独特优点，是很有前途的生物柴油原料之一。传统萃取微藻油脂方法采用干藻粉作为原料，干燥研磨等处理过程需要消耗大量能量。国内外学者提出多种直接从湿藻提取油脂工艺以降低微藻制生物柴油的能耗，然而直接从湿藻中萃取油脂时水分阻碍了油脂与有机萃取剂接触，并且微藻坚韧致密的细胞壁阻碍了油脂向萃取剂中扩散，导致直接从湿藻萃取油脂的效率较低。另外微藻萃取油脂过程中经常使用挥发性有机萃取剂，造成了萃取剂回收困难以及环境污染。为了解决湿藻生物质干燥和破壁过程中的能量消耗以及萃取剂回收困难问题，近年来新兴的可切换溶剂有望用于湿藻高效提取油脂。

samorì等人合成了可切换溶剂1,8-二氮杂双环[5.4.0]-十一碳-7-烯(dbu)，与醇混合用于微藻中提取油脂，可以在不蒸馏情况下实现萃取剂与油脂分离，但是微藻整个萃取过程必须严格干燥，以防止可切换溶剂dbu形成碳酸氢盐增加干燥成本。boyd等人合成了可切换溶剂n,n-二甲基环己胺用于冷冻干燥的微藻生物质提取油脂，萃取得到粗油脂达到细胞干重的22％，但是萃取效率仅为经典氯仿甲醇萃取法的52％，并且萃取之前仍然要对湿藻进行干燥增加能耗。目前常用的可切换溶剂主要以单胺溶剂为主，但是单胺溶剂在碳酸溶液与提油产品之间的分配系数受限，导致部分单胺溶剂掺杂于提油产品中一起分离，不仅造成萃取剂损失问题而且给藻油产品纯化增加难度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种利用可切换丁二胺溶剂萃取湿藻油脂的方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种利用可切换丁二胺溶剂萃取湿藻油脂的方法，包括下述步骤：

(1)将可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺与含水率5～85％的微藻生物质按体积比4∶1混合，在室温下持续搅拌24h进行细胞破壁和油脂萃取后，得到富含油脂的有机相和经油脂萃取的藻渣；

(2)通过离心分离去除藻渣，得到富含油脂的有机相；加入等体积的去离子水形成两相分层，上层为富含油脂的有机相，下层为水相；

(3)通入co2气体使n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺由疏水形式切换为亲水形式，直至完全溶解于下层水相，同时油脂从有机相n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺中分离出来留在上层；进一步通过静置分离，获得上层的微藻油脂，以及下层的水相。

本发明中，该方法还进一步包括：

取步骤(3)中分离获得的水相，通入氮气使水相中的n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺由亲水形式的(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2切换为疏水形式，直至重新分为上层有机相和下层水相两层；通过静置分离收集上层的有机相，得到可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺，循环使用于新一轮的湿藻油脂萃取。

本发明中，所述可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺通过下述方法制备获得：

(1)取73～730g的二乙胺与54～540g的1,4-二溴丁烷，混合后溶于去离子水；升温至50℃，在氮气条件下连续搅拌，亲核取代反应7小时后完成烷基化，反应体系中的上层有机相为n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺产物，溴化氢、二乙胺和水组成了下层水相混合物；

(2)加入10～100g的naoh粉末，调节反应体系的ph为10～12，离心分离得到上层有机相；将有机相在真空干燥箱中放置24h，得到提纯的可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺。

本发明中，所述步骤(1)中去离子水的用量为50～500ml。

本发明中，所述搅拌是指用磁力搅拌器搅拌，转速为100～500rpm。

发明原理描述：

为解决技术问题，本发明提供的有效解决方案是用二胺溶剂替代单胺溶剂，从而提高分配系数降低溶剂损失。新型可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺能在实现高效萃取湿藻油脂的同时，促进萃取剂与提油产品的低能耗分离。

在进行细胞破壁和油脂萃取时，n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺作为非极性有机溶剂首先在水中发生少量解离反应生成叔胺离子(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2，然后(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2通过静电作用吸附到带负电磷脂双层的微藻细胞表面，通过接触诱导磷脂双层产生局部静电平衡的扰动，导致磷脂双层的局部重排产生细胞破壁。微藻细胞破壁后进行油脂萃取，(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2与细胞碎片的疏水部分相结合，破坏了油脂与蛋白质之间的疏水效应和范德华作用力，使细胞碎片吸附的油脂有效分离。最后，(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2疏水端与油脂分子结合，降低了油水界面张力，促进了油脂分子向水相扩散，增强了油脂分子在有机相n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺中的溶解。

向富含油脂的有机相中通入co2气体，能使n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺由疏水形式切换为亲水形式，并完全溶解于下层水相中；其反应过程如下：

(c2h5)2-n-(ch2)3-n-(c2h5)2+co2+h2o→(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2)+hco3^-

萃取油脂从有机相n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺中分离出来留在上层，通过静置分离实现收集微藻油脂的收集。

进一步地，向溶解富含(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2和hco3^-的水相中通入氮气，则n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺由亲水形式的(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2切换为疏水形式：(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2)+hco3^-→(c2h5)2-n-(ch2)3-n-(c2h5)2+co2+h2o，直至溶液分为上层有机相和下层水相两层。通过静置分离收集上层有机相，就能实现可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺的回收，以便在新一轮萃取湿藻油脂中循环使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺，能够实现湿藻油脂的绿色高效萃取，萃取效率高于经典的氯仿甲醇萃取法，同时省掉了微藻提油过程中生物质干燥和细胞破壁的巨大能耗，高效回收萃取剂进行循环利用提高了经济性并且解决了环境问题。

当微藻生物质含水率由5增加到85％时n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺在水中解离生成更多的叔胺离子，其萃取油脂后的破壁藻细胞分形维数从1.49提高到1.66。当微藻生物质含水率为71％时，n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺萃取和酯交换得到的生物柴油产量是传统氯仿甲醇法的1.1倍。在微藻生物质含水率为85％时，n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺萃取和酯交换得到的生物柴油产量是单纯使用氯仿的1.85倍，并且是单纯使用正己烷的3.33倍。

2、与单胺溶剂相比，可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺用作萃取剂具有更高的碳酸溶液分配系数，故与油脂产物分离效果好，萃取剂回收率达到95％，循环使用萃取湿藻油脂效率达到新鲜萃取剂的97％，循环使用寿命达到2000小时。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

取73g的二乙胺与54g的1,4-二溴丁烷，混合后溶于50ml去离子水，升温至50℃，在氮气条件下以100rpm转速连续搅拌。控制胺与卤代烃的亲核取代反应7小时，完成烷基化反应2(c2h5)2nh+br(ch2)4br→(c2h5)2n(ch2)4n(c2h5)2+2hbr，得到上层有机相产物n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺和下层水相混合物(由溴化氢、二乙胺、水组成)。加入10g的naoh粉末，调节ph＝10，离心分离得到上层有机相。将有机相在真空干燥箱中放置24h，得到提纯的可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺。

将4ml可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺与1ml含水率5％的微藻生物质混合(混合体积比例4:1)，在室温下以100rpm转速持续搅拌24h进行细胞破壁和油脂萃取。n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺作为非极性有机溶剂首先在水中发生少量解离反应生成叔胺离子(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2，然后(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2通过静电作用吸附到带负电磷脂双层的微藻细胞表面，通过接触诱导磷脂双层产生局部静电平衡的扰动，导致磷脂双层的局部重排产生细胞破壁。微藻细胞破壁后进行油脂萃取，(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2与细胞碎片的疏水部分相结合，破坏了油脂与蛋白质之间的疏水效应和范德华作用力，使细胞碎片吸附的油脂有效分离。最后，(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2疏水端与油脂分子结合，降低了油水界面张力，促进了油脂分子向水相扩散，增强了油脂分子在有机相n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺中的溶解，得到富含油脂的有机相和油脂萃取后剩余的藻渣，藻渣细胞分形维数为1.49。

通过离心分离去除藻渣后得到溶解富含油脂的有机相，加入等体积的(4ml)的去离子水形成两相分层，上层为溶解富含油脂的有机相，下层为水相。通入co2气体使n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺由疏水形式切换为亲水形式：(c2h5)2-n-(ch2)3-n-(c2h5)2+co2+h2o→(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2)+hco3^-，直至完全溶解于下层水相，同时油脂从有机相n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺中分离出来留在上层。通过静置分离收集上层的微藻油脂、以及溶解富含(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2和hco3^-的下层水相。此油脂萃取效率为传统氯仿甲醇法的1.0倍。

向溶解富含(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2和hco3^-的水相中通入氮气，则n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺由亲水形式的(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2切换为疏水形式：(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2)+hco3^-→(c2h5)2-n-(ch2)3-n-(c2h5)2+co2+h2o，直至溶液分为上层有机相和下层水相两层。通过静置分离收集上层有机相：可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺，萃取剂回收率达到95％，循环使用萃取湿藻油脂效率达到新鲜萃取剂的97％。

实施例2

取730g的二乙胺与540g的1,4-二溴丁烷，混合后溶于500ml去离子水，升温至50℃，在氮气条件下以500rpm转速连续搅拌。控制胺与卤代烃的亲核取代反应7小时，完成烷基化反应2(c2h5)2nh+br(ch2)4br→(c2h5)2n(ch2)4n(c2h5)2+2hbr，得到上层有机相产物n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺和下层水相混合物(由溴化氢、二乙胺、水组成)。加入100g的naoh粉末，调节ph＝12，离心分离得到上层有机相。将有机相在真空干燥箱中放置24h，得到提纯的可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺。

将40ml可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺与10ml含水率85％的微藻生物质混合(混合体积比例4:1)，在室温下以500rpm转速持续搅拌24h进行细胞破壁和油脂萃取。n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺作为非极性有机溶剂首先在水中发生少量解离反应生成叔胺离子(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2，然后(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2通过静电作用吸附到带负电磷脂双层的微藻细胞表面，通过接触诱导磷脂双层产生局部静电平衡的扰动，导致磷脂双层的局部重排产生细胞破壁。微藻细胞破壁后进行油脂萃取，(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2与细胞碎片的疏水部分相结合，破坏了油脂与蛋白质之间的疏水效应和范德华作用力，使细胞碎片吸附的油脂有效分离。最后，(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2疏水端与油脂分子结合，降低了油水界面张力，促进了油脂分子向水相扩散，增强了油脂分子在有机相n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺中的溶解，得到富含油脂的有机相和油脂萃取后剩余的藻渣，藻渣细胞分形维数为1.66。

通过离心分离去除藻渣后得到溶解富含油脂的有机相，加入等体积的(40ml)的去离子水形成两相分层，上层为溶解富含油脂的有机相，下层为水相。通入co2气体使n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺由疏水形式切换为亲水形式：(c2h5)2-n-(ch2)3-n-(c2h5)2+co2+h2o→(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2)+hco3^-，直至完全溶解于下层水相，同时油脂从有机相n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺中分离出来留在上层。通过静置分离收集上层的微藻油脂、以及溶解富含(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2和hco3^-的下层水相。此油脂萃取效率是单纯使用氯仿的1.85倍，并且是单纯使用正己烷的3.33倍。

向溶解富含(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2和hco3^-的水相中通入氮气，则n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺由亲水形式的(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2切换为疏水形式：(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2)+hco3^-→(c2h5)2-n-(ch2)3-n-(c2h5)2+co2+h2o，直至溶液分为上层有机相和下层水相两层。通过静置分离收集上层有机相：可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺，萃取剂回收率达到95％，循环使用萃取湿藻油脂效率达到新鲜萃取剂的97％。

实施例3

取400g的二乙胺与300g的1,4-二溴丁烷，混合后溶于去300ml离子水，升温至50℃，在氮气条件下以250rpm转速连续搅拌。控制胺与卤代烃的亲核取代反应7小时，完成烷基化反应2(c2h5)2nh+br(ch2)4br→(c2h5)2n(ch2)4n(c2h5)2+2hbr，得到上层有机相产物n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺和下层水相混合物(由溴化氢、二乙胺、水组成)。加入55g的naoh粉末，调节ph＝11，离心分离得到上层有机相。将有机相在真空干燥箱中放置24h，得到提纯的可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺。

将20ml可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺与5ml含水率71％的微藻生物质混合(混合体积比例4:1)，在室温下以250rpm转速持续搅拌24h进行细胞破壁和油脂萃取。n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺作为非极性有机溶剂首先在水中发生少量解离反应生成叔胺离子(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2，然后(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2通过静电作用吸附到带负电磷脂双层的微藻细胞表面，通过接触诱导磷脂双层产生局部静电平衡的扰动，导致磷脂双层的局部重排产生细胞破壁。微藻细胞破壁后进行油脂萃取，(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2与细胞碎片的疏水部分相结合，破坏了油脂与蛋白质之间的疏水效应和范德华作用力，使细胞碎片吸附的油脂有效分离。最后，(c2h5)2-n-(ch2)4-nh⁺(c2h5)2疏水端与油脂分子结合，降低了油水界面张力，促进了油脂分子向水相扩散，增强了油脂分子在有机相n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺中的溶解，得到富含油脂的有机相和油脂萃取后剩余的藻渣，藻渣细胞分形维数为1.64。

通过离心分离去除藻渣后得到溶解富含油脂的有机相，加入等体积的(20ml)的去离子水形成两相分层，上层为溶解富含油脂的有机相，下层为水相。通入co2气体使n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺由疏水形式切换为亲水形式：(c2h5)2-n-(ch2)3-n-(c2h5)2+co2+h2o→(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2)+hco3^-，直至完全溶解于下层水相，同时油脂从有机相n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺中分离出来留在上层。通过静置分离收集上层的微藻油脂、以及溶解富含(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2和hco3^-的下层水相。此油脂萃取效率是传统氯仿甲醇法的1.1倍。

向溶解富含(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2和hco3^-的水相中通入氮气，则n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺由亲水形式的(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2切换为疏水形式：(c2h5)2-n-(ch2)3-nh⁺(c2h5)2)+hco3^-→(c2h5)2-n-(ch2)3-n-(c2h5)2+co2+h2o，直至溶液分为上层有机相和下层水相两层。通过静置分离收集上层有机相：可切换溶剂n,n,n',n'-四乙基-1,4-丁二胺，萃取剂回收率达到95％，循环使用萃取湿藻油脂效率达到新鲜萃取剂的97％。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。