一种裂须藻藻质素及利用其生烃产油的方法

1.本发明属于水体的生态修复和生物质能源开发技术领域，特别涉及一种裂须藻藻质素及利用其生烃产油的方法。


背景技术：

2.随着经济的快速发展，在世界范围内均出现化石燃料被大量开采利用，化石能源耗竭的现象，同时大量排放温室气体、有害气体和重金属，由此产生一系列相关的能源、生态环境和人类健康问题。全球变化和人类活动也导致水体中蓝藻等藻类的爆发引起水华和赤潮现象。因此，寻找出化石燃料的替代资源是非常迫切和紧迫的。蓝藻(蓝细菌)生物是地球上最古老的光合细菌生物，而关于它们能否固定碳和生烃，仍然缺乏系统的研究；国内外只有少数几项研究表明可分离出藻质素的蓝藻仅仅只有几种。近些年，生物质能源作为一种绿色环保的可再生能源，在解决能源危机方面被寄予厚望。那么，是否可以发展蓝藻等藻类生物质来实现水体污染的修复及其把它们转化为生物质资源？减少对化石能源的依赖呢？
3.绿藻藻类因其光合作用效率高、含油量高、生长周期短、油脂面积产率高等特点而被视为新一代甚至是能实现完全替代化石燃料的生物柴油原料。当然，相应的技术手段也相继发展出来。事实上，早在20世纪90年代，就有文献记载了使用水热液化法对布朗葡萄藻进行处理来生产生物燃料的相关研究。除此之外，热解法也是一种能有效地将生物质转化为生物油和烃类气体的技术手段。但这些技术只能将生物质转化为生物燃料，却不能准确的评估生物质的产油生烃潜力。此外，在绿藻藻类的能源化应用中也存在一些问题，比如很难选择生长快、含油率高的菌株，而且在大多数研究中，研究者对绿藻藻类不进行任何处理，直接来生产生物柴油。但由于绿藻等藻类中含有大量的脂质、蛋白质和多糖等，在热解的过程中极易受热分解，导致生物柴油中氧、氮含量高，而且酸度指标较高，从而导致生物柴油的品质下降；另外，人工培养藻类生物质的成本过高等。由此可看，去除不同藻类中的蛋白质和多糖就显得尤为重要。1998年，allard等人报道了一种分离方法，可以有效的去除藻类中的脂质、蛋白质和多糖，得到一种低氮氧含量的藻类难降解有机质即藻质素。事实上，这种藻质素是一种高度脂肪性、非水解、不溶性的生物聚合物，主要存在于一些绿藻、真枝藻和鞭毛藻细胞壁上。仅仅有少量的研究报道了这种难降解有机质在蓝藻中的存在。其中一个是在1988年，chalansonnet等人报道了它在裂须藻中的存在，但是后来的研究中发现chalansonnet等人使用的分离方法导致从裂须藻中分离出的藻质素包含一部分人为合成物质。另外，biller等人在2015年从绿棒粘藻中分离出了一种类似于藻质素的生物大分子并对其进行了热解，发现在这种生物分子的裂解产物和绿藻藻质素的裂解产物有所差别，比如部分正构烷烃的缺失。然而，关于这类蓝藻源生物大分子(藻质素)在作为第三代生物质能原材料生产生物柴油方面的研究少有报道，而本发明中，我们从纯培养的蓝藻(裂须藻)中成功分离出了新型的藻质素有机质，并使用了先进的固态
13
cnmr技术、rock-eval热解技术和黄金管-高压釜密闭裂解系统，对裂须藻原始样品和从中分离出的新型藻质素有机
质分别进行了结构表征和裂解实验，并对比了裂须藻不同有机质的结构和生烃能力。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种裂须藻藻质素。
5.本发明另一目的在于提供上述裂须藻藻质素的制备方法。
6.本发明再一目的在于提供利用上述裂须藻藻质素生烃产油的方法。
7.本发明的目的通过下述方案实现：
8.一种裂须藻藻质素，其所含基本结构单元分子式为c
32h58
o3。
9.优选的，所述裂须藻藻质素的脂肪碳的含量为55.0％～79.9％，氮、氧含量的含量分别为1.73％～6.27％和5.20％～15.7％。更有选的，所述裂须藻藻质素的脂肪碳的含量为79.2％，氮、氧含量的含量分别为2.34％和10.9％。
10.一种制备上述裂须藻藻质素的方法，包括以下步骤：
11.将裂须藻与二氯甲烷和甲醇混合进行索氏抽提，将所得固体与三氟醋酸(tfa)混合后在保护气氛中于90～130℃下加热，反应所得固体沉淀物在碱性条件下于60～100℃下水解，水解完成后将沉淀物与酸性溶液混合并在保护气氛下于90～130℃下加热，反应完成后得到裂须藻藻质素。
12.所述二氯甲烷和甲醇的体积比为80～100：4～10，优选为93：7。
13.所述索氏提取的温度为40～55℃，优选为46.5℃，时间为12～72h。
14.优选的，所述将所得固体与三氟醋酸(tfa)混合后在保护气氛下于90～130℃下加热具体为：(1)将固体与1～4m的三氟醋酸混合后在90～130℃加热0.5～5h；(2)将所得沉淀物与3～8m的三氟醋酸混合后在90～130℃加热30～48h。
15.更优选的，步骤(1)重复2～4次；
16.更优选的，步骤(1)所述加热温度为100～110℃，加热时间为3-5h。
17.更优选的，步骤(2)将沉淀物依次与2～4m和4～6m的三氟醋酸混合，每次混合后在100-110℃加热15～24h。
18.更优选的，步骤(2)完成后用水将产物洗至中性。
19.所述碱性条件由含碱的甲醇/水溶液构成；所述甲醇与水的体积比为80～90：10～20，优选为85：15。所述碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾等常见碱中的至少一种。所述碱在甲醇/水溶液中的浓度为0.5～3m。
20.所述水解的时间为0.5～5h，优选为1h。
21.优选的，水解反应结束后将所得固体沉淀用水洗至中性。
22.所述酸性溶液为盐酸，所述酸性溶液的浓度为4～8m，优选为6m。
23.所述沉淀物与酸性溶液混合的加热反应温度为100～120℃，加热反应时间为12～36h。更优选的，加热反应温度为120℃，加热反应时间为24h。
24.本发明所述保护气氛为氮气或稀有气体。
25.一种利用裂须藻藻质素生烃产油的方法，具体为将所得裂须藻藻质素在40～60mpa下热解，即可生烃产油。
26.所述热解的温度为300～500℃，优选为320～460℃，更优选为450℃。
27.优选的，所述热解的升温条件为将温度在8h内加热到250℃，然后按照15～20℃/h的速度加热至目标温度。
28.本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
29.(1)本发明中的新型蓝藻藻质素具有高的脂肪性、高的氢指数和低的氮、氧含量。其中脂肪碳的含量为79.2％，氮、氧含量的含量分别为2.34％和10.9％，较其原始样品(分别为6.27％和38.1％)有明显的降低。
30.(2)本发明中的新型蓝藻藻质素包含c
6-c
32
的正构烷烃碳链，最大链长为c
32
，碳链主峰为c
15
、c
17
、c
27
。
31.(3)本发明中的新型蓝藻藻质素具有高的产油率(58％)和生烃潜力(64％)。
附图说明
32.图1为裂须藻的藻质素的基本结构单元。
33.图2是裂须藻原始样品及其藻质素的nmr谱图。
34.图3是在裂解过程中，裂须藻原始样品及其藻质素的产油率随温度的变化对比图。
35.图4是裂须藻藻质素以及其他藻类不同级份的氢指数与产油率和生烃潜力的线性拟合图。
36.图5是在裂解过程中，裂须藻原始样品及其藻质素的产生的轻烃和正构烷烃的气相色谱图。
37.图6是在裂解过程中，裂须藻原始样品(a)及其藻质素(b)的产生的正构烷烃含量随温度的变化图。
38.图7是裂须藻原始样品、藻质素和干酪根在最佳裂解温度下的色谱图和产生的相应的正构烷烃含量对比图。
具体实施方式
39.下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
40.实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。
41.1、藻质素的制备。
42.准备原料：藻类原始样品、二氯甲烷、甲醇、三氟醋酸、hcl、去离子水。
43.(1)藻质素的分离：取一定量裂须藻原始样品(os)用二氯甲烷和甲醇(93:7)混合溶液索式抽提72小时。固体部分(去游离脂，lf)在50℃下置于烘箱中烘干过夜，取部分保存。取lf级份，加入2m三氟醋酸(tfa)，在100℃氮气保护下加热3h，离心去除上清液，得到固体沉淀物，再次重复上述步骤。然后将所得固体沉淀物与4m tfa混合后在100℃氮气保护下加热18h，再将固体沉淀物与6m tfa混合后在100℃氮气保护下加热18h，离心去除上清液。所得固体沉淀用超纯水洗至中性，再用1m koh的甲醇：水(85:15)(v/v)溶液，在80℃条件下碱性水解1小时，反应结束后，在4000rpm下离心，上清液弃去。固体沉淀用超纯水清洗至中性，最后用6m hcl在110
°
c氮气保护下加热24h，离心弃去上清液。固体沉淀(藻质素，nhom)用超纯水清洗至中性，冷冻干燥，保存。
44.2、藻质素基本分子结构部单元和分子式的建立
45.运用chemsketch 12.0(acd/labs 2016)软件和gnmr软件拟合了藻质素的基本分
子结构单元,确定了藻质素基本结构单元的分子式。
46.3、黄金管-高压釜裂解，具体实验过程如下：
47.(1)热解过程：
48.将50-100mg藻质素样品在氩气保护下封入金管中，将金管分别放置于10个高压釜中，并置于同一热解炉内进行热解反应，在热解过程中保持50mpa的恒定压力，高压釜放置到由程序升温控制的电炉中，设置10个温度点(320、340、360、380、400、410、420、430、450、460℃)每个样品在每个温度点使用1根金管，热解升温程序为：8h之内将高压釜从室温快速加热到250℃，之后按照20℃/h的升温速率分别加热到目标温度立即关闭该高压釜对应的压力控制阀门，将高压釜从电炉中取出，立刻水浴降温，并将热解后的金管从高压釜中取出，以备下一步实验分析从室温升到目标温度后取出，待进样分析。
49.(2)气态烃组分分析：
50.气态烃组分的收集是在真空的玻璃系统中完成。将表面洗净的金管置于固定体积的真空系统中，在真空条件下用针扎破，待热解气体产物从金管中完全释放出来后，打开真空系统与agilent 6890n气相色谱(gc)仪器的连接通道，进行气体成分分析，定量方法采用外标法进行定量。
51.(3)轻烃组分分析：
52.在真空条件下被扎破的金管，其挥发烃组分被收集在一个4ml的玻璃瓶中，待挥发完全后用液氮冷却，并马上加入3ml的正戊烷，金管取出后用剪刀剪开，放到上述的4ml玻璃瓶中，加入标样待进样分析。
53.(4)c
14+
组分分析：
54.轻烃组分分析后，将4ml玻璃瓶中的正戊烷挥发干，并将瓶中的残留物取出，用二氯甲烷：甲醇(93:7，v/v)索氏抽提72h。萃取后，溶剂旋转蒸发干燥后称重。提取物用硅胶色谱柱分离为饱和物，芳烃和树脂。将这三个部分干燥并称重。不溶性残渣是从滤纸上回收，干燥并称重。
55.参数比较
56.将本发明中的裂须藻藻质素与从裂须藻中分离出的其它级份以及干酪根的一些元素分析结果和rock-eval参数相比较列在表1中。此外，将新型蓝藻藻质素的其它参数(脂肪烃含量、氢指数、产油率、生烃潜力和包含的正构烷烃的主碳链峰)与前人研究的一些蓝藻、蓝藻源藻类混合物和绿藻进行了对比，对比结果列在表2中。
57.表1、元素分析和rock-eval参数对比表
[0058][0059]
表2、裂须藻藻质素与其他蓝藻、蓝藻源藻类混合物和绿藻的对比。
[0060][0061]
所述裂须藻的藻质素的氢指数为811mg hc/g toc，明显高于其原始样品以及其他藻种中种分离的藻质素的氢指数，以及显著地高于茂名干酪根的氢指数。
[0062]
从图2可以看到所述裂须藻的藻质素的nmr谱图而与绿藻藻质素的nmr谱图有所不同。与绿藻藻质素相比，本发明中的新型蓝藻藻质素含有额外的官能团。这是由于两类藻质素固有的组成结构的不同。
[0063]
裂须藻藻质素的nmr谱图和蓝藻藻质素的nmr谱图一致。但是，正构烷烃的组成有所不同，文献中报道的一种蓝藻藻质素中正构烷烃的最大链长为c
29
，并且缺少c
27
和c
28
，而本发明中藻质素的碳链为c
6-c
32
，碳链主峰为c
15
、c
17
、c
27
。
[0064]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。