超临界CO2下麻疯树籽制备生物柴油及无毒籽粕

李 艳，李 彪，常 杰

（华南理工大学 化学与化工学院 传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东 广州510640）

生物柴油是以动植物油脂、工程微藻等生物质原料与甲醇、乙醇等低碳醇经酯交换反应得到的长链脂肪酸单烷基酯。作为石化柴油的潜在替代能源，它具有可再生、可生物降解、十六烷值高等优点而成为近来研究的热点［1－3］。目前制约生物柴油发展的瓶颈在于原料，原料成本一般占生物柴油生产总成本的80%左右［4］。传统的生物柴油工艺首先要将含油种子剥壳、粉碎、压榨或溶剂提取得到毛油，然后再对所得的毛油进行脱酸、脱胶、脱色、脱水及有害杂质等精制处理，最后才是将精制后的油脂与甲醇等反应制备生物柴油。虽然此种工艺制备生物柴油的产率高，但是也存在毛油预处理工艺繁琐复杂、设备投资大、消耗溶剂多、耗时等问题，导致生物柴油成本较高［5］。因此，开发利用质优价廉的原料、简化生物柴油生产工艺流程，对于降低生物柴油成本、提高经济性具有重要意义。

麻疯树（Jatropha curcas L．）广泛分布在我国广东、广西、四川、云南等地区，其抗旱耐瘠，成熟周期短，不与农作物争地，是一种具有重要经济价值的油料作物［6］。脱脂后的麻疯树籽粕的蛋白质质量分数高达50%～60%，去掉毒性因子（佛波酯）和热不稳定抗营养因子（植物凝集素和胰蛋白酶抑制因子）后，可用作动物饲料［7］。目前国内外有关脱除佛波酯（PE）的研究报道极少。

超临界 CO2（Super critical CO2，SC－CO2）萃取作为近年兴起的新型分离工艺，由于安全、廉价、高效、无污染等优点受到越来越多的关注。Jiang等［8］研究发现，以麻疯树果为原料，在温度35℃、压力20MPa条件下，利用SC－CO2萃取，毛油收率达51．5%；钟华等［9］发现，利用SC－CO2萃取麻疯树油可达到精制油标准。以上研究均仅利用SC－CO2萃取麻疯树油，并未涉及生物柴油制备和籽粕的后续脱毒。

有研究表明［10］，在超临界体系下，油脂与甲醇可以实现互溶，传质、传热和转酯化反应活性均得到加强，反应无需催化剂。笔者以麻疯树籽为原料，将萃取和反应耦合，直接在SC－CO2中一步法转酯化合成生物柴油。同时利用SC－CO2萃取脱除麻疯树籽中的毒性因子佛波酯，使反应后籽粕中的佛波酯含量达到无毒标准。采用单因素和正交实验考察各个反应因素在SC－CO2制备生物柴油和无毒籽粕过程中对产物中甲酯和佛波酯质量分数的影响，优化工艺参数，为麻疯树制备生物柴油工业化提供参考。

1 实验部分

1．1 原料、试剂和仪器

麻疯树籽，采自广州帽峰山。种籽脱壳，粉碎至60目，种仁的组分含量见表1。

表1 麻疯树种仁的组分含量Table 1 Properties of Jatropha kernel

佛波 酯 标 准 品 （Phorbol－12－myristate－13－acetate）购于Sigma公司；水杨酸甲酯购于百灵威化学技术公司；乙腈（色谱纯），石油醚、磷酸、二氯甲烷、甲醇、乙醇均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司产品。水为实验室自制去离子水。

德国Memert真空干燥箱；德国海道夫公司旋转蒸发仪；无锡华能超声电子有限公司DG超声波发生器；岛津QP2010GC－MS联用分析仪；岛津LC－2010HT高效液相色谱仪；岛津UV－2450紫外分光光度计。

1．2 实验装置和步骤

SC－CO2下麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕的实验在高压反应装置上进行，实验装置和流程如图1所示。该装置主要由CO2钢瓶、CO2输送泵、高压反应釜（100mL，316不锈钢材质，配有机械搅拌装置）和湿式气体流量计组成。分别采用热电偶（±1℃）和压力传感器测定系统的温度和压力。

图1 超临界CO2下麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕的实验装置和流程示意图Fig．1 Schematic of experimental units and steps for biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

将干燥至一定含湿量的麻疯树籽粉和甲醇按一定比例混合加入反应釜内，并用CO2置换釜内空气5次以上；开动搅拌，迅速升温到设定温度，开动CO2输送泵升压到实验所需压力，保证釜内CO2与反应物的质量比大于或等于5，开始计时。反应完毕后，固、液分离，将滤液移至分液漏斗用乙酸乙酯萃取，静置分层。上层油相经减压蒸馏脱除乙酸乙酯，干燥，得到黄色澄清透明的油品；得到的固体籽粕进行干燥脱胶，得到麻疯树籽粗蛋白，分析其中佛波酯的质量分数。

1．3 分析方法

采用气相色谱－质谱联用仪（GC－MS）测定生物柴油中的脂肪酸甲酯［11］。GC条件：Rtx－5（30m ×0．25mm×0．25μm）毛细管色谱柱；进料温度270℃；柱 温 从 130℃ 开 始，以 10℃／min 升 至180℃，持续20min，再以30℃／min升至250℃，保持5min；载气为He，柱流量1．33mL／min；进样量0．6μL；分流比30∶1。

参照Martinez－Herrera的方法测定籽粕中佛波酯质量分数［12］；分别按照 GB／T 5512－2008方法、GB／T 5511－2008 方 法、GB／T 5515－2008 方 法 和GB 5597－1985方法测定麻疯树种仁含油量、粗蛋白含量、粗纤维含量和含水量。

1．4 醇／油摩尔比的定义

醇／油摩尔比（n（Methanol）／n（Oil））的定义为甲醇与麻疯树油的摩尔比，其中麻疯树油的物质的量通过种仁含油量计算得到。麻疯树油的摩尔质量为884g／mol［13］。

2 结果与讨论

2．1 麻疯树籽原料对制备生物柴油和无毒籽粕反应产物中甲酯和佛波酯质量分数的影响

2．1．1 种仁粒径的影响

种仁的粉碎粒径对麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕反应产物中甲酯和佛波酯（PE）的质量分数有重要的影响。在反应过程中，SC－CO2必须先扩散到种仁内部，将溶质溶解，然后再从固体中扩散出来。因此，种仁的粒径越小，固－液接触面积越大，可以减少CO2和溶质在种仁内部的扩散距离，这样有利于麻疯树油和佛波酯的萃取，缩短反应时间。在60℃、15MPa、n（Methanol）／n（Oil）＝30的条件下反应3h，考察种仁粒径对所得反应产物中甲酯和佛波酯质量分数的影响，结果如图2所示。

从图2可以看出，种仁在过20～60目分样筛时，随着粒径的减小，产物中甲酯质量分数逐渐增大，而籽粕中的佛波酯质量分数降低。这是因为粒径越小，萃取速率越大，萃取出的麻疯树油和佛波酯越多，相同时间内麻疯树油转化为甲酯的量也越多。但是种仁过80目分样筛时，粒径越小，越容易在高压下被压实，导致物料堆积密度过大，虽然加强了传质效率，但也增大了传质阻力，且后者影响更大，因而甲酯收率降低。综合考虑各方面因素，后续实验中选取种仁过60目分样筛。

图2 种仁粒径对麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕反应产物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）质量分数的影响Fig．2 Effects of particle size on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

2．1．2 种仁含水量的影响

通过真空干燥箱干燥不同的时间控制种仁含水量，在60℃、15MPa，n（Methanol）／n（Oil）＝30的条件下反应3h，考察种仁含水量对产物中甲酯和佛波酯质量分数的影响，结果示于图4。

图3 种仁含水量对麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕反应产物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）质量分数的影响Fig．3 Effects of moisture mass fraction in kenel on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

由图3可以看出，随着种仁含水量的降低，产物中甲酯质量分数升高，籽粕中佛波酯质量分数降低。这是因为种仁含水量高时，容易在表面形成一层水膜，这样既不利于溶质的溶出，也不利于SCCO2的进入；同时高含水量还会导致物料结块，增大传质阻力，从而使反应时间延长，甲酯收率下降。但是，水质量分数降至2．11%后，产物中甲酯含量基本保持不变。综合考虑，以下选取种仁中水质量分数2．11%进行实验。

2．2 反应条件对麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕反应产物中甲酯和佛波酯质量分数的影响

2．2．1 反应压力的影响

压力是超临界流体技术的重要参数，对溶质在SC－CO2的溶解度有很大影响。在温度一定的条件下，增大压力可以增加CO2的密度，从而提高对溶质的溶解能力，有利于反应的进行。在不同压力、80℃、n（Methanol）／n（Oil）＝50条件下反应3h，考察反应压力对产物中甲酯和佛波酯质量分数的影响，结果如图4所示。

图4 反应压力（p）对麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕反应产物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）质量分数的影响Fig．4 Effects of reaction pressure（p）on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

从图4可以看出，反应压力对产物中甲酯和佛波酯质量分数的影响十分显著。当反应压力小于15MPa时，所得产物中甲酯含量随压力的升高而增大，而籽粕中佛波酯含量逐渐减小。当反应压力增大到18MPa时，产物中甲酯含量趋于稳定，籽粕中佛波酯含量略微降低。这是因为在较高压力下，CO2密度较大，溶解能力增加有限。另外，反应压力高时，所得油品的颜色加深，这可能是因为此时溶出了其他杂质。考虑到设备投资和操作费用以及所得油品的纯度，适宜的反应压力为15MPa。

2．2．2 反应温度的影响

图5为在15MPa、n（Methanol）／n（Oil）＝50条件下反应3h，反应温度对产物中甲酯和佛波酯质量分数的影响。从图5可以看出，在反应温度低于45℃时，随着温度的升高，产物中甲酯含量增加不明显。这是因为在初始阶段，升高温度虽然会提高组分扩散系数，但不足以弥补CO2随温度升高而密度降低所导致的溶解能力的下降。当反应温度提高到80℃时，产物中的甲酯含量迅速增加；继续提高温度，甲酯质量分数变化不大，而籽粕中佛波酯含量逐渐降低。考虑到高温会增加能耗，并且蛋白质易变性而降低籽粕的营养价值，选取反应温度为80℃。

图5 反应温度（θ）对麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕反应产物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）质量分数的影响Fig．5 Effects of reaction temperature（θ）on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

2．2．3 n（Methanol）／n（Oil）的影响

图6为在15MPa、80℃条件下反应1h，n（Methanol）／n（Oil）对产物中甲酯和佛波酯质量分数的影响。从图6可以看出，随着n（Methanol）／n（Oil）的增加，产物中甲酯质量分数相应增加，籽粕中佛波酯质量分数急剧减少；当n（Methanol）／n（Oil）超过50时，继续增加甲醇用量对甲酯收率影响较小。这是因为酯交换反应是一个可逆反应，甲醇用量少时反应不完全，增加甲醇用量可促进反应向正方向进行，从而提高甲酯收率；同时，由于甲醇极性较强，对脱除种仁中佛波酯有促进作用［14］。考虑到增加甲醇用量会增加溶剂回收费用，故选取n（Methanol）／n（Oil）为40。

图6 n（Methanol）／n（Oil）对麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕反应产物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）质量分数的影响Fig．6 Effects of n（Methanol）／n（Oil）on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

2．2．4 反应时间的影响

图7为在15MPa、60℃、n（Methanol）／n（Oil）＝40条件下，反应时间对产物中甲酯和佛波酯质量分数的影响。在超临界状态下，油脂的酯化反应十分迅速，因而决定反应速率的控制步骤是萃取过程。从图7可以看出，随着反应时间的延长，产物中甲酯质量分数持续增加，150min基本达到最大，此时反应已接近平衡，继续延长反应时间甲酯含量几乎不变，籽粕中佛波酯的含量也基本达到最小值。从能耗方面考虑，可以适当控制反应时间，因此选取反应时间为150min。

图7 反应时间（t）对麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕反应产物中甲酯（FAME）和佛波酯（PE）质量分数的影响Fig．7 Effects of reaction time（t）on FAME and PE mass fractions in product of biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in supercritical carbon dioxide

2．3 麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕反应条件优化的正交实验结果

在单因素实验的基础上，选取反应压力、反应温度、n（Methanol）／n（Oil）、反应时间4个因素，每个因素取3个水平设计L（34）正交实验，实验采用的因素和水平列于表2。正交实验结果和直观分析结果列于表3。

表2 麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕反应正交实验因素与水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment for biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

表3 麻疯树籽制备生物柴油和无毒籽粕反应正交实验结果及极差分析表Table 3 Results of orthogonal experiment and range analysis for biodiesel and nontoxic Jatropha meal production from Jatropha seeds in SC－CO2

由表3可以看出，各因素的极差值R由大到小的顺序为A、D、B、C，极差值越大，表示该因素对指标的影响越大。由正交实验得到最佳工艺条件是A3B2C1D3，即反应压力15MPa、反应温度80℃、n（Methanol）／n（Oil）＝30、反应时间150min。在此条件下，产物中甲酯质量分数和籽粕中佛波酯的残留量分别为94．6%和0．06mg／g。

2．4 SC－CO2制得的籽粕与石油醚萃取后的籽粕的对比

将SC－CO2反应得到的籽粕干燥脱胶，计算籽粕中含水量、残油率、粗蛋白和佛波酯质量分数，并与用石油醚索氏抽提种仁8h后得到的籽粕进行比较，结果列于表4。

表4 SC－CO2下酯化反应后所得与石油醚萃取后籽粕中各组分含量的对比Table 4 Comparison of compositions in Jatropha meal obtained by petroleum ether extraction and by Tatropha seeds transesterification in SC－CO2

从表4可以看出，与石油醚萃取后的籽粕对比，SC－CO2下酯化后的籽粕佛波酯含量低的多，油含量和蛋白质含量相差不大。由于佛波酯含量低于无毒标准，蛋白质被浓缩而营养价值没有下降，SCCO2下得到的籽粕作为植物性蛋白饲料有良好的前景。

3 结 论

（1）以麻疯树籽为原料，在SC－CO2中一步法酯化制备生物柴油，工艺流程简单，避免了传统麻疯树油的榨取和精制带来的加工费用，减少了溶剂、时间消耗和设备投资。同时，由于SC－CO2极强的溶解和传质性能，可以脱除籽粕中的佛波酯，使其达到无毒标准，而不破坏籽粕中的蛋白质，营养价值没有降低。

（2）麻疯树籽需预处理至粒径为60目、水质量分数为2．11%左右作为制备生物柴油和无毒籽粕的原料。该反应的最佳条件是反应压力15MPa、反应时间 150min、反应温度 80℃、n（Methanol）／n（Oil）＝30。在此条件下，得到的反应产物中甲酯的质量分数达到95%，籽粕中佛波酯质量分数为0．06mg／g，达到无毒标准。

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