全 文 ：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( ［C4MIm］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 S216. 3
Conversion of Chlorella oil to biodiesel catalyzed by bronsted acid ionic liquid
YIN Chun-hua1)，XU Pei1)，HE Huan-ju1)，JIA Xuan1)，WANG Hai-ou1)，JIANG Ze-yi2)，WANG Ge2)，ZHANG Xin-xin2)，
YAN Hai1)
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
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( ［C4MIm］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 CH2Cl2，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(10mL)中进行充分溶解，再加入 0. 4mol·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
·0241·
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
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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
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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
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