生物柴油具有不含硫、可再生和含氧量高等 特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的石化柴油替代品。 傳統(tǒng)的生 物柴油大多以大豆、菜籽、棉籽等草本植物，以及 棕櫚、文冠果等木本植物為原料進(jìn)行制備，存在 “與民爭地、與人爭糧”的問題，使得生物柴油的 產(chǎn)量受到限制。 海藻具有生長速度快、適應(yīng)環(huán)境 能力強(qiáng)、油脂含量高和不占用耕地等優(yōu)點(diǎn)，有望 解決制備生物柴油的原料供應(yīng)不足的問題，已經(jīng) 成為生物燃料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

近年來， 國內(nèi)外學(xué)者針對海藻生物柴油的 制備工藝 開 展 了 許 多 研 究 。 段 敏 采 用 超 臨 界 CO2 萃取法對水培小球藻的油脂進(jìn)行了萃取 ， 并優(yōu)化了小球藻生物柴油的制備工藝， 在優(yōu)化 后的最佳工藝條件下，小球藻生物柴油（Chlorella Biodiesel Fuel，CBF）的產(chǎn)率可達(dá) 1.77%。 畢生 雷通過單因素試驗(yàn)考察了硫酸添加量、含水量、 乙醇添加量、 反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對小球藻生 物柴油產(chǎn)率的影響， 并采用正交試驗(yàn)對反應(yīng)條 件進(jìn)行了優(yōu)化， 得出的最佳工藝條件為硫酸與 原料的質(zhì)量比為 6∶1，含水量為 10%，乙醇與原 料的質(zhì)量比為 11∶1，反應(yīng)溫度為 90 ℃，反應(yīng)時 間為 3 h，在此條件下，小球藻生物柴油的產(chǎn)率 高達(dá) 59.72%。 徐玉福采用水熱催化液化法與正 交 試 驗(yàn) 相 結(jié) 合 的 方 法 制 備 了 小 球 藻 生 物 柴 油，并得到了最優(yōu)反應(yīng)條件，即采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%的 Ce/HZSM-5 作為催化劑，在 300 ℃的水熱 條件下催化液化 20 min， 小球藻粉和溶劑的質(zhì) 量比為 1∶10，在此條件下，小球藻生物柴油的產(chǎn) 率可達(dá) 39.87%。 Marwan 以 咸 水 池 中生 長 的 小球藻為原料， 采用酯交換法制備了小球藻生 物柴油，研究發(fā)現(xiàn)，小球藻的水分含量對生物柴 油產(chǎn)率的影響不大， 通過微波反應(yīng)器的處理可 促進(jìn)脂肪酸分子的釋放， 從而提高生物柴油的 產(chǎn)率。 Shirazi 將響應(yīng)面法與中心組合設(shè)計法相 結(jié)合，研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、微藻含水量 和臨界壓力等因素對生物柴油產(chǎn)率的影響，研 究發(fā)現(xiàn)， 在反應(yīng)溫度為 300 ℃， 反應(yīng)時間為 30 min，微藻含水量為 40%，臨界壓力為 6.61 MPa 的 條 件 下 ， 生 物 柴 油 的 產(chǎn) 率 高 達(dá) 99.32% 。 Sharma 通過半連續(xù)培養(yǎng)的方式得到了高油脂小 球藻，并研究了微波輻射下催化劑用量、甲醇用 量、 反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間等條件對生物柴油產(chǎn) 率的影響，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化反應(yīng)條件，生物柴 油的產(chǎn)率可達(dá) 84.01%。 Dianursanti 采用 BlighDryer 法提取了小球藻的油脂，并將小球藻油脂 與 甲 醇 進(jìn) 行 酯 交 換 反 應(yīng) 制 備 了 小 球 藻 生 物 柴 油，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化了酯交換反應(yīng)條件，在反應(yīng)溫度為 60 ℃，反應(yīng)時間為 4 h，催化劑和溶劑 質(zhì)量比為 1∶400 的條件下， 小球藻生物柴油的 產(chǎn)率為 36.78%。

本試驗(yàn)所用的小球藻藻粉是一種利用野生 小球藻制備的藻粉，該小球藻油脂含量為 10.0%～ 15.2%，油脂產(chǎn)率為 2~1 200 mg/（L·d），生物質(zhì)產(chǎn) 率為 0.02~2.5g/（L·d）。 該小球藻廣泛分布于自然 界，生物量能在 20 h 內(nèi)增長 4 倍，易于培養(yǎng)，成本 較低，適用于生物柴油的大規(guī)模生產(chǎn)。 本試驗(yàn)所用的儀器主要有 DF-101S 型磁力 攪拌水浴鍋、VGT-990 型超聲波清洗器、DZF-6050型干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司擬)、 安捷倫 6890GC 氣質(zhì)聯(lián)用 儀、粘度計和密度計等；所用的甲醇、正己烷和濃 硫酸等試劑均為分析純。

野生小球藻的油脂包圍在較厚的細(xì)胞壁內(nèi)， 難以析出，影響酯交換反應(yīng)的進(jìn)行，因而需要對細(xì) 胞壁進(jìn)行破碎預(yù)處理。 采用超聲波振蕩法、研磨法和反復(fù)凍融法對小球藻藻粉進(jìn)行破壁處理，其 中，超聲波振蕩時間分別為 20，30，40，50，60 min， 研磨時間分別為 10，20，30，40，50 min， 反復(fù)凍融 次數(shù)分別為 2，3，4，5，6。 以預(yù)處理后的小球藻藻 粉為原料，在反應(yīng)溫度為 70 ℃，反應(yīng)時間為 5 h， 攪拌速度為 300 r/min，小球藻藻粉質(zhì)量為 5 g，甲 醇用量為 30 mL，濃硫酸用量為 1 mL 的工藝條件 下，采用直接轉(zhuǎn)酯法制備小球藻生物柴油，通過比 較小球藻生物柴油的產(chǎn)率， 考察不同預(yù)處理方法 的破壁效果。

小球藻生物柴油產(chǎn)率（η）的計算式為

1.2.2 正交試驗(yàn)方案

固定小球藻藻粉的質(zhì)量為 5 g， 選取甲醇用 量、催化劑（濃硫酸）用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和 攪拌速度為試驗(yàn)因素，每個因素考察 5 個水平，采 用 L25（56 ）正交試驗(yàn)表設(shè)計正交試驗(yàn)，分析比較不 同條件下小球藻生物柴油的產(chǎn)率。 表 1 為因素水 平表。

1.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方案

利 用 非 線 性 逼 近 性 能 較 強(qiáng) 的 廣 義 回 歸 神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測 5 種因素 5 種水平所有可能的 3 125 種組合下小球藻生物柴油的產(chǎn)率。 利用 Matlab 軟件編程， 對所選取的 25 個樣本采用dividevec 函 數(shù) 隨 機(jī) 分 成 訓(xùn) 練 樣 本 （80% ） 和 驗(yàn) 證 樣 本 （20%）兩部分。 本文建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為 4層， 其中第 1 層和第 4 層分別為輸入、 輸出層，第 2 層和第 3 層均為隱含層。 分別以制備工藝中 5 種 因 素 （甲 醇 用 量 、濃 硫 酸 用 量 、反 應(yīng) 溫 度 、 反應(yīng)時間、攪拌速度）作為輸入量，小球藻生物 柴油的產(chǎn)率作為輸出量。

隨著超聲波振蕩時 間、研磨時間和反復(fù)凍融次數(shù)的增加，小球藻生物 柴油的產(chǎn)率先逐漸升高后趨于穩(wěn)定。 由此可見，3 種方法均有利于細(xì)胞壁的破碎， 從而促進(jìn)油脂的 析出，且破壁效果為超聲波振蕩法>研磨法>反復(fù) 凍融法。因此，后續(xù)試驗(yàn)采用超聲波振蕩和研磨相 結(jié)合的方法對小球藻藻粉進(jìn)行預(yù)處理， 以期最大 程度地破碎小球藻細(xì)胞壁。，隨著反應(yīng)時間的逐漸延長， 小球藻生物柴油的產(chǎn)率先逐漸增加后保持平穩(wěn)， 最后維持在 2.2%左右。 這是因?yàn)殡S著反應(yīng)時間的 延長，酯交換反應(yīng)進(jìn)行得更加充分，使得小球藻生 物柴油的產(chǎn)率逐漸升高； 當(dāng)反應(yīng)時間進(jìn)一步延長 時， 反應(yīng)物的蒸發(fā)流失導(dǎo)致小球藻生物柴油產(chǎn)率 上升的速度減慢。 過長的反應(yīng)時間會增大能量的 消耗，增加制備成本，因此，最佳反應(yīng)時間為 8 h。

①采用直接轉(zhuǎn)酯法制備了小球藻生物柴油， 并對比分析了不同破壁方法的預(yù)處理效果，其中， 研磨法和超聲波振蕩法均能取得較好的預(yù)處理效果。

②通過正交試驗(yàn)， 研究了不同因素對小球藻 生物柴油產(chǎn)率的影響規(guī)律， 并確定了最優(yōu)工藝條 件為甲醇用量為 40 mL，濃硫酸用量為 3 mL，反應(yīng) 溫度為 60 ℃，反應(yīng)時間為 7 h，攪拌速度為 540 r/min， 在此條件下， 小球藻生物柴油的產(chǎn)率為 2.5%。

③通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型， 可以較好地優(yōu)化 小球藻生物柴油制備工藝， 并使結(jié)果誤差控制在 5%以內(nèi)。 優(yōu)化后的工藝條件為甲醇用量為 40 mL，濃硫酸用量為 1.7 mL，反應(yīng)溫度為 55 ℃，反 應(yīng)時間為 6 h， 攪拌速度為 720 r/min， 在此條件 下，小球藻生物柴油的產(chǎn)率為 2.6%。

④CBF 的粘度與 0# 車用柴油接近，密度和十 六烷值比 0# 車用柴油略高，熱值比 0# 車用柴油略 低；CBF5 的主要理化特性均符合 0# B5 柴油的國 家標(biāo)準(zhǔn)，可作為車用柴油的替代燃料。