将普通小球藻（Chlorella vulgaris）的生物质转化为基于三甲氧基丙烷（trimethylolpropane）的生物润滑油

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Processing Chlorella vulgaris biomass into trimethylolpropane-based bio-lubricants

本研究探索了从微藻（Chlorella vulgaris）生物质中提取脂肪酸甲酯与三羟甲基丙烷（TMP）进行酯交换反应生产可持续生物润滑剂的方法。比较了微藻油与多种植物油的TMP酯化产物性能，发现微藻油TMP酯产率达87.7%，其理化性质可与工业生物润滑剂竞争，且累积培养模式能显著提高生物质脂含量及生产效率。

　　本研究旨在探索一种可持续的生物润滑剂生产方法，利用可再生原料，特别是从微藻生物量中提取的脂肪酸甲酯（FAMEs）与三羟甲基丙烷（TMP）进行酯交换反应。这一过程的核心目标是通过优化微藻的培养方式，提高生物量的产量和脂质含量，从而为后续生产高质量的生物润滑剂提供理想的原料。研究重点考察了两种微藻培养模式：累积模式和半连续模式。通过对比分析，研究发现累积模式在生物量生产效率和脂质含量方面具有明显优势，这为微藻在生物润滑剂生产中的应用提供了重要参考。

微藻作为生物资源的潜力近年来备受关注，尤其是在替代传统化石燃料衍生产品方面。由于其生长速度快、脂质积累能力强，微藻被认为是生产生物燃料和生物润滑剂的理想原料。例如，在特定的培养条件下，某些微藻品种能够积累高达80%的脂质，这使其在生物燃料生产中展现出极大的优势。此外，微藻在培养过程中能够有效吸收二氧化碳，有助于减少温室气体排放，从而进一步增强其环境友好性。然而，尽管微藻具有诸多优点，其在实际工业应用中仍面临一定的挑战，如培养成本、生产效率以及对环境条件的依赖性等。

在本研究中，采用了模块化的平板式光生物反应器（FPPBRs）系统进行微藻的培养。这种系统不仅能够提高生物量的生产效率，还能更好地控制培养环境，从而优化脂质的积累。研究结果显示，在累积培养模式下，微藻的生物量产量达到630 mg·L?1·day?1，脂质含量为49.6±1.2%。这些数据表明，累积培养模式在提高生物量和脂质产量方面具有显著效果。相比之下，半连续培养模式虽然在某些方面具有灵活性，但在产量和脂质含量方面并未表现出同等的优势。

酯交换反应是生物润滑剂生产中的关键步骤，其目的是将脂肪酸甲酯与多元醇（如TMP）结合，生成具有优良性能的酯类润滑剂。研究还对微藻油与TMP形成的酯类润滑剂与其他传统植物油（如大豆油、棕榈油、椰子油、橄榄油等）形成的酯类润滑剂进行了性能对比。结果表明，微藻油与TMP形成的酯类润滑剂具有较高的产率，达到87.7%。这一产率不仅优于其他传统植物油，而且在性能上也不逊于先前研究中报道的酯类润滑剂以及工业级生物润滑剂。因此，微藻油与TMP的酯交换反应为生物润滑剂的生产提供了一种新的、高效的方法。

植物油作为生物润滑剂的原料，因其天然的特性而受到青睐。植物油通常具有较高的闪点、较低的蒸发损失以及较高的粘度指数，这些特性使其在高温和高压环境下表现出更好的稳定性。此外，植物油中的脂肪酸片段能够形成稳定的摩擦膜，从而减少机械部件之间的直接接触，降低磨损和腐蚀的风险。然而，传统植物油在生产生物润滑剂时存在一定的局限性，如可能影响食品供应和增加生产成本。因此，寻找替代性的非食用植物油成为研究的一个重要方向。

微藻油作为植物油的替代品，不仅避免了对食品资源的占用，还具备更高的产率和更好的性能。研究表明，微藻油与TMP形成的酯类润滑剂在多个方面表现出色，包括良好的热稳定性、优异的抗氧化性能以及较低的摩擦系数。这些性能使得微藻油酯类润滑剂在工业应用中具有较强的竞争力。此外，微藻油在生物降解性方面也优于传统植物油，这符合当前对环保型润滑剂的需求。

为了进一步提高生物润滑剂的性能和生产效率，研究还探讨了如何通过优化培养条件和反应参数来提升酯交换反应的产率和质量。例如，通过调整光照强度、温度、二氧化碳浓度以及营养液的配方，可以有效促进微藻的生长和脂质的积累。这些优化措施不仅有助于提高生物量的产量，还能改善酯类润滑剂的理化性能，使其更符合工业应用的标准。

本研究的创新之处在于提出了一种新的、模块化的微藻培养系统，该系统结合了平板式光生物反应器的设计，能够在保证生物量产量的同时，提高脂质的积累效率。此外，研究还强调了微藻油在酯交换反应中的优越性，展示了其在生物润滑剂生产中的巨大潜力。通过比较微藻油与TMP形成的酯类润滑剂与其他植物油酯类润滑剂的性能，研究进一步证明了微藻油在生产高质量生物润滑剂方面的可行性。

在实际应用中，微藻油酯类润滑剂的生产不仅能够减少对化石燃料的依赖，还能降低对环境的负面影响。由于微藻在培养过程中能够高效吸收二氧化碳，因此其生产过程本身具有一定的碳中和潜力。同时，微藻油酯类润滑剂的生物降解性符合欧洲标准中对生物润滑剂的要求，这为其在环保领域的应用提供了重要依据。

为了推动生物润滑剂的工业化生产，还需要进一步解决成本和技术上的难题。例如，如何降低微藻培养和酯交换反应的成本，如何提高生产过程的自动化程度，以及如何确保产品的一致性和稳定性，都是需要深入研究的问题。此外，微藻油酯类润滑剂在不同应用环境下的表现也需要进行系统评估，以确保其在实际使用中的可靠性。

综上所述，本研究通过探索微藻油与TMP的酯交换反应，提出了一种新的、高效的生物润滑剂生产方法。该方法不仅能够提高生物量的产量和脂质含量，还能生成性能优异的生物润滑剂，具有广阔的工业应用前景。未来的研究可以进一步优化培养条件和反应参数，以提高生产效率和降低成本，从而推动生物润滑剂的商业化进程。