通过脂质超临界流体萃取实现微藻生物质增值用于可再生燃料

《Biomass and Bioenergy》：Valorization of microalgal biomass via supercritical fluid extraction of lipids for renewable fuels

　　

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  在最优条件下（80 °C、200 bar），超临界CO₂萃取对Chlorella sorokiniana生物质中可转化生物柴油的脂质实现了48.88%的选择性。
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  温度是控制总脂质产率的主导变量（R² = 0.912），而温度-压力交互作用则支配着脂质类型的选择性（R² = 0.891）。
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  Chrastil热力学模型证实了该萃取过程为吸热过程（ΔH = +37.6 kJ/mol），缔合数k = 6.8，与微藻脂质萃取的已发表文献一致。
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  LC-MS和TLC分析一致地鉴定了完整的脂质谱：脂肪酸（46.5%）、类胡萝卜素（26.6%）、极性脂质（9.8%）、甘油三酯（8.7%）、甾醇酯（5.2%）和甘油二酯（3.2%）。
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  超临界CO₂萃取已被验证为一种无溶剂、可持续且具有选择性的替代技术，适用于微藻生物炼制应用中同时生产生物燃料和高附加值生物活性化合物。

引言

全球能源需求的不断增长以及对化石燃料的高度依赖，加剧了人们对温室气体排放和气候变化的担忧，推动了人们对可再生和可持续能源来源的探索。在此背景下，由微藻生产的第三代生物燃料因这些微生物的高生产潜力及其可整合入生物炼制系统的特性而引起了广泛关注[1,2]。

微藻是一类多样化的光合微生物，能够高效地将太阳能转化为生物质，与传统的油料作物相比，具有更高的生长速率和脂质生产力。此外，它们可以利用废水、咸水或海水在非耕地上进行培养，从而减少对粮食生产的竞争并降低淡水消耗[3]。另一个相关方面是其较高的CO₂固定能力，同时有助于减缓温室气体排放和生产可再生生物质。据估计，每生产1公斤微藻生物质可消耗约1.8公斤CO₂[1]。

在具有生物技术价值的物种中，微藻Chlorella sorokiniana因其高生物质生产力和积累高价值化合物的能力而脱颖而出，这些化合物包括蛋白质、色素、维生素、抗氧化剂和脂质。这些脂质，特别是甘油三酯，其组成与通常用于生产生物柴油的植物油相似，使该微藻成为生产可持续生物燃料的有前景的原料[4,5]。

微藻的脂质含量可占干重的20%至50%，在特定的培养条件（如营养胁迫和氮限制）下甚至可能达到更高的值[1,4]。此外，与传统陆地油料作物（如大豆、油菜和玉米）相比，其脂质生产力显著更高，进一步强化了其作为生物柴油生产可持续替代品的潜力[6,7]。

尽管微藻具有诸多优势，但生物柴油生产的经济可行性仍然取决于生物质加工步骤的优化，尤其是脂质萃取。基于有机溶剂的传统方法通常存在高能耗、毒性、环境风险以及所获得萃取物中存在溶剂残留等方面的局限性。因此，清洁和可持续的技术已作为传统工艺的替代方案被研究[8]。

在此背景下，超临界流体萃取（SFE），尤其是使用超临界态二氧化碳（SCCO₂）的技术，作为一种选择性回收微藻脂质的有前景的技术脱颖而出。超临界CO₂具有介于液体和气体之间的中间物理化学性质，兼具高扩散性和低粘度，有利于其渗透进入细胞基质并提高萃取过程中传质的效率[9]。此外，它是一种无毒、不燃、可循环使用的溶剂，被公认为食品安全和制药应用中是安全的[8]。

SFE的另一重要优势在于可以通过调节压力和温度来精确调整溶剂性质，从而实现对不同脂质类型溶解的选择性控制。使用极性改性剂还可以拓展CO₂的溶剂化能力，有利于萃取极性更强的化合物。这些特性使该技术对微藻生物炼制应用尤为吸引人，能够同时实现生物燃料的生产和高附加值工业生物活性化合物的增值利用[10]。

然而，超临界萃取的效率取决于多种因素，包括过程的操作条件和微藻生物质的结构特征。例如，Chlorella属的物种具有相对坚韧的细胞壁，这可能会限制超临界流体的扩散并影响萃取产率[10]。因此，评估SFE的操作条件对于最大化可转化生物柴油脂质的回收至关重要。

关于应用于微藻的绿色萃取技术，超临界二氧化碳（SCCO₂）萃取已成为传统溶剂萃取最富前景的替代方案之一，因为它将高萃取效率与低环境影响相结合，消除了最终萃取物中的溶剂残留，并且可以通过调节压力和温度实现对有价值化合物的选择性回收。在过去十年中，研究表明SCCO₂适用于从多种微藻物种中萃取脂质、类胡萝卜素、叶绿素和其他生物活性化合物，突出了操作条件、生物质预处理和共溶剂的使用对萃取性能的影响。此外，最近的综述强调了统计实验设计是优化萃取条件、提高过程效率和增强微藻生物炼制经济可行性的重要工具[[11], [12], [13], [14], [15]]。

在Chlorella属的物种中，先前的研究表明，纯超临界CO₂可以通过适当调节萃取参数来选择性分离脂质并富集甘油三酯，表明了该技术在生物燃料应用中的潜力[11,12]。最近，涉及Chlorella sorokiniana的研究主要集中在改善培养条件、生物质生产力、脂质积累和高价值化合物的回收方面，证实了该微藻日益增长的工业重要性。然而，迄今为止，仅有少数研究使用基于统计的实验设计，专门针对Chlorella sorokiniana系统地优化超临界CO₂萃取，并同时评估萃取产率和针对可转化生物柴油脂质类型的选择性[16]。

因此，关于针对Chlorella sorokiniana的超临界CO₂萃取条件集成优化以及所萃取脂质组分综合表征的知识空白仍然存在。为弥补这一空白，本研究采用中心复合旋转设计（CCRD）系统地评估温度和压力对总脂质萃取产率以及可转化生物柴油脂质选择性回收（包括甘油三酯（TAG）、甘油二酯（DAG）和游离脂肪酸（FFA））的综合影响。此外，还采用了薄层色谱（TLC）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）来表征所萃取的脂质类型。通过将统计过程优化与详细的脂质表征相结合，本研究为Chlorella sorokiniana中生物柴油相关脂质的选择性萃取提供了有价值的见解，为微藻生物炼制中可持续下游加工技术的发展做出了贡献。

基于上述考虑，本研究调查了从Chlorella sorokiniana生物质中超临界CO₂萃取脂质的过程，将其作为微藻生物炼制框架下生产生物柴油的可持续策略。温度和压力对萃取性能的综合影响采用中心复合旋转设计（CCRD）进行了优化，同时利用薄层色谱（TLC）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）表征了所萃取的脂质类型并评估了可转化生物柴油脂质的选择性回收。研究结果为绿色萃取过程提供了有价值的见解，并为开发高效和可持续的可再生生物燃料生产下游策略做出了贡献。

章节摘要

原材料

本研究使用的微藻Chlorella sorokiniana来自一个由里约热内卢联邦大学（UFRJ）蓝细菌生态生理学与毒理学实验室（LETC）培养物保藏室最初提供的非无菌纯藻培养物。该菌株目前保存在里约热内卢联邦大学（UFRJ）化学学院绿色技术实验室（GreenTec）的培养物保藏室中，内部登录编号为CLSC-02。

培养通过接种15 mL启动

结果与讨论

在进行超临界流体萃取之前，Chlorella sorokiniana生物质在受控的光自养条件下进行生产，以获得均质且具有代谢活性的生物质，适用于评估超临界CO₂萃取的选择性。由于培养条件强烈影响微藻的生物化学组成，尤其是脂质积累和脂肪酸分布，培养策略旨在促进在营养充足的条件下

结论

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  本研究展示了Chlorella sorokiniana生物质作为超临界CO₂（SCCO₂）萃取原料的潜力，突出了该技术在回收感兴趣脂质组分方面的选择性。尽管SCCO₂萃取获得的总体脂质产率低于传统溶剂萃取通常达到的水平，但该过程对可转化生物柴油脂质表现出更高的选择性，同时回收了高附加值生物活性

CRediT作者贡献声明

Monique Gon?alves：撰写 – 审阅与编辑、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化、撰写 – 审阅与编辑、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。Gisel Chenard Diaz：撰写 – 审阅与编辑、形式分析、数据管理。Yedier Rodriguez Padrón：可视化、方法论、形式分析。Carolina Vieira Viegas：验证、监督、方法论、调查。Raquel Massad Cavalcante：验证，

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Monique Gon?alves报告获得里约热内卢州卡洛斯·卡加什·菲略研究支持基金会的资金支持。Monique Gon?alves报告获得国家科学技术发展委员会的资金支持。如有其他作者，他们声明不存在已知的竞争财务利益或

Monique Gon?alves|Gisel Chenard Diaz|Yedier Rodriguez Padrón|Carolina Vieira Viegas|Raquel Massad Cavalcante|Yordanka Reyes Cruz|Donato Alexandre Gomes Aranda