《Environmental Technology & Innovation》：Experimental evaluation of marine seaweed and waste goat fat for biodiesel production: Process feasibility and fuel characterization
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海藻(seaweed)和羊脂(mutton fat)原料被用作重要的生物柴油原料。长心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii)显示出低脂质含量但具有较高的可持续性潜力。两步法工艺可提高高游离脂肪酸(free fatty acid, FFA)向山羊脂
海藻(seaweed)和羊脂(mutton fat)原料被用作重要的生物柴油原料。长心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii)显示出低脂质含量但具有较高的可持续性潜力。两步法工艺可提高高游离脂肪酸(free fatty acid, FFA)向山羊脂肪生物柴油的转化效率。傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)与气相色谱-氢火焰离子化检测(gas chromatography-flame ionization detection, GC-FID)证实了有效的酯交换反应及生物柴油的组成。两种原料均可通过资源化利用途径用于生物柴油生产。
**一、研究背景与科学问题**
随着化石燃料枯竭与碳排放问题日益严峻，第三代(generation 3, G3)生物柴油原料——海洋大型藻类(海藻)因其生物量丰富、不与粮食作物争地、可在咸水环境生长并能有效固碳等优势受到广泛关注，全球多个沿海国家已开展海藻栽培与燃料转化研究。然而，海藻脂质含量普遍较低且存在季节性波动，限制了其单独作为生物柴油原料的经济可行性。与此同时，废弃动物脂肪作为第二代(generation 2, G2)原料，虽含有较高比例的饱和脂肪酸导致低温流动性差，但经酯化和酯交换处理后可用于柴油发动机。此前研究多集中于单一原料，对海藻与废弃动物脂肪在统一实验框架下的比较评价极为有限。为此，研究人员选取印度栽培的红色大型藻类长心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii)与当地屠宰场废弃山羊脂肪，系统考察二者在各自适宜工艺条件下的生物柴油转化潜力，比较原料特性、油脂回收率、酯交换性能、燃料理化性质及脂肪酸组成，并对照ASTM、EN 14214和IS标准评价其燃料质量。研究发现，废弃山羊脂肪经两步法可获得FAME含量为92%的生物柴油，而海藻来源产物FAME含量仅约36%，后者仍需工艺优化；该结果强调了低脂质海藻需结合生物炼制框架加以利用，而废弃脂肪则展现了良好的规模化应用前景。
**二、研究人员开展的研究与总体结论**
研究人员采用“原料预处理—油脂提取/精炼—酯化/酯交换—产物纯化—组成表征”的技术路线，分别制备海藻生物柴油(B1)和山羊脂肪生物柴油(B2)。实验结果表明：海藻干粉的溶剂提取油脂产率为4.8±0.16%(w/w)，其低脂质含量符合大型藻类的典型特征，但海藻具备高单位面积生物量产率(可达100吨/公顷/年)及不与食物竞争的优势；废弃山羊脂肪经加热熔融后油脂产率为90±3%(w/w)，经酸酯化将酸值降至1.116 mg KOH/g后，碱催化酯交换获得84±2.8%(v/v)的生物柴油，GC-FID测得FAME含量达92%。海藻油脂酸值为0.481 mg KOH/g，可跳过酸酯化直接碱催化酯交换，生物柴油产率为90.67±3%(v/v)，但FAME含量仅为36%，远低于EN 14214规定的96.5%下限，说明当前条件下海藻油脂仅发生部分转化。燃料性质方面，B1与B2的十六烷值(53/52)、闪点(172/174℃)、运动粘度(4.6/5.6 mm2/s)及热值(37.70/38.78 MJ/kg)均满足相应生物柴油标准要求，但二者的氧化稳定性(6–8 h和3–6 h)表明B2未达到EN 14214的≥8 h要求。该研究首次在可比框架内独立评价了G3海藻与G2废弃动物脂肪作为生物柴油原料的可行性，为开发多元原料协同利用、减少食用油依赖的生物柴油生产路径提供了基础数据和理论依据。
**三、关键技术与方法**
研究原料分别为2025年4月采集自印度泰米尔纳德邦沿海的长心卡帕藻，以及购自印度马哈拉施特拉邦那格浦尔市当地屠宰场的新鲜废弃山羊脂肪。采用的关键技术包括：海藻经太阳能干燥后以乙醇为溶剂进行索氏提取(Soxhlet extraction)；山羊脂肪经水脱胶和柠檬酸酸脱胶去除磷脂及胶质，再以硫酸催化甲醇酯化降低游离脂肪酸(free fatty acid, FFA)含量；两种油脂均在氢氧化钾(potassium hydroxide, KOH)催化下与甲醇进行碱催化酯交换；产物经水洗、干燥纯化。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征官能团转化，气相色谱-氢火焰离子化检测(GC-FID)定量脂肪酸甲酯(fatty acid methyl ester, FAME)组成；所有实验重复三次，结果以平均值±标准差表示。
**四、研究结果**
**4.1 油脂提取**
长心卡帕藻干粉经乙醇索氏提取获得油脂产率为4.8±0.16%(w/w)，与文献报道的大型藻类脂质含量范围一致；尽管油脂产率较低，但其较高的生物量产率(100吨/公顷/年)可在单位面积总脂产量上补偿低脂质含量。乙醇作为绿色溶剂具有低毒和可再生优点，但其极性也可能导致色素、碳水化合物等非脂成分共提取，从而降低粗油纯度并影响后续酯交换效率。废弃山羊脂肪经清洗、太阳能干燥及加热处理后，油脂产率高达90±3%(w/w)，证明该废弃物作为油脂原料在产量上具有明显优势。
**4.2 生物柴油制备**
海藻油酸值为0.481 mg KOH/g，无需酸酯化预处理，直接以8:1甲醇/油摩尔比、1%(w/w)KOH、55–60℃反应2.5 h，获得生物柴油产率90.67±3%(v/v)。废弃山羊脂肪油酸值较高(4.046 mg KOH/g)，经酸酯化后降至0.561%(即1.116 mg KOH/g)，随后在6:1甲醇/油摩尔比、1%(w/w)KOH、55–60℃条件下反应2.5 h，获得生物柴油产率84±2.8%(v/v)。酯交换条件参考已有报道，未在本研究中进行参数优化。
**4.3 生物柴油燃料性质比较**
B1与B2的理化性质均基本满足ASTM、EU及IS生物柴油标准。两种生物柴油的十六烷值分别为53和52，有利于发动机平稳着火；闪点分别为172和174℃，满足安全储存与运输要求；运动粘度分别为4.6和5.6 mm2/s，处于柴油发动机允许范围；密度(855和874 kg/m3)及热值(37.70和38.78 MJ/kg)与常规柴油接近。氧化稳定性方面，B1为6–8 h，B2为3–6 h，B2未能达到EN 14214规定的≥8 h要求，意味着长期储存存在氧化降解风险，需要添加抗氧化剂或与稳定性更好的生物柴油/石化柴油掺混。水含量均低于仪器的定量限(1000 mg/kg)，但无法确证是否符合EN 14214的≤500 mg/kg限值。FAME含量分别为36%(B1)和92%(B2)，其中B2符合ASTM标准但尚未达到EN 14214的≥96.5%要求。
**4.4 脂肪酸组成**
GC-FID分析显示，B2以长链饱和脂肪酸为主，棕榈酸(C16:0)占33.64%，硬脂酸(C18:0)占27.84%，单不饱和油酸(C18:1)占5.79%；B1中短链至中链饱和脂肪酸(C4:0–C12:0)合计1.51%，多不饱和脂肪酸如亚油酸(C18:2)和亚麻酸(C18:3)含量均低于1%。饱和脂肪酸比例较高可提升十六烷值和氧化稳定性，但会恶化低温流动性；少量不饱和脂肪酸则有助于改善冷滤点，但降低氧化稳定性。B1与B2的脂肪酸谱差异与其原料脂质组成和前处理工艺密切相关。
**4.5 FTIR分析**
FTIR光谱显示，B1与B2均在约1742 cm?1处出现强酯羰基C=O伸缩振动峰，在约1170–1176 cm?1处出现C–O伸缩峰，表明甲醇酯交换后脂肪酸甲酯的形成；海藻油中3430 cm?1附近的宽O–H峰在B1中基本消失，说明游离脂肪酸和水分得到有效脱除；原料油脂中1050–1150 cm?1区域的甘油骨架特征峰在生物柴油产物中减弱或消失，佐证了甘油三酯向甲酯的转化。但FTIR分析本身不足以定量酯转化率，需结合GC-FID结果判定最终转化程度。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，海藻不与粮食作物争地、淡水需求少、生长快，且长心卡帕藻在工业上主要用作卡拉胶原料，将其油脂提取后的藻渣再用于卡拉胶等产品回收，符合循环生物炼制理念。废弃山羊脂肪来源于肉类加工副产物，无需额外土地和水资源投入。基于每头牲畜回收3 kg脂肪、油脂转化率90%、生物柴油转化率80%的估算，印度每年可由废弃羊脂产出约513437吨生物柴油；当前实验室流程的成本估算约为115卢比/千克生物柴油。此外，过程中产生的废水和粗甘油需经适当处理后回收利用，而海藻提取油脂后的残渣仍可用于提取卡拉胶等高值化合物。研究亦存在局限：海藻脂质含量较低导致FAME转化率不高，索氏提取耗时且溶剂消耗大，均相催化剂可能引发皂化副反应，分析仪器定量限影响水含量判定，且缺乏技术经济与生命周期评价。
研究结论可概括为：长心卡帕藻干粉油脂产率仅4.8%，但凭借高生物量产率、不与食物竞争及生物炼制增值潜力，仍是一种有前景的可再生生物柴油原料；废弃山羊脂肪经两步酯化—酯交换后获得84±2.8%(v/v)的生物柴油产率，FAME含量达92%，转化效率优于海藻。海藻油虽获得90.67±3%(v/v)的产率，但FAME仅约36%，属于部分转化产物，需进一步优化提取、纯化和转化工艺才能满足燃料标准。FTIR证实两种生物柴油中甲酯特征峰清晰且无甘油骨架残留。太阳能干燥技术有效降低了过程能耗。未来应结合溶剂回收、废水处理、甘油增值和藻渣综合利用进一步提升工艺的可持续性与经济性，并开展发动机性能测试和生命周期评估以验证规模化应用潜力。所得生物柴油可与常规柴油掺混使用，有助于减少化石燃料依赖。
