生物柴油具有不含硫、可再生和含氧量高等 特點，是一種優良的石化柴油替代品。 傳統的生 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行制備，存在 “與民爭地、與人爭糧”的問題，使得生物柴油的 產量受到限制。 海藻具有生長速度快、適應環境 能力強、油脂含量高和不占用耕地等優點，有望 解決制備生物柴油的原料供應不足的問題，已經 成為生物燃料研究領域的熱點。

近年來， 國內外學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行了萃取 ， 并優化了小球藻生物柴油的制備工藝， 在優化 后的最佳工藝條件下，小球藻生物柴油（Chlorella Biodiesel Fuel，CBF）的產率可達 1.77%。 畢生 雷通過單因素試驗考察了硫酸添加量、含水量、 乙醇添加量、 反應溫度和反應時間對小球藻生 物柴油產率的影響， 并采用正交試驗對反應條 件進行了優化， 得出的最佳工藝條件為硫酸與 原料的質量比為 6∶1，含水量為 10%，乙醇與原 料的質量比為 11∶1，反應溫度為 90 ℃，反應時 間為 3 h，在此條件下，小球藻生物柴油的產率 高達 59.72%。 徐玉福采用水熱催化液化法與正 交 試 驗 相 結 合 的 方 法 制 備 了 小 球 藻 生 物 柴 油，并得到了最優反應條件，即采用質量分數為 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 量比為 1∶10，在此條件下，小球藻生物柴油的產 率可達 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，研究發現，小球藻的水分含量對生物柴 油產率的影響不大， 通過微波反應器的處理可 促進脂肪酸分子的釋放， 從而提高生物柴油的 產率。 Shirazi 將響應面法與中心組合設計法相 結合，研究了反應溫度、反應時間、微藻含水量 和臨界壓力等因素對生物柴油產率的影響，研 究發現， 在反應溫度為 300 ℃， 反應時間為 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 率 高 達 99.32% 。 Sharma 通過半連續培養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、 反應溫度和反應時間等條件對生物柴油產 率的影響，通過正交試驗優化反應條件，生物柴 油的產率可達 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 行 酯 交 換 反 應 制 備 了 小 球 藻 生 物 柴 油，采用正交試驗優化了酯交換反應條件，在反應溫度為 60 ℃，反應時間為 4 h，催化劑和溶劑 質量比為 1∶400 的條件下， 小球藻生物柴油的 產率為 36.78%。

本試驗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%，油脂產率為 2~1 200 mg/（L·d），生物質產 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 內增長 4 倍，易于培養，成本 較低，適用于生物柴油的大規模生產。 本試驗所用的儀器主要有 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(上海精宏實驗設備有限公司擬)、 安捷倫 6890GC 氣質聯用 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胞壁內， 難以析出，影響酯交換反應的進行，因而需要對細 胞壁進行破碎預處理。 采用超聲波振蕩法、研磨法和反復凍融法對小球藻藻粉進行破壁處理，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， 反復凍融 次數分別為 2，3，4，5，6。 以預處理后的小球藻藻 粉為原料，在反應溫度為 70 ℃，反應時間為 5 h， 攪拌速度為 300 r/min，小球藻藻粉質量為 5 g，甲 醇用量為 30 mL，濃硫酸用量為 1 mL 的工藝條件 下，采用直接轉酯法制備小球藻生物柴油，通過比 較小球藻生物柴油的產率， 考察不同預處理方法 的破壁效果。

小球藻生物柴油產率（η）的計算式為

1.2.2 正交試驗方案

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

1.2.3 神經網絡預測方案

利 用 非 線 性 逼 近 性 能 較 強 的 廣 義 回 歸 神 經網絡，預測 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率。 利用 Matlab 軟件編程， 對所選取的 25 個樣本采用dividevec 函 數 隨 機 分 成 訓 練 樣 本 （80% ） 和 驗 證 樣 本 （20%）兩部分。 本文建立的神經網絡分為 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 溫 度 、 反應時間、攪拌速度）作為輸入量，小球藻生物 柴油的產率作為輸出量。

隨著超聲波振蕩時 間、研磨時間和反復凍融次數的增加，小球藻生物 柴油的產率先逐漸升高后趨于穩定。 由此可見，3 種方法均有利于細胞壁的破碎， 從而促進油脂的 析出，且破壁效果為超聲波振蕩法>研磨法>反復 凍融法。因此，后續試驗采用超聲波振蕩和研磨相 結合的方法對小球藻藻粉進行預處理， 以期最大 程度地破碎小球藻細胞壁。，隨著反應時間的逐漸延長， 小球藻生物柴油的產率先逐漸增加后保持平穩， 最后維持在 2.2%左右。 這是因為隨著反應時間的 延長，酯交換反應進行得更加充分，使得小球藻生 物柴油的產率逐漸升高； 當反應時間進一步延長 時， 反應物的蒸發流失導致小球藻生物柴油產率 上升的速度減慢。 過長的反應時間會增大能量的 消耗，增加制備成本，因此，最佳反應時間為 8 h。

①采用直接轉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處理效果，其中， 研磨法和超聲波振蕩法均能取得較好的預處理效果。

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

③通過人工神經網絡模型， 可以較好地優化 小球藻生物柴油制備工藝， 并使結果誤差控制在 5%以內。 優化后的工藝條件為甲醇用量為 40 mL，濃硫酸用量為 1.7 mL，反應溫度為 55 ℃，反 應時間為 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 家標準，可作為車用柴油的替代燃料。