專利名稱：一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置，更具體地說(shuō)是利用臭氧氧化和加壓-減壓共同作用于藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎的裝置及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了大量的含氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的廢水，這些廢水經(jīng)由市政排水管網(wǎng)等系統(tǒng)進(jìn)入湖泊、河流、海灣等水體，引起藻類迅速繁殖，水體中溶解氧含量下降，水質(zhì)惡化，繼而導(dǎo)致魚類及其它生物大量死亡。近年來(lái)由于污染造成的環(huán)境惡化逐步加重，水體藻類污染的程度也逐年加深。水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象時(shí)，由于藻類等浮游生物大量繁殖，往往使水體呈現(xiàn)藍(lán)色、紅色、綠色等，這種現(xiàn)象在江河湖泊中稱為水華，在海洋中稱為赤潮。
赤潮或水華在全球范圍內(nèi)頻繁出現(xiàn)是藻類污染程度加深的直接反映。我國(guó)在1933年到1979年的46年中僅發(fā)生過(guò)12次赤潮；1990年到1994年的5年中就發(fā)生了 139次赤潮；2002年發(fā)生79起，影響面積為10150平方公里；2003年發(fā)生119起，影響面積為14550平方公里；2005年發(fā)生82起，影響面積為27070平方公里；2006年93起，影響面積為19840平方公里；2012年我國(guó)深圳南澳海面出現(xiàn)較大面積夜光藻赤潮。隨著各自然水體中富營(yíng)養(yǎng)化程度的日趨嚴(yán)重，藻類生長(zhǎng)對(duì)水體的危害也變得日趨嚴(yán)重，湖泊海洋等水體中水華、赤潮現(xiàn)象的層出不窮使得快速有效地殺死水體中藻類技術(shù)的研發(fā)顯得愈發(fā)重要和急迫。目前世界范圍內(nèi)有多種除藻技術(shù)，如物理除藻、化學(xué)除藻以及生物除藻等。隨著世界范圍內(nèi)化石能源的逐年減少，研究熱點(diǎn)從單一的除藻問(wèn)題轉(zhuǎn)向藻類的綜合利用，破碎藻類細(xì)胞壁提取藻類體內(nèi)的生物油脂就是一個(gè)重要的方向。目前國(guó)內(nèi)外藻類細(xì)胞破碎所用的裝置均存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難，適用范圍有限，提取步驟繁多，成本過(guò)高等技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述的提取裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難，提取步驟繁多，適用范圍有限等技術(shù)問(wèn)題而提供一種藻類破碎所用的裝置及其在藻類細(xì)胞破碎過(guò)程中的應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置，包括高壓反應(yīng)釜、臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)，臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)通過(guò)管道與高壓反應(yīng)釜頂部連接，所述的高壓反應(yīng)釜帶有攪拌裝置，進(jìn)一步所述的高壓反應(yīng)釜設(shè)有排氣閥和壓力顯示裝置，本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中為壓力表。上述的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置在藻類細(xì)胞破碎過(guò)程中的應(yīng)用，具體包括下列步驟
(I)、將收獲的藻液置于高壓反應(yīng)釜中，控制120 130 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)5 min將藻液攪拌混勻；
(3)、打開臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)，控制臭氧和空氣混合氣體的流量為2 L/min，并控制反應(yīng)釜轉(zhuǎn)速為120 130 r/min勻速攪動(dòng)藻液，使通入的臭氧、空氣和藻液混合均勻；
其中所述的臭氧和空氣混合氣體按體積比計(jì)算，即臭氧空氣為I :150 ；
(4)、將壓力條件設(shè)置為O. 4 O. 8 MPa、維持I 2 s時(shí)間后降壓至常壓，然后再升壓至O. 4 O. 8 MPa、維持I 2 s時(shí)間后再降壓至常壓，反復(fù)40 80個(gè)循環(huán)，即完成藻類細(xì)胞破碎。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置，由于含有臭氧發(fā)生器、空壓機(jī)和高壓反應(yīng)釜，可實(shí)現(xiàn)利用壓力輔助臭氧法對(duì)藻類細(xì)胞破壁。進(jìn)一步本發(fā)明的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置用于藻類細(xì)胞破壁，可有效地殺死水體中的藻類，抑制富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)水體的危害。實(shí)驗(yàn)證明，在最大壓力為O. 8 MPa，加壓-減壓循環(huán)數(shù)為80的條件下，可以有效破碎藻類細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)含物外流，且某些易被氧化的葉綠素等物質(zhì)可以被臭氧進(jìn)一步氧 化，從而降低藻類在自然水體中腐敗氧化時(shí)所需的氧量。進(jìn)一步，采用本發(fā)明的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)小球藻細(xì)胞進(jìn)行破碎，對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后水體中的化學(xué)需氧量COD可以發(fā)現(xiàn)，體系中溶解性有機(jī)物含量有著明顯的增多。另外，本發(fā)明的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)藻類細(xì)胞的破碎效果好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。


圖I、本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置示意圖，圖中I為高壓反應(yīng)釜、2為臭氧發(fā)生器、3為空壓機(jī)、11為高壓反應(yīng)釜的攪拌裝置、12為高壓反應(yīng)釜的排氣閥、13為高壓反應(yīng)爸的壓力表。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置進(jìn)一步詳細(xì)描述，但并不限制本發(fā)明。本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)施例中所用的小球藻藻種、所用的BGll培養(yǎng)基，購(gòu)買于中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所。本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)施例中所述的藻種培養(yǎng)與藻液獲取，即將中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所購(gòu)買小球藻藻種按接種量為5%接種于BGll培養(yǎng)基中，于塞福PGX-350B智能培養(yǎng)箱25°C, 5000 lx，光暗比12h : 12h條件下培養(yǎng)，待小球藻生長(zhǎng)到穩(wěn)定期時(shí)收獲藻液。實(shí)施例I
一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置，其示意圖如圖I所示，包括高壓反應(yīng)釜I、臭氧發(fā)生器2和空壓機(jī)3，臭氧發(fā)生器2和空壓機(jī)3通過(guò)管道與高壓反應(yīng)釜I頂部連接，所述的高壓反應(yīng)釜I帶有攪拌裝置11，進(jìn)一步所述的高壓反應(yīng)釜設(shè)有排氣閥12和壓力表13。應(yīng)用實(shí)施例I
利用實(shí)施例I所述的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎的方法，具體包括下列步驟
(I)、量取200 ml收獲的藻液于IL的高壓反應(yīng)釜中，在120 130 r/min條件下攪拌5min ；
(2)、打開臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)，將按體積比即臭氧空氣為I:150的臭氧和空氣組成的混合氣體控制總流量為2 L/min通入到高壓反應(yīng)釜中，繼續(xù)以120 130 r/min勻速攪動(dòng)藻液，使通入的臭氧、空氣和藻液均勻混合；
(3)、控制高壓反應(yīng)釜壓力為O.6 MPa，當(dāng)達(dá)到O. 6 Mpa時(shí)，維持I 2 s時(shí)間，打開高壓反應(yīng)釜的排氣閥使壓力降至常壓，然后再升壓至O. 6 10^，當(dāng)達(dá)到0.6 Mpa時(shí)，再次打開高壓反應(yīng)釜的排氣閥使壓力降至常壓，循環(huán)升壓、降壓過(guò)程40次即得到破碎的藻類細(xì)胞。收集上述所得的破碎的藻類細(xì)胞100 ml于潔凈的燒杯中，體系中溶液溫度為23 0C，未見明顯變化。溶解性COD含量增加275 mg/L,葉綠素a減少了 O. 3 mg/L,葉綠素b含量減少了 O. 3 mg/L,總?cè)~綠素含量減少了 O. 6 mg/L,可萃取有機(jī)物產(chǎn)率為17. 6g/100g干藻。同時(shí)可以觀察到小球藻藻液在利用本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎裝置進(jìn)行破碎前呈現(xiàn)綠色，破碎后呈現(xiàn)白色，并且顯微鏡鏡檢結(jié)果顯示有大量藻類細(xì)胞碎片生成，由此表明了本工藝可以成功破碎小球藻細(xì)胞并氧化其細(xì)胞內(nèi)含物葉綠素a和葉綠素b。 對(duì)比實(shí)施例I
目前最為常用的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置為超聲波藻類破碎裝置，生產(chǎn)廠家為上海之信儀器有限公司，型號(hào)為JYD-1200L。利用上述的超聲波藻類破碎裝置對(duì)藻類細(xì)胞的進(jìn)行破碎的方法，具體包括如下步驟
(1)、量取培養(yǎng)好的小球藻藻液80mL,置于200 mL燒杯之中；
(2)、將超聲頭置入小球藻藻液中部區(qū)域，并且將超聲頻率設(shè)置為20kHz，功率設(shè)置為360 W ；
(3)、打開超聲波發(fā)生器電源，設(shè)置超聲時(shí)間為30min，即得破碎的小球藻藻類細(xì)胞。上述藻類細(xì)胞破碎完畢后，測(cè)定溶液溫度，溶解性C0D，葉綠素含量，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)上述超聲波方法處理后，體系中溶液溫度上升至70°C，溶解性COD含量增加979 mg/L,葉綠素a增加了 3.5 mg/L，葉綠素b含量增加了 3.7 mg/L，總?cè)~綠素含量增加了 7.2 mg/L,可萃取有機(jī)物產(chǎn)率為14. lg/100g干藻。通過(guò)應(yīng)用實(shí)施例I和對(duì)比實(shí)施例I進(jìn)行對(duì)比，可以看出，利用本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎后，體系的溫度基本維持恒定，而利用上述的超聲波藻類破碎裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎后體系溫度上升很高，這說(shuō)明了部分能量轉(zhuǎn)化為熱量散失于周圍環(huán)境中，并未有效地應(yīng)用于藻類破碎工藝過(guò)程中。進(jìn)一步，本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破碎后，溶解性COD含量增加僅為275 mg/L，相對(duì)于超聲破碎減少了 654 mg/L，由此表明藻類碎裂后有機(jī)物進(jìn)入水體中，部分有機(jī)物被臭氧氧化，減少了水體溶解性化學(xué)需氧量；
進(jìn)一步，本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破碎后，葉綠素a減少了 O. 3mg/L,葉綠素b含量減少了 O. 3 mg/L,總?cè)~綠素含量減少了 O. 6 mg/L,而利用上述的超聲波藻類破碎裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎后，葉綠素a增加了 3. 5 mg/L,葉綠素b含量增加了3.7 mg/L，總?cè)~綠素含量增加了 7. 2 mg/L,由此表明了葉綠素容易被臭氧氧化，細(xì)胞破碎后很快與臭氧反應(yīng)而得到去除，而超聲波破碎裝置則無(wú)此功效。
進(jìn)一步，本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破碎后，可萃取有機(jī)物產(chǎn)率為17. 6g/100g干藻，而利用上述的超聲波藻類破碎裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎后可萃取有機(jī)物產(chǎn)率為14. lg/100g干藻，由此表明了本工藝過(guò)程生成的某些易萃取有機(jī)物與超聲波方法相當(dāng)，具有相似的萃取效率。綜上所述，運(yùn)用本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎，不但可以有效地破碎藻類細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)含物外流，得到17. 6g/100g干藻產(chǎn)率，與超聲工藝14. lg/100g干藻產(chǎn)率相當(dāng)。且某些易被氧化的葉綠素等物質(zhì)可以被臭氧進(jìn)一步氧化，破碎后體系中葉綠素含量下降O. 6 11^/1，而超聲工藝則上升了7.2 mg/L，因此本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置在藻類細(xì)胞破碎方面的應(yīng)用可以有效降低藻類在自然水體中腐敗氧化時(shí)所需的氧量。應(yīng)用實(shí)施例2
利用實(shí)施例I所述的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎的方法，具體包括下列步驟
(1)、量取200ml收獲的小球藻溶液于I L的高壓反應(yīng)釜中，在120 130 r/min條件下攪拌5 min ；
(2)、打開臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)，將按體積比即臭氧空氣為I:150的臭氧和空氣組成的混合氣體控制總流量為2 L/min通入到高壓反應(yīng)釜中，繼續(xù)以120 130 r/min勻速攪動(dòng)藻液，使通入的臭氧、空氣和藻液均勻混合；
(3)、設(shè)定壓力為O.6 MPa，當(dāng)達(dá)到O. 6 Mpa時(shí)，維持I 2 s時(shí)間，打開高壓反應(yīng)釜的排氣閥使壓力降至常壓，然后再升壓至O. 6 10^，當(dāng)達(dá)到0.6 Mpa時(shí)，再次打開高壓反應(yīng)釜的排氣閥使壓力降至常壓，循環(huán)升壓、降壓過(guò)程80次即得到破碎的藻類細(xì)胞。收集上述所得的破碎的藻類細(xì)胞100 ml于潔凈的燒杯中，體系中溶液溫度為240C，未見明顯變化。溶解性COD含量增加243 mg/L,葉綠素a減少了 O. I mg/L,葉綠素b含量減少了 O. 2 mg/L,總?cè)~綠素含量減少了 O. 3 mg/L,可萃取有機(jī)物產(chǎn)率為26. 7g/100g干藻。應(yīng)用實(shí)施例3
利用實(shí)施例I所述的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎的方法，具體包括下列步驟
(1)、量取200ml收獲的小球藻溶液于I L的高壓反應(yīng)釜中，在120 130 r/min條件下攪拌5 min ；
(2)、打開臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)，將按體積比即臭氧空氣為I:150的臭氧和空氣組成的混合氣體控制總流量為2 L/min通入到高壓反應(yīng)釜中，繼續(xù)以120 130 r/min勻速攪動(dòng)藻液，使通入的臭氧、空氣和藻液均勻混合；
(3)、設(shè)定壓力為O.8 10^，當(dāng)達(dá)到0.8 Mpa時(shí)，打開高壓反應(yīng)釜的排氣閥使壓力降至常壓，然后再升壓至O. 8 10^，當(dāng)達(dá)到0.8 Mpa時(shí)，再次打開高壓反應(yīng)釜的排氣閥使壓力降至常壓，循環(huán)升壓、降壓過(guò)程80次即得到破碎的藻類細(xì)胞。收集上述所得的破碎的藻類細(xì)胞100 ml于潔凈的燒杯中，體系中溶液溫度為24°C，未見明顯變化。溶解性COD含量增加1126 mg/L，葉綠素a減少了 O. 3 mg/L，葉綠素b含量減少了 O. 4 mg/L，總?cè)~綠素含量減少了 O. 7 mg/L,可萃取有機(jī)物產(chǎn)率為24. 3g/100g干藻。應(yīng)用實(shí)施例4
利用實(shí)施例I所述的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎的方法，具體包括下列步驟
(1)、量取200ml收獲的小球藻溶液于I L的高壓反應(yīng)釜中，在120 130 r/min條件下攪拌5 min ；
(2)、打開臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)，將按體積比即臭氧空氣為I:150的臭氧和空氣組成的混合氣體控制總流量為2 L/min通入到高壓反應(yīng)釜中，繼續(xù)以120 130 r/min勻速攪動(dòng)藻液，使通入的臭氧、空氣和藻液均勻混合；
(3)、設(shè)定壓力為O.4 10^，當(dāng)達(dá)到0.4 MPa時(shí)，打開高壓反應(yīng)釜的排氣閥使壓力降至常壓，然后再升壓至O. 4 10^，當(dāng)達(dá)到0.4 MPa時(shí)，再次打開高壓反應(yīng)釜的排氣閥使壓力降至常 壓，循環(huán)升壓、降壓過(guò)程80次即得到破碎的藻類細(xì)胞。收集上述所得的破碎的藻類細(xì)胞100 ml于潔凈的燒杯中，體系中溶液溫度為24°C，未見明顯變化。溶解性COD含量增加201 mg/L，葉綠素a減少了 O. 2 mg/L，葉綠素b含量減少了 O. 2 mg/L，總?cè)~綠素含量減少了 0.4 mg/L,可萃取有機(jī)物產(chǎn)率為22. 5 g/100g干藻。綜上所述，本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置，由于含有臭氧發(fā)生器、空壓機(jī)和高壓反應(yīng)釜，利用其對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎，可以實(shí)現(xiàn)利用壓力輔助臭氧法對(duì)藻類細(xì)胞破壁，以有效地殺死水體中的藻類，抑制富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)水體的危害。實(shí)驗(yàn)證明，在最大壓力為O. 8 MPa,加壓-減壓循環(huán)數(shù)為80的條件下，可以有效破碎藻類細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)含物外流，且某些易被氧化的葉綠素等物質(zhì)可以被臭氧進(jìn)一步氧化，從而降低藻類在自然水體中腐敗氧化時(shí)所需的氧量。以上所述僅是本發(fā)明的實(shí)施方式的舉例，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置，其特征在于包括高壓反應(yīng)釜、臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)，所述的臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)通過(guò)管道與高壓反應(yīng)釜頂部連接； 所述的高壓反應(yīng)釜帶有攪拌裝置，所述的高壓反應(yīng)釜還設(shè)有排氣閥和壓力顯示裝置。
2.如權(quán)利要求I所述的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置，其特征在于所述的壓力顯示裝置為壓力表。
3.如權(quán)利要求I或2所述的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置在藻類細(xì)胞破碎中的應(yīng)用。
4.利用如權(quán)利要求I或2所述的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎的方法，其特征在于具體包括如下步驟 (I)、將收獲的藻液置于高壓反應(yīng)釜中，控制120 130 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)5 min將藻液攪拌混勻； (3)、打開臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)，控制臭氧和空氣混合氣體的流量為2L/min，并控制反應(yīng)釜轉(zhuǎn)速為120 130 r/min勻速攪動(dòng)藻液，使通入的臭氧、空氣和藻液混合均勻； (4)、將壓力條件設(shè)置為0.4 0.8MPa、維持I 2 s時(shí)間后降壓至常壓，然后再升壓至0. 4 0. 8 MPa、維持I 2 s時(shí)間后再降壓至常壓，反復(fù)40 80個(gè)循環(huán)，即完成藻類細(xì)胞破碎。
5.如權(quán)利要求4所述的利用藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎的方法，其特征在于步驟(2)中所述的臭氧和空氣混合氣體按體積比計(jì)算，即臭氧空氣為I :150。
6.如權(quán)利要求5所述的利用藻類細(xì)胞破碎所用的裝置對(duì)藻類細(xì)胞進(jìn)行破碎的方法，其特征在于步驟(4)中所述的壓力條件設(shè)置為0.8 MPa,反復(fù)80個(gè)循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置及其應(yīng)用。所述的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置包括高壓反應(yīng)釜、臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)，臭氧發(fā)生器和空壓機(jī)通過(guò)管道與高壓反應(yīng)釜頂部連接，所述的高壓反應(yīng)釜帶有攪拌裝置，進(jìn)一步所述的高壓反應(yīng)釜設(shè)有排氣閥和壓力顯示裝置。本發(fā)明的一種藻類細(xì)胞破碎所用的裝置可以實(shí)現(xiàn)以臭氧為媒介，通過(guò)氣-液反應(yīng)，作用于藻液，在攪拌器作用下使臭氧與藻液混合均勻進(jìn)而破碎藻類細(xì)胞。本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎所用的裝置具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便、破壁效果好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C12R1/89GK102965280SQ201210431398
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者黃遠(yuǎn)星, 李亮, 李洋洋, 許智華, 金小穎, 崔晨晨, 宋翠紅, 方學(xué)友 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)