專利名稱：一種藻類細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)明涉及一種藻類細胞破碎所用的裝置，更具體地說是利用臭氧氧化和加壓-減壓共同作用于藻類細胞進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)富營養(yǎng)化現(xiàn)象時，由于藻類等浮游生物大量繁殖，往往使水體呈現(xiàn)藍色、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。我國在1933年到1979年的46年中僅發(fā)生過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養(yǎng)化程度的日趨嚴重，藻類生長對水體的危害也變得日趨嚴重，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，研究熱點從單一的除藻問題轉(zhuǎn)向藻類的綜合利用，破碎藻類細胞壁提取藻類體內(nèi)的生物油脂就是一個重要的方向。目前國內(nèi)外藻類細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，成本過高等技術(shù)問題。

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)問題而提供一種藻類破碎所用的裝置及其在藻類細胞破碎過程中的應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種藻類細胞破碎所用的裝置，包括高壓反應(yīng)釜、臭氧發(fā)生器和空壓機，臭氧發(fā)生器和空壓機通過管道與高壓反應(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)選實施例中為壓力表。上述的一種藻類細胞破碎所用的裝置在藻類細胞破碎過程中的應(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5 min將藻液攪拌混勻；
(3)、打開臭氧發(fā)生器和空壓機，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時間后降壓至常壓，然后再升壓至O. 4 O. 8 MPa、維持I 2 s時間后再降壓至常壓，反復(fù)40 80個循環(huán)，即完成藻類細胞破碎。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的一種藻類細胞破碎所用的裝置，由于含有臭氧發(fā)生器、空壓機和高壓反應(yīng)釜，可實現(xiàn)利用壓力輔助臭氧法對藻類細胞破壁。進一步本發(fā)明的一種藻類細胞破碎所用的裝置用于藻類細胞破壁，可有效地殺死水體中的藻類，抑制富營養(yǎng)化對水體的危害。實驗證明，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胞的細胞壁和細胞膜，使細胞內(nèi)含物外流，且某些易被氧化的葉綠素等物質(zhì)可以被臭氧進一步氧 化，從而降低藻類在自然水體中腐敗氧化時所需的氧量。進一步，采用本發(fā)明的一種藻類細胞破碎所用的裝置對小球藻細胞進行破碎，對比實驗前后水體中的化學(xué)需氧量COD可以發(fā)現(xiàn)，體系中溶解性有機物含量有著明顯的增多。另外，本發(fā)明的一種藻類細胞破碎所用的裝置，具有設(shè)備簡單，操作方便，對藻類細胞的破碎效果好，易于實現(xiàn)自動化控制。


圖I、本發(fā)明的藻類細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、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。
具體實施例方式下面通過具體的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明的藻類細胞破碎所用的裝置進一步詳細描述，但并不限制本發(fā)明。本發(fā)明的應(yīng)用實施例中所用的小球藻藻種、所用的BGll培養(yǎng)基，購買于中國科學(xué)院水生生物研究所。本發(fā)明的應(yīng)用實施例中所述的藻種培養(yǎng)與藻液獲取，即將中國科學(xué)院水生生物研究所購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)，待小球藻生長到穩(wěn)定期時收獲藻液。實施例I
一種藻類細胞破碎所用的裝置，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3，臭氧發(fā)生器2和空壓機3通過管道與高壓反應(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)用實施例I
利用實施例I所述的一種藻類細胞破碎所用的裝置對藻類細胞進行破碎的方法，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，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，當達到O. 6 Mpa時，維持I 2 s時間，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^，當達到0.6 Mpa時，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、降壓過程40次即得到破碎的藻類細胞。收集上述所得的破碎的藻類細胞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,可萃取有機物產(chǎn)率為17. 6g/100g干藻。同時可以觀察到小球藻藻液在利用本發(fā)明的藻類細胞破碎裝置進行破碎前呈現(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胞碎片生成，由此表明了本工藝可以成功破碎小球藻細胞并氧化其細胞內(nèi)含物葉綠素a和葉綠素b。 對比實施例I
目前最為常用的藻類細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，型號為JYD-1200L。利用上述的超聲波藻類破碎裝置對藻類細胞的進行破碎的方法，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)置超聲時間為30min，即得破碎的小球藻藻類細胞。上述藻類細胞破碎完畢后，測定溶液溫度，溶解性C0D，葉綠素含量，結(jié)果表明，經(jīng)過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,可萃取有機物產(chǎn)率為14. lg/100g干藻。通過應(yīng)用實施例I和對比實施例I進行對比，可以看出，利用本發(fā)明的藻類細胞破碎所用的裝置對藻類細胞進行破碎后，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藻類細胞進行破碎后體系溫度上升很高，這說明了部分能量轉(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程中。進一步，本發(fā)明的藻類細胞破碎所用的裝置對細胞進行破碎后，溶解性COD含量增加僅為275 mg/L，相對于超聲破碎減少了 654 mg/L，由此表明藻類碎裂后有機物進入水體中，部分有機物被臭氧氧化，減少了水體溶解性化學(xué)需氧量；
進一步，本發(fā)明的藻類細胞破碎所用的裝置對細胞進行破碎后，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藻類細胞進行破碎后，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此功效。
進一步，本發(fā)明的藻類細胞破碎所用的裝置對細胞進行破碎后，可萃取有機物產(chǎn)率為17. 6g/100g干藻，而利用上述的超聲波藻類破碎裝置對藻類細胞進行破碎后可萃取有機物產(chǎn)率為14. lg/100g干藻，由此表明了本工藝過程生成的某些易萃取有機物與超聲波方法相當，具有相似的萃取效率。綜上所述，運用本發(fā)明的藻類細胞破碎所用的裝置對藻類細胞進行破碎，不但可以有效地破碎藻類細胞壁和細胞膜，使細胞內(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。且某些易被氧化的葉綠素等物質(zhì)可以被臭氧進一步氧化，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)明的藻類細胞破碎所用的裝置在藻類細胞破碎方面的應(yīng)用可以有效降低藻類在自然水體中腐敗氧化時所需的氧量。應(yīng)用實施例2
利用實施例I所述的一種藻類細胞破碎所用的裝置對藻類細胞進行破碎的方法，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，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，當達到O. 6 Mpa時，維持I 2 s時間，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^，當達到0.6 Mpa時，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、降壓過程80次即得到破碎的藻類細胞。收集上述所得的破碎的藻類細胞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,可萃取有機物產(chǎn)率為26. 7g/100g干藻。應(yīng)用實施例3
利用實施例I所述的一種藻類細胞破碎所用的裝置對藻類細胞進行破碎的方法，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，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^，當達到0.8 Mpa時，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^，當達到0.8 Mpa時，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、降壓過程80次即得到破碎的藻類細胞。收集上述所得的破碎的藻類細胞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,可萃取有機物產(chǎn)率為24. 3g/100g干藻。應(yīng)用實施例4
利用實施例I所述的一種藻類細胞破碎所用的裝置對藻類細胞進行破碎的方法，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，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^，當達到0.4 MPa時，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^，當達到0.4 MPa時，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、降壓過程80次即得到破碎的藻類細胞。收集上述所得的破碎的藻類細胞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,可萃取有機物產(chǎn)率為22. 5 g/100g干藻。綜上所述，本發(fā)明的藻類細胞破碎所用的裝置，由于含有臭氧發(fā)生器、空壓機和高壓反應(yīng)釜，利用其對藻類細胞進行破碎，可以實現(xiàn)利用壓力輔助臭氧法對藻類細胞破壁，以有效地殺死水體中的藻類，抑制富營養(yǎng)化對水體的危害。實驗證明，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胞的細胞壁和細胞膜，使細胞內(nèi)含物外流，且某些易被氧化的葉綠素等物質(zhì)可以被臭氧進一步氧化，從而降低藻類在自然水體中腐敗氧化時所需的氧量。以上所述僅是本發(fā)明的實施方式的舉例，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，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和變型，這些改進和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種藻類細胞破碎所用的裝置，其特征在于包括高壓反應(yīng)釜、臭氧發(fā)生器和空壓機，所述的臭氧發(fā)生器和空壓機通過管道與高壓反應(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所述的一種藻類細胞破碎所用的裝置在藻類細胞破碎中的應(yīng)用。
4.利用如權(quán)利要求I或2所述的一種藻類細胞破碎所用的裝置對藻類細胞進行破碎的方法，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5 min將藻液攪拌混勻； (3)、打開臭氧發(fā)生器和空壓機，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時間后降壓至常壓，然后再升壓至0. 4 0. 8 MPa、維持I 2 s時間后再降壓至常壓，反復(fù)40 80個循環(huán)，即完成藻類細胞破碎。
5.如權(quán)利要求4所述的利用藻類細胞破碎所用的裝置對藻類細胞進行破碎的方法，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所述的利用藻類細胞破碎所用的裝置對藻類細胞進行破碎的方法，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個循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種藻類細胞破碎所用的裝置及其應(yīng)用。所述的藻類細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，臭氧發(fā)生器和空壓機通過管道與高壓反應(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)明的一種藻類細胞破碎所用的裝置可以實現(xiàn)以臭氧為媒介，通過氣-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而破碎藻類細胞。本發(fā)明的藻類細胞破碎所用的裝置具有設(shè)備簡單，操作方便、破壁效果好，易于實現(xiàn)自動化控制等特點。
文檔編號C12R1/89GK102965280SQ201210431398
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者黃遠星, 李亮, 李洋洋, 許智華, 金小穎, 崔晨晨, 宋翠紅, 方學(xué)友 申請人:上海理工大學(xué)