一种水下脉冲放电等离子体液化海藻及提取多糖的装置和方法

1.本发明涉及藻类活性成分提取技术领域，尤其涉及一种水下脉冲放电等离子体液化海藻及提取多糖的装置和方法。


背景技术：

2.社会经济持续快速的发展导致资源储量急剧下降，在能源危机和环境保护的双重压力下，人们必须加快对资源的开发与有效利用。生物质就是一种清洁、储量丰富、分布广泛的可持续再生资源原料，因此生物质的利用技术因其能够有效缓解资源问题与环境问题受到了广泛的关注。其中海藻及其加工过程中产生的废弃物在数量、加工规模方面均居世界首位，海藻及其产品含有丰富的有用物质，其中海藻多糖的应用十分广泛，但提取效率很低。
3.海藻液化提取多糖是常用的技术手段，其实际方法包括：水提取法、酸提取法、醇提取法、微波辅助提取法、超声波辅助提取法、酶辅助提取法和电场辅助提取法等，以上几种常规的提取方法存在反应时间长、过程要求严苛、容易污染环境的缺点。


技术实现要素：

4.本发明提供一种水下脉冲放电等离子体液化海藻及提取多糖的装置和方法，以克服常规海藻多糖提取方法中技术成本高、污染环境的问题。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
6.一种水下脉冲放电等离子体液化海藻及提取多糖的装置，包括反应器壳体、第一电极和第二电极，所述反应器壳体底部设有进样口，上部设有出样口，所述反应器壳体内部装有待处理海藻溶剂混合液；
7.所述第一电极从所述反应器壳体顶部插入，所述第二电极从反应器壳体底部插入，所述第一电极和第二电极在同一条竖直线上。
8.进一步地，所述第一电极和第二电极均为棒电极，第一电极底端浸没在所述待处理海藻溶剂混合液中，第一电极和第二电极连接脉冲电源；
9.所述第一电极在所述反应器壳体内的部分用第一绝缘体包裹，所述第一绝缘体的上端与反应器壳体连接，第一绝缘体的下端在待处理海藻溶剂混合液液面上方；
10.所述第二电极在所述反应器壳体内的部分用第二绝缘体包裹，所述第二绝缘体的下端与反应器壳体连接，第二绝缘体的上端裸露出第二电极的放电端。
11.进一步地，所述第一电极为板电极，电极板浸没在所述处理海藻溶剂混合液中；
12.第二电极为棒电极，所述第二电极在所述反应器壳体内的部分用第二绝缘体包裹，所述第二绝缘体的下端与反应器壳体连接，第二绝缘体的上端裸露出第二电极的放电端，所述第二电极顶端与第一电极的电极板之间放电形成等离子体。
13.进一步地，所述第一电极底端与第二电极顶端的间距为1-10mm，所述第一电极与
第二电极直径为1-15mm，放电端磨尖，第一电极放电尖端与所述第一绝缘体之间距离为1-2mm，第二电极放电尖端与所述第二绝缘体之间距离为1-2mm。
14.进一步地，所述进样口连接前处理装置，所述出样口连接分离提取装置，所述待处理海藻溶剂混合液中海藻固体原料包括：海带、浒苔、马尾藻、紫菜、裙带菜、石花菜、角叉菜或鱼腥藻；所述第一电极和第二电极的材质为：不锈钢、铜、铁、镍或铂。
15.进一步地，提供一种水下脉冲放电等离子体液化海藻及提取多糖的方法，其步骤包括：
16.通过前处理装置对海藻进行烘干和研磨处理，并将处理后的海藻与溶剂通过进样口通入反应器壳体内；
17.第一电极与第二电极连接脉冲电源，脉冲电源开始施加电压；
18.液化反应器中的第一电极与第二电极尖端之间放电，形成液相脉冲等离子体，将海藻液化。
19.进一步地，液化反应器将海藻液化完毕后，还包括步骤：
20.待处理海藻溶剂混合液通过出样口进入分离提取装置进行离心处理。
21.进一步地，所述待处理海藻溶剂混合液通过出样口进入分离提取装置进行离心处理之后，还包括步骤：
22.将离心处理后的上清液进行收集浓缩，并加入无水乙醇，进行静置和抽滤操作，产生粗多糖物质沉淀的絮状物。
23.进一步地，前处理装置烘干研磨的海藻原料粒径范围是10-120目；原料固体和溶剂液体质量比例范围是1：10-1：80；脉冲电源输出电压范围是1-30kv，放电频率范围是1-10000pps。
24.有益效果：本发明公开了一种水下脉冲放电等离子体液化海藻及提取多糖的装置和方法，在水下液相脉冲放电等离子体的辅助下反应，将生物质原料海藻的大分子长碳链打破形成小分子短碳链，与传统液化海藻提取多糖的多种方法相比，本发明整个操作条件更简单、反应速度快、且不会污染环境。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明公开的海藻提取有效成分的操作流程示意图；
27.图2为本发明公开的液相放电液化海藻的针-板液化反应器；
28.图3为本发明公开的液相放电液化海藻的棒-棒液化反应器；
29.图中：1、反应器壳体；2、第一电极；3、第一绝缘体；4、待处理海藻溶剂混合液；5、第二电极；6、第二绝缘体；11、进样口；12、出样口。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1
32.本发明提供了一种水下脉冲放电等离子体液化海藻及提取多糖的装置，如图2所示，包括：反应器壳体1、第一电极2、第二电极5和第二绝缘体6；
33.第一电极2为板电极，从反应器壳体1顶部插入，第二电极5为棒电极，从反应器壳体1底部插入，第一电极2和第二电极5的中轴线在同一条竖直线上；
34.反应器壳体1内部装有待处理海藻溶剂混合液4，第一电极2下端的电极板完全浸没在所述待处理海藻溶剂混合液4中，且电极板的下表面与第二电极5的顶端距离为1-10mm；
35.第二电极5为棒电极结构，第二电极5上方放电端磨尖，磨尖部分的长度为1-2mm，第二电极5未磨尖且在反应器壳体1内的部分用第二绝缘体6完全包裹，所述第二绝缘体6的下端与反应器壳体1连接，第二绝缘体6的上端未接触到第二电极5的磨尖部分；
36.所述第二绝缘体6的形状可以为半球体、立方体或锥体，既能起到绝缘的作用，又能集中电场，使第一电极2和第二电极5之间更容易形成液相放电通道。
37.实施例2
38.本实施例提供了一种水下脉冲放电等离子体液化海藻及提取多糖的装置，如图3所示，包括：反应器壳体1、第一电极2、第二电极5、第一绝缘体3和第二绝缘体6；
39.第一电极2和第二电极5均为棒电极，第一电极2从反应器壳体1顶部插入，第二电极5从反应器壳体1底部插入，第一电极2与第二电极5的中轴线在同一条竖直线上；
40.反应器壳体1内部装有待处理海藻溶剂混合液4，第一电极2的下顶端与第二电极5的上顶端磨尖，两个磨尖放电端之间的距离为1-10mm，磨尖部分的长度为1-2mm；
41.第一电极2磨尖部分的上方被所述第一绝缘体3完全包裹，第一绝缘体3上端与反应器壳体1连接，第一绝缘体3的下端在待处理海藻溶剂混合液的液面之上且与液面不发生接触；
42.在本实施例中，第二绝缘体6与第二电极5的位置关系和连接方式与第一个实施例完全相同；第一绝缘体3和第二绝缘体6的形状均可为半球体、立方体或者锥体，绝缘体在起到绝缘作用的同时，还能使第一电极2和第二电极5的放电尖端之间放电更集中，更容易形成稳定的等离子体。
43.实施例3
44.如图1所示，提供了一种水下脉冲放电等离子体液化海藻及提取多糖的方法，其具体步骤为：
45.步骤101、通过前处理装置对海藻进行烘干和研磨处理，并将处理后的海藻与溶剂的混合物通过进样口11通入反应器壳体1内；
46.步骤102、第一电极2和第二电极5连接脉冲电源的正负极，脉冲电源通电开始施加脉冲电压；
47.步骤103、液化反应器中的第一电极2与第二电极5的放电端开始放电，在混合液中形成液相脉冲等离子体，发生反应将海藻液化；
48.步骤104、反应完毕后，待处理海藻溶剂混合液4通过出样口12进入分离提取装置进行离心处理；
49.步骤105、将离心处理后的上清液进行收集浓缩，并加入无水乙醇，进行静置、抽滤操作，产生粗多糖物质沉淀的絮状物。
50.具体地，施加电压后，电极2周围形成电场，两电极2之间开始放电形成等离子体。以水作为体系主要的溶剂，等离子体放电处理生物质海藻的过程中，高电场加速的高能电子与中性粒子碰撞产生自由基、被激发的原子和分子，这些成分被引入到反应环境中，然后与溶剂的分子和生物质分子发生碰撞并反应，导致自由基h
+
、oh-、ch3和较小的分子碎片的形成。而生物质液化的本质就是将生物质内长碳链大分子降解变成短碳链小分子，液化进入液体体系。液化的主要途径是高能电子与生物质分子和溶剂的直接碰撞，这导致纤维素和半纤维素的裂解和降解，并且溶液中的氢离子和水分子结合生成水合氢离子h3o
+
，这样亲水性强的水溶性多糖组分就会溶出。h3o
+
进入纤维内部，和半纤维素大分子中糖苷键的氧原子结合，减弱半纤维素分子中的糖苷键直至其断裂，因此海藻被液化，质量减轻。放电过程产生的自由基、强电场、冲击波和紫外线的作用使得海藻的细胞膜和细胞壁被击穿，细胞内内含物质外泄，便于提取和收集。
51.具体地，提取多糖的本质是放电过程中，氢离子和糖苷键上的氧原子结合，导致原本位于糖苷键上的正电荷发生移动，与此同时c-o键断裂，产生c
+
离子，并与水分子中的羟基结合形成葡萄糖残基。并且氢离子与海藻中的纤维素、半纤维素都会发生反应，生成氢自由基、羟基自由基和纤维素自由基等，在氢自由基和羟基自由基的作用下破坏纤维素和半纤维素的连接键，生成单糖等多种化学物质。纤维素在放电过程下，长碳链打开主要生成葡萄糖，半纤维素主要发生链间的断裂，产物以低聚糖为主，低聚糖会进一步发生反应生成木糖。放电提供的高温高压环境会使液态水可以穿透生物质的细胞壁，进而有效提取细胞壁中的多糖物质。
52.在具体实施例中，实验建立的最佳反应体系为：海藻粒径10-120目；原料固体和溶剂液体质量比例范围是1：10-1：80；放电电压范围是1-30kv；放电频率范围是1-10000pps；电极间距范围是1-10mm；第一电极2和第二电极5的材质为：不锈钢、铜、铁、镍或铂。
53.在具体实施例中，所述待处理海藻溶剂混合液4中的海藻固体原料包括：海带、浒苔、马尾藻、紫菜、裙带菜、石花菜、角叉菜或鱼腥藻等，其中固体原料可以选用上述包括的多种或一种。
54.在具体实施例中，当液相脉冲放电等离子体技术处理海带提取多糖时，制备海带颗粒粒径为100-120目，固液质量比为1：50，放电电压为30kv，放电频率为20pps，电极间距为5mm。在此条件下，海带的液化率、多糖提出率和多糖回收率分别为52.82％、7.64％和17.56％。
55.在具体实施例中，当液相脉冲放电等离子体技术处理浒苔提取多糖时，制备浒苔颗粒粒径为100-120目，固液质量比为1：60，放电电压为30kv，放电频率为10pps，电极间距为5mm。在此条件下，浒苔的液化率、多糖提出率和多糖回收率分别为63.98％、24.01％和33.35％。
56.在具体实施例中，与使用强酸、强碱等腐蚀性较强的化学品作为溶剂提取多糖的方法对比，液相脉冲放电辅助提取多糖的方法以去离子水作为溶剂，反应过程不污染环境、
不腐蚀设备，整个过程和生产的产品均环保；
57.与使用微波辅助提取法和超声波辅助提取法相比，放电过程瞬间产生高电场、紫外线、多种活性物质及冲击波，这四种效应同步的联合影响，对大分子起到高效分解作用，整个操作条件更简单，反应速度快。
58.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。