专利名称：一种藻类细胞破碎所用的装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种藻类细胞破碎所用的装置，更具体地说是利用臭氧氧化和加压-减压共同作用于藻类细胞进行破碎的装置及其应用。
背景技术：
人类的生产生活产生了大量的含氮、磷等营养物质的废水，这些废水经由市政排水管网等系统进入湖泊、河流、海湾等水体，引起藻类迅速繁殖，水体中溶解氧含量下降，水质恶化，继而导致鱼类及其它生物大量死亡。近年来由于污染造成的环境恶化逐步加重，水体藻类污染的程度也逐年加深。水体出现富营养化现象时，由于藻类等浮游生物大量繁殖，往往使水体呈现蓝色、红色、绿色等，这种现象在江河湖泊中称为水华，在海洋中称为赤潮。
赤潮或水华在全球范围内频繁出现是藻类污染程度加深的直接反映。我国在1933年到1979年的46年中仅发生过12次赤潮；1990年到1994年的5年中就发生了 139次赤潮；2002年发生79起，影响面积为10150平方公里；2003年发生119起，影响面积为14550平方公里；2005年发生82起，影响面积为27070平方公里；2006年93起，影响面积为19840平方公里；2012年我国深圳南澳海面出现较大面积夜光藻赤潮。随着各自然水体中富营养化程度的日趋严重，藻类生长对水体的危害也变得日趋严重，湖泊海洋等水体中水华、赤潮现象的层出不穷使得快速有效地杀死水体中藻类技术的研发显得愈发重要和急迫。目前世界范围内有多种除藻技术，如物理除藻、化学除藻以及生物除藻等。随着世界范围内化石能源的逐年减少，研究热点从单一的除藻问题转向藻类的综合利用，破碎藻类细胞壁提取藻类体内的生物油脂就是一个重要的方向。目前国内外藻类细胞破碎所用的装置均存在结构复杂，操作困难，适用范围有限，提取步骤繁多，成本过高等技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述的提取装置结构复杂，操作困难，提取步骤繁多，适用范围有限等技术问题而提供一种藻类破碎所用的装置及其在藻类细胞破碎过程中的应用。本发明的技术方案
一种藻类细胞破碎所用的装置，包括高压反应釜、臭氧发生器和空压机，臭氧发生器和空压机通过管道与高压反应釜顶部连接，所述的高压反应釜带有搅拌装置，进一步所述的高压反应釜设有排气阀和压力显示装置，本发明一优选实施例中为压力表。上述的一种藻类细胞破碎所用的装置在藻类细胞破碎过程中的应用，具体包括下列步骤
(I)、将收获的藻液置于高压反应釜中，控制120 130 r/min转动5 min将藻液搅拌混匀；
(3)、打开臭氧发生器和空压机，控制臭氧和空气混合气体的流量为2 L/min，并控制反应釜转速为120 130 r/min匀速搅动藻液，使通入的臭氧、空气和藻液混合均匀；
其中所述的臭氧和空气混合气体按体积比计算，即臭氧空气为I :150 ；
(4)、将压力条件设置为O. 4 O. 8 MPa、维持I 2 s时间后降压至常压，然后再升压至O. 4 O. 8 MPa、维持I 2 s时间后再降压至常压，反复40 80个循环，即完成藻类细胞破碎。本发明的有益效果
本发明的一种藻类细胞破碎所用的装置，由于含有臭氧发生器、空压机和高压反应釜，可实现利用压力辅助臭氧法对藻类细胞破壁。进一步本发明的一种藻类细胞破碎所用的装置用于藻类细胞破壁，可有效地杀死水体中的藻类，抑制富营养化对水体的危害。实验证明，在最大压力为O. 8 MPa，加压-减压循环数为80的条件下，可以有效破碎藻类细胞的细胞壁和细胞膜，使细胞内含物外流，且某些易被氧化的叶绿素等物质可以被臭氧进一步氧 化，从而降低藻类在自然水体中腐败氧化时所需的氧量。进一步，采用本发明的一种藻类细胞破碎所用的装置对小球藻细胞进行破碎，对比实验前后水体中的化学需氧量COD可以发现，体系中溶解性有机物含量有着明显的增多。另外，本发明的一种藻类细胞破碎所用的装置，具有设备简单，操作方便，对藻类细胞的破碎效果好，易于实现自动化控制。
图I、本发明的藻类细胞破碎所用的装置示意图，图中I为高压反应釜、2为臭氧发生器、3为空压机、11为高压反应釜的搅拌装置、12为高压反应釜的排气阀、13为高压反应爸的压力表。
具体实施例方式下面通过具体的实施例并结合附图对本发明的藻类细胞破碎所用的装置进一步详细描述，但并不限制本发明。本发明的应用实施例中所用的小球藻藻种、所用的BGll培养基，购买于中国科学院水生生物研究所。本发明的应用实施例中所述的藻种培养与藻液获取，即将中国科学院水生生物研究所购买小球藻藻种按接种量为5%接种于BGll培养基中，于塞福PGX-350B智能培养箱25°C, 5000 lx，光暗比12h : 12h条件下培养，待小球藻生长到稳定期时收获藻液。实施例I
一种藻类细胞破碎所用的装置，其示意图如图I所示，包括高压反应釜I、臭氧发生器2和空压机3，臭氧发生器2和空压机3通过管道与高压反应釜I顶部连接，所述的高压反应釜I带有搅拌装置11，进一步所述的高压反应釜设有排气阀12和压力表13。应用实施例I
利用实施例I所述的一种藻类细胞破碎所用的装置对藻类细胞进行破碎的方法，具体包括下列步骤
(I)、量取200 ml收获的藻液于IL的高压反应釜中，在120 130 r/min条件下搅拌5min ；
(2)、打开臭氧发生器和空压机，将按体积比即臭氧空气为I:150的臭氧和空气组成的混合气体控制总流量为2 L/min通入到高压反应釜中，继续以120 130 r/min匀速搅动藻液，使通入的臭氧、空气和藻液均匀混合；
(3)、控制高压反应釜压力为O.6 MPa，当达到O. 6 Mpa时，维持I 2 s时间，打开高压反应釜的排气阀使压力降至常压，然后再升压至O. 6 10^，当达到0.6 Mpa时，再次打开高压反应釜的排气阀使压力降至常压，循环升压、降压过程40次即得到破碎的藻类细胞。收集上述所得的破碎的藻类细胞100 ml于洁净的烧杯中，体系中溶液温度为23 0C，未见明显变化。溶解性COD含量增加275 mg/L,叶绿素a减少了 O. 3 mg/L,叶绿素b含量减少了 O. 3 mg/L,总叶绿素含量减少了 O. 6 mg/L,可萃取有机物产率为17. 6g/100g干藻。同时可以观察到小球藻藻液在利用本发明的藻类细胞破碎装置进行破碎前呈现绿色，破碎后呈现白色，并且显微镜镜检结果显示有大量藻类细胞碎片生成，由此表明了本工艺可以成功破碎小球藻细胞并氧化其细胞内含物叶绿素a和叶绿素b。 对比实施例I
目前最为常用的藻类细胞破碎所用的装置为超声波藻类破碎装置，生产厂家为上海之信仪器有限公司，型号为JYD-1200L。利用上述的超声波藻类破碎装置对藻类细胞的进行破碎的方法，具体包括如下步骤
(1)、量取培养好的小球藻藻液80mL,置于200 mL烧杯之中；
(2)、将超声头置入小球藻藻液中部区域，并且将超声频率设置为20kHz，功率设置为360 W ；
(3)、打开超声波发生器电源，设置超声时间为30min，即得破碎的小球藻藻类细胞。上述藻类细胞破碎完毕后，测定溶液温度，溶解性C0D，叶绿素含量，结果表明，经过上述超声波方法处理后，体系中溶液温度上升至70°C，溶解性COD含量增加979 mg/L,叶绿素a增加了 3.5 mg/L，叶绿素b含量增加了 3.7 mg/L，总叶绿素含量增加了 7.2 mg/L,可萃取有机物产率为14. lg/100g干藻。通过应用实施例I和对比实施例I进行对比，可以看出，利用本发明的藻类细胞破碎所用的装置对藻类细胞进行破碎后，体系的温度基本维持恒定，而利用上述的超声波藻类破碎装置对藻类细胞进行破碎后体系温度上升很高，这说明了部分能量转化为热量散失于周围环境中，并未有效地应用于藻类破碎工艺过程中。进一步，本发明的藻类细胞破碎所用的装置对细胞进行破碎后，溶解性COD含量增加仅为275 mg/L，相对于超声破碎减少了 654 mg/L，由此表明藻类碎裂后有机物进入水体中，部分有机物被臭氧氧化，减少了水体溶解性化学需氧量；
进一步，本发明的藻类细胞破碎所用的装置对细胞进行破碎后，叶绿素a减少了 O. 3mg/L,叶绿素b含量减少了 O. 3 mg/L,总叶绿素含量减少了 O. 6 mg/L,而利用上述的超声波藻类破碎装置对藻类细胞进行破碎后，叶绿素a增加了 3. 5 mg/L,叶绿素b含量增加了3.7 mg/L，总叶绿素含量增加了 7. 2 mg/L,由此表明了叶绿素容易被臭氧氧化，细胞破碎后很快与臭氧反应而得到去除，而超声波破碎装置则无此功效。
进一步，本发明的藻类细胞破碎所用的装置对细胞进行破碎后，可萃取有机物产率为17. 6g/100g干藻，而利用上述的超声波藻类破碎装置对藻类细胞进行破碎后可萃取有机物产率为14. lg/100g干藻，由此表明了本工艺过程生成的某些易萃取有机物与超声波方法相当，具有相似的萃取效率。综上所述，运用本发明的藻类细胞破碎所用的装置对藻类细胞进行破碎，不但可以有效地破碎藻类细胞壁和细胞膜，使细胞内含物外流，得到17. 6g/100g干藻产率，与超声工艺14. lg/100g干藻产率相当。且某些易被氧化的叶绿素等物质可以被臭氧进一步氧化，破碎后体系中叶绿素含量下降O. 6 11^/1，而超声工艺则上升了7.2 mg/L，因此本发明的藻类细胞破碎所用的装置在藻类细胞破碎方面的应用可以有效降低藻类在自然水体中腐败氧化时所需的氧量。应用实施例2
利用实施例I所述的一种藻类细胞破碎所用的装置对藻类细胞进行破碎的方法，具体包括下列步骤
(1)、量取200ml收获的小球藻溶液于I L的高压反应釜中，在120 130 r/min条件下搅拌5 min ；
(2)、打开臭氧发生器和空压机，将按体积比即臭氧空气为I:150的臭氧和空气组成的混合气体控制总流量为2 L/min通入到高压反应釜中，继续以120 130 r/min匀速搅动藻液，使通入的臭氧、空气和藻液均匀混合；
(3)、设定压力为O.6 MPa，当达到O. 6 Mpa时，维持I 2 s时间，打开高压反应釜的排气阀使压力降至常压，然后再升压至O. 6 10^，当达到0.6 Mpa时，再次打开高压反应釜的排气阀使压力降至常压，循环升压、降压过程80次即得到破碎的藻类细胞。收集上述所得的破碎的藻类细胞100 ml于洁净的烧杯中，体系中溶液温度为240C，未见明显变化。溶解性COD含量增加243 mg/L,叶绿素a减少了 O. I mg/L,叶绿素b含量减少了 O. 2 mg/L,总叶绿素含量减少了 O. 3 mg/L,可萃取有机物产率为26. 7g/100g干藻。应用实施例3
利用实施例I所述的一种藻类细胞破碎所用的装置对藻类细胞进行破碎的方法，具体包括下列步骤
(1)、量取200ml收获的小球藻溶液于I L的高压反应釜中，在120 130 r/min条件下搅拌5 min ；
(2)、打开臭氧发生器和空压机，将按体积比即臭氧空气为I:150的臭氧和空气组成的混合气体控制总流量为2 L/min通入到高压反应釜中，继续以120 130 r/min匀速搅动藻液，使通入的臭氧、空气和藻液均匀混合；
(3)、设定压力为O.8 10^，当达到0.8 Mpa时，打开高压反应釜的排气阀使压力降至常压，然后再升压至O. 8 10^，当达到0.8 Mpa时，再次打开高压反应釜的排气阀使压力降至常压，循环升压、降压过程80次即得到破碎的藻类细胞。收集上述所得的破碎的藻类细胞100 ml于洁净的烧杯中，体系中溶液温度为24°C，未见明显变化。溶解性COD含量增加1126 mg/L，叶绿素a减少了 O. 3 mg/L，叶绿素b含量减少了 O. 4 mg/L，总叶绿素含量减少了 O. 7 mg/L,可萃取有机物产率为24. 3g/100g干藻。应用实施例4
利用实施例I所述的一种藻类细胞破碎所用的装置对藻类细胞进行破碎的方法，具体包括下列步骤
(1)、量取200ml收获的小球藻溶液于I L的高压反应釜中，在120 130 r/min条件下搅拌5 min ；
(2)、打开臭氧发生器和空压机，将按体积比即臭氧空气为I:150的臭氧和空气组成的混合气体控制总流量为2 L/min通入到高压反应釜中，继续以120 130 r/min匀速搅动藻液，使通入的臭氧、空气和藻液均匀混合；
(3)、设定压力为O.4 10^，当达到0.4 MPa时，打开高压反应釜的排气阀使压力降至常压，然后再升压至O. 4 10^，当达到0.4 MPa时，再次打开高压反应釜的排气阀使压力降至常 压，循环升压、降压过程80次即得到破碎的藻类细胞。收集上述所得的破碎的藻类细胞100 ml于洁净的烧杯中，体系中溶液温度为24°C，未见明显变化。溶解性COD含量增加201 mg/L，叶绿素a减少了 O. 2 mg/L，叶绿素b含量减少了 O. 2 mg/L，总叶绿素含量减少了 0.4 mg/L,可萃取有机物产率为22. 5 g/100g干藻。综上所述，本发明的藻类细胞破碎所用的装置，由于含有臭氧发生器、空压机和高压反应釜，利用其对藻类细胞进行破碎，可以实现利用压力辅助臭氧法对藻类细胞破壁，以有效地杀死水体中的藻类，抑制富营养化对水体的危害。实验证明，在最大压力为O. 8 MPa,加压-减压循环数为80的条件下，可以有效破碎藻类细胞的细胞壁和细胞膜，使细胞内含物外流，且某些易被氧化的叶绿素等物质可以被臭氧进一步氧化，从而降低藻类在自然水体中腐败氧化时所需的氧量。以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种藻类细胞破碎所用的装置，其特征在于包括高压反应釜、臭氧发生器和空压机，所述的臭氧发生器和空压机通过管道与高压反应釜顶部连接； 所述的高压反应釜带有搅拌装置，所述的高压反应釜还设有排气阀和压力显示装置。
2.如权利要求I所述的一种藻类细胞破碎所用的装置，其特征在于所述的压力显示装置为压力表。
3.如权利要求I或2所述的一种藻类细胞破碎所用的装置在藻类细胞破碎中的应用。
4.利用如权利要求I或2所述的一种藻类细胞破碎所用的装置对藻类细胞进行破碎的方法，其特征在于具体包括如下步骤 (I)、将收获的藻液置于高压反应釜中，控制120 130 r/min转动5 min将藻液搅拌混匀； (3)、打开臭氧发生器和空压机，控制臭氧和空气混合气体的流量为2L/min，并控制反应釜转速为120 130 r/min匀速搅动藻液，使通入的臭氧、空气和藻液混合均匀； (4)、将压力条件设置为0.4 0.8MPa、维持I 2 s时间后降压至常压，然后再升压至0. 4 0. 8 MPa、维持I 2 s时间后再降压至常压，反复40 80个循环，即完成藻类细胞破碎。
5.如权利要求4所述的利用藻类细胞破碎所用的装置对藻类细胞进行破碎的方法，其特征在于步骤(2)中所述的臭氧和空气混合气体按体积比计算，即臭氧空气为I :150。
6.如权利要求5所述的利用藻类细胞破碎所用的装置对藻类细胞进行破碎的方法，其特征在于步骤(4)中所述的压力条件设置为0.8 MPa,反复80个循环。
全文摘要
本发明公开一种藻类细胞破碎所用的装置及其应用。所述的藻类细胞破碎所用的装置包括高压反应釜、臭氧发生器和空压机，臭氧发生器和空压机通过管道与高压反应釜顶部连接，所述的高压反应釜带有搅拌装置，进一步所述的高压反应釜设有排气阀和压力显示装置。本发明的一种藻类细胞破碎所用的装置可以实现以臭氧为媒介，通过气-液反应，作用于藻液，在搅拌器作用下使臭氧与藻液混合均匀进而破碎藻类细胞。本发明的藻类细胞破碎所用的装置具有设备简单，操作方便、破壁效果好，易于实现自动化控制等特点。
文档编号C12R1/89GK102965280SQ201210431398
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月2日 优先权日2012年11月2日
发明者黄远星, 李亮, 李洋洋, 许智华, 金小颖, 崔晨晨, 宋翠红, 方学友 申请人:上海理工大学