專利名稱：一種藻類細(xì)胞破碎的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種藻類細(xì)胞破碎的方法，更具體地說是利用臭氧氧化和加壓-減壓共同作用破碎小球藻細(xì)胞的新方法。
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(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(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(yán)重，藻類生長對(duì)水體的危害也變得不容忽視，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。目前國內(nèi)外微藻油脂破壁提取技術(shù)主要包括機(jī)械超微粉碎破壁技術(shù)、熱化學(xué)破壁提取技術(shù)、超臨界流體提取技術(shù)、超聲微波輔助提取法等。但上述方法存在著步驟繁多，操作困難，適用范圍有限，成本過高等問題。在壓力輔助下利用臭氧的強(qiáng)氧化性破碎藻類細(xì)胞的研究還未有報(bào)道。臭氧氧化分為直接和間接兩種，直接氧化是臭氧直接作用于反應(yīng)物發(fā)生的氧化反應(yīng)，間接氧化是利用在臭氧水中分解產(chǎn)生的比臭氧氧化能力更強(qiáng)的羥基自由基(· 0H)等活性自由基與反應(yīng)物發(fā)生的反應(yīng)。利用臭氧的氧化性，伴隨著壓力的增減交替，更加有助于藻類細(xì)胞的破碎。本發(fā)明旨在探尋破碎藻類細(xì)胞的一種新方法，可以快速高效滅殺水體中藻類，且可以利用部分藻類生物質(zhì)能源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述的步驟繁多，操作困難，適用范圍有限等技術(shù)問題而提供一種藻類細(xì)胞破碎的方法，該方法能有效地破碎藻類細(xì)胞，具有處理效率高等特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)原理
適當(dāng)壓力下通入一定量的臭氧有利于細(xì)胞壁的破碎。首先，臭氧的直接或間接氧化作用作用于細(xì)胞的細(xì)胞壁，通過改變細(xì)胞的通透性迫使藻類細(xì)胞壁變薄甚至裂開，臭氧的強(qiáng)氧化性不僅可以氧化細(xì)胞壁薄的微藻，對(duì)細(xì)胞壁厚的微藻也有很好的氧化效果。其次，借助壓力的反復(fù)增減，微藻經(jīng)歷膨脹、擠壓的反復(fù)交替過程，進(jìn)一步加速了藻類細(xì)胞的破碎。在循環(huán)次數(shù)一定的條件下控制壓力的大小及在壓力一定的條件下改變循環(huán)次數(shù)，對(duì)藻類細(xì)胞的破碎效果都會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種藻類細(xì)胞破碎的方法，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；
所述的臭氧和空氣組成的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)明的藻類細(xì)胞破碎的方法，利用壓力輔助臭氧法對(duì)藻類細(xì)胞破壁，可有效地殺死水體中的藻類，抑制富營養(yǎng)化對(duì)水體的危害。實(shí)驗(yàn)證明，在系統(tǒng)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。采用本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎的方法破碎小球藻細(xì)胞，小球藻藻液處理前呈現(xiàn)綠色，處理后呈現(xiàn)白色，顯微鏡鏡檢結(jié)果顯示有大量藻類細(xì)胞碎片生成。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。本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎的方法以臭氧為媒介，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(jìn)而破碎藻類細(xì)胞的方法具有所需設(shè)備簡單，操作方便，破壁效果好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)勢(shì)，是一種有效的藻類細(xì)胞破碎方法。


圖I為本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎的方法的工藝流程 圖2為本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎的方法所用的裝置示意圖，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)釜的壓力表。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎的方法及其所用的裝置進(jìn)一步詳細(xì)描述，但并不限于本發(fā)明。本發(fā)明所用的小球藻藻種、所用的BGll培養(yǎng)基，購買于中國科學(xué)院水生生物研究所。一種藻類細(xì)胞破碎的方法，其工藝流程示意圖如圖I所示，首先是藻種培養(yǎng)與藻液獲取，然后將收獲的藻液放入反應(yīng)釜中攪拌均勻，通入按體積比即臭氧空氣為I :150的臭氧和空氣的混合氣體，加壓至O. 4 O. 8 MPa，維持I 2 s時(shí)間，打開反應(yīng)釜排氣閥釋放壓力至常壓，這時(shí)過飽和的氣體從藻液中釋放出來；
重復(fù)上述的攪拌均勻，通入臭氧和空氣的混合氣體、加壓，釋壓，過飽和的氣體從藻液中釋放的過程40 80個(gè)循環(huán)，即完成了藻類細(xì)胞的破壁。本發(fā)明的各實(shí)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(shí)收獲藻液。本發(fā)明的各實(shí)施例中一種藻類細(xì)胞破碎的方法所用的裝置，其示意圖如圖2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)釜并設(shè)有排氣閥12和壓力表13。實(shí)施例I
一種藻類細(xì)胞破碎的方法，具體包括下列步驟
(1)、量取200ml收獲的藻液于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)、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230C，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。對(duì)比實(shí)施例I
目前最為常用的藻類細(xì)胞破碎的方法為超聲波破碎法，可以有效地破碎藻類細(xì)胞壁和細(xì)胞膜。利用超聲波對(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(生產(chǎn)廠家上海之信儀器有限公司，型號(hào)JYD-1200L)電源，設(shè)置超聲時(shí)間為30 min，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。通過實(shí)施例I和對(duì)比實(shí)施例I進(jìn)行對(duì)比，可以看出，本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎的方法對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破碎后，體系的溫度基本維持恒定，而超聲破碎后體系溫度上升很高，這說明了在超聲波破碎藻類過程中有很大一部分能量轉(zhuǎn)化為熱量散失了，而本工藝過程則沒有這一問題；
進(jìn)一步，本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎的方法對(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，由此表明了藻類碎裂后有機(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)胞破碎的方法對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破碎后，葉綠素a減少了 0.3 mg/L,葉綠素b含量減少了 0.3 mg/L,總?cè)~綠素含量減少了 0.6 mg/L,而超聲破碎后，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。進(jìn)一步，本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎的方法對(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,而超聲破碎后可萃取有機(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，本發(fā)明的藻類細(xì)胞破碎的方法，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)胞破碎的方法可以降低藻類在自然水體中腐敗氧化時(shí)所需的氧量。實(shí)施例2
一種藻類細(xì)胞破碎的方法，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。實(shí)施例3
一種藻類細(xì)胞破碎的方法，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。實(shí)施例4
一種藻類細(xì)胞破碎的方法，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 MPa，當(dāng)達(dá)到O. 4 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. 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 11^/1，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. 5g/100g干藻。綜上所述，本發(fā)明的一種藻類細(xì)胞破碎的方法，由于臭氧的直接或間接氧化作用作用于藻類細(xì)胞的細(xì)胞壁，通過改變細(xì)胞的通透性迫使藻類細(xì)胞壁變薄甚至裂開，并且借助壓力的反復(fù)增減，微藻經(jīng)歷膨脹、擠壓的反復(fù)交替過程，進(jìn)一步加速了藻類細(xì)胞的破碎。在循環(huán)次數(shù)一定的條件下控制壓力的大小及在壓力一定的條件下改變循環(huán)次數(shù)，可以快速高效滅殺水體中藻類，且可以使部分生物質(zhì)溶出，以利用部分藻類生物質(zhì)能源。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(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)胞破碎的方法，其特征在于首先是藻種培養(yǎng)與藻液獲取，然后將收獲的藻液放入反應(yīng)釜中攪拌均勻，通入由臭氧與空氣組成的混合氣體并攪拌均勻，加壓至.O.4 O. 8 MPa，維持I 2 s時(shí)間，打開反應(yīng)釜排氣閥釋放壓力至常壓，這時(shí)過飽和的氣體從藻液中釋放出來； 重復(fù)上述的攪拌均勻，通入臭氧和空氣的混合氣體，加壓，釋壓，過飽和的氣體從藻液中釋放的過程40 80個(gè)循環(huán)，即完成了藻類細(xì)胞的破碎。
2.如權(quán)利要求I所述的一種藻類細(xì)胞破碎的方法，其特征在于臭氧和空氣混合氣體的流量控制為2 L/min。
3.如權(quán)利要求2所述的一種藻類細(xì)胞破碎的方法，其特征在于所述的臭氧和空氣組成的混合氣體，按體積比計(jì)算即臭氧空氣為I :150。
4.如權(quán)利要求3所述的一種藻類細(xì)胞破碎的方法，其特征在于反應(yīng)釜中攪拌均勻即控制轉(zhuǎn)速為120 130 r/min。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種藻類細(xì)胞破碎的方法，其特征在于所述的藻種培養(yǎng)與藻液獲取，即取中國科學(xué)院水生生物研究所購買小球藻藻種按接種量為5%將小球藻藻種接種于BGl I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(shí)收獲藻液。
全文摘要
本發(fā)明公開一種藻類細(xì)胞破碎的方法，即首先是藻種培養(yǎng)與藻液獲取，然后將收獲的藻液放入反應(yīng)釜中攪拌均勻，通入按體積比臭氧空氣為1150組成的混合氣體并攪拌均勻，加壓至0.4～0.8MPa維持1～2s，打開反應(yīng)釜排氣閥釋放壓力至常壓，這時(shí)過飽和的氣體從藻液中釋放出來，重復(fù)上述的攪拌均勻，通入臭氧和空氣的混合氣體，加壓，釋壓，過飽和的氣體從藻液中釋放的過程40～80個(gè)循環(huán)即完成了藻類細(xì)胞的破碎。本發(fā)明的藻類細(xì)胞的破碎方法以臭氧為媒介，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(jìn)而破碎藻類細(xì)胞，具有設(shè)備簡單，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)C12R1/89GK102888346SQ201210431250
公開日2013年1月23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)