CN102888346A

CN102888346A - 一种藻类细胞破碎的方法

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Publication number: CN102888346A
Application number: CN2012104312501A
Authority: CN
Inventors: 黄远星; 李亮; 李洋洋; 许智华; 金小颖; 崔晨晨; 宋翠红; 方学友
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: CN102888346B

Abstract

本发明公开一种藻类细胞破碎的方法，即首先是藻种培养与藻液获取，然后将收获的藻液放入反应釜中搅拌均匀，通入按体积比臭氧：空气为1：150组成的混合气体并搅拌均匀，加压至0.4～0.8MPa维持1～2s，打开反应釜排气阀释放压力至常压，这时过饱和的气体从藻液中释放出来，重复上述的搅拌均匀，通入臭氧和空气的混合气体，加压，释压，过饱和的气体从藻液中释放的过程40～80个循环即完成了藻类细胞的破碎。本发明的藻类细胞的破碎方法以臭氧为媒介，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，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。

Description

一种藻类细胞破碎的方法

技术领域

本发明涉及一种藻类细胞破碎的方法，更具体地说是利用臭氧氧化和加压-减压共同作用破碎小球藻细胞的新方法。

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不容忽视，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。目前国内外微藻油脂破壁提取技术主要包括：机械超微粉碎破壁技术、热化学破壁提取技术、超临界流体提取技术、超声微波辅助提取法等。但上述方法存在着步骤繁多，操作困难，适用范围有限，成本过高等问题。

在压力辅助下利用臭氧的强氧化性破碎藻类细胞的研究还未有报道。臭氧氧化分为直接和间接两种，直接氧化是臭氧直接作用于反应物发生的氧化反应，间接氧化是利用在臭氧水中分解产生的比臭氧氧化能力更强的羟基自由基(·OH)等活性自由基与反应物发生的反应。利用臭氧的氧化性，伴随着压力的增减交替，更加有助于藻类细胞的破碎。本发明旨在探寻破碎藻类细胞的一种新方法，可以快速高效灭杀水体中藻类，且可以利用部分藻类生物质能源。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述的步骤繁多，操作困难，适用范围有限等技术问题而提供一种藻类细胞破碎的方法，该方法能有效地破碎藻类细胞，具有处理效率高等特点。

本发明的技术原理

适当压力下通入一定量的臭氧有利于细胞壁的破碎。首先，臭氧的直接或间接氧化作用作用于细胞的细胞壁，通过改变细胞的通透性迫使藻类细胞壁变薄甚至裂开，臭氧的强氧化性不仅可以氧化细胞壁薄的微藻，对细胞壁厚的微藻也有很好的氧化效果。其次，借助压力的反复增减，微藻经历膨胀、挤压的反复交替过程，进一步加速了藻类细胞的破碎。在循环次数一定的条件下控制压力的大小及在压力一定的条件下改变循环次数，对藻类细胞的破碎效果都会产生显著的影响。

本发明的技术方案

一种藻类细胞破碎的方法，具体包括下列步骤：

（1）、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；

所述的臭氧和空气组成的混合气体按体积比计算，即臭氧：空气为1：150；

（4）、将压力条件设置为0.4～0.8 MPa、维持1～2 s时间后降压至常压,然后再升压至0.4～0.8 MPa、维持1～2 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

本发明的藻类细胞破碎的方法，利用压力辅助臭氧法对藻类细胞破壁，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，在系统最大压力为0.8 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。

采用本发明的藻类细胞破碎的方法破碎小球藻细胞，小球藻藻液处理前呈现绿色，处理后呈现白色，显微镜镜检结果显示有大量藻类细胞碎片生成。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。

本发明的藻类细胞破碎的方法以臭氧为媒介，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的方法具有所需设备简单，操作方便，破壁效果好，易于实现自动化控制等优势，是一种有效的藻类细胞破碎方法。

附图说明

图1为本发明的藻类细胞破碎的方法的工艺流程图；

图2为本发明的藻类细胞破碎的方法所用的装置示意图，图中1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为高压反应釜的压力表。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明的藻类细胞破碎的方法及其所用的装置进一步详细描述，但并不限于本发明。

本发明所用的小球藻藻种、所用的BG11培养基，购买于中国科学院水生生物研究所。

一种藻类细胞破碎的方法，其工艺流程示意图如图1所示，首先是藻种培养与藻液获取，然后将收获的藻液放入反应釜中搅拌均匀，通入按体积比即臭氧：空气为1：150的臭氧和空气的混合气体，加压至0.4～0.8 MPa，维持1～2 s时间，打开反应釜排气阀释放压力至常压，这时过饱和的气体从藻液中释放出来；

重复上述的搅拌均匀，通入臭氧和空气的混合气体、加压，释压，过饱和的气体从藻液中释放的过程40～80个循环，即完成了藻类细胞的破壁。

本发明的各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BG11培养基中，于塞福PGX-350B智能培养箱25℃，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。

本发明的各实施例中一种藻类细胞破碎的方法所用的装置，其示意图如图2所示，包括高压反应釜1、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1顶部连接，所述的高压反应釜1带有搅拌装置11，进一步所述的高压反应釜并设有排气阀12和压力表13。

实施例1

一种藻类细胞破碎的方法，具体包括下列步骤：

（1）、量取200 ml收获的藻液于1 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1：150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0.6 MPa，当达到0.6 MPa时，维持1～2 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0.6 MPa，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℃，未见明显变化。溶解性COD含量增加275 mg/L，叶绿素a减少了0.3 mg/L，叶绿素b含量减少了0.3 mg/L，总叶绿素含量减少了0.6 mg/L,可萃取有机物产率为17.6g/100g干藻。

对比实施例1

目前最为常用的藻类细胞破碎的方法为超声波破碎法，可以有效地破碎藻类细胞壁和细胞膜。

利用超声波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80 mL，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20 kHz，功率设置为360 W；

（3）、打开超声波发生器（生产厂家：上海之信仪器有限公司，型号JYD-1200L）电源，设置超声时间为30 min，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COD，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℃，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14.1g/100g干藻。

通过实施例1和对比实施例1进行对比，可以看出，本发明的藻类细胞破碎的方法对细胞进行破碎后，体系的温度基本维持恒定，而超声破碎后体系温度上升很高，这说明了在超声波破碎藻类过程中有很大一部分能量转化为热量散失了，而本工艺过程则没有这一问题；

进一步，本发明的藻类细胞破碎的方法对细胞进行破碎后，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，由此表明了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的方法对细胞进行破碎后，叶绿素a减少了0.3 mg/L，叶绿素b含量减少了0.3 mg/L，总叶绿素含量减少了0.6 mg/L, 而超声破碎后，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。

进一步，本发明的藻类细胞破碎的方法对细胞进行破碎后，可萃取有机物产率为17.6g/100g干藻，而超声破碎后可萃取有机物产率为14.1g/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，本发明的藻类细胞破碎的方法，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14.1g/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0.6 mg/L，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的方法可以降低藻类在自然水体中腐败氧化时所需的氧量。

实施例2

一种藻类细胞破碎的方法，具体包括下列步骤：

（1）、量取200 ml收获的小球藻溶液于1 L的高压反应釜中，在120～130 r/min条件下搅拌5 min；

（3）、设定压力为0.6 MPa，当达到0.6 Mpa时，维持1～2 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0.6 MPa，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24℃，未见明显变化。溶解性COD含量增加243 mg/L，叶绿素a减少了0.1 mg/L，叶绿素b含量减少了0.2 mg/L，总叶绿素含量减少了0.3 mg/L,可萃取有机物产率为26.7g/100g干藻。

实施例3

一种藻类细胞破碎的方法，具体包括下列步骤：

（3）、设定压力为0.8 MPa，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0.8 MPa，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℃，未见明显变化。溶解性COD含量增加1126 mg/L，叶绿素a减少了0.3 mg/L，叶绿素b含量减少了0.4 mg/L，总叶绿素含量减少了0.7 mg/L,可萃取有机物产率为24.3g/100g干藻。

实施例4

一种藻类细胞破碎的方法，具体包括下列步骤：

（3）、设定压力为0.4 MPa，当达到0.4 MPa时，维持1～2 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0.4 MPa，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℃，未见明显变化。溶解性COD含量增加201 mg/L，叶绿素a减少了0.2 mg/L，叶绿素b含量减少了0.2 mg/L，总叶绿素含量减少了0.4 mg/L,可萃取有机物产率为22.5g/100g干藻。

综上所述，本发明的一种藻类细胞破碎的方法，由于臭氧的直接或间接氧化作用作用于藻类细胞的细胞壁，通过改变细胞的通透性迫使藻类细胞壁变薄甚至裂开，并且借助压力的反复增减，微藻经历膨胀、挤压的反复交替过程，进一步加速了藻类细胞的破碎。在循环次数一定的条件下控制压力的大小及在压力一定的条件下改变循环次数，可以快速高效灭杀水体中藻类，且可以使部分生物质溶出，以利用部分藻类生物质能源。

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。

Claims

1.一种藻类细胞破碎的方法，其特征在于首先是藻种培养与藻液获取，然后将收获的藻液放入反应釜中搅拌均匀，通入由臭氧与空气组成的混合气体并搅拌均匀，加压至0.4～0.8 MPa，维持1～2 s时间，打开反应釜排气阀释放压力至常压，这时过饱和的气体从藻液中释放出来；

重复上述的搅拌均匀，通入臭氧和空气的混合气体，加压，释压，过饱和的气体从藻液中释放的过程40～80个循环，即完成了藻类细胞的破碎。

2.如权利要求1所述的一种藻类细胞破碎的方法，其特征在于臭氧和空气混合气体的流量控制为2 L/min。

3.如权利要求2所述的一种藻类细胞破碎的方法，其特征在于所述的臭氧和空气组成的混合气体，按体积比计算即臭氧：空气为1：150。

4.如权利要求3所述的一种藻类细胞破碎的方法，其特征在于反应釜中搅拌均匀即控制转速为120～130 r/min。

5.如权利要求1、2、3或4所述的一种藻类细胞破碎的方法，其特征在于所述的藻种培养与藻液获取，即取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%将小球藻藻种接种于BG11培养基中，于塞福PGX-350B智能培养箱25℃，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。