CN103160439A

CN103160439A - 微藻破壁方法

Info

Publication number: CN103160439A
Application number: CN2011104179479A
Authority: CN
Inventors: 杨巧利; 邵元龙; 杜彦山
Original assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明提供了一种微藻破壁方法，包括：将微藻加入到密闭容器中，然后向密闭容器中通入臭氧，同时对微藻进行超声处理。该方法破壁效率高，油脂提取率可达到80％以上，甚至达到90％以上，能耗低，工艺简单，易于实现规模化放大，适用于工业化的应用。

Description

微藻破壁方法

技术领域

本发明涉及微藻的加工方法，具体而言，本发明涉及微藻的破壁方法。

背景技术

微藻具有光合效率高、环境适应能力强、生长周期短、生物产量高、某些种的油脂含量高的特点，因此微藻是制备生物能源的良好材料，受到世界各国的广泛关注，目前在世界范围内掀起了微藻作为生物质能源原料研究的高潮。

目前世界上发现的高含脂微藻均存在细胞小(在2-20μm)，细胞壁厚的特点，增加了微藻油脂提取的难度，另外含油微藻细胞壁一般由纤维素或硅质组成，细胞壁结构坚固，具有一定的抗氧化性。所以微藻油脂的提取一直是微藻生物能源产业中的关键技术。常规油脂提取方法效率低。目前报道的微藻油脂的提取技术有：索氏抽提、有机溶剂提取、超声波提取、渗透压破壁提取，机械破壁提取、超临界二氧化碳提取等，这些提取技术多停留在实验室阶段，而且工艺路线繁琐，处理量小，油脂提取率低，成本高，限制了其工业化的应用。

王雪青等人(2007年天津科技大学学报第22卷第1期)提出了一种利用连续超声来使微藻细胞破壁的方法，超声处理时间和藻种本身的结构有关。该方法具有以下不足：1)处理藻液浓度较低(折合干重约为0.1g/L)；2)由于在连续超声过程中，藻液的温度会升高而导致微藻中的活性成分被破坏，因此需要在冰浴下进行，对外部操作条件要求较大；3)对藻自身特性要求较高，只适用于细胞壁较薄的微藻；4)对于细胞壁稍厚的微藻，处理时间较长，故在工业化放大时能耗很高，难以实现规模化放大。

通常利用臭氧实现水处理行业水体的消毒和灭藻，刘嵩等人在2010年山西建筑第36卷第27期的臭氧预氧化的除藻效果及机理探讨中以及裴海洋在2003年工业水处理第23卷第9期的臭氧杀藻特性试验研究中提到利用臭氧来实现水中藻体的灭活，研究了蓝藻、绿藻和硅藻等的灭活情况，初步研究了臭氧灭藻能力和臭氧浓度的关系。

目前在微藻加工领域，未见利用臭氧进行微藻破壁处理以提取微藻油脂的相关报道。

发明内容

本发明提供了一种破壁效率高、能耗低、普适性高的适于工业化应用的微藻破壁方法，包括：将微藻加入到密闭容器中，然后向密闭容器中通入臭氧，优选通入臭氧浓度为66～1800gO₃/m³。

臭氧具有较高的负电位(-2.07V)，与微藻表面阴离子存在一定的电位差，易于与微藻表面吸附结合并分解出氧化能力极强的新生态氧，使细胞壁变性坏死，细胞壁坏死后出现缺口，微藻的内含物流出，从而起到使微藻破壁的作用。

根据本发明的一个优选实施方式，在上述利用臭氧使微藻破壁的方法中，还包括其中在通入臭氧的同时进行间歇超声处理，整个过程持续1～30分钟，优选1～15分钟，优选间歇超声的频率为每隔5秒超声3秒。

在通入臭氧的同时进行超声可以进一步改善臭氧破壁的效果，这是因为臭氧与蛋白质的结合，主要是新生态氧将蛋白质脱氨生成氨和α-酮酸。同时臭氧也与蛋白质结合变性，由于臭氧分析量小，电位高、选择性结合差，而是以电位差为主的结合占主导地位，因而在水体中如果杂质多，消耗就多，对于较多杂质吸附在藻类表面的养殖水体，当臭氧与藻类发生反应时，首先必须与藻类表面阴阳离子性质物质反应抵消一部分，然后在消除藻类外表后，再消耗臭氧，为此利用超声波振动，既可以使藻与吸附物质分离，又可使藻的组织结构松弛，达到减少臭氧用量，同时使用超声波最大的优点是可利用超声波空化效应，破坏原聚合体表面自然吸附的封闭结构，使外源物质更容易进入。因此，超声的使用可以降低臭氧的作用时间和作用量，进一步降低能耗和简化工艺。

超声和臭氧相结合的协同作用可对微藻的破壁起到很好的效果。臭氧与超声相结合的方法相比于现有技术中的传统超声方法，具有降低超声处理时间，提高破壁效率的优点，而且连续的长时间的超声处理在工业化应用中是难以实现的，臭氧的使用降低了破壁工艺对超声处理步骤的要求，简化了生产工艺。

超声处理步骤是间歇进行的，微藻在间歇超声过程中，温度不会过高，因此不必使用冰浴条件降温，降低了对外部操作条件的要求，使工艺变得更简单，更容易实现工业化的应用，同时超声处理时间的降低也导致了能耗的进一步降低。

本发明中使用的微藻优选为斜生栅列藻、眼点拟微绿球藻、裂壶藻、盐生杜氏藻或隐甲藻。

根据本发明优选的实施方式，其中优选微藻的脂肪酸含量为藻干重的25％以上。

本发明提供的方法可处理浓度高的藻液，适用于藻细胞干重为0.1～170g/L的湿微藻，特别适用于藻细胞干重为30～80g/L的湿微藻。

本发明还提供在微藻破壁之后的收集藻油的步骤，包括：通过离心方法使藻渣与水油混合液分离，将水油混合液静置分层，收集上层油脂相，对所述油脂相进行脱水得到藻油，其中脱水方式优选无水硫酸钠吸水法和/或真空脱水方法。

本发明提供了一种破壁效率高的微藻破壁方法，油脂提取率可达到80％以上，甚至达到90％以上。

本发明提供的微藻破壁方法可以适用于含水量大的湿微藻，省去了干燥步骤，节约了干燥的费用和能耗，利于微藻能源化的发展。

本发明提供的微藻破壁方法工艺简单，易于实现规模化放大，适用于工业化的应用。

附图说明

图1示出根据本发明的实施例的微藻油脂提取示意图。

具体实施方式

下面对本发明的各个方面和特点作进一步的描述。

在以下具体实施方式中，使用的设备为小型臭氧发生器(济南瑞清臭氧设备有限公司)，Sy-150超声波处理器(上海宁商超声仪器有限公司)。

如图1所示，将湿藻浓缩液放置在密闭性好的超声萃取装置中，通入一定浓度的臭氧作用，臭氧浓度为66-1800gO₃/m³，可选地辅助超声作用一定时间(1～30min)，实现微藻细胞破壁。破壁后的微藻通过分离得到湿藻渣和混合藻油。

本发明的具体实施例如下：

实施例1

在斜生珊列藻油脂提取上的应用，斜生栅列藻(Scenedesmus obliquus)购于中国科学院水生生物研究所FACHB-12，该藻种的培养等详细信息参见《生态环境》2006，15(5)，《芦苇化感组分对斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)生长特性的影响》，925-929。

将培养到脂肪酸含量为51.6％，细胞浓度为65g/L的富油珊列藻浓缩液4L放入密封的萃取罐中，将超声波处理器探头放入萃取罐中，通入臭氧，浓度为1500gO₃/m³，利用400w超声功率，超声频率为20-25kHz，间歇比3/5(s/s)处理，总处理时间为15min，离心收集藻体，分离上层液即将上层水油混合液放出静止分液，取上层油样，脱水，过滤得到藻毛油。

计算油脂提取率，方法如下：取少量未处理藻泥置烘箱105℃下烘干，用气相色谱方法测定脂肪本底值C_藻，取提油后藻渣置烘箱105℃下烘干，按气相色谱方法测定脂肪含量C_渣；设m_藻为提取用藻的干重质量(g)，m_渣为提取后藻渣的干重质量(g)；根据公式提取率＝(C_藻×m_藻-C_渣×m_渣)/C_藻×m_藻计算，其中C_藻＝51.6％，C_渣＝14.5％，m_藻＝260g，m_渣＝142g，提取率为83％。

实施例2

在眼点拟微绿球藻(nannochloropsis oculata)上的应用，该藻种购于中国水产科学研究院黄海水产研究所C1502，该藻种的培养等详细信息参见《中国海洋药物》，2003，91(1)，《富含EPA的海洋微藻眼点拟微球藻的大规模培养》，5-10。

将培养到脂肪酸含量为50.3％，细胞浓度为67g/L的眼点拟微绿球藻浓缩液4L放入密封的萃取罐中，将超声波处理器探头放入萃取罐中，通入臭氧，浓度为1720gO₃/m³，利用400w超声功率，超声频率为20-25kHz，间歇比3/5(s/s)处理，总超声时间为15min，离心收集藻体，分离上层液即将上层水油混合液放出静止分液，取上层油样，脱水，过滤得到藻毛油。按照实施例1提供的方法计算油脂提取率，其中C_藻＝50.3％，C_渣＝7.9％，m_藻＝268g，m_渣＝137g，提取率为92％。

对比实施例

将培养到脂肪酸含量为50.3％、细胞浓度为330g/L的眼点拟微绿球藻浓缩液500mL，加入1.5L的乙醇，配置成浓度为82.5g/L的溶液，利用600w超声功率，超声频率为20-25kHz，间歇比3/5(s/s)处理，总超声时间为60min，离心收集藻体。而后对藻体进行添加500ml正己烷50度连续搅拌40min，取上层液；重复萃取3次，收集藻渣和上层液，将上层液选蒸脱溶，分别测定各自的含油量。按照实施例1提供的方法计算提油率为36.4％。

由实施例2及其对比实施例可以看出，对于相当浓度的眼点拟微绿球藻藻液，在使用臭氧的情况下，在400W的超声功率下间歇超声15分钟就能达到92％的提油率，而在不使用臭氧的情况下，在600W的超声功率下间歇超声60分钟，按照实施例1提供的方法计算油脂提取率，其中C_藻＝50.3％，C_渣＝39.4％，m_藻＝165g，m_渣＝134g，提油率为36.4％。

对比实施例

将培养到脂肪酸含量为50.3％，细胞浓度为67g/L的眼点拟微绿球藻浓缩液4L放入密封的萃取罐中，通入臭氧，浓度为1720gO₃/m³，作用15min，离心收集藻体，将上层水油混合液放出静止分液，取上层油样，脱水，过滤得到藻毛油，按照实施例1提供的方法计算油脂提取率，其中C_藻＝50.3％，C_渣＝18.5％，m_藻＝268g，m_渣＝153g，提取率为79％。

实施例3

裂壶藻(Schizochytrium sp.)购于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，其编号为CCTCC No.M209059，该藻种的培养方法等详细信息参见中国专利申请号：200910033869.5；

将培养到脂肪酸含量为52％、细胞浓度为120g/L的裂壶藻浓缩液4L放入密封的萃取罐中，将超声波处理器探头放入萃取罐中，通入臭氧，浓度为90gO₃/m³，利用400w超声功率，超声频率为20-25kHz，间歇比3/5(s/s)处理，总超声时间为8min，离心收集藻体，将上层水油混合液放出静止分液，取上层油样，脱水，过滤得到藻毛油，按照实施例1提供的方法计算油脂提取率，其中C_藻＝52C_渣＝8.9％，m_藻＝480g，m_渣＝253g，提取率为91％。

对比实施例

裂壶藻(Schizochytrium sp.)购于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，其编号为CCTCC No.M209059，该藻种的培养方法等详细信息参见中国专利申请号：200910033869.5。

将培养到脂肪酸含量为52％、细胞浓度为120g/L的裂壶藻浓缩液4L放入密封的萃取罐中，将超声波处理器探头放入萃取罐中，利用400w超声功率，超声频率为20-25kHz，间歇比3/5(s/s)处理，总超声时间为8min，离心收集藻体，将上层水油混合液放出静止分液，取上层油样，脱水，过滤得到藻毛油，按照实施例1提供的方法计算油脂提取率，其中C_藻＝52％，C_渣＝30.0％，m_藻＝480g，m_渣＝310g，提取率为61％。

由实施例3及其对比实施例可以看出，对于相同浓度的裂壶藻藻液，在超声功率和超声时间都相同的情况下，使用臭氧可使油脂提取率达到91％，而不使用臭氧，油脂提取率只能达到61％。

实施例4

盐生杜氏藻(Dunaliella salina)购于中国科学院水生生物研究所FACHB-435，该藻种的培养等详细信息参见《烟台大学学报：自然科学与工程版》1995，4，《盐生杜氏藻大量培养条件的研究》，18-21。

将培养到脂肪酸含量为42％、细胞浓度为65g/L的盐生杜氏藻浓缩液4L放入密封的萃取罐中，将超声波处理器探头放入萃取罐中，通入臭氧，浓度为70gO₃/m³，利用400w超声功率，超声频率为20-25kHz，间歇比3/5(s/s)处理，总超声时间为5min，离心收集藻体，将上层水油混合液放出静止分液，取上层油样，脱水，过滤得到藻毛油，按照实施例1提供的方法计算油脂提取率，其中C_藻＝42％，C_渣＝10.8％，m_藻＝260g，m_渣＝152g，为85％。

对比实施例

将培养到脂肪酸含量为42％，细胞浓度为65g/L的盐生杜氏藻浓缩液4L放入密封的萃取罐中，将超声波处理器探头放入萃取罐中，利用400w超声功率，超声频率为20-25kHz，间歇比3/5(s/s)处理，总超声时间为5min，离心收集藻体，将上层水油混合液放出静止分液，取上层油样，脱水，过滤得到藻毛油，按照实施例1提供的方法计算油脂提取率，其中C_藻＝42％，C_渣＝25.6％，m_藻＝260g，m_渣＝162g，为62％。

由实施例4及其对比实施例可以看出，对于相同浓度的盐生杜氏藻藻液，在超声功率和超声时间都相同的情况下，使用臭氧可使油脂提取率达到85％，而不使用臭氧，油脂提取率只能达到62％。

由以上实施例2～4可知，臭氧和超声的联合使用可以极大地提高油脂提取率，即破壁效率，相比于只使用超声手段破壁的现有技术而言，可以降低超声处理时间和功率，具有能耗低和工艺简单的优势。

实施例5

隐甲藻(Crypthecodiniumcohnii)ATCC30556购于华南理工大学，该藻种的培养等详细信息参见中国专利申请200910193736。

将脂肪酸含量为47％、细胞浓度为45g/L的盐生杜氏藻浓缩液4L放入密封的萃取罐中，将超声波处理器探头放入萃取罐中，通入臭氧，浓度为66gO₃/m³，利用400w超声功率，超声频率为20-25kHz，间歇比3/5(s/s)处理，总超声时间为11min，离心收集藻体，将上层水油混合液放出静止分液，取上层油样，脱水，过滤得到藻毛油，按照实施例1提供的方法计算油脂提取率，其中C_藻＝47％，C_渣＝13.4％，m_藻＝180g，m_渣＝107g，为83％。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种微藻破壁方法，包括：将微藻加入到密闭容器中，然后向密闭容器中通入臭氧。

2.根据权利要求1所述的方法，所述臭氧浓度为66～1800gO₃/m³。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在通入臭氧的同时进行间歇超声处理，整个过程持续1～30分钟，优选整个过程持续1～15分钟。

4.根据权利要求3所述的方法，间歇超声的频率为每隔5秒超声3秒。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述微藻为斜生栅列藻、眼点拟微绿球藻、裂壶藻、盐生杜氏藻或隐甲藻。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述微藻为湿微藻，所述湿微藻中的藻细胞干重为0.1～170g/L。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述藻细胞干重为30～80g/L。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的方法，还包括微藻破壁之后的收集藻油的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中收集藻油的步骤包括：通过离心方法使藻渣与水油混合液分离，将水油混合液静置分层，收集上层油脂相，对所述油脂相进行脱水得到藻油。

10.根据权利要求9所述的方法，其中脱水方式包括无水硫酸钠吸水法和/或真空脱水方法。