CN104549684B - 超声波改变湿藻细胞分形结构促进油脂萃取的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物质能利用技术，旨在提供一种超声波改变湿藻细胞分形结构促进油脂萃取的方法。该方法包括：收获分形维数为1.21～1.24、细胞壁厚度为0.07～0.08μm的湿藻，然后进行超声波辐照改性，控制超声波辐照功率和时间使湿藻中细胞的分形维数上升为1.46～1.51，细胞壁厚度减小为0.04～0.06μm；向处理后的湿藻中加入萃取剂，进行油脂萃取；所述湿藻细胞是指含水率在10～90％的微藻细胞的集合体。本发明利用超声波改变湿藻细胞分形结构促进油脂萃取，省去了传统方法中湿藻细胞的脱水干燥等高能耗步骤，通过提高藻细胞分形维数和降低细胞壁厚度，使萃取剂对细胞内油脂的萃取效率提高到85‑90％。
Description
技术领域
本发明是关于生物质能利用技术，特别涉及一种超声波改变湿藻细胞分形结构促进油脂萃取的方法。
背景技术
在如今全球能源危机与环境危机的双重压力下，人们对于可再生能源的研究热情被点燃起来(Gullberg et al.,2014)。生物柴油因其性质近似于柴油，是一种环境友好的燃油替代品而被广泛重视(Wu et al.,2012)。在制取生物柴油的原材料中，微藻因对太阳能利用效率高、个体小、营养丰富、生长繁殖迅速、对环境的适应能力强、容易培养，因此受到人们的重视(Clarens et al.,2010)。微藻制取生物柴油的产业化进程发展到如今已有了突飞猛进的发展(Suali and Sarbatly,2012)，但是与传统的石化柴油比起来，其生产成本高仍然是限制生物柴油产业化应用推广的瓶颈问题。在传统的微藻制取生物柴油方法中，将从水中收获的湿藻进行烘干，然后再研磨是必不可少的一个关键步骤，但是烘干和研磨过程的能耗很高，能够达到整个生物柴油能耗的80％以上，因此如何省去烘干和研磨过程，直接利用湿藻细胞来萃取油脂成为目前的研究热点问题。目前利用超声波破碎细胞用于提取细胞内含物的方法研究较为广泛。
Ulker D.Keris-Sen(Keris-Sen et al.,2014)等研究了超声波对于细胞完整性和油脂萃取率的影响，当超声波处理的能量强度达到0.4kWh L-1时，细胞内物质的释放率最高，然而细胞破碎率在更高的超声波处理强度下反而降低，利用萃取剂来萃取油脂的萃取率是不用萃取剂时的1～2倍。但是文中并没有观察超声波处理对于藻细胞微观结构变化的影响，也没有比较超声波处理对于油脂成分变化的影响。Xiaoge Wu((Wu et al.,2012)等研究了不同超声波处理频率(20kHz，580kHz和1146kHz)对于蓝藻细胞生长的影响，认为低频率高功率(20kHz，0.0403W cm-3)便能够使蓝藻细胞失活，而在频率为1146kHz，功率为0.0018W cm-3时，蓝藻细胞更是被降解，但是没有观察到藻细胞微观结构和形态上的变化。中国专利文献CN100445378C(申请号200610130601.X)公开了一种微藻细胞的超声波破碎方法，将细胞密度为106个/ml的藻液在冰浴条件下进行超声波破碎处理，破碎条件为破碎3s和间歇3s，输出功率为400W，破碎时间为0.7～6min。专利文献CN 101100642A(申请号200710057646.3)公开了一种提高超声波破碎效率的方法，在超声波破碎的同时，向破碎液中加入适量的石英砂或玻璃渣等填充物，可以提高破碎效率，缩短破碎时间，较少能耗。专利文献CN103685156A(申请号201310618440.9)公开了一种利用超声波辅助离子液体提取微藻油脂的方法，以含油微藻为原料，应用离子液体，将微藻加入到离子液体中，超声波辅助溶解后，加入水和有机溶剂进行萃取分离。
以上的研究都指出了超声波对于提取藻细胞内的油脂具有很好的处理效果，但是超声波对于藻细胞结构和细胞壁的影响等没有深入剖析，更不要说利用这些影响去促进油脂萃取了。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种超声波改变湿藻细胞分形结构促进油脂萃取的方法。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种超声波改变湿藻细胞分形结构促进油脂萃取的方法，其特征在于，包括以下步骤：收获分形维数为1.21～1.24、细胞壁厚度为0.07～0.08μm的湿藻，然后进行超声波辐照改性，控制超声波辐照功率和时间使湿藻中细胞的分形维数上升为1.46～1.51，细胞壁厚度减小为0.04～0.06μm；向处理后的湿藻中加入萃取剂，进行油脂萃取；所述湿藻细胞是指含水率在10～90％的微藻细胞的集合体。
本发明中，所述超声波辐照改性过程是按照如下方式操作的：将10～100ml收获的湿藻放置于容量为25～150ml的烧杯中并施以超声波辐照处理；超声波的处理功率为50～500W，处理时间为5～30min，间歇比为3s∶3s，处理温度为20℃。
本发明中，所述油脂萃取的方法为：向超声波处理后的湿藻中加入等体积的萃取剂，搅拌10min后在3000rpm下离心10min，用移液枪取得液相；将液相在烘箱中80℃烘干24h后称量，即得到微藻油脂。
本发明中，所述湿藻中细胞的分形维数的获取方式：通过扫描电镜拍摄湿藻细胞的照片，然后用MATLAB软件进行二值化处理，再用Fractalfox软件进行分析得到分形维数的数据。
本发明中，所述湿藻中细胞壁厚度的获取方式：通过透射电镜拍摄湿藻细胞的照片，用nikon显微镜专用图像处理软件NIST分析得到湿藻中细胞壁厚度的数据。
本发明中，所述萃取剂是体积比为1∶1的氯仿和甲醇的混合液。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用超声波改变湿藻细胞分形结构促进油脂萃取，省去了传统方法中湿藻细胞的脱水干燥等高能耗步骤，通过提高藻细胞分形维数和降低细胞壁厚度，使萃取剂对细胞内油脂的萃取效率提高到85-90％。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，一种超声波改变湿藻细胞分形结构促进油脂萃取的方法具体包括下述步骤：
将10～100ml含水率为10～90％的湿藻细胞浆体放置于容量为25～150ml的烧杯中，超声波处理功率为50～500W，处理时间为5～30min，间歇比为3s∶3s，处理温度为20℃。通过扫描电镜拍摄的照片用MATLAB进行二值化处理后，用Fractalfox软件分析得到分形维数的变化：收获时初始藻细胞的分形维数为1.21～1.24，超声波辐照改性后藻细胞的分形维数上升为1.46～1.51。通过透射电镜拍摄的照片用nikon显微镜专用图像处理软件NIST分析得到细胞壁厚度的变化：收获时初始藻细胞的细胞壁厚度为0.07～0.08μm，超声波辐照改性后藻细胞壁厚度减小为0.04～0.06μm。将处理湿藻后的烧杯取出，加入氯仿∶甲醇(体积比为1∶1)的混合液作为萃取剂进行油脂萃取，具体方法为：向超声波处理后的湿藻中加入等体积的萃取剂，搅拌10min后在3000rpm下离心10min，然后用移液枪取得液相，将液相在烘箱中80℃烘干24h后称量，即得到微藻油脂。
实施例1
将10ml含水率为90％的湿藻细胞浆体放置于容量为25ml的烧杯中，超声波的处理功率为50W，处理时间为5min，间歇比为3s∶3s，处理温度为20℃。通过扫描电镜拍摄的照片用MATLAB进行二值化处理后，用Fractalfox软件分析得到分形维数的变化：收获时初始藻细胞的分形维数为1.21，超声波辐照改性后藻细胞的分形维数上升为1.46。通过透射电镜拍摄的照片用nikon显微镜专用图像处理软件NIST分析得到细胞壁厚度的变化：收获时初始藻细胞的细胞壁厚度为0.07μm，超声波辐照改性后细胞壁厚度减小为0.06μm。将处理湿藻后的烧杯取出，加入氯仿∶甲醇(体积比为1∶1)的混合液作为萃取剂进行油脂萃取，具体方法为：向超声波处理后湿藻样中加入等体积的萃取剂。将处理湿藻样搅拌10min后在3000rpm下离心10min，然后用移液枪取得液相，将液相在烘箱中80℃烘干24h后称量，即得到微藻油脂。
实施例2
将50ml含水率为50％的湿藻细胞浆体放置于容量为100ml的烧杯中，超声波的处理功率为250W，处理时间为20min，间歇比为3s∶3s，处理温度为20℃。通过扫描电镜拍摄的照片用MATLAB进行二值化处理后，用Fractalfox软件分析得到分形维数的变化：收获时初始藻细胞的分形维数为1.22，超声波辐照改性后藻细胞的分形维数上升为1.48。通过透射电镜拍摄的照片用nikon显微镜专用图像处理软件NIST分析得到细胞壁厚度的变化：收获时初始藻细胞的细胞壁厚度为0.075μm，超声波辐照改性后细胞壁厚度减小为0.05μm。将处理湿藻后的烧杯取出，加入氯仿∶甲醇(体积比为1∶1)的混合液作为萃取剂进行油脂萃取，具体方法为：向超声波处理后湿藻样中加入等体积的萃取剂。将处理湿藻样搅拌10min后在3000rpm下离心10min，然后用移液枪取得液相，将液相在烘箱中80℃烘干24h后称量，即得到微藻油脂。
实施例3
将100ml含水率为10％的湿藻细胞浆体放置于容量为150ml的烧杯中，超声波的处理功率为500W，处理时间为30min，间歇比为3s∶3s，处理温度为20℃。通过扫描电镜拍摄的照片用MATLAB进行二值化处理后，用Fractalfox软件分析得到分形维数的变化：收获时初始藻细胞的分形维数为1.24，超声波辐照改性后藻细胞的分形维数上升为1.51。通过透射电镜拍摄的照片用nikon显微镜专用图像处理软件NIST分析得到细胞壁厚度的变化：收获时初始藻细胞的细胞壁厚度为0.08μm，超声波辐照改性后细胞壁厚度减小为0.04μm。将处理湿藻后的烧杯取出，加入氯仿∶甲醇(体积比为1∶1)的混合液作为萃取剂进行油脂萃取，具体方法为：向超声波处理湿藻样的烧杯中加入等体积的萃取剂。将处理湿藻样搅拌10min后在3000rpm下离心10min，然后用移液枪取得液相，将液相在烘箱中80℃烘干24h后称量，即得到微藻油脂。
对比实施例1
与实施例1步骤相同，不同的是控制超声波辐照功率和时间使湿藻中细胞的分形维数上升为1.35，细胞壁厚度增加为0.20μm。
对比实施例2
与实施例2步骤相同，不同的是控制超声波辐照功率和时间使湿藻中细胞的分形维数上升为1.35，细胞壁厚度增加为0.20μm。
对比实施例3
与实施例3步骤相同，不同的是控制超声波辐照功率和时间使湿藻中细胞的分形维数上升为1.35，细胞壁厚度增加为0.20μm。
微藻油脂收率对比
经测试，实施例1-3的微藻油脂收率分别为90％、87％和85％，明显高于对比实施例1-3的微藻油脂收率(分别为60％、55％、50％)。
从以上数据可以看出，虽然超声波对于提取藻细胞内的油脂具有很好的处理效果已是现有技术，但如果能够在处理过程中精准控制处理幅度，将大大提升微藻油脂收率。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.超声波改变湿藻细胞分形结构促进油脂萃取的方法，其特征在于，包括以下步骤：收获分形维数为1.21～1.24、细胞壁厚度为0.07～0.08μm的湿藻，然后进行超声波辐照改性，控制超声波辐照功率和时间使湿藻中细胞的分形维数上升为1.46～1.51，细胞壁厚度减小为0.04～0.06μm；向处理后的湿藻中加入萃取剂，进行油脂萃取；所述湿藻细胞是指含水率在10～90％的微藻细胞的集合体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声波辐照改性过程是按照如下方式操作的：将10～100ml收获的湿藻放置于容量为25～150ml的烧杯中并施以超声波辐照处理；超声波的处理功率为50～500W，处理时间为5～30min，间歇比为3s∶3s，处理温度为20℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油脂萃取的方法为：向超声波辐照改性后的湿藻中加入等体积的萃取剂，搅拌10min后在3000rpm下离心10min，用移液枪取得液相；将液相在烘箱中80℃烘干24h后称量，即得到微藻油脂。
4.根据权利要求1至3任意一项中所述的方法，其特征在于，所述湿藻中细胞的分形维数的获取方式：通过扫描电镜拍摄湿藻细胞的照片，然后用MATLAB软件进行二值化处理，再用Fractalfox软件进行分析得到分形维数的数据。
5.根据权利要求1至3任意一项中所述的方法，其特征在于，所述萃取剂是体积比为1∶1的氯仿和甲醇的混合液。
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