CN104815596A - 一种高效连续式超声细胞破壁处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，包括细胞破壁超声反应腔体、反应腔体的两端分别为出料口和进料口；所述反应腔体呈连续弯曲柱体管道，反应腔体内设有若干大功率超声换能器；进料口处设有流量控制阀。反应腔体呈连续弯曲柱体管道，待处理液态样品通过流量控制阀由反应容器进料口泵入，在反应腔体内绕行。在细胞破壁超声反应腔体内多个弯曲处嵌入大功率超声换能器，实现连续对物质进行超声处理，达到连续、高效破壁的目的。本发明提出的超声细胞破壁装置操作简单、易于实现、使用安全、效率高、持续性强，对藻类等生物细胞的破碎处理有较高的应用价值，在其他一些生物工程和环境领域也具有广泛的应用价值。

Description

一种高效连续式超声细胞破壁处理装置

技术领域

本发明涉及超声处理技术领域，尤其涉及一种高效连续式超声细胞破壁处理装置。

技术背景

环境保护是全球化问题，我国作为一个发展中国家，随着城市化和工业化进程加速，治理环境污染和加强环境保护迫在眉睫。在众多的污染治理研究中，细胞破壁引起了科学工作者的高度重视，如水体藻类植物泛滥，需要破坏掉藻类的植物细胞壁，使细胞内物质流出，以达到治理藻类污染的目的^[1,2]；在一些污泥处理过程中，由于污泥中存在大量生物细胞，其以多种形式结合的水分使得污泥的含水量很大，因此需要对生物细胞进行处理，使其结合的包括胞内水在内的水分析出，以便后续处理，达到减少污泥含水量的目的^[3,4]。因此，如何持续高效的进行生物细胞处理成为重要的研究课题。

超声波技术是近年来发展起来的一种新型的环境技术，被称为环境友好的技术。大振幅超声波能量集中，可使得介质产生剧烈振动，常用于超声清洗、乳化、化学处理、钻孔等方面。超声由超声换能器中的压电陶瓷片通过压电效应发出，超声波由一系列疏密相间的纵波构成，并通过液体介质向四周传播。当声能达到一定强度，作用于液体分子，会使得液相分子间的吸引力被打破，形成空化核。空化核的寿命约为0.1微秒，它在爆炸瞬间可以产生大约400k的局部高温和100MPa的局部高压环境，同时产生速度约为400km/h具有强烈冲击力的微射流，这种现象称为超声空化。这些条件足以使有机物在空化泡内发生化学健断裂、高温分解、水相燃烧或自由基反应，因此超声波可以有效应用在细胞破壁的应用当中^[5]。

超声波破除生物细胞机理有：破坏细胞壁、破坏气胞、破坏活性酶等。实验已证实高强度的超声波能破坏细胞壁，使细胞内物质流出。例如：对于藻类而言，其细胞的特殊构造是细胞体含有多组气胞，气胞控制藻类细胞的升降运动。超声波引起的冲击波、射流、辐射压等可以破坏气胞。在适当的频率下，气胞成为空化泡而破裂；同时，空化产生的高温高压和大量自由基，可以破坏细胞内活性酶和活性物质，从而影响细胞的生理生化活性。

例如：在细胞浓度为65g/L的富油珊列藻浓缩液中通入1500g/m³臭氧，并利用功率为400W，频率为20-25kHz的超声作用15分钟，使得细胞破壁率可达到80％以上^[6]；对于铜绿微囊藻，单纯使用超声作用，选用功率80W，频率为500KHz，作用5分钟破壁率可达到82％^[7]。以上结果显示超声波对细胞破壁具有显著的效果，同时说明对于不同的生物细胞需要选择不同的超声波参数，以达到最佳破壁效果。以上实验均在实验室理想条件下完成，超声作用时间长，作用样品数量小，对藻自身特性要求较高，只适用于细胞壁较薄的微藻，对于细胞壁稍厚的微藻，处理时间更长，处理效率明显下降，例如对于含生物细胞种类复杂的工业污泥进行处理，效率明显下降，破壁率不到20％^[8]，因此难以实现规模化放大，无法满足工业化连续、高效处理样品的要求。

目前，多种超声处理设备相继出现，但用于生物细胞破壁的超声处理设备存在如下问题：

(1)多为样品定量处理设备，难以与其他设备集成进行连续性处理，处理效率较低^[9]；

(2)设备超声功率和频率均已固定，对不同生物细胞进行破壁无法同时实现^[10]；

(3)综合超声与其他化学法作用，虽然提高了破壁效率，但却造成了二次污染等问题^[8]；

(4)超声功率小，破壁率较低，虽然可有效抑制生物细胞生长，却无法从根本上破坏细胞，导致样品处理效率达不到工业化要求^[11]。

因此，急需综合考虑以上因素，设计一种高效连续式超声细胞破壁处理装置。

参考文献

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[5]杜桂敏，赵瀛，原培胜，超声波及其在水处理领域的应用[J]，舰船防化，2008，6：26-30

[6]杨巧利，邵元龙，杜彦山，微藻破壁方法[P]，2013，201110417947.9

[7]苑宝玲，舒天阁，吴宝日，一种通过超声波除藻的方法[P]，2008，200710009856.5

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[10]吴庆余，汤娇雯，徐瀚等，利用超声波抑制藻类生长的方法[P]，2003，03100009.6

[11]邱荷香，超声技术抑制藻类生长的研究[J]，安庆师范学院学报(自然科学版)，2002，8：69-73。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声细胞破壁处理装置，达到高效并连续破坏环境污染物中细胞壁的作用。

实现上述目的的技术方案是：一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，包括细胞破壁超声反应腔体、反应腔体的两端分别为出料口和进料口；所述反应腔体呈连续弯曲柱体管道，反应腔体内设有若干大功率超声换能器；进料口处设有流量控制阀。本发明中反应腔体呈连续弯曲柱体管道，待处理样品稀释成液态通过流量控制阀由反应容器进料口泵入，在反应腔体内绕行，并经由容器出料口自然流出，进入后续的处理系统。在所述的细胞破壁超声反应腔体内弯曲处嵌入大功率超声换能器，超声换能器作用方向为样品流向的反方向。该设备在处理样品过程中，样品处于流动状态，并受到超声连续作用，从而使得该装置可以和其他设备进行有效集成，实现样品的连续处理；固定在设备上的大功率超声换能器可以根据处理样品的种类进行更换，实现灵活选择不同功率和频率的超声，从而可同时对不同生物细胞进行破壁处理；所选超声换能器为大功率器件，对生物细胞壁实现有效破壁，提高效率。对于不同生物细胞，使用该装置一次性连续处理样品的破壁率达到30％-50％，通过设备级联方式处理样品可以达到更高的破壁效率，从而达到工业化处理要求。

进一步的，所述大功率超声换能器由超声波调谐模块和超声波功率放大器驱动，并且有若干组，每组激励一个大功率超声换能器。

进一步的，所述大功率超声换能器由超声换能器和超声变幅杆组成，并且每个超声换能器对应一个超声波发生器。

进一步的，所述大功率超声换能器根据需要选择功率范围在100W-4kW之间，选择频率范围在10kHz-1MHz之间，该功率及频率范围足以对各种生物细胞壁进行破碎。

进一步的，所述细胞破壁超声反应腔体呈连续弯曲柱体管道，可以安装并更换大功率超声换能器，利用法兰固定，可以方便对超声换能器的维修，并且可以根据生物细胞种类及尺寸大小选择不同功率及频率的超声换能器。

进一步的，所述大功率超声换能器可以根据超声波辐射距离需要，控制其伸入细胞破壁超声反应腔体的距离。

进一步的，所述细胞破壁超声反应腔体可以同时安装不同频率及功率的大功率超声换能器，使得大多数生物细胞都能被超声作用，从而实现连续对物质进行超声作用，达到提高破壁效率的目的。

进一步的，所述细胞破壁超声反应腔体可以根据处理样品数量及种类通过出料口和进料口进行多个级联。

进一步的，所述细胞破壁超声反应腔体进料口安装流量控制阀，流量控制阀可以控制待处理样品在反应腔体里的流速，从而控制超声对样品的作用时间。

本发明的具体优点是：本发明提供一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，能够克服现有超声破壁装置的不足，实现超声的连续、高效作用，可对不同生物的细胞壁进行破壁处理，该装置可以集成在大规模环保处理装置中间进行连续工作，本发明提出的超声细胞破壁装置操作简单、易于实现、使用安全、效率高、持续性强，对治理蓝藻等生物细胞引起的生态问题有很高的工程应用价值，在其他一些生物工程和环境领域也具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明的超声细胞破壁处理装置的结构示意图。图中有：细胞破壁超声反应腔体1、大功率超声换能器2、流量控制阀3、出料口4、出料口阀门5、进料口6、进料口阀门7。

具体实施方式

该装置包括细胞破壁超声反应腔体、大功率超声换能器、流量控制阀等部分组成：其中反应腔体1呈连续弯曲柱体管道，包括出料口4、进料口6、用于插入大功率超声换能器2的插孔、出料口阀门5和进料口阀门7；大功率超声换能器通过反应腔体的插孔插入容器并用法兰固定；流量控制阀3安装于进料口，控制待处理样品在反应腔体里的流速，从而控制超声对样品的作用时间。大功率超声换能器在接通电源并施加信号后，超声换能器会沿样品流速反方向发射驻波超声，并在特定区域内产生超声空化效应作用于生物细胞，由于腔体中多处安装了不同频率和功率的大功率超声换能器，所以产生的超声可以大范围、持续的作用于生物细胞壁。装置工作前先将大功率超声换能器通过反应腔体的插孔插入容器并用法兰固定，关闭出料口阀门，从进料口注水，填充满整个容器，开启电源并传输信号使大功率超声换能器工作。此时打开出料口阀门并将待处理样品稀释后通过流量控制阀从进料口注入反应腔体中，通过流量控制阀可以控制待处理样品在反应腔体里的流速，从而控制超声对样品的作用时间。待处理样品连续经过超声作用，实现高效、连续破壁目的，并从出料口流出，进入后续处理系统。

Claims (10)

1.一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，包括细胞破壁超声反应腔体(1)、反应腔体(1)的两端分别为出料口(4)和进料口(6)；其特征在于，所述反应腔体(1)呈连续弯曲柱体管道，反应腔体(1)内设有若干大功率超声换能器(2)；进料口处设有流量控制阀(3)。

2.根据权利要求1所述的高效连续式超声细胞破壁处理装置，其特征在于出料口(4)和进料口(6)分别设有出料口阀门(5)和进料口阀门(7)。

3.根据权利要求1所述的一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，其特征在于，所述大功率超声换能器由超声波调谐模块和超声波功率放大器驱动，并且有若干组，每组激励一个超声换能器。

4.根据权利要求1所述的一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，其特征在于，所述大功率超声换能器由超声换能器和超声变幅杆组成，并且每个超声换能器对应一个超声波发生器。

5.根据权利要求1所述的一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，其特征在于，所述大功率超声换能器根据需要选择功率范围在100W-4kW之间，选择频率范围在10kHz-1MHz之间。

6.根据权利要求1所述的一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，其特征在于，所述细胞破壁超声反应腔体呈连续弯曲柱体管道，在管道弯曲处设有插孔，插孔用于安装并更换大功率超声换能器，大功率超声换能器利用法兰进行固定。

7.根据权利要求1所述的一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，其特征在于，所述大功率超声换能器伸入细胞破壁超声反应腔体的距离可调节。

8.根据权利要求1所述的一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，其特征在于，设置在细胞破壁超声反应腔体内的大功率超声换能器具有不同频率及功率。

9.根据权利要求1所述的一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，其特征在于，所述细胞破壁超声反应腔体可以根据处理样品数量及种类通过出料口和进料口进行多个级联。

10.根据权利要求1所述的一种高效连续式超声细胞破壁处理装置，其特征在于，所述出料口用于连接后续处理系统。