CN104944516A - 一种基于混频超声的连续高效细胞破壁处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于混频超声的连续高效细胞破壁处理方法，该方法是将待处理样品泵入超声反应容器，在超声反应容器内进行混频的超声处理。超声反应容器中分为三个区域，每个区域面对面放置一组不同频率的功率超声换能器，超声换能器可更换，功率在500W-3kW之间，三组功率超声换能器的频率为20kHz和28kHz为一组，28kHz和35kHz为一组，20kHz和35kHz为一组，每一组中两个超声换能器合成的超声波可实现不同的频率和声强，不同尺寸及种类的生物细胞在经过超声作用区域时都可受到混频超声作用，实现有效破壁处理。该方法打破了原有技术中固定超声频率只能处理特定生物细胞的限制，提高了破壁效率。
Description
技术领域
本发明涉及超声处理技术领域，尤其涉及一种基于混频超声的连续高效细胞破壁处理方法。
背景技术
随着我国城市化和工业化进程加速，污染问题成为了制约经济发展的瓶颈问题，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；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。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。
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。
目前，各种各样的生物细胞破壁的超声处理方法相继出现，但普遍存在如下问题：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[1]；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[2]；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[3]。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方法。
参考文献
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发明内容
针对上述情况，本发明之目的就是提供一种基于混频超声的连续高效细胞破壁处理方法，可有效解决目前超声生物破壁处理中的超声功率、频率单一，功率小及二次污染等问题。
当生物细胞受到两种或多种超声波频率照射时，各种不同频率的超声波会各自对水产生空化效应，而且，多种频率的超声波混合时会通过倍频、分频波等途径产生复杂多变的频率并产生更多的空化效应；再者，两种或多种频率的混频超声波可以减少单一频率超声波产生的驻波，而驻波会导致的空化穴减少；此外，不同类型和大小的生物细胞对不同频率的超声感受敏感程度不同，混频超声复杂多变的频率比单独施加某种单一频率的超声效果要好得多。
其解决的技术方案是，一种基于混频超声的连续高效细胞破壁处理方法，是将样品泵入超声反应容器，在超声反应容器内进行混频的超声处理。
本发明待处理样品在混料池稀释成液态，以便进行超声处理。混料池内样品通过管道泵入超声反应容器。
所述超声反应容器中采用多组面对面放置的功率超声换能器，超声换能器可更换，这里选用三种超声换能器频率分别为20kHz、28kHz和35kHz，针对不同样品换能器输出功率在500W-3kW之间。这三种频率的超声换能器为低频常用，在实际生产中可实现连续高功率工作，更重要的是，经实验证明通过混频可产生复杂多变的频率并产生不同的空化效果作用于不同的生物细胞。超声换能器频率20kHz和28kHz为一组，28kHz和35kHz为一组，20kHz和35kHz为一组，每一组中两个超声换能器面对面作用可实现超声波混频，合成的超声波可实现不同的频率和声强，从而实现对不同尺寸及种类的生物细胞进行破壁处理。超声反应容器与沉降池连接，待后续处理。
沉降池用于接收经超声处理的样品，经过超声处理的样品如蓝藻、污泥等在重力的作用下沉入池底，静置分离后，将水排出，可对样品进行后续加工。
有益效果：该方法打破了原有超声破壁方法中固定超声频率只能处理特定生物细胞的限制，通过超声混频提高了破壁效率。该方法在处理样品过程中，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、高效处理。
附图说明
图1为本发明的基于混频超声的连续高效细胞破壁处理方法示意图。
具体实施方式
以下以蓝藻为例，结合具体情况对本发明作详细说明。
实施例1
取A、B、C、D四组浓度相同的铜绿微囊藻液各200ml，超声输出功率为500W，A、B、C组分别用频率为20KHz、28KHz和35KHz的超声进行作用，辐照时间为15秒，D组分别用20kHz和28kHz混频，28kHz和35kHz混频，20kHz和35kHz混频各作用5秒，将经超声作用的藻液静置于培养箱中，取上清液测量吸光度(OD值)，与未经超声作用的对照组进行对比，从而定量得到溶液中蓝藻的生物含量，如表1所示。
表1
| 对照组 | A组 | B组 | C组 | D组 | |
| 超声频率(KHz) | 20 | 28 | 35 | 混频 | |
| 超声功率(kW) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | |
| 作用时间(Sec) | 15 | 15 | 15 | 15 | |
| OD值 | 0.450 | 0.279 | 0.266 | 0.288 | 0.212 |
| 生物含量 | 62％ | 59％ | 64％ | 47％ |
从表1可以看出，采用混频超声对蓝藻进行处理，可有效降低溶液中蓝藻的生物含量，从而提高去除率，蓝藻的去除效果可提高25％左右。
实施例2
取A、B、C、D四组浓度相同的铜绿微囊藻液各200ml，超声输出功率调为500W，四组均采用混频超声，辐照时间分别为15秒、20秒、25秒和30秒，将经超声作用的藻液静置于培养箱中，取上清液测量吸光度(OD值)，与未经超声作用的对照组进行对比，从而定量得到溶液中蓝藻的生物含量，如表2所示。
表2
| 对照组 | A组 | B组 | C组 | D组 | |
| 超声频率(KHz) | 混频 | 混频 | 混频 | 混频 | |
| 超声功率(kW) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | |
| 作用时间(Sec) | 15 | 20 | 25 | 30 |
| OD值 | 0.450 | 0.212 | 0.189 | 0.176 | 0.167 |
| 生物含量 | 47％ | 42％ | 39％ | 37％ |
从表2可以看出，采用混频超声对蓝藻进行处理，随着混频超声作用时间的增加，溶液中蓝藻的生物含量降低，相应的去除率升高，由于该方法设计为连续处理方法，不会无限升高超声作用时间，因此可根据需要选择合理时间范围。
实施例3
取A、B、C、D四组浓度相同的铜绿微囊藻液各200ml，超声输出功率分别为0.5kW、1kW、2kW、3kW，采用混频超声作用15秒，将经超声作用的藻液静置于培养箱中，取上清液测量吸光度(OD值)，与未经超声作用的对照组进行对比，从而定量得到溶液中蓝藻的生物含量，如表3所示。
表3
| 对照组 | A组 | B组 | C组 | D组 | |
| 超声频率(KHz) | 混频 | 混频 | 混频 | 混频 | |
| 超声功率(kW) | 0.5 | 1 | 2 | 3 | |
| 作用时间(Sec) | 15 | 15 | 15 | 15 | |
| OD值 | 0.450 | 0.212 | 0.171 | 0.140 | 0.117 |
| 生物含量 | 47％ | 38％ | 31％ | 26％ |
从表3可以看出，采用混频超声对蓝藻进行处理，随着混频超声功率的增加，溶液中蓝藻的生物含量大大降低，相应的去除率升高。
在生产实施时，本发明的处理方法如图1，是以如下形式实施的，首先将待处理样品放入混料池，向混料池注水将样品搅拌稀释成液态，使得超声波可以在样品中得以有效传递和作用。以上过程对不同样品区别对待，如含生物水的污泥可以按照上述方法执行，对于蓝藻等水污染可在水源处直接将污染水泵入混频超声反应装置中。控制样品在装置内的流动速度，从而控制超声与样品的作用时间。超声反应装置中分为三个区域，每个区域面对面放置一组不同频率的功率超声换能器，超声换能器可更换，功率在500W-3kW之间，三组功率超声换能器的频率为20kHz和28kHz为一组，28kHz和35kHz为一组，20kHz和35kHz为一组，每一组中两个超声换能器面对面作用可实现超声波混频，合成的超声波可实现不同的频率和声强，不同尺寸及种类的生物细胞在经过超声作用区域时都可受到混频超声作用，实现有效破壁处理。超声反应装置与沉降池连接，处理过的样品流入沉降池。
沉降池用于接收经超声处理的样品，经过超声处理的样品如蓝藻、污泥等在重力的作用下沉入池底，静置分离后，将水排出，可对样品进行后续脱水处理。
由上述可以看出，本发明提供的一种基于混频超声的连续高效细胞破壁处理方法，不同于传统的单一超声破壁方法，是一种利用超声混频技术更加快速、连续、有效的生物细胞破壁技术，打破了原有技术中固定超声频率只能处理特定生物细胞的限制，提高了破壁效率。该方法无需与其他化学方法共同作用，对环境无污染，完全符合生产中对环境保护的要求。该方法对生物细胞进行破壁处理，效率可提高15％-30％，同时该方法在处理样品过程中，样品处于流动状态，并受到超声连续作用，超声作用时间短，从而使得该方法可以和其他处理工艺进行有效集成，实现样品的连续、高效处理。
Claims (2)
1.一种基于混频超声的连续高效细胞破壁处理方法，是将待处理样品泵入超声反应容器，在超声反应容器内进行混频的超声处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于混频超声的连续高效细胞破壁处理方法，其特征在于，所述超声反应容器中分为三个区域，每个区域面对面放置一组不同频率的功率超声换能器，功率在500W-3kW之间，三组功率超声换能器的频率为20kHz和28kHz为一组，28kHz和35kHz为一组，20kHz和35kHz为一组，每一组中两个超声换能器面对面作用可实现超声波混频，合成的超声波可实现不同的频率和声强，不同尺寸及种类的生物细胞在经过超声作用区域时都可受到混频超声作用。
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