CN109196088A - 细胞壁或细胞膜破碎装置及该装置的使用方法 - Google Patents

细胞壁或细胞膜破碎装置及该装置的使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种细胞壁或细胞膜破碎装置，其包括：固定盘、旋转盘、驱动该旋转盘的旋转轴、减压单元和壳体；固定盘和旋转盘中的至少一组相对设置，固定盘的中心部具有比通过该中心部的旋转轴的外径更大的空洞部；旋转盘和固定盘之间产生的剪切力应用于投入所述装置内的含水率89％以上的对象物的流体；细胞壁或细胞膜破碎装置内的压力利用减压单元减压到‑0.08MPa以下，该装置破碎有机污泥等含有的微生物、藻类等具有的细胞壁和/或细胞膜。该装置能够有助于生物气体的增量、污泥的减量、藻类的培养、植物栽培、水产物的培养等，分离例如CH4、CO2并连接到资源。

Description

细胞壁或细胞膜破碎装置及该装置的使用方法
技术领域
本发明涉及破碎微生物、藻类等具有的细胞壁和/或细胞膜的装置及该装置的使用方法。
背景技术
有机污泥等中含有的微生物和藻类等含有各种有用的资源(例如，蛋白质、脂肪、碳水化合物)。但是，为了回收这种有用的资源，需要破碎构成微生物等的细胞壁和/或细胞膜(以下，也会称为“细胞壁等”)。构成微生物等的细胞壁等由非常牢固的膜构成，因此为了破碎该细胞壁等，通常需要先进的技术和复杂的设备。因此，传统方法和设备导致运行成本增加。
例如，专利文献1公开了一种污泥破碎装置，该污泥破碎装置是用于破碎由有机废水的生物处理产生的污泥的污泥破碎装置，其包括高速旋转的旋转盘和驱动该旋转盘的驱动装置，其还包括面向所述旋转盘并在其中心部分具有污泥吸入口的固定盘，在所述固定盘和所述旋转盘之间设置大约5mm或更大的盘间隙，并且所述污泥主要由所述旋转盘的旋转剪切力被破碎。
专利文献2公开了一种污泥处理方法，该污泥处理方法为污水处理中产生的污泥在污泥降解步骤中降解，然后在超声处理步骤中超声处理并在沼气发酵步骤中处理。
【先行技术文献】
【特许文献】
【专利文献1】日本专利第3731204号公报
【专利文献2】日本专利特开2002-336898号公报
发明内容
【发明要解决的技术问题】
期望利用微生物、藻类等生成生物气体(甲烷、氢气等)和油；回收CO2、磷、氮等成分；以及制造食品或化妆品等。例如，还期望含有微生物、藻类等的污泥的减容化，材料化，绿地还原化等。因此，强烈需要连续破碎和降解微生物、藻类等并且以低成本有效地消化和/或回收这些所具有的成分的技术。
例如，活性污泥的浓缩槽的剩余污泥中的有机污泥的消化通过污泥中的微生物等的溶解和水解以产生水和二氧化碳来进行。但是，由于微生物等中含有的蛋白质、有机酸、脂质、碳水化合物等细胞内大分子物质的溶出和通过这些物质的水解实现的低分子化成为限速，在活性污泥的浓缩槽中的有机污泥的消化需要很长的消化时间。因此，为了提高活性污泥的浓缩槽内的剩余污泥和一次沉淀(初沉)污泥的消化效率，期望破碎污泥中的微生物等的细胞壁等，使其低分子化且可溶化的技术。
破碎细胞壁等以使其低分子化和溶解的现有技术举例来说有超声波等的高能量破碎方法；臭氧氧化和碱处理等的化学降解方法；使用匀浆器、研磨器的机械破碎法等。为了易于破碎细胞壁等，还存在进一步采用50℃以上的加热手段的情况。
然而，使用超声波、臭氧和碱的方法存在设备的维护和管理成本增加的问题。使用匀浆器、研磨器的机械破碎法，由于其处理效率低，需要制造复杂的大型装置，因此，同样存在成本增加的问题。
因此，本公开提供了一种能够以低成本高效地破碎微生物等具有的细胞壁等的装置以及该装置的使用方法。
【解决技术问题的手段】
根据本公开的一个实施方式，提供了一种细胞壁或细胞破碎装置，其包括固定盘、旋转盘、用于驱动旋转盘的旋转轴、减压单元和壳体，其中固定盘和旋转盘中的至少一组被设置成彼此相对，固定盘的中心部分具有比通过中心部分的旋转轴的外径更大的空腔部分，并且旋转盘和固定盘之间产生的剪切力适用于导入装置内的水分含量为89％以上的对象物的流体，通过减压单元，细胞壁或细胞膜破碎装置内的压力通过减压单元减压至-0.08MPa以下。
根据本发明的另一实施方式，提供细胞壁或细胞膜破碎装置，其包括：固定盘、旋转盘、用于驱动该旋转盘的旋转轴、利用陆地泵和/或潜水泵的抽吸力的减压单元和壳体，其中固定盘和旋转盘中的至少一组被设置成彼此相对，固定盘的中心部分具有比通过中心部分的旋转轴的外径更大的空腔部分，并且旋转盘和固定盘之间产生的剪切力适用于导入装置内的水分含量为89％以上的对象物的流体，在使用陆地泵的情况下，该陆地泵设置在装置的喷出口之后，在使用潜水泵的情况下，该潜水泵设置在装置内的最终固定盘之后的喷出口侧。
根据本公开的另一个实施方式，提供了一种污泥的减容化方法，其包括利用上述的细胞壁或细胞膜破碎装置处理污泥的步骤。
根据本公开的另一个实施方式，提供了一种污泥的肥料制备方法，其包括利用上述细胞壁或细胞膜破碎装置处理污泥的步骤，以及将从处理污泥的步骤获得的处理污泥肥料化的步骤。
根据本公开的另一个实施方式，提供了一种污泥的培养液的制备方法，其包括利用上述细胞壁或细胞膜破碎装置处理污泥的步骤，以及将从污泥处理步骤获得的处理分离液收集为培养液的步骤。
根据本公开的另一实施方式，提供了一种除臭方法，其包括利用上述细胞壁或细胞膜破碎装置处理污水和/或污泥或臭味食品的步骤。
根据本公开的另一个实施方式，提供了一种生物气体的发酵方法，其包括通过上述细胞壁或细胞膜破碎装置处理污泥的步骤，以及将从处理污泥的步骤获得的处理污泥和/或处理分离液提供到生物气体发酵槽中的步骤。
根据本公开的另一个实施方式，提供了一种食品、饮料、医疗用品、补充剂或化妆品的制造方法，其包括利用上述细胞壁或细胞膜破碎装置，处理对象物的步骤，该对象物含有选自菌类、微生物、藻类和植物组(以下，有时称为“微生物组”)中的至少一种。
根据本公开的另一个实施方式，提供一种油成分回收方法，其包括利用上述细胞壁或细胞膜破碎装置，处理对象物(例如，污泥)的步骤，该对象物含有选自菌类、微生物、藻类和植物的至少一种的油成分。
【発明的効果】
由于本发明的细胞壁或细胞膜破碎装置仅需要至少具有固定盘，旋转盘，用于驱动旋转盘的旋转轴，减压单元和壳体的简单构造，装置的维护和管理较容易，可以提供低成本的装置。
在以往的装置中，为了破碎细胞壁等，需要另外设置碱处理、50℃以上的加热处理等设备。然而，由于本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置包括减压单元，所以不需要具备碱处理、50℃以上的加热处理等设备。因此，与以往的装置和设备相比，运行成本可以大大降低。
本发明的细胞壁或细胞膜破碎装置可以用于污泥减的容化方法，污泥的肥料制备方法，污泥的培养液制备方法，除臭方法，生物气体发酵方法，食品、饮料、药品、补充剂类或化妆品的制造方法，油成分回收方法等。由于本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置可以充分破碎微生物等的细胞壁等而不会不利地影响微生物等中包含的有效成分，因此可以提高上述各个方法的效率。
应该注意的是，以上记载不应该被认为是公开了本发明的所有实施方式以及与本发明有关的所有优点。
附图说明
图1是本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置的示意性横截面图。
图2A是图1中的A-A'面的放大截面图。
图2B是图1中的A-A'附近的旋转盘的放大图。
图3A是离心浓缩后的污泥的显微镜照片(150倍)。
图3B是细胞壁或细胞膜破碎装置处理后的污泥的显微镜照片(150倍)。
图4A是显示在厌氧条件下的间歇式试验中甲烷气体累积生成量的图。
图4B是显示在厌氧条件下的间歇式试验中对甲烷气体的转化效率的图。
图5A是显示在厌氧条件下的连续式试验中甲烷气体累积生成量的图。
图5B是显示在厌氧条件下的连续式试验中对甲烷气体的转化效率的图。
图6是显示在好氧条件下的连续式试验中剩余污泥的生成量的图。
图7A是显示破碎处理时间(分钟)与从1g左右干燥藻体中的油脂回收量(mg)之间的相关性的图。
图7B是显示破碎藻体与从1g左右干燥藻体中的氢生成量(mL)之间的相关性的图。
图8A是包含本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置的设备步骤的第一示意图。
图8B是包含本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置的设备步骤的第二示意图。
具体实施方式
本公开的第一实施方式的细胞壁或细胞膜破碎装置是包括固定盘、旋转盘、用于驱动旋转盘的旋转轴、减压单元和壳体的细胞壁或细胞膜破碎装置，其中，固定盘和旋转盘中的至少一组相对设置，并且固定盘的中心部具有比通过该中心部的旋转轴的外径大的空洞部，旋转盘和固定盘之间产生的剪切力应用于投入装置内的水分含量为89％以上的对象物的流体。由于本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置具有简单的构造，所以装置的维护和管理容易，并且装置的制造成本可以降低。由于采用减压单元，不再需要传统装置中必不可少的碱处理和加热处理等设备，从而可大大降低运行成本。
本公开的第二实施方式的细胞壁或细胞膜破碎装置是包括固定盘、旋转盘，用于驱动该旋转盘的旋转轴、利用陆地泵和/或潜水泵的抽吸力的减压单元和壳体的细胞壁或细胞膜破碎装置，其中，固定盘和旋转盘中的至少一组相对设置，并且固定盘的中心部具有比通过该中心部的旋转轴的外径大的空洞部，旋转盘和固定盘之间产生的剪切力应用于投入装置内的水分含量为89％以上的对象物的流体，在使用陆地泵的情况下，该陆地泵设置在装置的喷出口之后，在使用潜水泵的情况下，该潜水泵设置在装置内的最终固定盘之后的喷出口侧。本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置不限于使用减压泵，还可以使用陆地泵、潜水泵为装置内部减压，因此，容易维护，与使用减压泵的情况相比，可以大大降低维护费用。
第一或第二实施方式的细胞壁或细胞膜破碎装置通过减压单元可将装置内部的压力降低至-0.08MPa以下。当装置内部的压力在该范围内时，在细胞壁等内部的压力与细胞壁等外部的压力之间产生压力差，从而达成细胞壁等容易破碎的条件。另外，随着压力降低，固定盘与旋转盘之间的剪切力增大，伴随着细胞壁等容易破碎，同时也出现气穴现象，因此达成细胞壁等更容易被破碎的条件。
第二实施方式中的细胞壁或细胞膜破碎装置的陆地泵可以是单轴螺旋式泵。单轴螺旋式泵在陆地泵中吸力也是优异的，因此是优选的。
第一或第二实施方式的细胞壁或细胞膜破碎装置的旋转盘能够以10m/s以上的圆周速度旋转。当旋转盘的圆周速度为10m/s以上时，固定盘与旋转盘之间的剪切力等得到改善，并且可以更有效地破碎细胞壁等。
第一或第二实施方式中的细胞壁或细胞膜破碎装置可以包括两个以上的固定盘和/或旋转盘。通过提供两个以上的固定盘和/或旋转盘，可以在短时间内更高效地破碎细胞壁等。
根据第一或第二实施方式的细胞壁或细胞膜破碎装置中的固定盘和旋转盘之间的间隙可以是5mm至30mm。当固定盘和旋转盘之间的间隙在该范围内时，固定盘和旋转盘之间的剪切力等得到改善，并且可以更有效地破碎细胞壁等。
根据第一或第二实施方式的细胞壁或细胞膜破碎装置中的旋转盘和/或固定盘的表面可以是镜面的或粗糙的。当盘的表面作成镜面时，对象物容易流动，从而可以提高对象物的流速。在粗糙表面的情况下，由于盘表面的摩擦力或表面积增大，细胞壁等破碎时所需的剪切力等可以有效地施加到对象物上。
投入第一或第二实施方式中的细胞壁或细胞膜破碎装置的对象物可包括选自菌类、微生物、藻类和植物的至少一种。此外，污泥可以用作对象物。
第一或第二实施方式中的细胞壁或细胞膜破碎装置可以用于污泥的减容化方法，污泥的肥料制备方法，污泥的培养液制备方法，除臭方法，生物气体发酵方法，食品、饮料、药品、补充剂类或化妆品的制造方法，油成分回收方法等。含有利用该细胞壁或细胞膜破碎装置处理后的微生物等的对象物的细胞壁等被充分破碎，因此，能够提高上述各个方法中的效率。
以下，为了说明本发明的典型实施方式，将参考附图更详细地描述，但是本发明不限于这些实施方式。对于附图的附图标记，不同附图中的类似编号的组件表示它们是相似或相应的组件。
在本公开中，“气穴”被认为是这样一种现象：气泡(穴)通过在细胞壁或细胞膜破碎装置内部移动的流体中的低压部分的气化而瞬间产生，而后破碎并消失。气穴中的气泡破碎时产生的局部冲击力为100MPa至几GPa，温度环境为1200℃或更高。此时，认为更强的剪切力起作用并且细胞壁等更容易被破碎。
在本公开中，“生物气体”是一种生物燃料，并且是指通过污泥、污水的发酵等产生的气体(甲烷气体、氢气等)。
在本公开中，“污泥”是指在污水处理场所的处理过程、工厂的废液处理过程等中产生的，含有作为固态物质的有机物的最终产物的液态物质。“污泥”还包括由活性污泥法产生的“剩余污泥”。“剩余污泥”是将在活性污泥反应槽中处理后的处理液引入最终沉淀池等，在最终沉淀池中沉淀分离后的活性污泥中的一部分，是除了作为返回污泥的返回活性污泥反应槽的部分的部分。剩余污泥主要由将污水中的溶解性有机物作为基质而繁殖的微生物和通过捕食该微生物而繁殖的原生动物组成。
在本公开中，“悬浮物质浓度(MLSS)”是指以mg/L表示的活性污泥法中的曝气槽或曝气池(反应槽)中的活性污泥量；“挥发性悬浮物质浓度(MLVSS)”是指以mg/L表示的MLSS的强热减量(VS)；“悬浮物质(SS)”是指悬浮在水中的物质的总称；“生化需氧量(BOD)”是指通过水中的好氧微生物消耗的溶解氧气量；“总有机碳含量(TOC)”是指水中存在的有机物中的碳含量；“可溶性有机碳含量(DOC)”是指水中溶解的有机物中的碳含量；“总氮含量(T-N)”是指水中存在的氮化合物的总量；“总磷含量(T-P)”是指水中存在的磷化合物的总量。悬浮物质浓度(MLSS)和悬浮物质(SS)是根据污水试验方法(公益公司日本污水处理协会，1997年第2期，第2章，第12-2节)，采用离心分离法测得。
图1显示了根据本公开的第一实施方式的细胞壁或细胞膜破碎装置100的示意性横截面图。细胞壁或细胞膜破碎装置100包括：壳体160；设置在壳体160的内表面上的固定盘140；旋转盘150；位于细胞壁或细胞膜破碎装置100的中心水平方向，用于固定并驱动旋转盘150的旋转轴130；投入口170；排出口180；和减压单元190。细胞壁或细胞膜破碎装置100可包括用于驱动旋转轴130的逆变器110和马达120。逆变器110和马达120可以与细胞壁或细胞膜破碎装置100一体地构造，或者可以布置在细胞壁或细胞膜破碎装置100的外部。根据对象物的种类、量等，能够适当调整圆周速度，优选使用逆变器，也可以采用星三角(Y-Δ)方式的马达等来代替逆变器。
投入至投入口170的对象物如同图1的对象物的流动105那样，在固定盘140和旋转盘150之间流动，从排出口180排出。投入口170和排出口180也可以相反地设置。通过固定盘140和旋转盘150之间和/或固定盘140和固定盘140之间(以下也称作“各个盘之间”)，以及旋转盘150和壳体160的内表面之间与固定盘140和回转轴130的外表面之间产生的剪切力等的能量，破碎对象物中含有的微生物等的细胞壁等(图3A以及图3B)。
尽管不受以下理论的限制，也考虑到各个盘之间，除了剪切力也产生气穴。例如，图2A和2B示意了图1中的细胞壁或细胞膜破碎装置100的A-A’面的截面放大图和A-A’附近的旋转盘的放大图。投入的对象物在装置内部高速地流动，从而形成对象物中的低压部分。通过该低压部分，对象物中的水分等蒸汽化，产生气泡，在对象物中形成团状物295(液体和气体的混合部)。考虑到团状物中的气泡破碎，消失时，瞬间施加非常高的压力(冲击力)。基于该高压的能量也作为剪切力有助于细胞壁等的破碎。
构成细胞壁或细胞膜破碎装置100的各种构件根据用途可以使用各种各样的材料。虽然不限于此，但是可以使用选自例如铁、不锈钢等的金属或金属合金、陶瓷、玻璃、塑料、含有碳纤维和/或玻璃纤维的强化树脂、橡胶的一种以上的材料。其中，由于强度和防锈效果较优，不锈钢(SUS316等)和陶瓷是优选的。
与对象物接触的各种构件(固定盘、旋转盘、壳体的内壁、旋转轴的外壁、投入口、排出口等)的表面优选应用利用氟树脂涂层等的防水处理，利用氧化钛、氧化硅涂层等的亲水化处理，光滑表面(镜面)处理和表面粗糙化处理。通过应用防水处理或亲水化处理，可以防止基于对象物的污垢等的附着。光滑表面(镜面)处理的应用使得对象物的流动更容易，从而可以改善物体的流速。表面粗糙化处理的应用增加了摩擦力和表面积，从而可以改善剪切力和气穴的发生。可以组合使用防水处理，亲水处理，光滑表面(镜面)处理和表面粗糙化处理。此外，这些处理可以应用于使用的构件的全部或一部分。表面粗糙化处理的实例可以包括压花、喷砂、切削、抛光、激光加工、蚀刻加工等加工处理，以及使用阴阳模具的成型加工等。或者，可以使用粘合剂，焊接，螺栓等将能够提供粗糙表面的构件贴合到固定盘等的表面。粗糙表面可以具有随机的凹凸形状，也可以具有预定角度和/或间隔等的槽状的形状。粗糙表面的尺寸和形状可以根据对象物的性状和处理量适当地调节。
固定盘140的中心部具有比通过该中心部的旋转轴130的外径大的空洞部。固定盘140可以根据投入细胞壁或细胞膜破碎装置100的对象物的性状、处理量、壳体的性状、设计意图等，适当地调整外径、内径、形状、厚度、数量。考虑细胞壁等的破碎性、制造成本等，固定盘140优选为大致圆盘状的形态，固定盘140的空洞部也是大致圆形的是优选的。固定盘140的空洞部的尺寸根据对象物的种类、量等可以适当地调整。固定盘140的表面在不阻碍产生剪切力和气穴的范围内，可以具有凹状和凸状的倾斜，也可以在盘内部或外周部具有贯通孔等。固定盘140可以相对于壳体160的内壁通过粘合剂、焊接等一体化，或者使用螺栓等可拆卸地安装。此外，固定盘140和壳体160也可以是利用3D打印等由单一的材料构成的一体物。
旋转盘150可以根据投入细胞壁或细胞膜破碎装置100的对象物的性状、处理量、壳体的形状、设计意图等，适当地调整外径、内径、形状、厚度、数量。考虑细胞壁等的破碎性、制造成本等，旋转盘150优选为大致圆盘状的形态。对于旋转盘150的外周与壳体的内壁之间的距离，可以根据对象物的种类、量等适当地调整。旋转盘150的表面在不阻碍产生剪切力和气穴的范围内，可以具有凹状和凸状的倾斜，也可以在盘内部或外周部具有贯通孔等。旋转盘150可以相对于旋转轴130通过粘合剂、焊接等一体化，或者使用螺栓等可拆卸地安装。此外，旋转盘150和旋转轴130也可以是利用3D打印等由单一的材料构成的一体物。
旋转盘150的转数和圆周速度可以根据对象物的种类，量等适当地调整，不限于以下的范围。旋转盘150的转数可以是1000min-1以上，2000min-1以上或3000min-1以上，7000min-1以下，6000min-1以下或5000min-1以下。如果转数在这个范围，旋转盘150的圆周速度能够在预定的范围内调整。旋转盘150的圆周速度可以是20m/s以上、30m/s以上或35m/s以上，70m/s以下，60m/s以下或55m/s以下。如果圆周速度在这个范围，能够提升破碎细胞壁等的剪切力等的效率，而不会发生伴随对象物的温度上升的不良结果。其中，除了剪切力，也容易发生气穴，圆周速度优选在37-52m/s的范围。
本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置100中的固定盘140具有在中心部的空洞部(对象物吸入口)，并且面对旋转盘150设置。固定盘140具有如下功能：通过旋转盘150的离心力，形成已朝旋转盘150的外周方向流动的对象物再次通过固定盘140的空洞部，流入旋转盘150的中心部的流动。即，固定盘140用于使得细胞壁或细胞膜破碎装置100内的对象物均匀化。
本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置100可以具有固定盘140和旋转盘150各一个，从细胞壁等的破碎的效率性的观点出发，优选具有两个以上的这些盘。在这种情况下，固定盘和旋转盘可以交替设置，也可以是旋转盘和旋转盘之间设置两个以上的固定盘。设置的旋转盘和固定盘的大小和形状可以分别统一或分别不同。
固定盘和旋转盘的间隙，或固定盘之间的间隙应该通过使用的旋转盘和固定盘的尺寸(内径、外径)，旋转盘的旋转速度，或对象物的性状，处理量等决定，虽然不特别限定本发明，优选为5mm以上，7mm以上或9mm以上，30mm以下，20mm以下或15mm以下。其中，考虑产生剪切力、气穴，优选为10mm～11mm的范围。各个盘之间的间隔是一定的，也可以是不同的，优选为不同的。各个盘之间的间隔从投入口侧朝向排出口侧，可以连续地、阶段地或部分地变大。例如，可以从投入口到装置中心部附近为止，各个盘的间隔设为10mm，从装置中心部附近到排出口为止，各个盘的间隔设为11mm，阶段地变大。如果各个盘的间隔在投入口附近变窄，对象物的流速变快，提高细胞壁等的破碎性。一方面，如果各个盘的间隔在排出口附近变大，则对象物的流速变慢，因此能够防止装置内的对象物堵塞等。
本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置100可以还具备调整盘间隙的盘间隙调整单元。在采用盘间隙调整单元的情况下，因为考虑处理的对象物的性状等，能够适当调整盘间隙，能够更有效地使用本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置。
旋转轴130位于细胞壁或细胞膜破碎装置100的中心水平方向，用于固定和驱动旋转盘150。旋转轴130可以具备以下所示的减压单元190。如果能够通过旋转轴130减压，就能够对装置内部均匀减压。
壳体160是覆盖细胞壁或细胞膜破碎装置100的外周的构件，形状、大小、材质等可以根据装置的使用用途等适当调整。如果考虑剪切力的产生和制造成本等，优选由不锈钢(SUS316等)构成的圆筒形壳体。
减压单元190使得微生物等的细胞的内外产生压力差，具有容易破碎细胞壁等的功能。此外，因为通过采用减压单元190，破碎细胞壁等，就不需要使用之前一直使用的碱处理，50℃以上的加热处理等。因此，与之前的装置和设备相比，除了能够简化设备空间，还大幅降低运行成本。但是，本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置100不限制使用碱处理，50℃以上的加热处理等。如果并用这些处理，与之前的装置和设备相比，不言而喻，将进一步改善细胞壁等的破碎。
细胞壁或细胞膜破碎装置内的減圧条件可以根据对象物的种类、量等适当地调整不限于以下的范围。细胞壁或细胞膜破碎装置内的压力通过减压单元能够降到-0.1MPa以下，-0.09MPa以下或-0.08MPa以下。特别地，考虑产生剪切力、气穴，优选压力为-0.080MPa(-80kPa)以下，-0.065MPa(-65kPa)以下或-0.060MPa(-60kPa)以下。压力的下限值不特别限定，可以是-0.01kPa(-0.00001MPa)以上，-0.05kPa(-0.00005MPa)以上或-0.1kPa(-0.0001MPa)以上。压力的范围优选为-0.01kPa～-0.080MPa，更优选为-0.05kPa～-0.065MPa，最优选为-0.1kPa～-0.060MPa。这些压力值是以大气压为基准(零)的表压读数。此外，减压意指包含负压的概念。
减压单元190虽然不限于此，但是可以使用例如旋转泵，干泵等的减压泵。减压单元190可以一体地设置于细胞壁或细胞膜破碎装置100。在这种情况下，减压单元190设置在选自投入口170、壳体160、旋转轴130和排出口180的一个以上场所中。或者，减压单元190也可以相对于细胞壁或细胞膜破碎装置100单独设置。在这种情况下，减压单元190通过管道等设置在选自投入口170、壳体160、驱动单元130和排出口180的一个以上的场所中。
通过采用陆地泵和/或潜水泵，能够对细胞壁或细胞膜破碎装置的内部进行减压化。作为一个例子，对于采用陆地泵的构成，参照图8A和图8B说明，但是不限于此。图8A中，陆地泵815设置在储存污泥等的对象物的处理前储蓄槽805和细胞壁或细胞膜破碎装置800之间。作为陆地泵，例如可以使用单轴螺旋式泵。其中，吸引性等的性能优异的单轴螺旋式泵是优选的。作为单轴螺旋式泵，可以采用兵神装备株式会社生产的モーノポンプ(注册商标)等。在该设置构成的情况下，通过陆地泵815输出的污泥等的对象物在加压状态下投入细胞壁或细胞膜破碎装置800中。因此，在这种设置构成中，上述减压泵适当地应用于细胞壁或细胞膜破碎装置中是优选的。一方面，在图8B中，陆地泵815设置于细胞壁或细胞膜破碎装置800和储存通过该装置处理的对象物的处理后储蓄槽825之间。在该设置构造的情况下，细胞壁或细胞膜破碎装置800由于接收基于陆地泵815的吸力，因此装置内部被减压。为了充分发挥基于陆地泵815的吸力，优选用对象物充满细胞壁或细胞膜破碎装置800。一般陆地泵的情况，由于受到吸引力较弱的设置上的制约，期望吸力优异的单轴螺旋式泵的样式。因此，在该设置构成的情况下，优选对象物从装置的下部投入，从上部排出的构造(在这种情况下，图1的对象物的流动105变为反向，变为170是排出口，180是投入口)。图8B的设置构成的情况，由于能够不使用减压泵只用陆地泵进行减压，相比图8A的设置构成，设备能够更简化。但是，在图8B的构成中，可以并用上述减压泵。此外，图8B的构成为，由于意图从处理前储蓄槽的下部利用对象物的自重向细胞壁或细胞膜破碎装置800投入对象物，不在处理前储蓄槽805和细胞壁或细胞膜破碎装置800之间设置陆地泵815。但是，与图8A相同，可以是在处理前储蓄槽805和细胞壁或细胞膜破碎装置800之间进一步设置陆地泵815，将对象物从处理前储蓄槽的上部取出的构成。此外，图8B记载了细胞壁或细胞膜破碎装置800和处理后储蓄槽825之间设置陆地泵815的例子，陆地泵815也可以在细胞壁或细胞膜破碎装置800的排出口之后设置。在陆地泵815的后段，不限于处理后储蓄槽825，也可以设置各种处理装置等，或在陆地泵815的后段直接接续预定的各种设施。此外，在使用潜水泵的情况下，该潜水泵可以设置于细胞壁或细胞膜破碎装置800内的最终固定盘之后的排出口侧被对象物浸泡的位置。
本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置100可以进一步具备加热单元。加热单元可以使用常规使用的50℃以上的加热单元。但是，会有能量成本的增加，细胞壁或细胞膜破碎装置内产生不良结果的可能性，因此优选不采用170℃以上，150℃以上或120℃以上的加热单元。一方面，可以使用传统上未使用的30℃以上且小于50℃的加热单元。传统的50℃以上的加热单元是为了使得细胞壁等软化而采用的。一方面，30℃以上且小于50℃的加热单元是为了使得气穴有效产生而采用的。本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置100具备减压单元190，因此30℃以上且小于50℃的加热下也容易产生气穴，能够进一步改善细胞壁等的破碎。
作为加热单元可以使用从蒸汽夹套、加热器、设备等排出的排热、太阳热、地热、地中热等公知的手段。加热单元可以与细胞壁或细胞膜破碎装置一体地设置，或者，相对装置单独地设置。
投入本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置的对象物是，含水率在89％以上，90％以上或91％以上液状流体。如果对象物的含水率小于89％，就变成粘性强的粘土状(泥状)的物质，特别是如果80％以下，由于达到其自身作为物体被运送的程度，就不能用本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置破碎。此外，对象物含有选自菌类、微生物、藻类和蔬菜残渣、非标准蔬菜等的植物(微生物群)的至少一种。具体地，例如，可以使用人工培养污泥(有机污泥)、污水、微生物中的至少一种的培养液和对该培养液进行脱水处理等得到的培养物质，浓缩了微生物群的至少一种的浓缩液或浓缩物质，和加工魔芋红薯得到的魔芋等的有臭味的食物等作为对象物。对象物可以原样投入细胞壁或细胞膜破碎装置，也可以添加水等或脱水，适当地调整固体成分(含水率)后投入。
本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置可以用于各种各样的用途，不限于以下的用途。
本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置能够用于污泥的减容化。通过细胞壁或细胞膜破碎装置处理的污泥，污泥中含有的微生物等的细胞的细胞壁等被破碎。因此，细胞中含有的蛋白质、碳水化合物、脂肪、氮、磷、H2O等的成分溶出而低分子化。水解后溶出的水分，能够在之后的脱水过程中除去，因此，低分子化为H2O能够有助于降低污泥含水率。此外，由于蛋白质等成分被低分子化而可溶于污泥中，含有污水处理中使用的甲烷菌等的消化槽的消化效率可以从传统的40％左右上升到60～80％。因此，能够使得沼气槽中产生的污泥的量大幅减少。
通过本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置处理的污泥中的微生物等，如上所述，被高效地破碎和低分子化为氮、磷、H2O等成分。脱水后的污泥相比传统的污泥，含有更多氮、磷等肥料成分，因此能够得到品质优异的肥料。
通过本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置处理的污泥中的微生物等は，如上所述，被高效地破碎和低分子化为氮、磷、H2O等成分。从处理后的污泥得到的处理分离液中含有较多这些成分。低分子化后的这些成分被藻类、微生物等高效地吸收，因此能够作为藻类、微生物等的培养液有效地利用。特别地，由于藻类进行光合作用，提高藻类的培养效率也有助于作为温室气体的CO2的碳补偿。
通过本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置处理的污水和/或污泥，由于污泥或污水中的微生物等如上所述，被高效地破碎和低分子化为氮、磷、H2O等的成分，能够消除臭气。除臭性能可以考虑对象物的种类、投入量、温度等，通过规定旋转盘的转数等适当地调整。此外，该除臭处理对于对象物是魔芋等的有臭味的食物也可以适用。
通过本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置处理的污泥中的微生物等，如上所述，被高效地破碎和低分子化为蛋白质、碳水化合物、脂肪等成分。低分子化后的这些成分，使得甲烷菌，氢发酵细菌等的代谢效率大幅提升，因此能够将甲烷、氢等生物气体的发酵效率提升到传统的2倍以上。例如，使用通过细胞壁或细胞膜破碎装置处理后的处理污泥和/或处理分离液的情况下，与不经过处理的污泥等相比，甲烷气体的生成量增加2倍～3倍。或者，能够使得CO2也按比例增加，发酵时长也可以相比传统的缩短。产生的CO2可以回收并用于藻类等的培养。
通过本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置处理的污泥中的微生物等以外的菌类，微生物，藻类，植物等也被破碎和低分子化为碳水化合物、脂肪、氮、磷、H2O等成分。被低分子化的这些成分，从人体或动物消化系统、皮肤等的吸收效率高。因此，通过细胞壁或细胞膜破碎装置处理后的菌类、微生物、藻类、植物等用于食品、饮料、药品、化妆品、补充剂类等是有益的。
本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置处理，例如，菌类、微生物、藻类、菜籽等植物等的对象物，这些对象物含有各种燃料中使用的油成分。通过用本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置处理含有油成分的对象物，可以高效地回收油成分。
本公开的细胞壁或细胞膜破碎装置通过采用减压单元，不需要使用传统的pH调整槽、50℃以上的加热单元。因此，低分子化的成分不会被变性、降解，从而与传统的装置相比，能够有效地活用这些成分。
【实施例】
在以下的实施例中，示例了本公开的具体实施方式，但是本发明并不局限于此。
<厌氧条件下的生物降解性试验>
(例1)
使用图1的构成(但是，170为排出口，180为投入口，采用在排出口后段设置单轴螺旋式泵，以及减压泵，代替190的减压单元)的细胞壁或细胞膜破碎装置处理剩余污泥。处理条件为，旋转盘的转数为3500min-1，圆周速度为50m/s，減圧条件为-0.01MPa，处理时间为60分。为了再现污水处理领域中常规采用的厌氧性处理，采用利用小药瓶的批量试验。厌氧性处理指的是，无氧的厌氧条件下，通过甲烷菌等微生物的代谢作用，降解污泥等中含有的有机物，将其变换成甲烷气体的生物学过程。
向用氮气置换内部的小药瓶(75mL)投入含有甲烷菌等的种污泥(消化污泥)20mL、作为基质的细胞壁或细胞膜破碎装置处理后的剩余污泥20mL，将其设置在恒温振荡槽(水温：36℃，振荡次数：100次/min)中，测量随时间产生的甲烷气体量。结果示于图4A和图4B。
(比较例1)
向用氮气置换内部的小药瓶(75mL)投入消化污泥20mL、作为基质的细胞壁或细胞膜破碎装置处理前的剩余污泥20mL，将其设置在恒温振荡槽(水温：36℃，振荡次数：100次/min)中，测量随时间产生的甲烷气体量。结果示于图4A和图4B。
图4A示意了相对于经过时间的甲烷气体的累积生成量，图4B示意了相对于经过时间的甲烷气体的转化率。甲烷气体转化率表示投入的基质能够以甲烷气体的形式回收到何种程度。此外，在图4B中，减去了通过投入的消化污泥的自溶产生的气体生成量。从图4A和图4B可知，确认了投入细胞壁或细胞膜破碎装置处理后的剩余污泥的系统大幅提升甲烷气体的生成量和转化率。
<厌氧条件下的连续生物降解性试验>
(例2～例5，比较例2，比较例3)
实际的厌氧性处理连续地进行。因此，为了实施连续的厌氧性处理的模型试验，采用由混合消化污泥和基质(细胞壁或细胞膜破碎装置处理前的剩余污泥或处理后的剩余污泥)并进行厌氧性处理的消化瓶和在水面收集生成气体的生成气体测定器二者构成的试验装置。＝用氮气置换内部的消化瓶(2L)中投入作为种污泥的消化污泥1.5L。在连续生物降解性试验中的运行条件在表1中表示。此外，在各个运行条件中使用的消化污泥和基质在表2中表示。以表1中记载的量每天取样消化瓶产生的消化污泥。在取样后在消化瓶中添加与取样的量相同量的基质。作为基质的细胞壁或细胞膜破碎装置处理后的剩余污泥使用例1中得到的处理污泥。实验中，一边用搅拌器搅拌，一边保持消化瓶的温度为约36℃。测量各个样本的悬浮物质浓度(MLSS)和挥发性悬浮物质浓度(MLVSS)。其结果示于表3。此外，表3中的MLSS和MLVSS的减少率，以未处理污泥(比较例2，3)为基准表示相对值。图5A示意了甲烷气体累积生成量的比较数据，图5B示意了甲烷气体转化率的比较数据。
【表1】
表1
【表2】
表2
根据图5A和图5B，相同滞留条件下(例2和比较例2，例4和比较例3)，甲烷气体累积生成量和甲烷气体转化率都在上升，因此知晓细胞壁或细胞膜破碎装置处理的污泥的生物降解性提高。此外，根据图5B，在运行条件1中，处理后污泥(例3)示意了与未处理污泥(比较例2)相同的值。在运行条件2中，处理后污泥(例4)示意了最高値。根据这些结果，确认了与不使用细胞壁或细胞膜破碎装置的传统的方式相比，甲烷气体的转化时长能够缩短10天以上。
【表3】
表3
如从表3所知的，在运行条件1下，处理后污泥(例3)的MLSS和MLVSS的减少率分别增加到1.20倍和1.17倍。在运行条件2下，处理后污泥(例4)的MLSS和MLVSS减少率分别增加到1.10倍和1.17倍。此外，例5中，MLSS和MLVSS减少率与比较例3相比，二者均结果较差。原因认为是，例5的情况，对于种污泥的基质的负荷过高，消化不尽。从这些结果可知，与不使用细胞壁或细胞膜破碎装置的传统的方式相比，污泥的最终处理时长可以缩短到10天以上。
<好氧条件下的生物降解性试验>
(例6)
好氧性处理的试验装置由曝气槽和沉淀槽二者构成。作为主要碳源的投入机制的葡萄糖以流入BOD大约200mg/L的条件供给到曝气槽。关于运行条件，投入曝气槽内的活性污泥为20L，滞留时间为24小时，曝气槽内的MLSS设定为1，000～2，000mg/L。连续试验的日期为20天。将在该过程中产生的剩余污泥浓缩后，用细胞壁或细胞膜破碎装置处理后的东西返回到曝气槽中，研究剩余污泥的生成量，以及曝气槽内和处理水的水质。细胞壁或细胞膜破碎装置的处理条件与例1在同一条件下实施。该结果在图6，表4和表5中表示。此外，一天取样一次从处理水和曝气槽内产生的污泥，测量MLSS、SS(悬浮物质)，总有机碳含量(TOC)，生化需氧量(BOD)，可溶性有机碳含量(DOC)，总氮含量(T-N)，总磷含量(T-P)。
(比较例4)
作为对照体系，实施不进行污泥移除的通常的好氧性处理。该结果在图6，表4和表5中表示。
【表4】
表4 MLSS的变化比较
开始(mg/L) 终止(mg/L)
比较例4 950 1700
例6 910 1370
【表5】
表5处理水的水质比较
比较例4(mg/L) 例6(mg/L)
ss 4.1 2.1
BOD 8.6 5.4
TOC 6.6 2.1
DOC 5.4 1.3
T-N 4.1 3.6
T-P 22.4 19.5
从图6中可知，与比较例4的体系相比，例6的体系污泥的生成量减少了62％。原因应该是，用细胞壁或细胞膜破碎装置处理的返回曝气槽内的污泥被高效地生物降解而减容化。从表4中可知，能够确认与比较例4的体系相比，例6的体系，从开始至终止，MLSS的量均较低。从表4中可知，例6的处理水的水质与比较例4的水质几乎没有差别，因此，能够确认例6的体系，能够以良好的状态操作。该结果意味着，细胞壁或细胞膜破碎装置不会对处理水的水质恶化有影响。此外，T-P的值在比较例4和例6中均示意了较高的值。原因认为是，与作为基质的葡萄糖一起投入的无机盐类中的T-P高达26mg/L，因此，槽内无机盐类中的T-P未被处理而原样作为处理水流出。通过以上，确认了细胞壁或细胞膜破碎装置能够有助于好氧条件下的污泥的生物降解性。
<从藻类中提取脂质和氢气发酵试验>
(例7)
用细胞壁或细胞膜破碎装置处理培养的高密度的藻类培养液。细胞壁或细胞膜破碎装置的处理条件除了处理时间变为10分钟、20分钟、30分钟之外，与例1在同一条件下实施。破碎后的藻类培养液和未破碎的藻类培养液分别提取100mL于烧杯中，接着，在该烧杯中通入10秒纳米气泡，回收来自藻类的脂质。该结果示于图7A。从图7A中可知，确认了如果处理时间为20～30分钟左右，能够高效地回收来自藻类培养液的脂质。此外，根据该实验也可知，通过纳米气泡的回收处理不限于藻类的脂质回收，对于藻类、微生物等含有的油成分的回收也有效。
接着，将用细胞壁或细胞膜破碎装置破碎30分钟的藻类培养液(藻液)提供给氢气发酵。使用污水处理场所使用的厌氧消化菌液作为氢气发酵用的种菌。消化菌和藻液以一定比例(消化菌：藻液＝1：9，5：5，9：1)混合，pH调整到5，进行厌氧消化。该结果示于图7B。
(比较例5)
作为对照体系，未破碎的藻类培养液(藻液)提供给氢气发酵。与例7相同，消化菌和藻液以一定比例(消化菌：藻液＝1：9，5：5，9：1)混合，pH调整到5，进行厌氧消化。该结果在图7B中示意。
从图7B中可知，相对于在比较例5的体系中无论何种混合比例下基本上不生成氢气，例7中能够确认在破碎后的藻液和消化菌以5：5混合的情况下，每1g干燥藻体生成0.9mL氢气。通过以上，可以确认细胞壁或细胞膜破碎装置有助于作为甲烷发酵的副产品而生成的氢气生成。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以以各种方式变更上述实施方式和实施例。另外，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明的宗旨和范围的情况下，可以对本发明进行各种改进的和变更。
【符号的説明】
100，800 细胞壁或细胞膜破碎装置
105 对象物的流动
110 逆变器
120 马达
130，230 旋转轴
140 固定盘
150，250 旋转盘
160，260 壳体
170 投入口
180 排出口
190 减压单元
295 团状物
805 处理前储蓄槽
815 陆地泵
825 处理后储蓄槽

Claims (16)

1.一种细胞壁或细胞膜破碎装置，其包括：固定盘、旋转盘、用于驱动该旋转盘的旋转轴、减压单元和壳体；
所述固定盘和所述旋转盘中的至少一组相对设置，所述固定盘的中心部具有比通过该中心部的所述旋转轴的外径大的空洞部；
所述旋转盘和所述固定盘之间产生的剪切力应用于投入所述装置内的含水率89％以上的对象物的流体；
所述细胞壁或细胞膜破碎装置内的压力通过所述减压单元减压到-0.08MPa以下。
2.一种细胞壁或细胞膜破碎装置，其包括：固定盘、旋转盘、驱动该旋转盘的旋转轴、利用陆地泵和/或潜水泵的吸力的减压单元和壳体；
所述固定盘和所述旋转盘中的至少一组相对设置，所述固定盘的中心部具有比通过该中心部的所述旋转轴的外径大的空洞部；
所述旋转盘和所述固定盘之间产生的剪切力应用于投入所述装置内的含水率89％以上的对象物的流体；
使用陆地泵的情况下，该陆地泵设置在所述装置的排出口之后；
使用潜水泵的情况下，该潜水泵设置在所述装置内的最终固定盘之后的排出口侧。
3.如权利要求2所述的细胞壁或细胞膜破碎装置，其中，所述陆地泵是单轴螺旋式泵。
4.如权利要求1-3中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置，其中，所述旋转盘以10m/s以上的圆周速度旋转。
5.如权利要求1-4中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置，其中，所述细胞壁或细胞膜破碎装置具有2个以上所述固定盘和/或所述旋转盘。
6.如权利要求1-5中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置，其中，所述固定盘和旋转盘之间的间隙为5mm～30mm。
7.如权利要求1-6中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置，其中，所述旋转盘和/或固定盘的表面为鏡面或粗糙表面。
8.如权利要求1-7中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置，其中，投入所述细胞壁或细胞膜破碎装置的对象物含有选自菌类、微生物、藻类和植物的至少一种。
9.如权利要求1-8中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置，其中，投入所述细胞壁或细胞膜破碎装置的对象物是污泥。
10.一种污泥的减容化方法，其具有：利用如权利要求1-9中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置处理污泥的步骤。
11.一种污泥的肥料制备方法，其包括：利用如权利要求1-9中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置处理污泥的步骤，和将从处理所述污泥的步骤中得到的处理污泥肥料化的步骤。
12.一种污泥的培养液制备方法，其包括：利用如权利要求1-9中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置处理污泥的步骤，和将从处理所述污泥的步骤中得到的处理分离液作为培养液采集的步骤。
13.一种除臭方法，其包括：利用如权利要求1-9中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置处理污水和/或污泥，或者处理有臭味的食品的步骤。
14.一种生物气体的发酵方法，其具有：利用如权利要求1-9中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置处理污泥的步骤，以及将从处理所述污泥的步骤中得到的处理污泥和/或处理分离液提供到生物气体发酵槽中的步骤。
15.一种食品、饮料、药品、补充剂类或化妆品的制造方法，其包括：利用如权利要求1-8中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置，处理选自菌类、微生物、藻类和植物的至少一种对象物的步骤。
16.一种油成分的回收方法，其包括：利用如权利要求1-9中任一项所述的细胞壁或细胞膜破碎装置，处理选自菌类、微生物、藻类和植物的至少一种含有油成分的对象物的步骤。
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