CN204824257U - 一种高效连续式混频超声细胞破壁处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高效连续式混频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进料口和出料口；所述超声反应腔体包括若干个由管道连接的柱体反应腔，每个柱体反应腔内设有至少两个不同频率的大功率超声换能器。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。反应腔两侧嵌入面对面放置大功率超声换能器，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，达到连续、高效破壁的目的。本实用新型提出的超声细胞破壁装置操作简单、易于实现、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。

Description

一种高效连续式混频超声细胞破壁处理装置

技术领域

本实用新型涉及超声处理技术领域，尤其涉及一种高效连续式混频超声细胞破壁处理装置。

背景技术

随着社会经济的发展，环境问题已经作为一个不可回避的重要问题提上了各级政府的议事日程。保护环境、减轻环境污染、遏制生态恶化趋势成为政府社会管理的重要任务。在众多的污染治理研究中，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，生物细胞破壁研究引起了科学工作者的高度重视，如何持续高效的进行生物细胞处理成为重要的研究课题。

近年来，超声波技术在环境治理中得到了有效的应用，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、化学处理等方面。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。当声能以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装置相继出现，但普遍存在如下问题：超声换能器选择单一，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；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；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。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。

当生物细胞受到两种或多种不同频率超声波作用时，不同频率的超声波会对水产生不同的空化效应，而且多种频率的超声波混合时会通过倍频、分频等途径产生复杂多变的频率并产生更多的空化效应；其次，两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；再次，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特定频率的超声效果更加明显。因此，可以通过混频超声技术解决目前现有超声装置存在的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种混频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：一种高效连续式混频超声细胞破壁处理装置，包括细胞破壁超声反应腔体、超声反应腔体的两端分别为进料口和出料口；所述超声反应腔体包括若干个由管道连接的柱体反应腔，每个柱体反应腔内设有至少两个不同频率的大功率超声换能器。其中所述反应腔体由两个以上柱体反应腔构成，反应腔之间通过管道连接，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柱体反应腔两侧嵌入面对面放置的大功率超声换能器，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-4kW之间。这三种频率的超声换能器为低频常用、可实现高功率、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。

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。实验证明，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40％-70％，样品的处理能力可达100-300m³/小时，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，频率20kHz和28kHz为一组，28kHz和35kHz为一组，20kHz和35kHz为一组，该功率及混频范围足以对各种生物细胞壁进行破碎。

进一步的，所述反应腔体由三个柱体反应腔构成，反应腔之间通过管道连接，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。

进一步的，所述细胞破壁超声反应腔体进料口设有进料口阀门、出料口设有出料口阀门。

本实用新型的具体优点是：本实用新型提供一种高效连续式混频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，可提高超声空化效率、减少超声驻波产生，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，本实用新型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为本实用新型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、20kHz大功率超声换能器2、28kHz大功率超声换能器3、35kHz大功率超声换能器4、流量控制阀5、进料口6、进料口阀门7、出料口8、出料口阀门9。

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由三个柱体反应腔构成，反应腔之间通过管道连接，包括出料口8、进料口6、用于插入大功率超声换能器2、3、4的插孔、出料口阀门9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5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，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，并在特定区域内产生超声空化效应作用于生物细胞。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。

以下以蓝藻为例，结合具体情况对本实用新型作详细说明。

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。

Claims (9)

1.一种高效连续式混频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)的两端分别为进料口(6)和出料口(8)；其特征在于，所述超声反应腔体(1)包括若干个由管道连接的柱体反应腔，每个柱体反应腔内设有至少两个不同频率的大功率超声换能器。

2.根据权利要求1所述的一种高效连续式混频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。

3.根据权利要求2所述的一种高效连续式混频超声细胞破壁处理装置，其特征在于，每个柱体反应腔内设有两个不同频率的大功率超声换能器。

4.根据权利要求3所述的一种高效连续式混频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，频率20kHz和28kHz为一组，28kHz和35kHz为一组，20kHz和35kHz为一组。

5.根据权利要求1所述的一种高效连续式混频超声细胞破壁处理装置，其特征在于，所述超声反应腔体由三个柱体反应腔构成，反应腔之间通过管道连接。

6.根据权利要求5所述的一种高效连续式混频超声细胞破壁处理装置，其特征在于，每个柱体反应腔内设有一组不同频率的大功率超声换能器；频率20kHz和28kHz为一组，28kHz和35kHz为一组，20kHz和35kHz为一组。

7.根据权利要求1所述的一种高效连续式混频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。

8.根据权利要求1所述的一种高效连续式混频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进料口安装流量控制阀。

9.根据权利要求1所述的一种高效连续式混频超声细胞破壁处理装置，其特征在于，进料口设有进料口阀门、出料口设有出料口阀门。