TWI544074B - So that the aquatic cell structure damage method - Google Patents

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Description

使水產生物細胞結構破壞之方法
本發明係關於一種使細胞結構破壞之方法，特別係關於一種使水產生物細胞結構破壞之方法。
水產生物如藻類等，因生長快速而且吸收二氧化碳具有固碳作用，故現今已成為熱門的生質能來源。藻類在進行光合作用後，可將能量以蛋白質或油脂的方式儲存。然而，在萃取藻類中之蛋白質或油脂之前，通常必須破壞其細胞結構，方能提高萃取率。
習知之細胞結構破壞方法如下列先前技術專利文獻分析。
1. TW542699
作法：利用壓力2-10kg/cm2、溫度100-150℃之氣體，使細胞內水分子達氣化臨界點，並瞬間降壓使細胞內水分子氣化衝破細胞壁。
缺點：使用高溫製程能耗高；高溫易使細胞所含有效成分破壞分解；及製程中會產生爆炸噪音。
2. US7763724
作法：在500MPa~1000MPa液壓及溫度60~80℃之條件下，使海藻之細胞結構液化產製葡萄糖。
缺點：操作條件為500MPa以上超高壓，需要在厚重承壓構造設備內進行處理，其設備建置與維護成本高，不利商業運轉之製程放大使用。
基於上述分析，有必要提供一創新且具進步性之使水產生物細胞結構破壞之方法，以解決上述習知缺失。
本發明提供一種使水產生物細胞結構破壞之方法，包括以下步驟：(a)提供一水產生物原料液，該水產生物原料液包括水產生物及水份；(b)移除該水產生物原料液之部分水份，以形成一待處理水產生物漿液；(c)將該待處理水產生物漿液置於一壓力容器中；(d)將一壓縮氣體導入該壓力容器中，使該壓縮氣體與該待處理水產生物漿液中之水份形成酸液，並藉由該酸液使水產生物細胞結構水解破壞；及(e)進行一降壓步驟，以分離該壓縮氣體。
本發明之方法可在低溫環境下操作，故可降低能源消耗及防止細胞所含有效成分遭高溫破壞分解。此外，本發明可在較低之壓力條件下實施，因此，無須使用厚重之高壓設備，其設備建置及維護成本可大幅降低，並適用於商業運轉之製程放大使用。
為了能夠更清楚瞭解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明所述目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。
圖1顯示本發明使水產生物細胞結構破壞之方法流程圖；圖2顯示比較例1之實驗流程圖；圖3顯示發明例1之實驗流程圖；圖4顯示比較例1藻類細胞破壁後之電子顯微鏡照片；及圖5顯示發明例1藻類細胞破壁後之電子顯微鏡照片。
圖1顯示本發明使水產生物細胞結構破壞之方法流程圖。參閱圖 1之步驟S11，提供一水產生物原料液，該水產生物原料液包括水產生物及水份。該水產生物係可選自如下的其中一種：藻類及菌類。在此步驟中，該水產生物濃度不小於0.1公克/每公升，且較佳地，該水產生物濃度為0.5至20公克/每公升。
在此步驟中，藻類係可選自如下的其中一種：微藻及海藻。較佳地，微藻之尺寸範圍為3至30微米，且微藻係可選自如下的其中一種：綠藻、矽藻、螺旋藻、球藻及引藻。
參閱步驟S12，移除該水產生物原料液之部分水份，以形成一待處理水產生物漿液。在此步驟中，移除之水份體積占該水產生物原料液體積至少70%以上。而水份移除方法係可選自如下的其中一種：沈降、離心及過濾。
參閱步驟S13，將該待處理水產生物漿液置於一壓力容器中。在此步驟中，為提高該待處理水產生物漿液於該壓力容器中之處理面積，係可使該待處理水產生物漿液於該壓力容器內形成一水產生物薄膜，而形成該水產生物薄膜之方法係可選自如下的其中一種：刮刀成膜法及噴塗成膜法。且較佳地，該水產生物薄膜之厚度不大於2公分。
參閱步驟S14，將一壓縮氣體導入該壓力容器中，使該壓縮氣體與該待處理水產生物漿液中之水份形成酸液，並藉由該酸液使水產生物細胞結構水解破壞。在此步驟中，該壓縮氣體係會與該待處理水產生物漿液所形成之該水產生物薄膜接觸，且該壓縮氣體係會進入該水產生物之細胞結構內部，此外，該壓縮氣體在水中的濃度係會隨著時間的增長而逐漸提高。較佳地，該酸液之pH值為2至6.5，而該壓力容器之操作溫度不大於55℃。
在此步驟中，該壓縮氣體係可選自如下的其中一種：二氧化碳、甲烷、氮氣及前述至少二種之混合氣體。此外，該壓縮氣體之錶壓力不小於10bar，且氣體壓力維持時間不小於1分鐘。較佳地，該壓縮氣體之錶壓力為30至200bar，而該氣體壓力維持時間為15分鐘至48小時。
另外，藉由提高酸液量係可加速該水產生物之細胞結構水解及提高萃取率，因此，在此步驟中，係可將一增壓液體導入該壓力容器中，以使該增壓液體與該壓縮氣體反應形成酸液，藉此可提高酸液量，並提高該壓力容器之內部壓力。此外，藉由變動該增壓液體之壓力，可對該水產生物之細胞結構產生反覆施加應力之效果，同樣可加速細胞結構破壞。
在此步驟中，該增壓液體係可選自如下的其中一種：水、甲醇、乙醇、植物油及前述至少二種之混合液體。此外，該增壓液體之壓力不小於該壓縮氣體之壓力，且液體壓力維持時間不小於1分鐘。較佳地，該增壓液體之錶壓力為100至4000bar，而該液體壓力維持時間為15分鐘至48小時。
參閱步驟S15，進行一降壓步驟，以分離該壓縮氣體。該降壓步驟係將該壓力容器之壓力降至錶壓為零，以使該壓縮氣體汽化分離，進而可回收再利用。
本發明之方法可在低溫環境下操作，故可降低能源消耗及防止細胞所含有效成分遭高溫破壞分解。此外，本發明可在較低之壓力條件下實施，因此，無須使用厚重之高壓設備，其設備建置及維護成本可大幅降低，並適用於商業運轉之製程放大使用。
茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限 於此等實例所揭示之內容。
[比較例1]
參閱圖2，其係顯示比較例1之實驗流程圖。比較例1之水產生物原料液為藻液(濃度約0.5至1.0公克/每公升)，壓縮氣體為二氧化碳(CO2)，增壓液體為水。
步驟1：取60毫升之藻液，置於廣口瓶中；步驟2：將前述藻液置於一壓力容器中；步驟3：將錶壓力為50bar之CO2導入該壓力容器中，並持壓1分鐘，實驗溫度為30℃；步驟4：將錶壓力分別為1200bar、2000bar及4000bar之水導入該壓力容器中，並持壓30分鐘；及步驟5：降壓完成實驗。
[發明例1]
參閱圖3，其係顯示發明例1之實驗流程圖。發明例1之水產生物原料液為藻液(濃度約0.5至1.0公克/每公升)，壓縮氣體為二氧化碳(CO2)，增壓液體為水。
步驟1：取60毫升之藻液，置於廣口瓶中；步驟2：將前述藻液靜置0.5小時，使藻類沈降於廣口瓶底部，之後移除55毫升之水，以形成藻漿；步驟3：將前述藻漿置於一壓力容器中，並使該藻漿於該壓力容器內壁形成薄膜；步驟4：將錶壓力為50bar之CO2導入該壓力容器中，並分別持壓15分鐘、30分鐘及1小時，實驗溫度為30℃；步驟5：將錶壓力為1200bar之水導入該壓力容器中，並分別持壓 15分鐘、30分鐘、1小時、2小時、7小時及16小時；及步驟6：降壓完成實驗。
[發明例2]
發明例2之實驗條件基本上與發明例1相同，其差異處僅在於發明例2省略發明例1之步驟5，並將步驟4之持壓時間設成20分鐘、1小時及2小時。
[比較例2]
比較例2之實驗條件基本上與發明例1相同，其差異處僅在於比較例2省略發明例1之步驟4，並將步驟5之持壓時間設成1小時、2小時及4小時。
由於藻類細胞遭到破壞後會流出電解質，故其細胞破壁率會與導電度呈現正相關。因此，本發明為了解比較例1、發明例1、發明例2及比較例2之藻類細胞破壞情況，係以導電度法進行破壁率量測，其量測結果如表1所示。
表1之結果顯示比較例1因未移除55毫升之水(約為藻液體積之92%)，故其藻類細胞破壁率僅為30%。比較例1破壁率不佳的原因，應是藻液本身之pH值約為9(相當於鹼液)，在藻液含有大量鹼性水的情形下，CO2不易擴散，且難以形成碳酸。
參閱圖4，其係顯示比較例1藻類細胞破壁後之電子顯微鏡照片。如圖4所示，比較例1藻類細胞破壁後之油滴流出現象並不明顯。
相反地，發明例1在移除55毫升之水後，CO2容易擴散，且容易形成碳酸，在結合水增壓的條件下，其藻類細胞破壁率可達95%，即便省略水增壓步驟，其藻類細胞破壁率亦可達78%(發明例2)。
參閱圖5，其係顯示發明例1藻類細胞破壁後之電子顯微鏡照片。如圖5所示，發明例1藻類細胞破壁後之油滴流出現象相當明顯。
另外，比較例2之結果顯示若省略CO2增壓步驟，碳酸將無法形成，以致無法對藻類細胞進行水解破壞，即便再進行水增壓步驟，其藻類細胞破壁率也只能達到16%。
上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (18)

  1. 一種使水產生物細胞結構破壞之方法，包括以下步驟：(a)提供一水產生物原料液，該水產生物原料液包括水產生物及水份，該水產生物係包含如下的其中一種：藻類及菌類；(b)移除該水產生物原料液之部分水份，以形成一待處理水產生物漿液；(c)將該待處理水產生物漿液置於一壓力容器中；(d)將一壓縮氣體導入該壓力容器中，使該壓縮氣體與該待處理水產生物漿液中之水份形成酸液，並藉由該酸液使水產生物細胞結構水解破壞，該壓縮氣體係選自如下的其中一種：二氧化碳、甲烷、氮氣及前述至少二種之混合氣體；及(e)進行一降壓步驟，以分離該壓縮氣體。
  2. 如請求項1之方法，其中步驟(a)之水產生物濃度不小於0.1公克/每公升。
  3. 如請求項1之方法，其中步驟(b)移除之水份體積占該水產生物原料液體積70%以上。
  4. 如請求項1之方法，其中步驟(c)包括使該待處理水產生物漿液於該壓力容器內形成一水產生物薄膜。
  5. 如請求項4之方法，其中該水產生物薄膜之厚度不大於2公分。
  6. 如請求項1之方法，其中步驟(d)之該壓縮氣體之錶壓力不小於10bar。
  7. 如請求項6之方法， 其中該壓縮氣體之錶壓力為30至200bar。
  8. 如請求項6之方法，其中步驟(d)之氣體壓力維持時間不小於1分鐘。
  9. 如請求項8之方法，其中該氣體壓力維持時間為15分鐘至48小時。
  10. 如請求項1之方法，其中步驟(d)之該壓力容器之操作溫度不大於55℃。
  11. 如請求項1之方法，其中該酸液之pH值為2至6.5。
  12. 如請求項1之方法，其中步驟(d)另包括將一增壓液體導入該壓力容器中，以使該增壓液體與該壓縮氣體形成酸液。
  13. 如請求項12之方法，其中該增壓液體之壓力不小於該壓縮氣體之壓力。
  14. 如請求項13之方法，其中該增壓液體之錶壓力為100至4000bar。
  15. 如請求項14之方法，其中液體壓力維持時間不小於1分鐘。
  16. 如請求項15之方法，其中液體壓力維持時間為15分鐘至48小時。
  17. 如請求項1之方法，其中藻類係選自如下的其中一種：微藻及海藻。
  18. 如請求項17之方法，其中微藻係選自如下的其中一種：綠藻、矽藻、螺旋藻、球藻及引藻。
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