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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201510921809.2 (22)申请日 2015.12.14 C12M 1/34(2006.01) C12M 1/33(2006.01) C12N 1/06(2006.01) (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301 号 (72)发明人 何志霞 纪长浩 郭根苗 徐贵生 王梅 (54) 发明名称 一种空化撞击流微藻细胞破壁装置 (57) 摘要 本发明属于微藻细胞破壁领域， 具体公开了 一种空化撞击流微藻细胞破壁装置及其使用方 法。本发明包括管路循环系统、 空化撞击流系统 和测量系统。流体和微藻细胞。
2、藻浆通过空化撞击 后可在较大范围内形成一个均匀空化强化场， 且 在空泡溃灭时产生的微射流和瞬时高温高压反复 作用于细胞表面， 打破分子结构， 将有机物分子击 碎， 从而使细胞破壁。 本发明的空化撞击流微藻细 胞破壁装置耦合了水力空化和撞击流技术， 充分 利用了空泡溃灭产生的瞬时微射流、 冲击波和撞 击区碰撞、 剪切和挤压形成的强烈湍动和压力波 动， 撞击区的强烈湍动增加了空化发生的湍流条 件， 使空化在撞击区继续发生， 大大提高了破壁效 果， 且装置结构简单、 运行成本低、 易于实现工业 化。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 。
3、说明书3页 附图2页 CN 105420092 A 2016.03.23 CN 105420092 A 1/2 页 2 1.一种空化撞击流微藻破壁装置， 其特征在于， 包括管路循环系统、 空化撞击流系统和 测量系统 ； 所述管路循环系统包括原料箱 （1） 、 循环泵 （2） 、 阀门 ； 所述空化撞击流系 统包括水力空化反应器 （7） 、 撞击室 （8） 、 喷嘴 （9） ； 测量系统包括流量计 （5） 、 压力表 （6） ； 所述原料箱 （1） 与循环泵 （2） 的进口通过管路相连， 循环泵 （2） 的出口通过 2N 个支路 与撞击室 （8） 相连， 撞击室 （8） 的出口与阀门 （10） 。
4、通过管路相连后回到原料箱 （1） ， 形成 一个完整的闭合循环 ； 所述 N 1 ； 所述支路上从循环泵 （2） 的出口到撞击室 （8） 的管路上依次设置阀门 （4） 、 流量计 （5） 、 压力表 （6） 、 水力空化反应器 （7） 、 喷嘴 （9） ； 所述喷嘴 （9） 与撞击室 （8） 固定连接， 并对 称布置于撞击室 （8） 内 ； 所述循环泵 （2） 的出口通过管路与到原料箱 （1） 相连， 所述循环泵 （2） 出口到原料箱 （1） 的管路上设有阀门 （3） 。 2.根据权利要求 1 所述的一种空化撞击流微藻破壁装置， 其特征在于， 所述支路数量 为 4， 其中， N=2。 3.根据。
5、权利要求 1 所述的一种空化撞击流微藻破壁装置， 其特征在于， 所述原料箱 （1） 容积为 30L， 循环泵 （2） 扬程为 4560m， 所述管路循环系统均采用 316L 不锈钢， 规格为 20mm*2mm， 所述压力表的范围为 00.6MPa， 流量计为转子流量计。 4.根据权利要求 1 所述的一种空化撞击流微藻破壁装置， 其特征在于， 所述水力空 化反应器 （7） 为可嵌入孔板式可拆卸法兰盘空化反应器， 法兰盘公称通径为 20mm， 外径为 100mm， 厚度为 14mm。 5.根据权利要求 4 所述的一种空化撞击流微藻破壁装置， 其特征在于， 所述孔板为单 孔或多孔孔板， 开孔率为 0。
6、.020.1。 6.根据权利要求 5 所述的一种空化撞击流微藻破壁装置， 其特征在于， 所述多孔孔板 的孔数为 520 个。 7.根据权利要求 1 所述的一种空化撞击流微藻细胞破壁装置的使用方法， 其特征在 于， 具体包括如下步骤 ： A、 在原料箱 （1） 中加入流体和未破壁的微藻细胞原料， 并搅拌混合均匀 ； B、 开启循环泵 （2） ， 通过调节阀门 （4） 和阀门 （10） 使流体和微藻细胞混合物充满 整个管道 ； C、 流体和微藻细胞混合物流经转子流量计 （5） 和压力表 （6） 后， 进入水力空化反应器 （7） ， 随后在撞击室内经 2N 个对称布置的喷嘴 （9） 后发生碰撞 ； 。
7、D、 撞击室内碰撞后的流体和微藻细胞混合物经阀门 （10） 后流入原料箱， 继续进行下 一个循环。 8.根据权利要求 7 所述的一种空化撞击流微藻破壁装置的使用方法， 其特征在于， 所 述微藻细胞原料为脂质含量较高的富油微藻或可产生生物活性的经济微藻， 所述的流体为 水、 甲醇、 乙醇等流动性较好的液体。 9.根据权利要求 7 所述的一种空化撞击流微藻破壁装置的使用方法， 其特征在于， 所 述微藻细胞原料为小球藻、 杜氏硅藻、 盐藻和扁藻等。 10.根据权利要求 7 所述的一种空化撞击流微藻破壁装置的使用方法， 其特征在于， 步骤 C 所述的流体和微藻循环反应的时间为 1030min， 本发明。
8、所述装置工作时， 压力为 权 利 要 求 书 CN 105420092 A 2 2/2 页 3 0.4MPa。 权 利 要 求 书 CN 105420092 A 3 1/3 页 4 一种空化撞击流微藻细胞破壁装置 技术领域 0001 本发明涉及一种空化撞击流微藻细胞破壁装置， 属于微藻细胞破壁领域。 背景技术 0002 近年来， 随着我国经济的高速发展， 全球性化石能源日益短缺和其开发利用产生 的相关环境污染问题日益突出， 开发利用清洁可再生的生物质能源迫在眉睫。 其中， 藻类生 物质因具有光合效率高、 环境适应能力强、 生长周期短、 易于繁殖、 不占用耕地面积、 生物量 大和高效固炭等诸多优。
9、点， 已成为制备生物柴油的潜在原料之一。 然而， 在微藻生物质的开 发利用过程中， 绝大多数的微藻具有坚韧的纤维素性细胞壁， 阻碍细胞油脂的提取， 而油脂 的有效提取可以显著降低微藻生物柴油的制作成本， 因而需要通过一些特殊的方法对其进 行细胞破壁处理。 0003 目前最为常见的细胞破壁方法有高压均质法、 冻融法、 超声波法、 有机溶剂法、 研 磨法、 微波加热法和复合酶法等。 然而上述方法存在着步骤繁多、 适用范围有限、 能耗过高、 破壁时间长、 破壁效率低下、 不易实现破壁工业化等诸多问题。 如何能够高效对微藻原料进 行破壁处理， 克服上述的诸多问题， 开发一种新型高效的细胞破壁装置技术具。
10、有重要意义。 0004 空化撞击流是基于水力空化和撞击流两种技术提出来了， 使两股携带大量空化泡 的空化射流相向流动并撞击， 空化产生的空泡会在其溃灭时产生瞬时高温高压和微射流反 复作用于细胞表面， 打破分子结构， 将有机物分子击碎， 从而使细胞破壁。而相互流动的两 股液体相向撞击时产生强烈的碰撞、 剪切、 挤压等相互作用下使细胞发生破裂， 从而使细胞 破壁。同时由于强烈的碰撞， 部分流体的流动能转化为振动能， 在撞击区形成强烈的湍动， 增大空化发生的湍流条件， 进而使空化现象在撞击区继续发生， 空泡溃灭效果更好， 细胞破 壁率更高。 此外， 与传统的细胞破壁相比， 具有能耗低， 装置简单、 。
11、维护费用低和易于工业化 等显著优势。 0005 虽然， 目前关于细胞破壁的装置种类繁多， 但关于空化耦合撞击流高效进行细胞 破壁的装置却未见报道， 因而， 本发明公开了一种新型高效空化撞击流微藻细胞破壁装置。 发明内容 0006 为了克服目前已有破壁技术能耗高、 效率低和不能规模化放大等不足， 本发明提 供了一种空化撞击流微藻细胞破壁装置， 该微藻细胞破壁装置简单、 维护费用低和易于工 业化等显著优势。 0007 本发明的技术方案是 ： 一种空化撞击流微藻破壁装置， 包括管路循环系统、 空化撞击流系统和测量系统 ； 所述 管路循环系统包括原料箱、 循环泵、 阀门 ； 所述空化撞击流系统包括水力。
12、空化反应 器、 撞击室、 喷嘴 ； 测量系统包括流量计、 压力表 ； 所述原料箱与循环泵的进口通过管路相连， 循环泵的出口通过 2N 个支路与撞击室相 连， 撞击室的出口与阀门 通过管路相连后回到原料箱， 形成一个完整的闭合循环 ； 所述 说 明 书 CN 105420092 A 4 2/3 页 5 N 1 ； 所述支路上从循环泵的出口到撞击室的管路上依次设置阀门、 流量计、 压力表、 水力 空化反应器、 喷嘴 ； 所述喷嘴与撞击室固定连接， 并对称布置于撞击室内 ； 所述循环泵的出口通过管路与到原料箱相连， 所述循环泵出口到原料箱的管路上设有 阀门。 0008 所述支路数量为 4， 其中， 。
13、N=2。 0009 所述原料箱容积为 30L ； 循环泵扬程为 4560m ； 所述管路循环系统均采用 316L 不 锈钢， 规格为 20mm*2mm ； 所述压力表的范围为 00.6MPa， 所述流量计为转子流量计。 0010 所述水力空化反应器为可嵌入孔板式可拆卸法兰盘空化反应器， 法兰盘公称通径 为 20mm， 外径为 100mm， 厚度为 14mm。 0011 所述孔板为单孔或多孔孔板， 开孔率为 0.020.1。 0012 所述多孔孔板的孔数为 520 个。 0013 一种空化撞击流微藻细胞破壁装置的使用方法， 具体包括如下步骤 ： A、 在原料箱中加入流体和未破壁的微藻细胞原料， 。
14、并搅拌混合均匀 ； B、 开启循环泵， 通过调节阀门和阀门使流体和微藻细胞混合物充满整个管道 ； C、 流体和微藻细胞混合物流经转子流量计和压力表后， 进入水力空化反应器， 随后在 撞击室内经 2N 个对称布置的喷嘴后发生碰撞 ； D、 撞击室内碰撞后的流体和微藻细胞混合物经阀门后流入原料箱， 继续进行下一个 循环。 0014 所述微藻细胞原料为脂质含量较高的富油微藻或可产生生物活性的经济微藻， 所 述的流体为水、 甲醇、 乙醇等流动性较好的液体。 0015 所述微藻细胞原料为小球藻、 杜氏硅藻、 盐藻和扁藻等。 0016 步骤 C 所述的流体和微藻循环反应的时间为 1030min。 0017。
15、 本发明所述装置工作时， 压力最优为 0.4MPa， 本发明的有益效果是 ： （1） 相比于传统的机械破壁和超声破壁， 本发明采用的空化撞击流微藻细胞破壁装置 能耗低、 反应速率快、 细胞破壁率高达 80%。 0018 （2） 本发明采用的空化撞击流微藻细胞破壁装置简单， 维护费用低， 可连续破壁， 易于实现规模化生产。 0019 （3） 本发明采用的空化撞击流微藻细胞破壁装置无需使用任何化学试剂， 不会对 环境产生污染。 0020 （4） 本发明采用的空化撞击流微藻细胞破壁装置， 充分利用了空泡溃灭产生的瞬 时微射流、 冲击波和撞击区碰撞、 剪切和挤压形成的强烈湍动和压力波动， 撞击区的强烈。
16、湍 动增加了空化发生的湍流条件， 使空化在撞击区继续发生， 大大提高了破壁效果。 附图说明 0021 图 1 为本发明一种空化撞击流微藻细胞破壁装置的结构示意图 ； 图 2 为水力空化反应器的内部结构示意图 （以单孔为例） ； 图 3 为撞击室俯视图 ； 说 明 书 CN 105420092 A 5 3/3 页 6 图中 ： 1、 原料箱 ； 2、 循环泵 ； 3、 阀门 ； 4、 阀门 ； 5、 流量计 ； 6、 压力表 ； 7、 水力空化反 应器 ； 8、 撞击室 ； 9、 喷嘴 ； 10、 阀门。 具体实施方式 0022 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 0023 本发明一种空化撞。
17、击流微藻细胞破壁装置如图 1 所示， 主要包括管路循环系统、 空化撞击流系统和测量系统。管路循环系统包括原料箱、 循环泵、 阀门 ； 空化撞击流系统包 括水力空化反应器、 撞击室、 带液体射流的喷嘴 ； 测量系统包括流量计、 压力表。 0024 所述原料箱1与循环泵2的进口通过管路相连， 循环泵2的出口通过4个支路(支 路、 支路、 支路、 支路 ) 与撞击室 8 相连， 撞击室 8 的出口与阀门 10 通过管路相 连后回到原料箱 1， 形成一个完整的闭合循环 ； 所述支路上从循环泵 2 的出口到撞击室 8 的管路上依次设置阀门 4、 流量计 5、 压力 表 6、 水力空化反应器 7、 喷嘴 。
18、9 ； 所述喷嘴 9 与撞击室 8 固定连接， 并对称布置于撞击室 8 内 ； 所述喷嘴为带有液体射流的喷嘴 ； 所述循环泵 2 的出口通过管路与到原料箱 1 相连， 所述循环泵 2 出口到原料箱 1 的管 路上设有阀门 3。 0025 所述原料箱1容积为30L ； 循环泵2扬程为50m ； 所述管路循环系统均采用316L不 锈钢， 规格为 20mm*2mm ； 所述压力表的范围为 00.6MPa， 所述流量计为转子流量计。 0026 所述水力空化反应器 7 为可嵌入孔板式可拆卸法兰盘空化反应器， 法兰盘公称通 径为 20mm， 外径为 100mm， 厚度为 14mm。所述孔板的孔数为 13 。
19、孔， 孔径 1mm。 0027 一种空化撞击流微藻细胞破壁装置， 具体包括如下步骤 ： A、 在原料箱中加入20L水和未破壁的1Kg小球藻微藻细胞原料， 并搅拌混合均匀， 形成 比较稀疏的藻泥混合物 ； B、 开启扬程为 50m 的循环泵， 通过调节阀门使水和小球藻微藻细胞混合物充满整个管 道 ； C、 调节阀门使管内压力为 0.4MPa， 同时使水和小球藻微藻细胞混合物流经转子流量计 和压力表后， 进入嵌入孔板 （孔径1mm， 13孔） 的水力空化反应器产生空化并在压力恢复区溃 灭， 随后在撞击室内经 4 个对称布置的带有液体射流的喷嘴后发生碰撞， 形成强烈的湍动 和压力波动， 使空化在撞击区继续发生。 0028 D、 撞击室碰撞后的水和小球藻微藻细胞混合物经阀门后流入原料箱， 继续进行下 一个循环， 反应时间为 30min。 0029 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明。凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 105420092 A 6 1/2 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 105420092 A 7 2/2 页 8 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 105420092 A 8 。