CN108251296A - 一种细胞反复冻融破膜提取装置 - Google Patents
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Abstract
一种细胞反复冻融破膜提取装置，包括一个驱动装置、至少一个冷冻装置和至少一个解冻装置；所述驱动装置驱动一履带，所述冷冻装置与所述解冻装置交错间隔地沿所述履带延伸的方向设置；其中所述履带表面设有浅槽，所述浅槽供填装物料泥，所述履带被所述驱动装置驱动而带动所述浅槽内的物料泥依次经过所述冷冻装置和所述解冻装置，使物料泥的物料细胞反复被冷冻和解冻，细胞内的水分经冷冻结冰形成的冰晶刺破所述物料的细胞膜，以供后续萃取过程中将物料的细胞膜内容物浸出。本发明的细胞反复冻融破膜提取装置可用作微藻油脂的提取，同时还可作为一种大规模生产加工的自动化机械设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种微藻细胞或其它生物细胞生物活性成分的提取装置。
背景技术
微藻成分的高效提取是微藻产业化应用的一个重要环节，近几年来受到许多研究机构的重视。不同的藻类，其所含的高附加值成分也不相同。例如，小球藻主要用来培养以积累油脂，血球藻主要用于积累虾青素，而螺旋藻的主要高附加成分有γ-亚麻酸(通常称为GLA)和藻胆蛋白等。
目前，微藻油脂提取技术主要包括：超微粉碎技术、热化学提取技术(湿热法、蒸汽爆破法、挤压膨化法)、化学法、酶法、超声波、微波辅助提取法、脉冲电磁场法、高压均质法、离子液体法等，目前研究最多的为超微粉碎技术、热化学破壁技术和为了保护生物活性物质不被氧化分解的液氮保护破壁技术。而微藻经破壁之后形成的微藻浆液，含有微藻细胞壁碎片、细胞膜碎片、从细胞膜上脱落的膜蛋白、膜质、以及细胞膜的内容物如油脂和核酸等，这些物质既有脂溶性的，也有水溶性的。然后，将微藻破壁后的浆液，根据被提取成分的物化性质，采用不同的溶剂或溶剂组合浸提、萃取。然而，由于经过微细研磨后，细胞壁已经破碎，单个的微藻细胞已完全丧失了其形态，同时细胞膜也呈不规则的碎片化，使原本结合在细胞膜上的色素、磷脂和膜质类物质都进入到研磨后的浆液中，细胞壁上结合的碳水化合物如纤维素、木质素、糖蛋白脂类等也进入到研磨后的浆液中，造成破壁浆液组分的多样性和复杂性，给后续对特定高附加值组分的提取造成相当困扰。其中，就比如说色素对微藻油的油品影响就很大，且色素与中性脂由于极性极为接近，使进一步的分离显得非常困难。
近几年，不研磨破碎细胞壁用萃取剂浸提的方法受到推崇。如CN20101060792.3号发明专利公开了一种微藻粉在甲醇、乙酸或它们的混合溶剂中浸取，然后将甲醇、乙酸或它们的混合物蒸发，以得到微藻油脂的方法。这种方法由于不破碎细胞壁，萃取难度大，效率也不高。冻融破细胞膜的方法在提取中，由于可以破细胞膜，释放细胞膜的内容物同时保留细胞壁的完整性，在微藻油脂提取中越来越受到人们的重视。甚至有些研究发现，经反复冻融之后，再以有机溶剂浸提，油脂的提取率高达90％以上，且油品的品相非常理想。但是这些实验目前还只是基于实验室的小规模阶段，在实验中，会将干重4％～15％的藻泥铺到培养皿中，经冰箱冷冻之后，再从冰箱拿出，转移到常温或解冻装置中解冻，如此反复多次转移，其非常不利用于实际生产应用。
为此，本发明希望可提供一种可应用到实际生产加工中的细胞反复冻融破膜提取装置或设备，可用于工业化生产中对细胞内油脂或细胞膜内容物的提取工艺中。
发明内容
本发明的目的是提供一种细胞反复冻融破膜提取装置，其主要针对微藻高附加值成分的提取而研发，可通过控制冷冻和解冻的温度及时间控制，使微藻细胞的细胞膜被冷冻的冰晶刺破，而细胞壁保持完整，有助于细胞内水溶性物质或油脂的在下一步的浸提中溶出。
本发明的技术方案包括：
一种细胞反复冻融破膜提取装置，其包括：
驱动装置，所述驱动装置驱动一履带；
至少一个冷冻装置和至少一个解冻装置：所述冷冻装置与所述解冻装置交错间隔地沿所述履带延伸的方向设置；
其中，所述履带表面设有浅槽，所述浅槽供填装物料泥，所述履带被所述驱动装置驱动而带动所述浅槽内的物料泥依次经过所述冷冻装置和所述解冻装置，使物料泥的物料细胞反复被冷冻和解冻，细胞内的水分经冷冻结冰形成的冰晶刺破所述物料的细胞膜，以供后续萃取过程中将物料的细胞膜内容物浸出。
其中，所述浅槽可直接设于所述履带的表面，即所述履带表面设有供物料泥容纳在其中的围挡侧壁；或者所述履带上面设有托盘，这些托盘设有可供容纳物料泥的浅槽。
其中，所述冷冻装置为一种可释放液氮的装置。
其中，所述解冻装置为一个热风箱。
其中，所述冷冻装置包含一个柜体结构，所述柜体的前后侧设有恰可供所述履带穿过的窗口。
其中，所述解冻装置包含一个柜体结构，所述柜体的前后侧设有恰可供所述履带穿过的窗口。
较佳地，这些窗口处设有调节开度的门或帘，可有效防止所述冷冻装置或解冻装置内的冷/热与外界交换，削弱了冷冻或解冻的效率。
其中，所述履带的一端设有一个加料斗，所述加料斗内盛装经离心或浓缩处理的藻泥。
其中，所述加料斗具有长扁形的加料口，所述加料口朝向于所述履带的表面；所述加料口的长度与所述履带上浅槽的宽度一致。
其中，所述履带上方对应所述加料口的后侧设有一个用于限制所述物料泥铺设厚度的挡板。
其中，所述履带采用传热性好的材质制成。
其中，所述驱动装置，所述冷冻装置，所述解冻装置均信号连接一个可执行预定程序的控制器，所述控制器控制所述驱动装置、所述冷冻装置、所述解冻装置的工作参数。
本发明的细胞反复冻融破膜提取装置，使实验室规模的细胞冻融破膜的研究成果，能进一步可直接应用到工业生产中，不仅提高设备的自动化程度，提高提取预处理效率，还能够跟前工序或后工序处理设备进行对接，使微藻的工业生产化加工进一步接近全程自动化，提高微藻高附加成分的提取效率，避免人为因素造成的工艺参数不稳定的影响。此外，本发明可直接与离心机连接使用，将离心后的浓缩藻泥通过加料斗铺到浅槽内，所处理的物料为干重4％—15％的藻泥，因而藻泥不需要进一步的脱水和烘干处理，节省脱水和烘干所需的能耗。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。
图1为本发明一实施例的细胞反复冻融破膜提取装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一个驱动装置10，两个冷冻装置20和两个解冻装置30。所述冷冻装置20和解冻装置30交错、间隔地沿一个履带40的延伸方向设置。如图1所示，履带40具有围挡侧壁，以在履带40的上表面形成浅槽41。在履带40的一端上方设有一个加料斗50，该加料斗50供盛装经离心或膜过滤的初步浓缩的微藻藻泥，干重约为4％～15％。加料斗50内的藻泥经加料口51铺设到履带40的浅槽41内，形成约0.5-3cm厚度的藻泥层。加料口51较佳为长扁形，对应于所述履带40设置；所述加料口51的长度与所述履带上浅槽的宽度一致。随着驱动装置10的转动，带动履带40向左端移动，在移动中，藻泥层首先经过一个冷冻装置20的冷冻，该冷冻装置20可提供-10℃～-40℃的冷却温度，控制驱动装置10的转动速度，使藻泥在冷冻装置20的移动时间约20～30min。经冷冻装置20冷冻成冰藻泥之后，然后藻泥进入缓冲阶段，在这个阶段内，藻泥自然升温，然后进入一个解冻装置30内，解冻装置30内设有加温装置，温度加至30～40℃，如用电阻丝给空气加热，空气被加热后再吹向浅槽41上的藻泥或者解冻装置30向浅槽41发射红外光，使藻泥发生解冻，解冻时间控制在10min左右。在解冻的同时，可通过改解冻装置30向藻泥加载超声波，以进一步加快解冻速率和加速藻细胞膜的破碎。接着，随着履带40的移动，藻泥再次进入第二个冷冻装置20、第二个缓冲阶段，以及第二个解冻装置30，再次使藻泥经受一次冷冻和融化的过程。如此多次经过冷冻装置20和解冻装置30，经过约2～3次的冷冻和融化处理，随着履带40的移动，将经反复冻融的微藻细胞泥送入到一个有机浸提工序或水溶盐析工序。其中所述各个解冻装置30、冷冻装置20的工作参数可分别独立设定。
进一步的，解冻装置30向浅槽41内的藻泥加载超声波的方式包括在解冻装置30设有超声波场，使履带40进入到解冻装置30的同时进入了超声波场，或者所述解冻装置30的内部设有若干个可伸入到藻泥中的超声波振动棒，向藻泥加载超声波。
图1中，虽然只画出了两组冷冻装置20和解冻装置30，但实际情况中，可以设置三组或四组；在使用中，根据不同藻细胞的细胞膜的坚韧性的不同，而选择其中关闭或开启部分组冷冻装置和解冻装置。
本发明的装置，是利用细胞温度的骤冷骤热使得细胞热胀冷缩，而且在微藻细胞被冷冻时，细胞膜内的水形成若干尖尖的冰晶，这些冰晶会刺破细胞膜，在细胞膜上形成若个干穿孔，控制一定的条件，细胞壁尚能保持完整，破膜的细胞放置有机溶剂下，细胞膜的油脂类物质被浸出，然后经萃取分离得到微藻油脂；当破膜后的细胞放置水溶液中时，一些水溶性的蛋白质被溶出，此时经一定浓度的(NH4)2SO4盐析离心提取微藻蛋白。本发明的设备简单，操作容易，适合大规模的生产，适于对光、热敏感的物质，较少产生细胞碎片，有助于细胞全组分的提取和利用。
图1中，在履带40下方具有若干个支撑杆，这些支撑杆可保持已盛纳了藻泥的履带能够保持平直和被驱动装置10顺畅地驱动。其中，所述浅槽41可直接设于所述履带40的表面；或者是在所述履带40上面放置若干托盘，这些托盘设有可供容纳物料泥的浅槽41。履带40较佳采用传热性好的材质制成，可用金属材质。冷冻装置40可为一种释放液氮的装置，液氮的温度低到-196℃，这个温度非常低，且液氮流动性极好，可快速与浅槽41中的藻泥层接触，并能够很好地与藻泥传热，使藻泥快速结冰。
如图1所示，冷冻装置20、解冻装置30分别具有一个柜体结构，在柜体上对应履带的位置设有供履带穿过的窗口22、32，如此使所述的履带40的上下表面都置于一个冷冻装置20的低温环境，或解冻装置30的高温环境下，提高环境与履带40之间的传热效率。在窗口22、32处还设有开度可调节的门或帘221、321，这些门或帘可有效防止所述冷冻装置20或解冻装置30内的冷/热与外部交换，削弱了冷冻或解冻的效率。
藻泥在浅槽41内铺设的厚度，决定冷冻和解冻的速度；厚度太大，冷冻和解冻时间太长，厚度太小，处理能效太低，因此需要经过实验摸索，预先找到一个效率和能耗较为理想的厚度。可通过调节加料斗50的加料口的开度来调节藻泥的铺设厚度。或者可在履带40上方对应所述加料口51的后侧(图1加料口51的左侧)设有一个用于限制所述物料泥铺设厚度的挡板60，调节挡板60底面与履带40上表面的间距，来调节藻泥铺设的厚度，被挡板60挡下的藻泥可收集到位于履带40旁侧的收集罐内。
其中，所述驱动装置10、冷冻装置20、解冻装置30均信号连接一个可执行预定程序的控制器，该控制器可选择为一个PLC(Programmable Logic Controller)，控制器控制所述驱动装置10、冷冻装置20、解冻装置30的工作参数，这些工作参数包括驱动装置10的转速，挡板60距离履带40的高度，冷冻装置20的启闭、温度、释放液氮的速度/角度、解冻装置30的启闭、热风风速和温度，以及出风模式、超声波频率、间隔时间、红外光发射功率等。
实施例1：
待微藻收获后，经离心机在3800rpm的离心机内离心20分钟后，收集得到干重为15％的藻泥。藻泥注入到加料斗50，经加料斗50铺设到履带40上的浅槽41内，驱动装置10慢慢移动，设定挡板60间距，使藻泥的铺设厚度为2cm，均匀地分布在浅槽41中。藻泥被送入第一个冷冻装置20，该冷冻装置20内温度为-10℃，藻泥在冷冻装置20内移动约30min，然后从冷冻装置20内出来，经过一个短暂的自然回温，接着进入一个解冻装置30内，藻泥在解冻装置30内移动的时长为10min、温度为35℃，同时藻泥被加载24KHz的超声波，然后从解冻装置30内出来，来到一个室温的自然降温过程；接着，藻泥进入第二个冷冻装置20内，再经过-20℃的冷冻30min，藻泥经自然回温后，然后进入第二个解冻装置30内，在40℃热风下吹10min，同时给藻泥加载24KHz的超声波，最后在履带的最左侧，刮取收集经处理的藻泥。
将收集的藻泥，用索氏提取装置采用萃取剂乙醇与正己烷比例为1:4进行提取，其中萃取剂与收集的藻泥的体积比为6:1，装入反应釜中，提取温度为70℃，提取时间为4h，然后将含有油脂的萃取混合液，蒸馏吹出萃取剂，得到较好的油脂，油品清亮不浑浊，含有较少色素，萃取率较CN20101060792.3用甲醇乙酸直接萃取高出20％。
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
Claims (10)
1.一种细胞反复冻融破膜提取装置，其特征在于包括：
驱动装置，所述驱动装置驱动一履带；
至少一个冷冻装置和至少一个解冻装置：所述冷冻装置与所述解冻装置交错间隔地沿所述履带延伸的方向设置；
其中，所述履带表面设有浅槽，所述浅槽供填装物料泥，所述履带被所述驱动装置驱动而带动所述浅槽内的物料泥依次经过所述冷冻装置和所述解冻装置，使物料泥的物料细胞反复被冷冻和解冻，细胞内的水分经冷冻结冰形成的冰晶刺破所述物料的细胞膜，以供后续萃取过程中将物料的细胞膜内容物浸出。
2.根据权利要求1所述的一种细胞反复冻融破膜提取装置，其特征在于，所述冷冻装置为一种可释放液氮的装置。
3.根据权利要求1所述的一种细胞反复冻融破膜提取装置，其特征在于，所述解冻装置为一个热风箱或超声波场，或者所述解冻装置能够发射红外光，或者前述各项的组合。
4.根据权利要求1或2所述的一种细胞反复冻融破膜提取装置，其特征在于，所述冷冻装置包含一个柜体结构，所述柜体的前后侧设有恰可供所述履带穿过的窗口。
5.根据权利要求1或3所述的一种细胞反复冻融破膜提取装置，其特征在于，所述解冻装置包含一个柜体结构，所述柜体的前后侧设有恰可供所述履带穿过的窗口。
6.根据权利要求1所述的一种细胞反复冻融破膜提取装置，其特征在于，所述履带的一端设有一个加料斗，所述加料斗内盛装经离心或浓缩处理的藻泥。
7.根据权利要求6所述的一种细胞反复冻融破膜提取装置，其特征在于，所述加料斗具有长扁形的加料口，所述加料口朝向于所述履带的表面；所述加料口的长度与所述履带上浅槽的宽度一致。
8.根据权利要求6或7所述的一种细胞反复冻融破膜提取装置，其特征在于，所述履带上方对应所述加料口的后侧设有一个用于限制所述物料泥铺设厚度的挡板。
9.根据权利要求1所述的一种细胞反复冻融破膜提取装置，其特征在于，所述履带采用传热性好的材质制成，其沿长度方向的两侧设有供物料泥容纳在其中的围挡侧壁。
10.根据权利要求1所述的一种细胞反复冻融破膜提取装置，其特征在于，所述驱动装置，所述冷冻装置，所述解冻装置均信号连接一个可执行预定程序的控制器，所述控制器控制所述驱动装置、所述冷冻装置、所述解冻装置的工作参数。
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