超声波辅助珠磨法破壁微拟球藻细胞

论文摘要

微藻等生物细胞由于富含油脂和多种高附加值的营养物质,并且具有培养便利、生长周期短、吸收CO2以减轻温室效应等诸多优点,已成为人们研究并加以利用的一种生物原料。获取生物细胞内部有用物质的关键是能够对细胞壁进行有效地破坏。现代细胞破壁的技术方法较多,如超声波法、珠磨法、高压均质法、微波法、酶溶法和化学渗透法等,但其中大多数方法仅存在于实验室,难以实现大规模的工业应用。珠磨法是目前最为可行的工业化细胞破壁方法之一,但在工业化生产中单独使用珠磨法仍面临着难以有效地改善破壁过程中因细胞内粘性物质释放而降低的流动性和破壁效率,以及难以持续地在常温或低温下破壁生物细胞等诸难题。本论文提出一种超声波辅助涡轮式珠磨机对微藻细胞进行破壁的方法,并通过实验探究和数值模拟探讨了在有无超声波辅助的情形下珠磨法对微藻细胞进行破壁的效果以及破壁的机制,从而促进珠磨法的工业化应用。首先,本论文采用一种新型涡轮式珠磨机对微拟球藻细胞进行破壁实验研究,通过单因素实验研究了各主要因素（如搅拌线速度、磨珠尺寸、细胞浓度、研磨时间、磨珠填充率等等）对该珠磨机破壁微拟球藻细胞的影响,并通过正交试验探索使用该珠磨机破壁微拟球藻细胞的优化参数组合。实验结果表明,适当增加珠磨机的搅拌线速度、破壁时间和磨珠填充率,减小磨珠尺寸和微拟球藻细胞浓度,有利于获取较大的细胞破壁率。综合考虑细胞破壁率和微拟球藻细胞液粘度,优化的破壁参数组合为:搅拌线速度为2.3 m s-1,磨珠直径为0.3-0.4 mm,磨珠填充率为70 vol.%,破壁时间为30 min,以及微拟球藻细胞液浓度为27.2 g L-1。再者,本论文提出了超声波辅助涡轮式珠磨机对微拟球藻细胞进行破壁的方法。在涡轮式珠磨机破壁微拟球藻细胞的过程中引入超声波,通过调节超声波参数（如,超声波功率、超声波间隔）、细胞浓度和破壁处理时间,探索这些参数对细胞破壁率以及微拟球藻细胞液粘度的影响。结果表明,超声波具有明显的降粘和分散作用,在超声波的分散和降粘作用下,破壁过程中微拟球藻细胞液的分散流动性得到改善,从而有效地提高了珠磨机的破壁效率。与无超声波辅助珠磨相比,对细胞浓度为90.7 g L-1的微藻液,在超声波功率为150 W,超声波间隔时间为5 s的条件下,超声波辅助使得珠磨机达到细胞破壁率大于95%时所需破壁时间从35 min减少到20 min,而整个破壁过程中的能耗也从8.573 MJ kg-1降低到6.783 MJ kg-1（微藻干重计）。对不同破壁条件下得到的细胞内提取物（如,脂肪酸和叶绿素a）的分析表明,超声波有利于EPA的提取,低功率（150 W）的超声波对脂肪酸和叶绿素a的破坏不明显;另外,与玻璃珠和氧化铝珠相比,氧化锆磨珠有利于微拟球藻细胞的破壁以及破壁后细胞内叶绿素a的释放和提取,但对脂肪酸组成有较小的负面影响。本论文还采用粒数衡算模型对有无超声波辅助珠磨情形下的微拟球藻细胞的破壁行为进行了模拟,并分析了破壁机制。模拟结果表明,超声波的引入可明显地提高涡轮式珠磨机对微藻细胞的破壁效率。在细胞破壁初期,较大的细胞更容易被破碎,此时细胞主要受挤压和剪切作用而破碎。随着破壁过程的进行,较小粒径的细胞较难破碎,剪切作用逐渐成为主要的破壁机制。超声波可有效分散微藻细胞并降低微藻液的粘度,改善微藻液的流动性,增强较小细胞受挤压和剪切机制破碎的几率,从而提高了细胞破壁效率。最后,本论文给出了通过实验研究和模拟分析所获得的结论以及对今后工作的展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 微藻概述
•   1.3 细胞破壁技术
•     1.3.1 珠磨法
•     1.3.2 高压均质法
•     1.3.3 超声波法
•     1.3.4 化学处理法
•     1.3.5 酶溶法
•     1.3.6 微波法
•     1.3.7 反复冻融法
•     1.3.8 其他新技术
•     1.3.9 现代细胞破壁技术所存在的问题
•   1.4 粒数衡算模型
•   1.5 本论文的研究目的与内容
• 第二章 实验
•   2.1 实验原料
•   2.2 实验仪器与设备
•   2.3 实验体系
•   2.4 表征仪器和方法
•     2.4.1 生物量的测定
•     2.4.2 细胞破壁率的测定
•     2.4.3 粒度的测定
•     2.4.4 粘度的测定
•     2.4.5 油脂的测定
•     2.4.6 叶绿素的测定
• 第三章 涡轮式珠磨机对微拟球藻细胞破壁的研究
•   3.1 引言
•   3.2 实验
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 微藻细胞浓度的影响
•     3.3.2 搅拌线速度的影响
•     3.3.3 磨珠尺寸和破壁时间的影响
•     3.3.4 正交试验
•   3.4 本章小结
• 第四章 超声波辅助涡轮式珠磨机破壁微拟球藻的研究
•   4.1 引言
•   4.2 实验
•     4.2.1 材料与设备
•     4.2.2 实验步骤
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 微藻液细胞浓度影响
•     4.3.2 破壁时间的影响
•     4.3.3 超声波功率影响
•     4.3.4 超声波时间间隔的影响
•     4.3.5 破壁率分析
•     4.3.6 能耗分析
•     4.3.7 提取物分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 微拟球藻细胞破壁行为模拟及其机理分析
•   5.1 引言
•   5.2 粒数衡算模型
•   5.3 实验
•   5.4 结果与讨论
•     5.4.1 Kapur函数值
•     5.4.2 破壁机理
•   5.5 本章小结
• 结论与展望
•   结论
•   展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘习军

导师: 王燕民,潘志东

关键词: 珠磨法,超声波,微拟球藻细胞,破壁,粒数衡算模型

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 华南理工大学

基金: 广东省科技厅科技攻关计划项目(No.2015A020209019)

分类号: Q813

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.001517

总页数: 77

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