通过挤压来破碎微生物细胞的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于破碎微生物的细胞壁的装置和系统。特别地，本发明涉及用于破碎微藻的细胞壁的装置和系统。

背景技术

微藻被认为是蛋白质、脂类、多不饱和脂肪酸、类胡萝卜素、色素和维生素的极好来源，并且可以用于食品、饲料、化妆品、制药和生物燃料工业中。作为一种能量来源，当与其他常规能源作物相比时，它们是用于生产生物燃料的有前途的替代物。它们的光合作用效率（与快速生长和脂类的生产有关）使得它们有可能用于生产生物燃料，诸如乙醇、氢气和生物柴油。

微藻，像蓝藻一样，是供工业应用中使用的有竞争力的生物，因为它们表现出快速的细胞生长并且具有基本的营养需求（阳光、水和CO

微藻细胞壁的破裂对于提取感兴趣的细胞内代谢物是必需的。在科研文章中公开了用于提取这些感兴趣的化合物的细胞破碎的若干种方法，诸如使用超声波、微波、机械过程（使用高压均化器和研磨机）、化学过程（溶剂和酸）、高温（高压釜）、冷冻和解冻循环以及通过超临界流体和离子液体的提取。

使用压力为从305.9至1529.5 kgf/cm

文献“Show, K. Y.,Lee,D. J.,Tay,J. H.,Lee,T. M.,Chang,J. S.,微藻干燥和细胞破碎（Microalgal drying and cell disruption）”呈现了对细胞破碎方法的比较，这些方法利用：

（i）高压压力机，其在细胞破碎方面是高效的，但是需要相当大的能量，从而由于高的操作成本而使得其大规模使用不可行；

（ii）球磨机，其包括用于大规模机械细胞破碎的实用方法，但是细胞破碎的程度取决于研磨元件的特性，并且其大规模应用需要大量能量；

（iii）超声波技术，其有利于在短时间内提取并且减少了溶剂的使用，但高能耗和难以大规模使用是不利因素；

（iv）用超临界流体提取，超临界流体不产生有毒废物并且采用来自可再生来源的溶剂，但高能耗、高实施成本和扩大规模的困难使得该技术在生物燃料方案中不可行；和

（v）酶法提取，其与其他细胞破碎方法结合使用，以获得更高的提取效率和更具有抗性的生物，但由于酶的成本而具有高操作成本。

还列举了低温工艺，其易于使用且不需要溶剂，但是大规模使用导致高操作成本，从而使得该工艺不可行。

美国专利8,043,496 B1中记载的微藻油提取系统提出在泵送和撞击偏转器之后使微藻细胞壁破裂。在这一阶段之后，液相流入到罐中，在那里大概会形成三个相：油、废水和生物质。然而，对细胞结构的破坏取决于微藻的直径和种类。然而，该文献中没有关于工作压力水平的信息。

乳品工业中使用的高压均化器可适于微藻的细胞破碎，并且具有与具有高固体含量的藻类生物质一起工作以及连续工作的可能性的优点。均化器破碎细胞的机制还不完全清楚，但已被归因于压力变化、剪切应力、惯性力、冲击、湍流和空化。

均化器需要从305.9至1529.5 kgf/cm

如下文将详细描述的，本发明试图以实用和高效的方式解决上述现有技术的问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种使用从76.5至153.0 kgf/cm

本发明的第二个目的是生产一种用于细胞破碎的装置和方法，其允许根据微生物的种类和大小来调节系统。

本发明的第三个目的是提供一种用于微生物细胞破碎的装置和方法，其包括冷却系统，以避免因细胞破碎而导致的所提取的材料的物理化学性质的损失。

为了实现前述目的，本发明提供了一种通过挤压来破碎微生物细胞的装置，该装置包括（i）微生物悬浮液的入口导管，（ii）位于入口导管下游并与其连通的环形通道，该环形通道适于破碎微生物细胞，该环形通道由外部部分和内部部分形成，内部部分定位在由外部部分形成的空腔内，以及（iii）位于环形通道下游并与其连通以用于输出破裂的细胞的出口导管。

本发明还提供了一种通过挤压来破碎微生物细胞的方法，其包括以下步骤：（i）促进微生物悬浮液通过位于入口导管下游并与其连通的环形通道的强制流动，该环形通道适于使微生物细胞破碎并且由外部部分和内部部分形成，内部部分定位在由外部部分形成的空腔内；以及（ii）驱动破裂的细胞通过位于环形通道下游并与其连通的出口导管。

附图说明

下面呈现的详细描述涉及所附附图及其相应的附图标记。

图1示出了根据本发明的优选实施例的装置的横截面。

图2示出了本发明的装置和方法的应用结果，更具体地说，微藻

具体实施方式

首先，强调的是，以下描述从本发明的优选实施例开始。然而，本发明不限于该特定实施例。

图1示出了根据本发明优选实施例的装置的横截面。本发明的细胞破碎装置包括微生物悬浮液的入口导管1。环形通道13设置在入口导管1的下游并与其连通，其大小可以根据微生物的种类和直径进行调节，以用于通过挤压来破碎细胞，如下所述。

微生物流被强制进入环形通道13中，使得细胞壁通过挤压而破裂。进入环形通道13中的强制流动优选地借助于正排量泵2得到促进，正排量泵2优选地定位在入口导管1中。

压力计3优选地设置在点2和环形通道13之间的任何点处，以测量装置的入口压力。

替代地，在装置中在环形通道13下游使用负排量泵（未示出），以将微生物悬浮液吸入到装置中。

环形通道13由外部部分7和内部部分8形成，内部部分8定位在由外部部分7形成的空腔内。内部部分8优选地具有与由外部部分7形成的空腔形状完全相同的形状，使得环形通道13具有基本上平行的壁。更优选地，外部部分7具有凹形截头圆锥形状。该实施例中的内部部分8具有相同的截头圆锥形状，但是具有凸形配件。

内部部分8任选地可借助于调整机构12相对于由外部部分7形成的内部空腔进行调整，以调节环形通道13的直径。此外，调整机构12可以是气动、液压、机械、电动或手动调整机构。调整机构12的激活也可以通过至少两种类型的驱动件的组合来形成。

任选地提供自动控制系统来控制调整机构12。

本发明的装置还包括出口导管19，出口导管19位于环形通道13下游并与环形通道13连通，以用于输出破裂的细胞。

内部部分8优选地包括靠近出口导管9定位的空腔10。该空腔10具有在该点处生成低压区并将破裂的材料流导向出口导管9的功能。更优选地，空腔10与出口导管对准，如图1所示。

本发明的装置优选地还包括密封元件11，该密封元件11在调整机构12附近定位在环形通道13的与入口导管1相对的端部处。密封元件11优选地是由柔性材料制成的垫圈。

为了避免微生物悬浮液的温度过度升高，优选地在本发明的装置中提供冷却系统。该系统包括围绕外部部分7定位的冷却套4。

冷却系统还包括将冷却剂注入冷却套4中的冷却剂入口5以及从冷却套4移除冷却剂的冷却剂出口6。冷却剂入口5优选地纵向且横向地远离冷却剂出口6定位，以促进冷却剂贯穿几乎整个冷却套4和外部部分7流动。

外部部分7优选地由导热材料（诸如金属）制成，从而允许冷却剂和微生物悬浮液之间的高效热交换。

本发明还提供了一种破碎微生物细胞的方法，包括以下步骤：

（i）促进微生物悬浮液通过位于入口导管1下游并与其连通的环形通道13的强制流动，环形通道13的直径适于细胞破碎并且由外部部分7和内部部分8形成，内部部分8定位在由外部部分7形成的空腔内；和

（ii）使破裂的微生物穿过位于环形通道13下游并与其连通的出口导管9。

本发明的方法还优选地包括通过调整机构12调整内部部分8相对于由外部部分7形成的空腔的位置以便调节环形通道13的直径的步骤。

本发明的方法优选地包括借助于冷却系统来冷却环形通道13内的微生物悬浮液的附加步骤。更优选地，冷却微生物悬浮液的步骤包括冷却剂通过冷却套4的循环。

因此，本发明提供了一种使用从76.5至153.0 kgf/cm

冷却系统还防止所提取的材料的物理化学性质的损失。

为了证明所提出的装置和方法的效率，用本发明实施了

除了细胞的相对大小之外，通过参数SSC （SSC——侧向散射，图2）观察到的颗粒度也有所减小。这个参数取决于颗粒的内部复杂性，例如细胞核的形状、细胞质颗粒的数量和类型以及膜的粗糙度。因此，该参数的减少指示存在完整细胞数量的减少，从而产生了细胞碎片（残骸）。表1所示的统计分析指示，通过装置的次数在10和40之间的变化不会导致相对细胞大小的显著差异。

表1

应注意的是，表1所示的FSC指数与细胞大小有关。SSC与细胞的内部复杂性有关，并且SD和VC分别对应标准差和变异系数（%）。

本申请的保护范围的多种变型是可能的。这加强了本发明不限于上述特定构型/实施例的事实。