基于水力与超声空化的微藻油脂提取装置
阅读说明：本技术 基于水力与超声空化的微藻油脂提取装置 (Microalgae grease extraction device based on hydraulic power and ultrasonic cavitation ) 是由 孙逊 玄晓旭 陈颂英 游炜彬 杨泽 王梦洁 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：一种基于水力与超声空化的微藻油脂提取装置,包括定子、转子、转轴和超声波换能器,定子为密封筒体,定子内壁上分布有超声换能器,定子两侧分别设置有排液口和进液口,转轴安装在定子中,转子处于定子中并安装在转轴上,转子上分布有叶片,叶片内带有空腔,空腔相对的两侧分布有空化通孔。未破壁微藻细胞原料与所需液体搅拌混合,得到藻泥混合液,混合液述送至上述装置中,通过水力空化和超声空化对其处理,实现微藻细胞壁的破裂,经分离装置分离,最终得到微藻细胞内的油脂。上述装置通过水力空化和超声空化协同对微藻细胞进行破壁,效果好、可放大性高、处理量大、可连续作业、成本低、不产生二次污染,在微藻提取油脂领域具有广阔的应用前景。(The microalgae grease extraction device comprises a stator, a rotor, a rotating shaft and an ultrasonic transducer, wherein the stator is a sealed cylinder, the ultrasonic transducer is distributed on the inner wall of the stator, a liquid discharge port and a liquid inlet are respectively arranged on two sides of the stator, the rotating shaft is installed in the stator, the rotor is positioned in the stator and installed on the rotating shaft, blades are distributed on the rotor, cavities are formed in the blades, and cavitation through holes are distributed on two opposite sides of the cavities. Stirring and mixing the raw material of the microalgae cells without wall breaking with the required liquid to obtain a mixed solution of the microalgae mud, conveying the mixed solution into the device, treating the mixed solution by hydrodynamic cavitation and ultrasonic cavitation to realize the rupture of the microalgae cell walls, and separating the mixed solution by a separating device to finally obtain the grease in the microalgae cells. The device breaks the wall of the microalgae cells by the cooperation of hydrodynamic cavitation and ultrasonic cavitation, has good effect, high amplifiability, large treatment capacity, continuous operation, low cost and no secondary pollution, and has wide application prospect in the field of extracting oil from microalgae.)
技术领域
本发明涉及一种用于通过水力与超声空化进行微藻油脂提取的装置，属于微藻油脂提取 技术领域。
背景技术
微藻具有光合效率高、环境适应能力强、生产周期短、产量高、某种油脂含量高等特点， 已成为制备生物柴油的潜在原料之一。油脂包含在微藻细胞内，但由于微藻细胞较小，且具 有细胞壁结构，因此如何破除微藻细胞壁是目前提取微藻油脂的一个难点。
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。
空化是指液体内局部压力下降时，液体内部或液固交界面上气体空穴的形成、发展和溃 灭的过程。当液体压力降至液体饱和蒸气压甚至以下时，由于液体的剧烈汽化而产生大量空 化泡。空化泡随液体流动膨胀、生长。当液体压力恢复时，空化泡瞬间溃灭形成微射流和冲 击波，瞬间产生局部高温和高压。空化现象释放的能量也得以利用，直接或间接使细胞破壁 破裂。
中国专利CN105420092A耦合了水力空化和撞击流技术，使两股携带大量空化泡的空化射 流相向流动并撞击，充分利用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 击区持续发生，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。
CN103396895A利用超声波辐射使液体流动产生空化，利用空化产生的高温高压和极高的 冷却速率造成的压差和搅动使液体很好地混合在一起，从而辅助酶提取出油脂。
CN102245749A将含有一种或多种微藻的流体介质的连续流提供至水力空化装置，施加足 够的扰动产生水力空化来破裂一种或多种微藻细胞，将微藻油从微藻释放到介质中，并从介 质中提取微藻油。
现有的微藻提取油脂技术存在以下问题：
1.常见的技术大多数存在着步骤繁多、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。
2.利用空化提取油脂的技术存在着空化效率低、能量耗费大等问题。
发明内容
本发明针对现有微藻提取油脂提取装置存在的不足，提出一种提取效率高的基于水力与 超声空化的微藻油脂提取装置。
本发明基于水力与超声空化的微藻油脂提取装置，采用以下技术方案：
一种基于水力与超声空化的微藻油脂提取装置，包括定子、转子、转轴和超声波换能器， 定子为密封筒体，定子内壁上分布有超声换能器，定子两侧分别设置有排液口和进液口，转 轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔， 空腔相对的两侧分布有空化通孔。
所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为40～80kHz，单机功率为 1500～3000W。
所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。
所述进液口和排液口对角设置，以防止产生短流现象。所述进液口的进液流量为1.5～ 4.5m3/h。
所述转轴的转速为4000～4500r/min。
所述转子在转轴上等距分布2～6个。所述叶片在转子上等间隔沿周向分布有4～10个。
所述定子的内径为300～600mm，宽度为200～500mm，壁厚为15～40mm。定子内部反应 温度为50～80℃
所述叶片长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。
所述空化通孔的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。
所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径 为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。
所述空化通孔在叶片内腔两侧上呈4～10排，3～10列的矩形阵列排布。所述叶片内空 腔两侧的空化通孔相对设置，两两对正。所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。
为保证空化现象的形成并高效地实现微藻提取油脂工艺，上述结构与工艺参数均由实际 降解实验所得。
未破壁微藻细胞原料与所需液体(水、甲醇或乙醇等流动性较好的液体)搅拌混合，得 到比较稀的藻泥混合液。藻泥混合液述送至本发明上述装置中，通过水力空化技术和超声空 化对其处理，实现微藻细胞壁的破裂，经分离装置分离，最终得到微藻细胞内的油脂。
本发明所述装置采用旋转水力空化技术，创新地采用转轴高速旋转带动转子，使转子上 的文丘里形空化通孔高效生成空化气泡，当静压力恢复时空化气泡溃灭并释放出巨大的能量。 该能量表现为最高可达5000K的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高 速微射流(150m/s)的产生。此外，在上述极端条件下，水分子可被水解，生成具有强氧化 性的羟自由基、过氧化氢自由基与过氧化氢。在水力空化效应作用的同时，同时耦合超声波， 二者协同高效破壁，大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，从而最终提升 破壁效果。因此，上述二者的耦合使用可获得远高于单独使用时破壁效果的总和的效果。
本发明具有以下特点：
1.本发明所述装置结合水力空化、超声空化技术协同微藻油脂提取，远远比单独使用水 力空化、超声空化的方法效率高(可提高3～4倍以上)，具有高效性，且此方法的处理量大， 可连续作业；
2.本发明所述装置转子内空化通孔为文丘里形结构，叶片两端的文丘里形空化通孔两两 对正，以在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增，空化效率远 高于传统装置；
3.叶片的空腔为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，提升空化效果；
4.本发明所述装置转子空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生 效应，进而提高空化效率(较未经精加工的空化通孔，空化效率提高20％左右)；
5.本发明所述装置采用多转子对称分布，每个转盘开设阵列文丘里形孔，并在定子内壁 设置加超声波换能器，较传统空化器极大地提高了水力空化的处理效率；
6.本发明所述装置中的超声波换能器可以根据容器的不同做成任意形状，且设备采用内 置式，产生的噪声小，能量衰减小；
7.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变定子与转盘式空化发生器尺寸，更 换大功率动力装置即可满足更大微藻油脂提取量的需求；
8.本发明所述装置高效耦合了水力空化、超声空化技术，一体化设备大大简化了整个工 艺流程；
9.本发明所述装置运转过程中，定、转子表面周期性被空化清洗，具有自清洁功能；
10.本发明所述装置结构简单、适应性强、操作方便、安全可靠且便于维修；
11.本发明所述装置不局限于微藻提取油脂，对于其他类型的破壁提取物质也预计拥有 良好的处理效果；
12.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际降解实验所得。
附图说明
图1是本发明基于水力与超声空化的微藻油脂提取装置的结构示意图。
图2是本发明中定子和转子截面示意图。
图3是本发明中转子结构示意图。
图4是本发明的微藻提取油脂工艺流程图。
图中：1.排液口，2.密封盖，3.密封端盖，4.转轴，5.角接触球轴承，6.机械密封，7.楔键，8.定子端盖，9.密封垫圈，10.定子，11.超声波换能器，12.超声波发生器，13.空化 通孔，14.转子，15.进液口，16.空腔，17.叶片。
具体实施方式
本发明基于水力与超声空化的微藻油脂提取装置，如图1和图2所示，包括定子10、转 子14、转轴4、超声波换能器11和超声波发生器12。
定子10为空心密封筒体，两端通过螺栓连接定子端盖8，连接处有密封垫圈9，使得定 子10内部形成密封的空腔。定子的内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚度 为15～40mm。定子端盖8的内部设角接触球轴承5，外部设有密封盖2，密封盖2上连接密封端盖3，且连接处有密封圈9，形成密封结构。定子10内壁上装有超声换能器11。各个超 声波换能器11均与超声波发生器12连接。所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。超声波发生器12数量为1～4个，频率为40～80kHz， 单机功率为1500～3000W。耦合超声波后，可大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由 基的生成，增强处理效果。定子10的左侧端盖下部设置排液口1，右侧端盖上部设置进液口15。进液口15和排液口1对角设置，以防止产生短流现象。进液口15与排液口1分别与控 制阀相连，用于控制流量。进液口15处的进液流量为1.5～4.5m3/h。由于空泡溃灭持续产热， 定子内部反应温度为50～80℃。
转轴4两端与定子连接处设有机械密封6，其设置在定子端盖8外侧，并处在密封盖2 内部，以保证装置的密封性。转轴4通过角接触球轴承5安装在定子10中，一端伸出密封盖2，并通过联轴器和增速器与动力装置(电机)连接，带动转子14在定子10内转动，转轴4 的转速为4000～4500r/min。转子14处于定子10的空腔中，并通过楔键7固定安装在转轴4 上。转子14在转轴4上沿转轴轴向等距分布，共有2～6个。
转子14为多叶片叶轮结构，参见图3，其上分布有叶片17，叶片17在转子14上等间隔 沿周向分布有4～10个。叶片17为带有空腔16的中空梯形体结构，空腔16为空化过程提供 高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。叶片17长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。叶片17中在空腔16相对的两侧分布有空化通孔13，空化通 孔13的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子14的轴向一致。空化通孔为文丘里 形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。空化通孔13在叶片17上呈4～10排，3～10 列的矩形阵列排布，有利于空泡的产生与溃灭。叶片17内空腔16两侧的空化通孔13相对设 置，两两互相对正。转子14高速旋转时，流体从一侧的文丘里形空化通孔13的大端进入， 流经喉部产生空化现象，再由小端流出。之后流体便会进入另一侧的文丘里形空化通孔中， 再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使 空化效果倍增。空化通孔13内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应， 进而提高空化效率。
上述结构和参数是根据微藻提取油脂特点经过实际提取油脂实验得出，达到了处理效果 的最佳匹配效果。
采用本发明上述装置进行微藻提取油脂的工艺流程如图4所示，所用设施包括原料箱、 搅拌器、本发明装置、分离装置和收集罐。在原料箱中加入微藻细胞原料和液体介质(水、 甲醇或乙醇等流动性较好的液体)，通过搅拌器搅拌混合均匀，得到藻泥混合液。
藻泥混合液从进液口15流入定子10中，进液流量为1.5～4.5m3/h。转轴4带动转子14 以4000～4500r/min的转速高速旋转，使得叶片上的空化通孔13高速剪切流体，使流体局部 静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象。与此同时，外部的超声波发声器12把电转换成 与超声波换能器11相匹配的高频交流电信号，传递到嵌于定子10内壁上的超声换能器11， 超声波换能器将电能转化为声能，产生高频超声波。超声波作用于流体中，诱发超声空化现 象，从而大大增加水力空化生成的空泡数量及增强空泡溃灭强度，提高处理效率。空化现象 产生的极高温、高压条件大大提升了细胞壁破壁的反应速率。上述三种处理工艺的耦合极大 提升了处理效果，更好地达到使微藻细胞细胞壁破裂的目的。处理后的液体经左侧定子端盖 8上的排液口1流出，再进入进液口15进行循环处理，直至获得满意的细胞裂解结果。
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，打破细 胞表面分子结构，将有机物分子击碎，从而使细胞破壁破裂。超声波与水力空化在提取油脂 方面原理一样，但细胞破裂的模式略有不同，仅起到辅助破坏细胞壁的作用。
排出定子10的混合液经分离装置分离出油脂和流体介质，油脂导入收集罐，流体介质重 新导入原料箱进行二次利用。
以下给出实例。
本发明通过对微藻Nannochloropsis salina提取油脂实验(微藻-溶剂混合物的浓度为 5wt.％)，在最优工况下与该结构下(参数为：定子的内径为400mm，定子的宽度为340mm，壁 厚度为30mm；叶片长为130mm，宽度为60mm，厚度为30mm；文丘里形孔的出口和入口内径为 6mm，中央喉部内径为0.7mm,收缩角为45°，扩张角为11°；叶片上的文丘里形孔呈5×4 矩形阵列排布；超声波换能器每排4个、共6排；超声波发生器为2个，单机功率为2000W； 获得如下结论：
在能量输入都为5000kJ/kg时，采用高压灭菌法提取油脂，处理1.5～30分钟可获得约 16.2～66.5％的脂质产率；采用超声法提取油脂，处理2.8～55.6分钟可获得约5.4～26.9％ 的脂质产率；采用传统文丘里水力空化装置，处理5.9～118.1分钟约25.9～99.0％的脂质产 率；而本发明所述装置在转速4500rpm，流量为2.6m3/h，反应温度75℃，耦合水力空化、超 声空化技术，5分钟内则可实现99％以上的脂质产率，可见该工艺流程对微藻提取油脂过程高 效且环保，不产生任何污染物。
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