Page 118 - 《应用声学》2021年第1期

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等因素对微藻细胞破碎率的影响，获取超声提取微
0 引言
藻油脂的最佳工艺参数。
受化石能源的不可再生性、日益减少的存储量
1 超声辅助提取微藻油脂机理
以及对环境的污染等影响，可再生能源引起世界各
国的广泛关注 [1] 。生物质能源是人类应对能源危机
超声振动子将电能转变为超声振动，在溶液中
和环境恶化时提出的解决方案之一。其中生物柴油
形成声冲流、声辐射力以及声空化效应 [11] 。声空化
是将生物体内的油脂经酯交换反应而形成以脂肪
效应形成的空化泡在振荡或破裂的过程中会在局
酸甲酯为主要成分的一种生物质液体燃料，是近年
部产生瞬时的高温、高压，同时产生强烈冲击波和
来生物质能源研究的热点。在制备生物柴油的众多
剪切力，对周围的细胞有冲击撕裂的效果，破坏生物
原料中，微藻凭借油脂含量高、生长速度快、培养
细胞壁和细胞膜，有利于细胞内容物释放到提取液
不占用耕地等优点被认为是生物质能源的重要原
中 [12] 。高频振动产生的声冲流与声辐射力在提取
料 [2−3] 。
液中产生的冲流、涡流以及湍流促进微藻细胞与溶
在微藻的能源转化过程中，将微藻植物油经酯
剂形成对流，具有搅拌作用，加快提取进程。
交换反应制得生物柴油的技术已经成熟；但是，由
微藻油脂的物理提取是有效成分从固相向液
于微藻细胞壁比较坚固，微藻中油脂的提取仍然面
相传递的动力学过程，其实质是传质动力学理论。
临巨大的挑战 [4] 。超声波破碎法是一种有效的细胞
Fick第一定律表达式为
破碎方法，广泛应用于油脂浸取、多糖提取以及天
dn dc
然药物活性成分提取 [5] 。郭孝武等 [6] 介绍了利用 = −DS , (1)
dt dx
超声提取分离技术在苹果、红花、橘皮、小球藻等
式 (1) 中，D 表示扩散系数，S 表示扩散面的面积，c
植物中提取油脂的应用以及相关工艺参数。Araujo
表示扩散物质的体积浓度，dc/dx 表示溶质浓度梯
等 [7] 设置不同实验组，研究超声对微藻油脂提取的
度，“−” 号表示扩散方向与浓度梯度的方向相反，
影响，结果表明超声波处理能有助于细胞壁破碎，提
dn/dt表示溶质扩散速率。
高了提取效率。Santos等 [8] 通过实验对几种小球藻
微藻细胞中溶质的浓度随着时间的增加而不
油脂的提取方法进行比较，结果表明在超声波辅助
断下降的同时，扩散边界层的浓度也随时间减小，其
作用下，利用有机溶剂氯仿:甲醇(2 : 1)的混合物作
变化曲线可用幂函数表示：
为溶剂是从微藻类中提取脂类物质最有效的方法。
dc
b
Ellison 等 [9] 介绍了一种对微藻类进行处理的新技 − = at , a > 0, − 1 < b < 0. (2)
dx
术路线，研究了超声功率和处理时间对微藻油脂提
在超声振动提取时，扩散系数 D 由两种扩散系
取的影响，结果发现超声功率越高，处理时间越长，
数组成，分别为分子扩散系数 D M 和涡流扩散系数
细胞破碎越彻底，油脂产量越高。岳敏等 [10] 研究了 [13]
D E ：
超声功率、超声处理温度以及时间等因素对细胞破
壁率的影响，得出一组优化的超声破壁参数。 D = D M + D E , (3)
现有研究主要是采用固定的超声设备进行实
其中，
验，研究超声电功率、时间以及萃取试剂等因素对
E q
−
提取率的影响，而对超声辅助提取微藻油脂的机理、 D M = Ke RT c , (4)
超声振动子的结构设计以及超声频率、超声振动子 式(4)中，K 表示影响系数，E 表示扩散活化能，R 表
工具头浸入溶液深度等工艺参数如何影响微藻细 示普适气体常量，T 表示温度，q 表示浓度的参数。
胞破碎率等方面较少涉及。本文分析了超声波对微 考虑到声空化、声冲流、声辐射力所产生的微
藻细胞的作用机理，建立了基于声冲流、声辐射力、 射流、涡流以及湍流现象，对涡流扩散系数D E 进行
声空化的传质动力学的经验模型，设计了几种常见
定义：
纵振频率的超声振动子，研究超声频率、超声电功
率、工具头浸入溶液深度、超声处理时间、萃取试剂 D E = k 4 (k 1 v s + k 2 v f + k 3 v c )D M , (5)