專利名稱：引射式射流空化發(fā)生器及空化細胞破碎裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于細胞破碎技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及涉及一種全新的引射式射流空化發(fā)生器及空化細胞破碎裝置。
背景技術(shù)：
目前細胞破碎方法主要有:機械破碎法、化學和生物化學滲透法以及物理滲透法。機械破碎法又包括高壓均漿、珠磨、撞擊破碎和超聲破碎等方法，其特點是處理量大、破碎效率高、速度快，主要靠均質(zhì)作用和碾磨作用；處理過程中，細胞壁無法經(jīng)受強大的機械剪切力而破碎，從而致使胞質(zhì)外流。然而發(fā)熱是機械破碎法存在的主要問題，因摩擦、撞擊產(chǎn)生的局部高溫會導 致胞質(zhì)中所需的物質(zhì)變質(zhì)?；瘜W和生物化學滲透法主要包括:酸堿處理、化學試劑處理、酶溶等方法。與機械破碎法相比，化學滲透法處理速度低，破碎效率差，且化學或生化試劑的添加會形成新的污染，給進一步的分離純化帶來麻煩。物理滲透法主要包括滲透壓沖擊法和凍結(jié)-融化法。前者適用于不具有細胞壁或細胞壁強度較弱的細胞的破碎。后者適用于比較脆弱的菌體，然而反復凍融會使蛋白質(zhì)變性，從而影響活性蛋白質(zhì)的回收率。目前，已有學者提出將空化方法運用于細胞破碎的概念，但受限于空化發(fā)生器的設(shè)計，一直難以推廣。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可控性和可操作性強、適于推廣的引射式射流空化發(fā)生器。本發(fā)明的另一目的是提出一種能耗低、破碎效率高、可大規(guī)模生產(chǎn)使用的基于水力空化效應(yīng)的引射式射流空化細胞破碎裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一種引射式射流空化發(fā)生器，包括噴嘴、吸入室、喉管、擴散管和出口管，吸入室、喉管、擴散管和出口管依次連通，吸入室內(nèi)套接噴嘴，噴嘴包括噴嘴入口段和噴嘴出口段，吸入室還設(shè)有吸入管，擴散管的截面面積從與喉管相連的一端至與出口段相連的一端逐漸增大。
上述擴散管為錐形或喇叭形。上述吸入室包括柱形段和臺形段，所述的臺形段的端面積較大的一端與柱形段相連，其端面積較小的一端則與喉管相連。一種引射式射流空化細胞破碎裝置，包括上述空化發(fā)生器、離心泵和存放待破碎細胞溶液的細胞容器，離心泵的兩端分別通過管道與空化發(fā)生器的噴嘴入口段和細胞容器內(nèi)部連通，空化發(fā)生器的吸入管和出口管分別通過管道與細胞容器內(nèi)的待破碎細胞溶液連通。上述喉管和擴散管可采用透明材料制備，用于觀察空化狀態(tài)，方便對空化狀態(tài)進行調(diào)節(jié)控制。上述連接離心泵和細胞容器的管道上設(shè)有第一閥門，用于停機檢修。上述與空化發(fā)生器的噴嘴入口段、吸入管和出口管相連的管道分別設(shè)有第二閥門、第三閥門和第四閥門，用來控制空化發(fā)生程度。
本發(fā)明細胞破碎裝置通過離心泵將細胞容器內(nèi)的細胞溶液泵入空化發(fā)生器的噴嘴，噴嘴入口處的高壓工作流體通過噴嘴后，在其出口形成高速工作流體，噴入吸入室；在吸入室內(nèi)高速工作流體的卷吸作用下，細胞容器中的低壓細胞溶液通過吸入管卷吸進入吸入室，低壓細胞溶液和高壓細胞溶液在吸入室和喉管內(nèi)形成劇烈的摻混。喉管為吸入室末端產(chǎn)生的空泡生產(chǎn)提供低壓環(huán)境使空化發(fā)展得到空泡云，并未為兩股流體的摻混提供一個合適的環(huán)境。擴散管用于提供一個壓力逐漸增大的壓力環(huán)境，喉管內(nèi)產(chǎn)生的空泡云輸送到擴散管，在擴散管內(nèi)破滅，產(chǎn)生微射流和沖擊波，從而實現(xiàn)細胞空化破碎。破碎后的細胞隨細胞溶液經(jīng)出口管排入細胞容器。本發(fā)明的優(yōu)選方案中，在各出入口均設(shè)置閥門，用于控制各進、出口的流體流量及壓力，從而達到對空化發(fā)生器內(nèi)不同空化狀態(tài)的控制。
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本發(fā)明細胞破碎裝置利用離心泵產(chǎn)生的高壓液體通過引射式射流空化發(fā)生器卷吸細胞容器中的低壓細胞溶液。由于高壓液體經(jīng)噴嘴變?yōu)楦咚倭黧w沖入吸入室與被卷吸的低速液體發(fā)生劇烈的剪切運動以及該過程中引射式射流空化發(fā)生器會產(chǎn)生局部低壓，可在吸入室及喉管內(nèi)誘發(fā)空化現(xiàn)象產(chǎn)生大量空泡，利用空泡在喉管及擴散管內(nèi)潰滅過程中產(chǎn)生的微射流，高壓沖擊波、壓力脈動、局部熱點來撕裂細胞，改變細胞膜通透性，使得胞漿流出。另外高速射流伴隨劇烈的剪切作用對細胞本身同樣具有撕裂作用。本發(fā)明的優(yōu)選方案中，在各進出口處設(shè)置了若干閥門，可通過閥門調(diào)節(jié)各進、出口參數(shù)以方便獲得不同程度的空化現(xiàn)象。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
(I)本發(fā)明空化發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，無運動部件，工作可靠，適于大規(guī)模推廣應(yīng)用。(2)空化發(fā)生器采用剪切射流誘發(fā)空化，可產(chǎn)生大量的空泡云，對空泡的輸運性強。(3)本發(fā)明細胞破碎裝置能耗低，細胞破碎效率高，可大規(guī)模推廣使用。(4)本發(fā)明的細胞破碎機理主要為機械破碎，無需使用化學試劑，可避免對細胞質(zhì)溶液的化學氧化作用。(5)本發(fā)明細胞破碎裝置通過閥門控制空化程度，可根據(jù)實際需求獲得不同程度的空化效果，大大提高了裝置的可控性。
圖1為本發(fā)明細胞破碎裝置的一種具體實施方案；
圖2為本發(fā)明空化發(fā)生器的一種具體實施方案。
其中，1-細胞容器，2-第一閥門，3-離心泵，、4-第二閥門，5-第三閥門，6_空化發(fā)生器，7-第四閥門，8第五-閥門，61-吸入管，62-噴嘴入口段，63-噴嘴出口段，64-吸入室，65-喉管，66-擴散管，67-出口管。
具體實施例方式下面通過實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體的說明。本具體實施包括一個用于存儲待破碎細胞溶液的細胞容器1、通過管道與細胞容器I相連的高壓離心泵3、通過管道與高壓離心泵3出口相連的空化發(fā)生器6，見圖1?？栈l(fā)生器6見圖2，包括吸入室64，吸入室64中套接噴嘴，噴嘴包括噴嘴入口段62和噴嘴出口段63，噴嘴的出口端伸入吸入室64，高壓離心泵3通過管道與噴嘴入口段62的入口相連；吸入室61后依次連接喉管65、擴散管66及出口管67 ;吸入室61還設(shè)吸入管61。本具體實施中的喉管65和擴散管66可采用有機玻璃加工制造，便于觀察和控制其中發(fā)生的空化現(xiàn)象。本具體實施中包括5個閥門，見圖1。其中，第二閥門4、第三閥門5和第四閥門7用來控制空化程度；第一閥門I用于停機檢修；第五閥門8用于將破碎后的細胞溶液排除細胞容器?？栈l(fā)生器6包括2個入口和I個出口，其中一個入口為噴嘴入口段62的入口，用來與高壓離心泵3出口相連接；另一個入口為吸入室64上所接的吸入管61的入口，該入口通過管道連接存有細胞溶液的細胞容器I內(nèi)部，通過該入口可將細胞容器I中的溶液吸入吸入室64 ;出口為出口管67的出口，通過管道與細胞容器I內(nèi)部連通，經(jīng)空化處理破碎后的細胞溶液經(jīng)過該出口排入細胞容器內(nèi)。擴散管66的截面面積從與喉管相連的一端至與出口段相連的一端逐漸增大，本具體實施中的擴散管為錐形， 見圖2。由于擴散管的增壓作用，空泡云在擴散管內(nèi)會突然潰滅，并伴隨產(chǎn)生微射流和沖擊波，從而實現(xiàn)對細胞的破碎。下面將介紹具體上述細胞破碎裝置的使用。1、準備階段
準備細胞溶液:將待破碎的細胞溶液注入細胞容器I。離心泵啟動準備:打開第一閥門2、第三閥門5和第四閥門7，關(guān)閉第二閥門4和第五閥門8。2、工作階段
啟動階段:見圖1，啟動高壓離心泵3。打開第二閥門4，工作流體被高壓離心泵3泵入空化發(fā)生器6的吸入室64。同時，細胞容器I中的低壓細胞溶液通過第三閥門5不斷被吸入室64內(nèi)高壓工作流體卷吸進吸入室64，高壓工作流體和低壓細胞溶液在吸入室64和喉管65內(nèi)進行劇烈摻混，進而誘發(fā)空化現(xiàn)象，并在喉管及擴散管中通過空泡潰滅實現(xiàn)細胞破碎過程?？栈幚砗蟮娜芤航?jīng)擴散管66、出口管67、第四閥門7排入細胞容器I?？栈{(diào)節(jié)階段:通過調(diào)節(jié)第二閥門4、第三閥門5和第四閥門7使得吸入室64和喉管65中出現(xiàn)不同程度的空化現(xiàn)象。調(diào)節(jié)時，既可同時調(diào)節(jié)上述三個閥門，也可僅調(diào)節(jié)兩個閥門，甚至只需調(diào)節(jié)一個閥門。一般情況下，可將上述任意兩個閥門保持一定的開度，調(diào)節(jié)另外一個閥門以獲得不同程度的空化現(xiàn)象。本具體實施中，固定第二閥門4和第三閥門5，對第四閥門7進行調(diào)節(jié)來獲得需要的空化程度。具體操作步驟為，將第二閥門4和第三閥門5調(diào)至最大開度，然后從小到大調(diào)節(jié)第四閥門7的開度，便可依次獲得初生空化、劇烈空化與極限空化三種不同程度的空化現(xiàn)象。3、停止工作階段
當需要停止工作時，依次關(guān)閉第二閥門4、高壓離心泵3、第三閥門5以及第四閥門7，然后打開第五閥門8以獲取處理后的細胞溶液。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。細胞容器1、第一閥門2、離心泵3、第二閥門4、第三閥門5、空化發(fā)生器6、第四閥門7、第五閥門8、吸入 管61、噴嘴入口段62、噴嘴出口段63、吸入室64、喉管65、擴散管66、出口管67等術(shù)語，但并不排除使用其他術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把他們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
權(quán)利要求
1.一種引射式射流空化發(fā)生器，其特征在于，包括: 噴嘴、吸入室、喉管、擴散管和出口管，吸入室、喉管、擴散管和出口管依次連通，吸入室內(nèi)套接噴嘴，噴嘴包括噴嘴入口段和噴嘴出口段，吸入室設(shè)有吸入管。
2.如權(quán)利要求1所述的引射式射流空化發(fā)生器，其特征在于: 所述的擴散管為錐形或喇叭形。
3.一種引射式射流空化細胞破碎裝置，其特征在于: 包括權(quán)利要求1或2所述的空化發(fā)生器、離心泵和存放待破碎細胞溶液的細胞容器，離心泵的兩端分別通過管道與空化發(fā)生器的噴嘴入口段和細胞容器內(nèi)部連通，空化發(fā)生器的吸入管和出口管分別通過管道與細胞容器內(nèi)的待破碎細胞溶液連通。
4.如權(quán)利要求3所述的引射式射流空化細胞破碎裝置，其特征在于: 所述的連接離心泵和細胞容器的管道設(shè)有第一閥門。
5.如權(quán)利要求3所述的引射式射流空化細胞破碎裝置，其特征在于: 所述的與空化發(fā)生器的噴嘴入口段、吸入管和出口管相連的管道分別設(shè)有第二閥門、第三閥門和第四閥 門。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種引射式射流空化發(fā)生器及空化細胞破碎裝置，本發(fā)明的空化發(fā)生器包括噴嘴、吸入室、喉管、擴散管和出口管，吸入室內(nèi)套接噴嘴，其側(cè)面設(shè)有吸入管。本發(fā)明的空化細胞破碎裝置包括一個用于存放待破碎細胞的容器、通過水管與容器連接的高壓離心泵以及通過水管與高壓離心泵連接的上述空化發(fā)生器，并且在噴嘴入口段、吸入管和出口管分別設(shè)有閥門，用于控制空化程度。該裝置通過高壓液體卷吸低壓液體在吸入室尾端及喉管中誘發(fā)空化現(xiàn)象，利用空泡潰滅產(chǎn)生的微射流及沖擊波來破碎細胞，另外兩股流體之間劇烈的剪切作用同樣對細胞具有撕裂作用。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，無運動部件，工作可靠，空化輸運性強，破碎效率高，適于大規(guī)模應(yīng)用。
文檔編號C12M1/33GK103244468SQ20131013348
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者龍新平, 肖龍洲 申請人:武漢大學