CN101215519B - 固定化细胞（或酶）内循环流化床反应器及其在有机相生物催化中的应用 - Google Patents

固定化细胞（或酶）内循环流化床反应器及其在有机相生物催化中的应用 Download PDF

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Abstract

一种气-液-固多相生物催化气升式流化床反应器，特别涉及适用于固定化酶或固定化细胞的内循环流化床反应器。包括：反应器壳体、气体喷嘴、锥形内导流筒、内导流筒下口分布器及回流冷凝器等。其特征是：一锥形反应器壳体，反应器罐底下端为气体喷嘴，构成锥形流化床；一锥形内导流筒，其下部为圆环状的内导流筒下口分布器，调整下口分布器通道角度、孔径，使固定化载体颗粒能够顺利流出；在锥形反应器壳体上开有轻相进样口、重相进样口、产品出口、气体出口等，气体出口与回流冷凝器相连。本发明反应器为气升式、内循环、锥形流化床反应器，具有剪切力小、能耗低、气液固传质快、溶氧效率高、易于放大等优点，特别适合于固定化细胞(或酶)有机相生物催化反应。

Description

固定化细胞(或酶)内循环流化床反应器及其在有机相生物催化中的应用
技术领域
本发明涉及一种新型气升式流化床生化反应器。更具体的，该反应器可用于固定化酶或固定化细胞生物催化反应，特别适用于好氧固定化细胞有机相生物催化反应。
背景技术
生物技术的迅猛发展，将为改善和提高人类生活质量发挥关键作用，已成为21世纪具有巨大发展潜力的高新技术之一。其中，生物催化和生物转化是新一代工业生物技术的主体。生物催化，是指采用生物催化剂(酶、微生物和动植物细胞)催化有机物的合成或分解，具有选择性高、反应条件温和、环境友好的特点。但采用游离细胞或酶进行生物催化反应时，往往会有产品和生物催化剂的分离困难、步骤繁琐、生物催化剂不能重复利用等缺点。而固定化生物催化剂的主要优点是，催化剂易于从反应系统中分离，同时固定化生物催化剂可以反复使用，所生成的产物不受污染容易精制；固定化生物催化剂有一定的形状和机械强度，可以装填在反应器中长期使用，便于实现生产连续化和自动化。因此，固定化生物催化剂(酶、细胞等)在生产中的应用逐渐增多，为生物催化技术的应用开辟了新的途径。(KlibanovAM.Science 1983，219：722-727)
固定化酶和固定化细胞反应器的形式很多，根据进、出料方式及操作方式，可概括分为间歇式反应器和连续式反应器两大类，主要包括：填充床反应器、搅拌罐式反应器、流化床反应器等。迄今发表的固定化生物反应器的研究工作主要集中于填充床反应器。固定化酶通常可以用各种形状，如球形、碎片、圆盘、薄片、丸粒等填充于床层内。填充床反应器具有操作简单、物质输送速度高、反应速度快的优点(指无基质抑制的动力学)。但对固定化活细胞来讲，由于充O2和除去CO2为其所必需，填充床反应器容易造成CO2气体除去和气体与液体接触不足的一系列问题。搅拌罐反应器由于具有搅拌系统，反应器内的各组成成分能得到充分混合，其缺点是搅拌浆的剪切力大，容易引起固定化酶/细胞的破坏，同时还有轴封和能耗高的问题。在流化床反应器内，固体颗粒因基质的连续流动而处于流化状态，达到混合的目的。在较小的气体、液体流量下，流化床反应器具有可使气-液-固良好混合的优点，既减少剪切作用，又有利于传质，从而解决了机械搅拌反应器存在的能耗高、结构复杂、放大难等问题。可以看出，在固定化酶/细胞生物催化反应中，流化床反应器具有巨大潜力，值得重视。
CytopilotTM Mini是唯一一种商业化的集成式流动床生物反应器(ModularIntegrated Fluidized Bed Bioreactor)，它通过使用搅拌桨产生约2-8升/分钟的流量通过大孔载体床，使体系形成内循环回路(Reiter M，et al.Bio/Technology 1991，9：1100-1102)。Cytopilot生物反应器具有几项独特之处，如组合式更换部件，充分的氧合作用，以及它既可做为流动床，又可做为填充床使用。其设计规模，已从试验室，中试到工业规模。但这种反应器仍采用搅拌浆作为内循环的动力，能耗比较高。
文献检索发现，有许多关于流化床反应器的报道，但对于固定化酶或固定化细胞用于流化床的工作，迄今仍限于活性污泥等工艺，只有为数很少的固定化工艺，用于流化床反应器。如中国专利ZL 03128090.0公开了一种使用常规内导流筒结构的三相生物流化床反应器处理生活污水的方法和设备；申请号为200610023452.7的中国专利，公开了固定化酵母生物酒精发酵系统，其流化床反应器系统主要由贮气室、三段纺锤形发酵体和贮醪室三部分由下至上连接而成。Melidis等人(Melidis P，et al.Chem Eng Process 2003，42(11)：897-908)研究了厌氧固定化细胞流化床反应器处理废水工艺的放大和优化；Georgiou等(Georgiou D，et al.J hazard mater 2006，135(1-3)：372-377)采用作为厌氧菌固定化载体在流化床循环反应器中(fluidized-bed loopreactor)进行了纺织废水脱色研究。Baptista等人(Baptista CMSG，et al.Enzyme Microb Tech 2006，40(1)：127-131.)采用固定化微生物连续发酵生产乙醇；Lin Chi-Neng等(Lin C-N，et al.Int J Hydrogen Energy 2006，31(15)：2200-2210)利用硅凝胶固定化厌氧活性污泥使用导流筒流化床反应器(drafttube fluidized bed reactor)发酵产氢；Trivedi等(Trivedi U，et al.Powder Technol2006，169(2)：61-70)在连续液-固循环流化床反应器(liquid-solid circulatingfluidized bed)中尝试采用固定化酶进行苯酚聚合；Gómez等(Gómez JL，et al.Chem Eng J 2006，doi：10.1016/j.cej.2006.09.021)利用固定化大豆过氧化物酶在流化床反应器中进行了移除苯酚实验和模拟研究。这些报道都显示固定化酶/固定化细胞流化床反应器应用于工业生物催化或生物转化工艺中具有良好的应用前景。
生物脱硫(Biodesulfurization，BDS)，是一种生物催化或生物转化过程，它利用适宜的微生物在常温常压下的代谢过程进行矿物燃料脱硫：在细菌中的酶可以有选择性的氧化或还原硫原子进而切断C-S键，释放出硫而将烃类保存下来，达到油品脱硫的目的(Monticello DJ.Chemtech 1998，28(7)：38-45)。固定化技术可以增加微生物细胞对有机溶剂的耐受能力；避免油/水/细菌严重乳化现象，简化油品及生物催化剂的回收；生物催化剂可重复使用，从而可降低生物脱硫的生产成本。
到目前为止，有关生物脱硫固定化的报道还很少，并且还没有采用固定化酶或固定化细胞流化床反应器应用于生物脱硫的报道和专利。因为油品的固定化生物脱硫过程涉及的是一个由气相、水相、油相和生物催化剂固相组成的多相体系，现有流化床反应器并不能完全适合该体系。本专利发明了一种新型气升式内循环流化床反应器，并应用于生物脱硫。
发明内容
本发明的目的在于克服已有流化床生物反应器的缺点，设计一种新型固定化酶(或细胞)流化床生化反应器，使之能够适应气液固多相生化反应体系，从而提供一种结构简单、设备制造及能耗费用低、低剪切力的，符合固定化生物脱硫等有机相生物催化工艺的、易工业应用的气升式内循环流化床生物反应器。
本发明提供的固定化细胞(或酶)内循环流化床反应器(如图1所示)包括：反应器壳体、锥形内导流筒、内导流筒下口分布器、气体喷嘴及回流冷凝器等；其特征是：
一锥形反应器壳体1，反应器壳体1从上到下分为三部分：三相扩口分离区9、锥形内导流筒4、底隙12；在反应器壳体1的顶部开口上盖有一反应器上端盖2；反应器锥形罐底3下端为气速控制阀14和气体喷嘴15；
一锥形内导流筒4(如图2所示)，其下部为圆环状的内导流筒下口分布器5，内导流筒下口分布器5与水平线的夹角为20～70°之间，下口分布器通道孔径为固定化载体颗粒13直径的3～10倍，使固定化颗粒13顺利下滑而不堆积为宜；锥形内导流筒4与反应器壳体1通过支撑7固定，内导流筒4下端为球形或锥形凸起；
另外，在锥形反应器壳体1上还开有轻相(如油相)进样口16、重相(如水相)进样口17、产品出口18；轻相进样口16位于罐底处，重相进样口17位于锥形内导流筒4上部，产品出口18位于壳体上部三相扩口分离区；反应器上端盖2上开有气体出口19，该气体出口19与回流冷凝器8相连，其作用是冷凝回流被气体携带出的易挥发液体，废气从回流冷凝器上口20排出。
所述的锥形内导流筒4的高度为反应器壳体的1∶5～1∶2。
所述的固定化载体颗粒13为通过吸附法、包埋法、交联法等制备的固定化细胞(或酶)载体，可以为各种形状(球状、块状、圆柱状、圆盘、管状等)，载体颗粒大小可以为50μm～5mm；如活性炭、木屑、多孔玻璃、硅藻土、聚丙烯酰胺、聚氨酯泡沫等载体材料，以及海藻酸盐、卡拉胶、聚乙烯醇等水凝胶制备的固定化细胞(或酶)。
在以上所述的反应器内安装有与外部控温器电联接的加热管，或在反应器外壳上安置一外换热式的通冷热水的夹套，使反应器内温度控制在适宜细胞生长及反应的范围内。
本发明的固定化细胞(或酶)内循环流化床反应器工作状态如下(参见图3)：
A1、起始状态：在反应器内装载有一定的水相、轻相(油相)和固定化细胞(或酶)载体颗粒，其中载体颗粒占反应器工作体积的(0～3)∶4，水相和轻相的比例可以按照实验条件随意调节。
A2、开始通气，反应器开始工作，调节气体调节阀14，气速很小时，气体带动载体颗粒沿内导流筒下端凸起6处分流向内导流筒外侧，沿上升区11向上运动到内导流筒上部，此时气体速度已显著降低，载体颗粒在重力(ρ颗粒＞ρ水)的作用下，沿锥形内导流筒4内部下降(即下降区10)，到达内导流筒下口分布器5；从导流筒分布器孔道流出后，载体颗粒又在气体的带动下向上运动；这样利用液体和颗粒的密度差及气体喷入的能量，形成内循环，使载体颗粒流态化。在这种气速很小的状态下，载体颗粒就能顺利实现流态化，而上层轻相与水相界面只有很小的扰动，这也是本发明反应器的优势之一。
A3、随着气速增大，水相液滴也同载体颗粒一样，沿锥形内导流筒外侧向上运动，然后从锥形内导流筒下口分布器流出，形成循环；油相液滴也在气体、载体颗粒以及水相的带动下，从锥形内导流筒4内部沿下口分布器5流出，向上循环。这样反应器中反应介质(气相、水相、油相、载体颗粒)达到完全混合。
本发明固定化细胞(或酶)内循环流化床生物反应器工作时水相、油相及固定化载体颗粒三个循环同时进行，达到反应介质均匀混合并强化了固定化载体颗粒与油水两相的接触时间，完成了固定化生物催化和生物转化的反应过程。
本发明提供的固定化细胞(或酶)内循环流化床生物反应器具有许多优点：
一是采用了锥形流化床，锥形流化床由于截面随高度而变化，所以存在着速度梯度：底部截面积较小、流速较高，可以保证大颗粒的流化；而顶部截面较大、流速低，可防止小颗粒的带出。在一定的流体流量下，能使大小不同的颗粒都能在床层中流化，因此采用锥形流化床具有独特优点。二是该反应器既可以分批操作，又可以连续操作。连续操作时，油相从反应器底部加入，水相从反应器上部加入，逆流操作，易于油水及固定化载体颗粒的混合。三、在较小的气速下，在该反应器内部就能顺利实现固定化载体颗粒的流态化，特别适合于象生物脱硫这类油水相生物催化反应。四、该反应器为气升式内循环流化床生化反应器，气体(如空气、氧气)作为动力的同时，还是生物催化剂(酶、细菌等)生长繁殖的必要条件，相比于搅拌式反应器，气升式反应器剪切力小，能耗低，气液固传质快，溶氧效率高，易于放大，所以该反应器特别适合于固定化好氧微生物在有机相中的生物催化反应。
下面结合附图及实施例进一步描述本发明：
附图说明
图1.本发明的反应器整体结构示意图。
图2.本发明的反应器中锥形内导流筒的结构示意图。
其中，a为剖面图，b为俯视图
图3.本发明的反应器中反应介质的扩散过程及分散状况示意图。
A1：起始状态，反应器中加入一定油、水及固定化载体颗粒；
A2：气体小流速时，固定化载体颗粒流态化；
A3：随着气速增大，反应介质(气相、水相、油相、载体颗粒)完全混合。
图4.本发明实施例2，利用本发明反应器，在模拟油相中固定化微生物的脱硫曲线。
图5.连续式固定化细胞生物脱硫的流程图。
其中，A水相储罐B油相储罐C空气压缩机D产品收集罐E热夹套
附图标记
1反应器壳体  2上端盖3  罐底  4锥形内导流筒  5内导流筒下口分布器
6内导流筒下端凸起  7支撑  8回流冷凝器  9三相扩口分离区  10下降区
11上升区  12底隙  13固定化颗粒  14气速控制阀  15气体喷嘴
16轻相(如油相)进样口  17重相(如水相)进样口  18产品出口
19气体出口  20废气出口
具体实施方式
实施例1：
请参见图1～3，按照前述的反应器的连接关系制作一可用作有机相生物催化反应的固定化细胞(或酶)内循环流化床反应器。
本实施例提供的固定化细胞(或酶)内循环流化床反应器其高为350mm，体积为700mL，有效容积为500mL。反应器外壳下半部分安置一外换热式的通冷热水的夹套，以便控制反应温度。
实施例2：
批式固定化细胞生物催化脱硫反应。
利用在实施例1制作的固定化细胞(或酶)内循环流化床反应器，实验固定化生物催化脱除模拟油相中的硫。其步骤如下：
(1)生物脱硫菌的培养
各取0.5mL甘油保存的德氏假单胞菌R-8菌株(Pseudomonas delafildiiR-8，CGMCC NO.0570)，加入到多个盛有150mL的培养基的锥形瓶中，在30℃，170r/min的条件下培养2～3天；离心获得R-8菌体，用生理盐水洗涤2～3次，所得德氏假单胞菌R-8菌体悬浮于生理盐水中，在4℃冰箱中放置。
培养基的组成为每升水中含有2.44g KH2PO4，14.03g Na2HPO4·12H2O，0.4g MgCl2·6H2O，0.001g CaCl2·2H2O，0.001g FeCl3·6H2O，0.004gMnCl2·4H2O，10g甘油和2.00g NH4Cl。硫源为二苯并噻吩，浓度为0.2mmol/L。
(2)生物脱硫菌的固定化
将4％的海藻酸钠水溶液，与等体积的含德氏假单胞菌R-8菌体的生理盐水菌悬液均匀混合；将此混合液用针筒挤入0.1M CaCl2水溶液中，形成直径为2mm左右的固定化生物脱硫菌的海藻酸钙凝胶小球。
(3)油品的脱硫处理
取步骤2得到的100g海藻酸钙固定化细胞于本发明的固定化细胞(或酶)内循环流化床反应器中，加入200ml GBSM培养基和100ml十二烷(溶解了1mmol/L二苯并噻吩(DBT))，控制夹套循环水温度为30℃，使用空气压缩机鼓气，反应48h。十二烷中的DBT及脱硫产物2-羟基联苯(2-HBP)含量采用高效液相色谱(HPLC)分析测定。其结果见图4。
GBSM培养基组成如下：去离子水1000ml，KH2PO40.24g；Na2HPO4·12H2O 1.20g；NH4Cl 2.0g；MgCl2·6H2O 0.4g；CaCl2·2H2O 0.001g；FeCl3·6H2O 0.001g；MnCl2·4H2O 0.004g；甘油10g。
实施例3：
连续式固定化细胞生物催化脱除柴油中的硫。
利用在实施例1制作的固定化细胞(或酶)内循环流化床反应器，实验固定化细胞生物催化脱除实际柴油体系中的硫(其实验装置参见图5)。其中A为GBSM培养基水相储罐，B为油相储罐，C为空气压缩机，D为产品收集罐，E为热夹套。其实验步骤如下：
(1)生物脱硫菌的培养同实施例2。
(2)生物脱硫菌的固定化同实施例2。
(3)柴油生物脱硫处理
取步骤2得到的100g海藻酸钙固定化细胞于本发明的固定化细胞(或酶)内循环流化床反应器中，控制夹套循环水温度为30℃，使用空气压缩机鼓气，GBSM培养基和柴油的计量泵泵入速度均为1mL/min，反应48h。从产品收集罐D中离心分离油相，用RPA-200微库仑滴定仪(江苏江环分析仪器有限公司)检测柴油中的硫含量。固定化细胞脱硫前后柴油中的硫含量分别为390ppm和158ppm。

Claims (4)

1.一种固定化细胞或酶内循环流化床反应器，包括反应器壳体、气体喷嘴、锥形内导流筒、内导流筒下口分布器及回流冷凝器，其特征是：
一锥形反应器壳体，其锥形罐底下端为气速控制阀和气体喷嘴，构成气升式锥形流化床；在反应器上端盖上开有气体出口，气体出口与回流冷凝器连结；
一锥形内导流筒，其下部为圆环状的内导流筒下口分布器，内导流筒下口分布器与水平线的夹角为20～70°之间，下口分布器通道孔径为固定化载体颗粒直径的3～10倍，锥形内导流筒通过支撑固定在反应器壳体内部，内导流筒下端为球形或锥形凸起；
在锥形反应器壳体上还开有轻相进样口、重相进样口、产品出口；轻相进样口位于罐底处，重相进样口位于锥形内导流筒上部，产品出口位于壳体上部三相扩口分离区。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的锥形内导流筒的高度与反应器壳体高度的比为1∶5～1∶2。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：在以上所述的反应器内安装有与外部控温器电联接的加热管，或在反应器外壳上安置一外换热式的通冷热水的夹套。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的固定化载体颗粒为通过吸附法、包埋法、交联法制备的固定化细胞或酶载体，为球状、块状、圆柱状、圆盘或管状，载体颗粒大小为50μm～5mm；固定化细胞或酶的载体材料为活性炭、木屑、多孔玻璃、硅藻土、聚丙烯酰胺、聚氨酯泡沫或海藻酸盐、卡拉胶、聚乙烯醇的水凝胶。
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