CN101591614A - 一种超声波酶膜反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物工程领域，特指一种将超声波发生器和酶解反应器结合的新型超声波酶膜反应器，由超声波酶解反应器，超声波膜分离器，液体输送泵三部分组成；其特征在于超声波酶解反应器通过液体输送泵和超声波膜分离器相连，超声波膜分离器通过管道和超声波酶解反应器相连；将超声波技术和酶膜反应器技术相结合，利用超声波对酶解反应的促进作用，提高酶解的效率，利用超声波对超滤膜的清洗作用，改善膜的污染问题，并大大减轻了超声波对膜的机械损伤作用。

Description

一种超声波酶膜反应器
技术领域
本发明属于生物工程领域，涉及一种酶膜反应器，特指一种将超声波发生器和酶解反应器结合的新型超声波酶膜反应器。
背景技术
1)酶膜反应器技术
Blatt等20世纪60年代末首次提出了酶膜反应器的概念，一般是指膜和生物化学反应相结合的系统或操作单元，依靠酶的专一性、催化性及膜特有的功能，可在生物反应过程中实现反应与反应的耦合、产物的原位分离浓缩和酶的回收利用于一体，从而达到突破反应平衡的限制、减少副产物生成、提高产品得率等目的。随着生物化学工程和膜技术的不断发展，酶膜反应器成为近年来人们研究的重要领域。
但是膜在使用一定时间后，一般需要清洗除去污染物。常规清洗方法包括：循环清洗、反冲洗涤(适用于内压式中空纤微膜)、水力方法、气-液脉冲、海绵球机械擦洗、电场过滤的物理方法以及用酸碱液、表面活性剂、氧化剂或酶清洗的化学方法。物理方法如水力学清洗只适用于微滤膜和疏松的超滤膜，大多数情况下膜仍需化学清洗，而化学清洗一方面会带来二次污染，且会对膜产生不同程度的损伤，缩短了膜的寿命。天津大学化工学院应用动态膜分离技术开发研制的新型多功能酶反应器，在酶反应器中用旋叶动态膜分离代替传统的膜分离，由于膜表面流体的高剪切作用，能有效削弱浓差极化和凝胶层的形成，提高过滤速率，减少了膜的更换次数，同时产物及时滤出可消除产物抑制效应，有利于酶解反应的进行，然而这种方法只能清洗膜表面沉积的污染物，对于膜孔中的污染物清洗效果较弱。膜污染是膜反应器实际工作遇到的最大问题，亟待解决。
2)超声波处理技术
超声波是物质介质中的一种弹性机械波，是物理能量的一种形式。自从1928年美国普林斯顿大学化学实验室的科技人员首次发现超声波有加速二甲基硫酸水解和亚硫酸还原硫酸钾反应作用以来，声学与化学相互交叉渗透的超声化学作为一门新兴的边缘学科发展十分迅速，特别是在20世纪80年代发展更为迅速，并且随着功率超声波仪器设备的发明与制造技术的日趋完善等，使超声化学技术广泛应用于食品加工、化学、化工、医疗、医药和农药等许多领域。大量的研究表明：适宜的超声波处理条件可提高酶促反应速度，在一定条件下也可使酶钝化。Barton于1996年研究发现60W超声波可以激活任意底物浓度下的a-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶。Ateqad等利用2MHz、5.2W/cm2的超声处理木瓜蛋白质水解酶，使酶活性有较大幅度的提高。Sakakibara等也发现超声处理可使蔗糖酶水解蔗糖的反应速度提高30％。Vargas L H M等超声处理黑曲霉中转移酶，在两振幅(20％，40％)下都能显著地提高整个转移酶活性，当振幅为20％，作用8min时酶活力提高最大。张富新等利用超声提取小牛皱胃酶，与传统提取法提取2d、提取活性最大为54368U/g相比，它仅需70min，提取活性就可达62768U/g，大大缩短了提取时间，提高了提取率。黄卓烈等在研究超声波对酵母过氧化氢酶及多酚氧化酶活性的影响时观察到，在一定参数超声波范围内两种酶活性都升高。宗敏华等在进行有机相中脂肪酶催化棕榈油酯交换反应的研究时发现，适宜的超声辐照可显著提高脂肪酶促转酯反应的速度和脂肪酶催化酯化反应。
超声波对超滤膜的清洗具有良好的应用前景。南京工业大学研究了超声对聚偏氟乙烯中空纤维超滤膜的清洗作用，实验表明超声和稀柠檬酸协同清洗可使通量恢复到初始通量的73.2％，明显高于无浸泡时的56.2％。超声波清洗膜是通过液体为作用媒质的，由于液体中空化核的尺寸并不相同，因此要在极短的超声波作用时间内使空化效应达到最佳，，就应针对不同尺寸的空化核应用不同频率的超声波作用。目前还没有将超声波技术应用在酶膜反应器中用以提高酶解效率和膜的清洗效率的报道。
发明内容
本发明正是基于提高酶膜反应器的酶解效率、膜的清洗效率和系统稳定性，提供一种酶解效率高、系统稳定的酶解反应器。将超声波技术和酶膜反应器技术相结合，利用超声波对酶解反应的促进作用，提高酶解的效率，利用超声波对超滤膜的清洗作用，改善膜的污染问题，并大大减轻了超声波对膜的机械损伤作用。
本发明采用的技术方案为：
本发明超声波酶膜反应器由三部分组成：超声波酶解反应器，超声波膜分离器，液体输送泵；超声波酶解反应器通过液体输送泵和超声波膜分离器连接，超声波膜分离器通过管道和超声波酶解反应器连接。
其中所述超声波酶解反应器由超声波发生系统，温度控制系统，pH控制系统和物料输送系统组成。超声波发生系统包括超声槽(罐)1，该超声槽(罐)为不锈钢结构槽式或罐式容器，超声波换能器8和17、超声波控制器10。温度控制系统包括加热套7、冷却套2和温度传感器5，加热套7置于超声槽(罐)底部，冷却套2置于超声槽(罐)中部，温度传感器5置于加热套7和冷却套2之间。pH控制系统包括pH探头6、pH值显示器11、贮酸罐19和贮碱罐20，其中pH探头6与温度传感器5相邻，可以根据pH值显示器所显示的物料溶液的pH值以及使用的酶的最适pH来决定启动贮酸罐19加酸或者贮碱罐20加碱。
其中所述超声波膜分离器由超声波发生器16、膜分离设备15以及置于膜分离设备15内部的超滤膜14组成。超滤膜14的材料可以是陶瓷膜、不锈钢膜或者有机膜。
其中所述超声波酶解反应罐的超声波频率为20kHz～78kHz，超声波功率为20mW/cm2～40m W/cm2，具体功率和频率的选择要根据不同的酶解反应的底物和所选用的酶进行试验确定。
其中所述超声波膜分离器是将探头式超声波发生器和超滤设备结合。超声波发生器的频率为20kHz～78kHz，超声波功率在20mW/cm2～100m W/cm2。
其中所述的超声波可以是固定频率的超声波，也可以是两个或多个频率复合式的超声波，也可以是扫频式的超声波。
其中所述超声波酶解反应器和超声波膜分离器通过循环泵12相连接，酶解液在循环泵的作用下从超声波酶解反应器中进入超声波膜分离器，酶解后形成的小分子目标物质通过超滤膜14形成滤过液，不能通过超滤膜的物质再次进入超声波酶解反应器继续酶解。
其中所述超声波酶解反应器中的酶，采用常规的固定化方法进行固定化处理。本发明超声波酶膜反应器的工作过程为：
a采用常规的方法对酶进行固定化处理，置入超声槽(罐)1中。
b将底物按照一定比例配成溶液，加入酸碱调节pH，开启加热套7使得酶解液温度达到酶解最适温度。
c开启超声酶解罐的超声波发生器1，在该酶解反应最佳的超声波条件(功率、频率、间歇比)下进行酶解反应。
d开启循环泵12，将经过酶解的液体输送至超滤设备，使其逐渐充满超滤膜空间。
e开启超声发生器16，调整超声波条件(功率、频率、间歇比)，收集滤下物，未能通过超滤膜的液体重新送回超声槽(罐)1继续酶解。
f根据反应情况进行补料或者补水。
g检测酶解反应罐中底物浓度，根据经济效益分析结果，及时停止或更换酶解液进行酶解。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)酶解反应的效率得到提高，在超声波的作用下，底物的溶解性增大，底物与酶的接触几率增大，产物能及时离开酶的表面使得新的酶解反应尽快进行，提高了酶解反应的速度。
(2)膜的清洗和机械损伤问题大大改善，目前已有超声波在膜的清洗中的应用，只限于被污染的膜进行间隙清洗，还没有将超声波应用在膜反应器中进行减轻膜污染的使用，本发明将超声波应用在膜反应器中，实现了在线膜分离过程中的在线清洗，并大大改善了一般超声波对膜的机械损伤作用。
附图说明
图1为超声波酶膜反应器装置示意图；其中1超声槽(罐)，2冷却套，3物料水溶液，4固定化酶，5温度传感器，6pH探头，7加热套，8超声波换能器，9酶解液输出管，10超声波控制器，11pH显示器，12循环泵，13滤过液，14超滤膜，15超滤设备，16探头式超声波发生器，17超声波换能器，18膜上物输出管，19贮酸罐，20贮碱罐，21原料补充罐，22循环泵。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述，但不因此而限制本发明。
实施例1
在米糠制取ACE肽的研究中，进行了利用酶解-膜分离耦合技术制备ACE活性肽的研究。在酶膜反应中，设定工作参数为温度45℃、pH8.5、加酶量([E]/[S])10％、出肽速率11mL/min，对应的底物蛋白转化率达到47.50％，该值是相同条件下传统制取方法的1.27倍。对连续式酶解-膜分离耦合系统进行了稳定性试验。结果表明，反应系统可以稳定运行3.5h，生产效率较传统的活性肽制取方法提高了6.37倍。
采用本发明的酶膜超声波反应器。工作参数为：超声波酶解罐中超声波的强度为25mw/cm2、频率为20kHz、温度45℃、pH8.5、加酶量([E]/[S])10％；超声波膜分离器的超声波功率为40mw/cm2、频率为28～73kHz kHz、扫描周期为10ms。底物蛋白质转化率达到82％，出肽速率达到18ml/min，系统稳定运行137h。
(2)在醋糟纤维素降解研究中，进行了酶解-膜分离耦合技术酶解研究。醋糟粉碎至100目，连续酶解实验的参数为：酶解温度60℃、pH＝4.70、加酶量([E]/[S])10％、出糖速率7mL/min，系统稳定运行4.3h，纤维素水解率达到48.4％。采用本发明的酶膜超声波反应器。工作参数设定：超声波酶解罐中超声波的强度为40mw/cm2、频率为26kHz、酶解温度55℃、pH＝4.70、加酶量([E]/[S])10％。超声波膜分离器的超声波功率为40mw/cm2、频率为28～73kHz kHz、扫描周期为10ms。出糖速率11mL/min，系统稳定运行122h，纤维素水解率达到72.5％。
本实施例仅用于说明本发明，而不进行限制。

Claims (5)

1、一种超声波酶膜反应器，由超声波酶解反应器，超声波膜分离器，液体输送泵三部分组成；其特征在于超声波酶解反应器通过液体输送泵和超声波膜分离器相连，超声波膜分离器通过管道和超声波酶解反应器相连；其中所述超声波酶解反应器由超声波发生系统、温度控制系统、pH控制系统和物料输送系统组成；超声波发生系统包括超声槽(罐)1，该超声槽(罐)为不锈钢结构槽式或罐式容器，超声波换能器8和17、超声波控制器10；其中所述温度控制系统包括加热套7、冷却套2和温度传感器5，加热套7置于超声槽(罐)底部，冷却套2置于超声槽(罐)中部，温度传感器5置于加热套7和冷却套2之间；pH控制系统包括pH探头6、pH值显示器11、贮酸罐19和贮碱罐20，其中pH探头6与温度传感器5相邻，可以根据pH值显示器所显示的物料溶液的pH值以及使用的酶的最适pH来决定启动贮酸罐19加酸或者贮碱罐20加碱；其中所述超声波膜分离器由超声波发生器16、膜分离设备15以及置于膜分离设备15内部的超滤膜14组成。
2、根据权利要求1所述的一种超声波酶膜反应器，其特征在于超滤膜14的材料可以是陶瓷膜、不锈钢膜或者有机膜；所使用的酶采用常规的方法对酶进行固定化处理。
3、根据权利要求1所述的一种超声波酶膜反应器，其特征在于超声波酶解反应罐的超声波频率为20kHz～78kHz，超声波功率为20mW/cm2～40m W/cm2。
4、根据权利要求1所述的一种超声波酶膜反应器，其特征在于所述超声波膜分离器是将探头式超声波发生器和超滤设备结合，探头式超声波发生器的频率为20kHz～78kHz，超声波功率为20mW/cm2～100m W/cm2。
5、其中所述的超声波可以是固定频率的超声波，也可以是两个或多个频率复合式的超声波，也可以是扫频式的超声波。
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