CN104651231B - 一种固定化酶筛网反应器及其应用 - Google Patents

一种固定化酶筛网反应器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固定化酶筛网反应器及其应用，该固定化酶筛网反应器至少包括一个筛网结构单元，所述的筛网单元包括筛网外周固定壁，在筛网外周固定壁内设筛网，在固定壁顶端内壁上设有内螺纹，在固定壁底端外壁上设有外螺纹。本发明基于吸收塔设计出塔内填充固定化酶的筛网装置，置于吸收塔内填料之间。密集的网孔结构利于固定化酶与反应液体、气体的充分接触，又可实现固定化酶与填料、反应液的完全分离实现回收利用的效果。双层筛网为可拆卸结构，可反复填充新鲜固定化酶，具有很好的实用性。

Description

一种固定化酶筛网反应器及其应用
技术领域
本发明涉固定化酶用装置技术领域，具体涉及一种固定化酶筛网反应器及其应用。
背景技术
在人类社会经济发展的过程中，化石燃料和生物质的燃烧导致二氧化碳在大气中不断累积，产生了严重的温室效应。另一方面，二氧化碳又广泛应用于食品、工业、农业、医疗、国防、商业等各个领域，具有潜在的资源性，所以通过二氧化碳的捕捉实现其资源化利用迫在眉睫。目前，二氧化碳的捕捉主要是从工业副产气、烟道气、窑炉气及废气等气体中进行回收再加工。二氧化碳的捕捉工艺主要有溶剂吸收法、变压吸收法、膜渗透分离法等。溶剂吸收法具有净化度高、设备占地面积小、易再生等优点，在工业上得到广泛应用。溶剂吸收法主要为有机胺吸收塔喷淋法吸收二氧化碳，因不同工业化需求，通常选择装有填料的不同高度的圆柱形吸收塔。
碳酸酐酶，是广泛存在于生物体内的一种金属蛋白，能够高效催化二氧化碳水化和去水化反应。固定化的碳酸酐酶在工业化应用中，可进行批次使用，一方面，降低了酶的使用成本、避免了酶污染反应体系，另一方面，固定化碳酸酐酶结构稳定，耐高温，使用寿命高。固定化碳酸酐酶在环境保护、生物质能源、食品储存工业、生物医药等领域都有重要应用。
将固定化碳酸酐酶应用于二氧化碳吸收塔内，能够加快二氧化碳的吸收速率，但是固定化酶一般颗粒较小，反应过程中固定化酶往往随反应液流走，降低其使用效率。反应结束后较难实现其与吸收塔填料的分离，增加了使用成本。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明提出一种固定化酶筛网反应器，既利于固定化酶与反应液体、气体的充分接触，又可实现固定化酶与填料、反应液的完全分离实现回收利用的效果。本发明的另一目的是提供一种上述固定化酶筛网反应器的应用。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种固定化酶筛网反应器，至少包括一个筛网结构单元，所述的筛网单元包括筛网外周固定壁，在筛网外周固定壁内设筛网，在固定壁顶端内壁上设有内螺纹，在固定壁底端外壁上设有外螺纹；在所述的筛网填充固定化酶。
所述的固定化酶筛网反应器，包括2个或2个以上个筛网结构单元，各筛网单元从上到下依次通过上一筛网结构单元的外螺纹与下一筛网结构单元的内螺纹螺旋连接。
所述的固定壁为不锈钢材质。
所述的筛网为100-200目钢丝网。
在所述的上下两层筛网之间填充固定化酶。
所述的固定化酶筛网反应器在气液两相催化反应中应用。
一种应用所述的固定化酶筛网反应器捕获CO2的方法：将N-甲基二乙醇胺溶液，注入反应釜储罐内，通过液体循环泵从顶部喷淋至反应釜内，反应液从釜底部流回至储罐内；将CO2气体通入反应釜底部，在反应釜内部与N-甲基二乙醇胺溶液接触反应，反应1小时；其中，在反应釜内部均匀分散固定化酶筛网反应器，固定化酶筛网反应器由4-6个筛网结构单元组成，每层固定化酶筛网中填有固定化碳酸酐酶。
所述的应用固定化酶筛网反应器捕获CO2的方法：在所述的反应釜内部填充直径5mm多孔性惰性填料，在填料之间均匀分散固定化酶筛网反应器。
一种应用所述的固定化酶筛网反应器光催化CO2制备合成气的方法：将均匀分散有锌粉、二氧化钛的水溶液，通过液体循环泵从顶部喷淋至圆柱状双层石英反应釜内；将CO2气体通入反应釜底部；通过夹套冷却水控制反应釜温度为0-5℃；开1000W中压汞灯光照，对其进行光催化反应；反应气流稳定后，于反应釜顶部收集气体，并依次通过3M氢氧化钠碱溶液和无水氯化钙干燥管，分别除去二氧化碳和水蒸气，产物即为合成气产物；其中，在反应釜内部均匀分散固定化酶筛网反应器，固定化酶筛网反应器由3-5个筛网结构单元组成，每层固定化酶筛网中填有固定化碳酸酐酶。
一种应用所述的固定化酶筛网反应器光催化CO2制备甲酸的方法：将溶解有二氧化钛的水溶液，通过液体循环泵从顶部喷淋至圆柱状双层石英反应釜内；将CO2气体通入反应釜底部；开1000W中压汞灯光照，对其进行光催化反应4小时，制得甲酸；其中，在反应釜内部均匀分散固定化酶筛网反应器，固定化酶筛网反应器由3-5个筛网结构单元组成，每层固定化酶筛网中填有固定化碳酸酐酶。
有益效果：与现有技术相比，本发明基于吸收塔设计出塔内填充固定化酶的双层填料筛网，置于吸收塔内填料之间。密集的网孔结构利于固定化酶与反应液体、气体的充分接触，又可实现固定化酶与填料、反应液的完全分离实现回收利用的效果。双层筛网为可拆卸结构，可反复填充新鲜固定化酶，具有很好的实用性。
附图说明
图1是筛网结构单元的结构示意图；
图2是由2个筛网结构单元组合后的反应器的结构示意图；
图3是固定化酶筛网反应器的使用状态图；
图4是实施例1的结果图；
图5是实施例2的结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，固定化酶筛网反应器，主要结构为筛网结构单元，该筛网单元包括筛网外周固定壁1和筛网2，固定壁1为不锈钢材质制成，筛网2为100-200目钢丝网，筛网2优选安装在固定壁1内部居中偏下位置，这样可以在筛网2上放置较多的固定化酶。在固定壁1顶端内壁上设有内螺纹3，在固定壁1底端外壁上设有外螺纹4，这样就可以确保该筛网装置可以任意多个进行安装组合，当为2个或2个以上个筛网结构单元，如图2所示，各筛网单元从上到下依次通过上一筛网结构单元的外螺纹4与下一筛网结构单元的内螺纹3螺旋连接即可，同时在上下两层筛网2之间填充固定化酶。
如图3所示，多层筛网放置于二氧化碳吸收塔中，叠加放置，每两层筛网中间填充自制固定化酶。筛网直径为吸收塔内径，本实验用的是10.5cm，筛网高为0.5-5cm。固定化酶为氨基树脂共价交联的碳酸酐酶，实验证明该填充固定化酶的装置能够提高一倍二氧化碳的捕获速率。
可见，本发明通过多层筛网结构填充固定化酶，方便酶的回收利用，能够保证固定化酶不污染反应产物。筛网本身的孔径较小，能够增加二氧化碳和反应液的接触时间，更有利于提高催化反应效率。各层筛网之间为螺旋连接，放入吸收塔内时能保证结构稳定，反应完毕后方便拆卸填充其他固定化酶，具有很好的实用性。
实施例1
将30.0L 3M的N-甲基二乙醇胺溶液，注入容量为80.0L反应釜储罐内，通过液体循环泵，以10mL/min的速度从顶部喷淋至10.0L圆柱状不锈钢反应釜内，反应液从釜底部流回至储罐内。其中不锈钢反应釜内径为10cm，高为200cm。将含有100％CO2的气体以1.0mL/min速度通入反应釜底部，在反应釜内部与N-甲基二乙醇胺溶液接触反应，反应1小时，每隔5min从反应釜底部取10mL反应液。通过反应液pH值测定法检测N-甲基二乙醇胺溶液吸收二氧化碳效果。两组实验平行进行，一组反应釜内部均匀分散放置5层填充固定化酶的筛网，每层固定化酶筛网中填有10g固定化碳酸酐酶。另一组不放置固定化酶及其筛网装置作为空白对照。
根据pH变化速率，检测二氧化碳吸收效率，结果如图4所示。从图4中可以看出，添加填充固定化酶筛网的反应釜中，N-甲基二乙醇胺溶液吸收二氧化碳的速率明显高于不添加填充固定化酶筛网的反应釜。
实施例2
将30.0L 3M的N-甲基二乙醇胺溶液，注入容量为80.0L反应釜储罐内，通过液体循环泵，以10mL/min的速度从顶部喷淋至10.0L圆柱状不锈钢反应釜内，反应液从釜底部流回至储罐内。其中不锈钢反应釜内径为10cm，高为200cm，釜内填充直径5mm多孔性惰性填料。将含有100％CO2的气体以1.0mL/min速度通入反应釜底部，在反应釜内部与N-甲基二乙醇胺溶液接触反应，反应1小时，每隔5min从反应釜底部取10mL反应液。通过反应液pH值变化(从9.3降至8.0)所需时间，检测N-甲基二乙醇胺溶液吸收二氧化碳效率。反应结束后，将富含CO2的N-甲基二乙醇胺溶液(富液)放出，将30.0L新的3M的N-甲基二乙醇胺溶液(贫液)注入反应釜储罐内，循环进行第二批次反应，结束后同样操作进行后续批次反应。
三组实验平行进行，第一组反应釜内部填料之间均匀分散放置5层填充固定化酶的筛网，每层固定化酶筛网中填有10g固定化碳酸酐酶；第二组反应釜内放置50g固定化碳酸酐酶均匀分散于填料之间；第三组不放置固定化酶作为空白对照组，结果如图5所示。分散的固定化酶颗粒较小，易于从反应釜中伴随反应液流出，在批次使用过程中不断减少，从图5中可以看出，添加填充固定化酶筛网的反应釜中，N-甲基二乙醇胺溶液吸收二氧化碳的稳定性明显高于填充分散状固定化酶的反应釜。
实施例3
将1.0L均匀分散有6.5g锌粉，6.5g二氧化钛的水溶液，通过液体循环泵以10mL/min的速度从顶部喷淋至2.0L圆柱状双层石英反应釜内，其中石英反应釜内径为8cm，高为40cm。将含有100％CO2的气体以1.0mL/min速度通入反应釜底部。通过夹套冷却水控制反应釜温度为0-5℃。开1000W中压汞灯光照，对其进行光催化反应。反应气流稳定后，于反应釜顶部收集气体，并依次通过3M氢氧化钠碱溶液和无水氯化钙干燥管，分别除去二氧化碳和水蒸气，产物即为合成气产物。两组实验平行进行，一组反应釜内部均匀放置3层固定化酶筛网，每层固定化酶筛网中填有10g固定化碳酸酐酶。另一组不放置固定化酶及其筛网装置，作为空白对照。
将合成气产物利用氦等离子体检测器进行气相色谱分析，取标准氢气进行气相色谱分析，记录氢气峰保留时间。取实验收集的气体进行气相色谱分析，匹配标准氢气峰保留时间，采用外标法定量。气相色谱分析条件为：载气：氦气；色谱柱：5A分子筛柱(30m，0.32mmlD，30um df)；检测器：氦等离子体检测器；气化室温度：75℃；色谱柱温度：60℃；检测器温度：100℃。
结果见表1，从表1可以看出装有固定化酶填充筛网的反应釜产生氢气的效率明显高于空白对照组反应釜。
表1固定化酶筛网反应器应用于光催化CO2制备合成气的结果
光催化反应装置 2h氢气总产量 4h氢气总产量
反应釜(无固定化酶填充筛网) 19mmol 32mmol
反应釜(有固定化酶填充筛网) 27mmol 41mmol
实施例4
将1.0L溶解有6.5g二氧化钛的水溶液，通过液体循环泵以10mL/min的速度从顶部喷淋至2.0L圆柱状双层石英反应釜内，其中石英反应釜内径为8cm，高为40cm。将含有100％CO2的气体以1.0mL/min速度通入反应釜底部。开1000W中压汞灯光照，对其进行光催化反应4小时，从反应釜底部取10mL反应液，进行液相色谱分析。两组实验平行进行，一组反应釜内部均匀放置3层固定化酶筛网，每层固定化酶筛网中填有10g固定化碳酸酐酶。另一组不放置固定化酶及其筛网装置，作为空白对照组。
将反应产物利用示差检测器进行液相色谱分析，取甲酸标准样进行液相色谱分析，记录甲酸峰保留时间。取反应收集液进行液相色谱分析，匹配标准甲酸峰保留时间，记录峰面积计算产物中甲酸摩尔浓度。液相色谱分析条件为：色谱仪SHIMADZU LC-2010；色谱柱Bio-Rad Aminex HPX-87H(7.8*300mm)；洗脱液0.005mol/L H2SO4；流速0.6mL/min；柱温50℃；进样量10μL；检测器为示差折光检测器；采用外标法定量。结果显示，产物成分包括以甲酸为主的混合物，其中放置固定化酶填充筛网的反应产物中，甲酸的体积分数为9％；空白对照组中甲酸的体积分数为5％。
根据上述结果，本发明的通用性强，催化效率高，所制备的固定化酶填充筛网能够广泛应用于化学法捕获CO2、光催化CO2制备氢气、光催化CO2制备甲酸等气液反应装置中，提高其转化效率，降低能耗。

Claims (8)

1.一种固定化酶筛网反应器，其特征在于：包括2个或2个以上个筛网结构单元，所述的筛网单元包括筛网外周固定壁，在筛网外周固定壁内设筛网，在固定壁顶端内壁上设有内螺纹，在固定壁底端外壁上设有外螺纹，在筛网上填充固定化酶；各筛网单元从上到下依次通过上一筛网结构单元的外螺纹与下一筛网结构单元的内螺纹螺旋连接；所述的固定壁为不锈钢材质。
2.根据权利要求1所述的固定化酶筛网反应器，其特征在于：所述的筛网为100-200目钢丝网。
3.根据权利要求1所述的固定化酶筛网反应器，其特征在于：在所述的上下两层筛网之间填充固定化酶。
4.权利要求1所述的固定化酶筛网反应器在需要进行气液两相催化反应中的应用。
5.一种应用权利要求1所述的固定化酶筛网反应器捕获CO2的方法，其特征在于：将N-甲基二乙醇胺溶液，注入反应釜储罐内，通过液体循环泵从顶部喷淋至反应釜内，反应液从釜底部流回至储罐内；将CO2气体通入反应釜底部，在反应釜内部与N-甲基二乙醇胺溶液接触反应，反应1小时；其中，在反应釜内部均匀分散固定化酶筛网反应器，固定化酶筛网反应器由4-6个筛网结构单元组成，每层固定化酶筛网中填有固定化碳酸酐酶。
6.根据权利要求5所述的应用固定化酶筛网反应器捕获CO2的方法，其特征在于：在所述的反应釜内部填充直径5mm多孔性惰性填料，在填料之间均匀分散固定化酶筛网反应器。
7.一种应用权利要求1所述的固定化酶筛网反应器光催化CO2制备合成气的方法，其特征在于：将均匀分散有锌粉、二氧化钛的水溶液，通过液体循环泵从顶部喷淋至圆柱状双层石英反应釜内；将CO2气体通入反应釜底部；通过夹套冷却水控制反应釜温度为0-5℃；开1000W中压汞灯光照，对其进行光催化反应；反应气流稳定后，于反应釜顶部收集气体，并依次通过3M氢氧化钠碱溶液和无水氯化钙干燥管，分别除去二氧化碳和水蒸气，产物即为合成气产物；其中，在反应釜内部均匀分散固定化酶筛网反应器，固定化酶筛网反应器由3-5个筛网结构单元组成，每层固定化酶筛网中填有固定化碳酸酐酶。
8.一种应用权利要求1所述的固定化酶筛网反应器光催化CO2制备甲酸的方法，其特征在于：将溶解有二氧化钛的水溶液，通过液体循环泵从顶部喷淋至圆柱状双层石英反应釜内；将CO2气体通入反应釜底部；开1000W中压汞灯光照，对其进行光催化反应4小时，制得甲酸；其中，在反应釜内部均匀分散固定化酶筛网反应器，固定化酶筛网反应器由3-5个筛网结构单元组成，每层固定化酶筛网中填有固定化碳酸酐酶。
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