CN110172401B - 一种循环式生物酶催化反应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种循环式生物酶催化反应系统，包括顺次连接的循环式固定化反应床、树脂柱上游暂存罐、树脂柱本体、树脂柱下游暂存罐；所述循环式固定化反应床包括：反应罐；设置在反应罐上方的预搅拌装置，树脂柱下游暂存罐还与预搅拌装置连接；设置在预搅拌装置与反应罐之间的喷淋装置，所述喷淋装置伸至反应罐顶部的内部，用于向反应罐喷射反应液；间隔的设置在反应罐内部的至少一个反应板，将反应罐内部分隔为多个反应空间，所述反应板内部填充有催化剂；设置在反应罐底部的底部搅拌装置，且反应罐的底部与树脂柱上游暂存罐连接，反应罐的底部还与预搅拌装置连接。

Description

一种循环式生物酶催化反应系统
技术领域
本发明涉及生物酶催化设备领域，具体地说，涉及一种循环式生物酶催化反应系统。
背景技术
化工设备是化工机械的一部分，化工机械包括两部分，其一是化工机器，主要是指诸如流体输送的风机、压缩机和各种泵等设备，其主要部件是运动的机械，其二是化工设备主要是指部件是静止的机械，诸如塔器等分离设备、容器和反应器设备等。酶反应器是游离酶和固定化酶在体外反应时所需的反应容器，该类反应容器不但能够控制催化反应所需的各种条件，还能调节催化反应的速度。酶反应器的种类较多，根据结构的不同，可划分为膜反应器、分批搅拌反应器、连续流搅拌桶反应器、连续搅拌桶-超滤反应器、填充床式反应器、循环反应器、流化床式反应器等。性能优良的酶反应器可以大幅提高生产效率。反应器的作用是以尽可能低的成本。按一定的速度规定的反应物制备特定产物。以酶作为催化剂进行反应所需的装置称为酶反应器。酶反应器不同于化学反应器。它是在低温、低压下发挥作用，反应器的耗能和产能也比较少。酶反应器也不同于发酵反应器，因为它不表现自催化方式，即细胞的连续再生。但是，酶反应器与其他反应器一样，都是根据它的产率和专一性来进行评价的。
酶反应器主要分为以下四类：1.搅拌罐型反应器，它是具有搅拌装置的传统反应器，主要由反应罐、搅拌器和保温装置三部分组成，具有结构简单、酶与底物混合充分均匀、温度和pH易控制、能处理胶体底物和不溶性底物及催化剂更换方便等优点，但该反应器搅拌动力消耗大，催化剂颗粒容易被搅拌桨叶的剪切力所破坏，酶的回收效率低。2.反应罐型反应器，把催化剂填充在反应罐中的反应器，是当前工业上使用得最广泛的固定化酶反应器，具有单位体积的催化剂负荷量高、结构简单、容易放大、剪切力小、催化效率高等优点。但也存在下列缺点：温度和pH难控制；底物和产物浓度会产生轴向分布，易引起相应的酶失活程度也呈轴向分布；更换部分催化剂相当麻烦；柱内压降相当大，底物必须加压后才能进入。3.流化床型反应器是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器。具有传热与传质特性好、不堵塞、能处理粉状底物、压降较小等优点，但它需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化，而且放大较困难。4.膜式反应器是利用膜的分离功能，同时完成反应和分离过程的设备，其平板状和螺旋卷型反应器具有压降小、放大容易的优点，但与填充塔相比，反应器内单位体积催化剂的有效面积较小。
总而言之，现有的酶反应器难以在体系杂质少、固液分离容易、设备易清洗、更换催化剂简便、酶催化剂回收率高、反应设备高效利用、易工业放大等生产评价因素方面取得较大的平衡，导致现行设备普遍存在能耗高、操作复杂、设备清洗困难，这样不仅耗费时间，且工作效率低下，无法满足企业的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种循环式生物酶催化反应系统，以解决现有技术中的问题，简化操作，提高工作效率。
本发明提供一种循环式生物酶催化反应系统，包括顺次连接的循环式固定化反应床、树脂柱上游暂存罐、树脂柱本体、树脂柱下游暂存罐；
所述循环式固定化反应床包括：
反应罐；
设置在反应罐上方的预搅拌装置，树脂柱下游暂存罐还与预搅拌装置连接；
设置在预搅拌装置与反应罐之间的喷淋装置，所述喷淋装置伸至反应罐顶部的内部，用于向反应罐喷射反应液；
间隔的设置在反应罐内部的反应板，将反应罐内部分隔为多个反应空间，所述反应板内部填充有催化剂；
设置在反应罐底部的底部搅拌装置，且反应罐的底部与树脂柱上游暂存罐连接，反应罐的底部还与预搅拌装置连接。
作为优选，所述预搅拌装置包括：
与喷淋装置连接的搅拌罐；
设置在搅拌罐内部的搅拌桨与设置在搅拌罐外部的搅拌电机，搅拌电机与搅拌桨连接；
设置在搅拌罐上的加料漏斗。
作为优选，所述底部搅拌装置包括设置在反应罐内部的搅拌桨和设置在反应罐外部的搅拌电机，所述搅拌电机与搅拌桨连接。
作为优选，所述循环式生物酶催化反应系统还包括废气收集装置、动力泵和负压抽气管道，每个反应空间处的反应罐上均设置有抽气孔，废气收集装置依次通过动力泵、负压抽气管道与每个反应空间的抽气孔连接。
作为优选，所述反应板内部设置有用于容纳催化剂的填充腔，填充腔上下表面均设置有可拆卸的砂芯筛网。
作为优选，所述反应板与搅拌罐的侧壁可拆卸连接。
作为优选，所述树脂柱上游暂存罐、树脂柱本体、树脂柱下游暂存罐均连接有真空管、压缩空气管及温度探头。
作为优选，每个反应空间处的反应罐上均设置有观察窗。
作为优选，所述搅拌罐、树脂柱上游暂存罐、树脂柱本体、树脂柱下游暂存罐外部均设置有控温夹套。
本发明提供的循环式生物酶催化反应系统，具备以下有益效果：
(1)本发明实施例的反应板内部填充有催化剂，使得可以提前准备好填充了酶催化剂的反应板，而且，循环式固定化反应床的反应板与反应罐间采用可拆卸连接，使得催化剂更换简便，抽出前批次反应板迅速更换本批次反应板，极大节约时间与简化操作；
(2)循环式固定化反应床、树脂柱上游暂存罐、树脂柱本体、树脂柱下游暂存罐可设置多组，可以在更换催化剂或离子交换的树脂的时候，迅速将反应液管道切换至新循环式固定化反应床或树脂柱，催化反应不会被中断；
(3)本发明采用“双反应液体系”，可以保证反应液由循环式固定化反应床进入树脂柱上游暂存罐、树脂柱本体、树脂柱下游暂存罐组成的产物分离纯化装置后，有“替补反应液”进入循环式固定化反应床，避免设备闲置，有效提高生产效率；同理，反应液由产物分离纯化装置进入循环式固定化反应床后，也有“替补反应液”进入产物分离纯化装置，避免设备闲置，提高了时空产率；
(4)本发明设有挥发性物质的废气收集装置，收集后按相关技术标准处理，满足企业对清洁生产及绿色催化的需求；
(5)本发明操作简便，且相关设备结构简洁无死角，便于生产后清洗，极大减轻了操作者的劳动强度，利于提高生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的循环式生物酶催化反应系统的正视图；
附图标记说明：
1-反应罐，11-反应板，12-观察窗，13-循环管道，2-预搅拌装置，21-搅拌桨，22-搅拌电机，23-加料漏斗，3-喷淋装置，4-控温夹套，5-负压抽气管道，51-动力泵，6-树脂柱本体，7-树脂柱下游暂存罐，81-真空管，82-压缩空气管，83-温度探头，9-树脂柱上游暂存罐。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供一种循环式生物酶催化反应系统，包括顺次连接的循环式固定化反应床、树脂柱上游暂存罐9、树脂柱本体6、树脂柱下游暂存罐7；
所述循环式固定化反应床包括：
反应罐1；
设置在反应罐1上方的预搅拌装置2，树脂柱下游暂存罐7还与预搅拌装置2连接；
设置在预搅拌装置2与反应罐1之间的喷淋装置3，所述喷淋装置3伸至反应罐1顶部的内部，用于向反应罐1喷射反应液；
间隔的设置在反应罐1内部的反应板11，将反应罐1内部分隔为多个反应空间，所述反应板11内部填充有催化剂；
设置在反应罐1底部的底部搅拌装置，且反应罐1的底部与树脂柱上游暂存罐9连接，反应罐1的底部还与预搅拌装置2连接。
作为优选，所述预搅拌装置2包括：
与喷淋装置3连接的搅拌罐；
设置在搅拌罐内部的搅拌桨21与设置在搅拌罐外部的搅拌电机22，搅拌电机22与搅拌桨21连接；
设置在搅拌罐上的加料漏斗23。
作为优选，所述底部搅拌装置包括设置在反应罐1内部的搅拌桨21和设置在反应罐1外部的搅拌电机22，所述搅拌电机22与搅拌桨21连接。
作为优选，所述循环式生物酶催化反应系统还包括废气收集装置、动力泵51和负压抽气管道5，每个反应空间处的反应罐1上均设置有抽气孔，废气收集装置依次通过动力泵51、负压抽气管道5与每个反应空间的抽气孔连接。
作为优选，所述反应板11内部设置有用于容纳催化剂的填充腔，填充腔上下表面均设置有可拆卸的砂芯筛网。
作为优选，所述反应板11与搅拌罐的侧壁可拆卸连接。可采用抽屉式的抽拉式可拆卸连接。
作为优选，所述树脂柱上游暂存罐9、树脂柱本体6、树脂柱下游暂存罐7均连接有真空管81、压缩空气管82及温度探头83。
作为优选，每个反应空间处的反应罐1上均设置有观察窗12。
作为优选，所述搅拌罐、树脂柱上游暂存罐9、树脂柱本体6、树脂柱下游暂存罐7外部均设置有控温夹套4。
其中，反应罐1为圆柱体罐状结构，罐顶与罐底为顺滑曲面半球状结构。反应罐1顶层外部有料液预搅拌装置2，预搅拌装置2顶部侧面有加料漏斗23与搅拌电机22，反应罐1顶部有反应液进样口及喷淋装置3，反应罐1外部设有控温夹套4，反应罐1外部设有负压抽气管道5及抽气孔，并由动力泵51提供管道负压，反应罐1为多级“蒸笼”状结构，并由罐体间连接机构串联在一起，所述反应罐1侧面有观察窗12，所述反应罐1内部水平设置有填充了固定化酶的反应板11，所述反应罐1最底层中心设有搅拌桨21，所述搅拌桨21由置于反应罐1外部的搅拌电机22提供动力，所述反应罐1底部设有物料取样管，反应罐1与料液预搅拌装置2之间由反应罐1料液外部循环管道13及动力泵51连通形成循环通路，反应罐1底部与树脂上游暂存罐之间由物料管道连通，所述树脂上游暂存罐上方设有真空管81、压缩空气管82、温度探头83，侧面设有控温夹套4，底部设有取样管，底部与树脂柱本体6间由物料管道连通，树脂柱本体6上方同样设置真空管81、压缩空气管82、温度探头83，侧面设有控温夹套4，底部设有取样管，所述树脂柱本体6与树脂下游暂存罐之间由物料管道连通，所述树脂下游暂存罐上方设有真空管81、压缩空气管82、温度探头83，侧面设有控温夹套4，底部设有取样管，所述树脂下游暂存罐与反应罐1顶层外部的料液预搅拌装置2之间设有物料连通管道。整套管路体系均由阀门控制物料走向，可以通过阀门的开关配合，使物料在催化反应釜内循环反应，或是进入纯化系统进行产物提纯。
反应罐1可采用可拆卸式多级串联结构，本实施例中利用罐体间连接机构将各个单元串联在一起，形成多级“蒸笼”结构。
具体地，本发明实施例中，循环式固定化反应床的外壳，即反应罐1为圆柱体，罐顶与罐底为顺滑曲面半球状无死角结构，便于反应后清洗，反应罐1为多级“蒸笼”状结构，并由连接机构串联在一起，便于设备快速拆装检修等工作。
反应罐1顶层外部有反应液预搅拌装置2，能将物料混合均匀，混匀的物料通过反应罐1顶层内部的喷淋装置3，均匀分布于反应板11上，能使催化剂均匀接触物料。反应板11上下底面为砂芯筛网结构，反应板11内可以填充固定化的大颗粒酶催化剂(下称固定化酶)，反应板11上下底面为可拆卸结构，便于酶的更换、清洗等操作，反应板11侧面为不透水耐腐蚀软性密封机构，可以与反应罐1贴合，反应板11由反应罐1卡槽部位的锁定装置固定。
反应罐1侧面有负压抽气管道5，通过负压动力泵51，能将催化反应产生的挥发性物质带离反应罐1，有利于推动催化反应进行；抽离的挥发性物质进入专门废气收集装置集中处理，符合清洁生产的理念。
反应罐1底部有底部搅拌装置，可以将催化反应后的液体混合均匀后，并导入顶部的预搅拌装置2，参与下一个循环反应。反应罐1底部有反应液的循环管道13及循环管道13上的循环泵，将反应液经由循环管道13上行进入预搅拌装置2，反应液即可顺流再次通过喷淋装置3进入下一个循环反应；反应液循环式反应的好处在于，首先避免传统的搅拌式反应过程中，搅拌装置对酶催化剂的机械损伤；其次便于酶催化剂与反应液的分离；另外，对产生挥发性物质的反应，便于收集挥发性物质集中处理。
本发明还设置了连续性的产物分离装置，在本实施例中，采用树脂分离系统，即树脂分离系统包括树脂柱上游暂存罐9、树脂柱本体6、树脂柱下游暂存罐7。反应进行特定时间后，经TLC、HPLC等检测方法确保反应液产物浓度达到既定的分离标准。可关闭反应罐1底部循环管道13的上行阀门，开启连通树脂分离系统的管道阀门，利用树脂柱上游暂存罐9的真空管81，从而可将反应液抽入树脂柱上游暂存罐9内。接着关闭连通树脂分离系统的管道阀门，利用压缩空气管82将树脂柱上游暂存罐9内的反应液压入树脂柱本体6。经过一段时间的树脂吸附后，反应液匀速滴出树脂柱本体6，进入树脂柱下游暂存罐7。树脂柱下游暂存罐7中分离了产物的反应液可通过管道再次进入反应罐1顶层外部的反应液预搅拌装置2。加入反应底物，搅匀之后即可参与下一批次的循环反应。
为了实现本循环催化系统的连续催化与连续纯化的双重特性。首先，可以配置数组离子交换的树脂柱。在实际操作过程中，设置两份全量缓冲液依次反应：第一份全量缓冲液经反应液预搅拌装置2，加入底物搅拌形成底物分散液，进入反应罐1(反应板11含预置的固定化酶)，利用反应罐1底部侧面反应液循环管道13实现封闭式循环反应，待底物投加量达一定比例，且反应液产物浓度达到既定的分离标准后，缓冲液进入树脂柱上游暂存罐9。紧接着，第二份全量缓冲液进入反应罐1参与催化反应，此时反应板11中的固定化酶不更换。而进入树脂柱上游暂存罐9的第一份缓冲液经过树脂柱本体6纯化后，泵入树脂柱下游暂存罐7。待第二份缓冲液反应结束进入空出来的树脂柱上游暂存罐9后，第一份纯化后的缓冲液进入反应罐1接力反应，依次循环，从而实现催化与纯化两步过程的无缝衔接。换言之，实现了反应缓冲液的循环利用。
另外，为了实现反应罐1的无缝衔接，可以配置数组反应罐1与数组反应板11，在第一组反应罐1中的酶活性降低至不能有效推动反应进程时，有两种方案可供选择：①可以将前次反应罐1上的管道快速切换至当前反应罐1上，实现反应罐1催化反应快速衔接；②我们还可以迅速更换新准备的含固定化酶的反应板11，实现催化反应快速衔接。
本发明工作原理：在实际操作过程中，设置两份全量缓冲液依次反应：第一份全量缓冲液经反应液预搅拌装置2，加入底物搅拌形成底物分散液，进入反应罐1(反应板11含预置的固定化酶)，物料通过循环管道13，开启动力泵51实现封闭式循环反应，反应全程开启负压抽气管道5上的负压动力泵51，能将催化反应产生的挥发性物质带离反应罐1，有利于推动催化反应进行；抽离的挥发性物质进入专门废气收集装置集中处理，符合清洁生产的理念。待反应液产物浓度达到既定的分离标准后，缓冲液进入树脂柱上游暂存罐9。紧接着，第二份全量缓冲液进入反应罐1参与催化反应。而进入树脂柱上游暂存罐9的第一份缓冲液经过树脂柱本体6纯化后，泵入树脂柱下游暂存罐7。待第二份缓冲液反应结束进入空出来的树脂柱上游暂存罐9后，第一份纯化后的缓冲液进入反应罐1接力反应，依次循环，从而实现催化与纯化两步过程的无缝衔接，即实现了反应缓冲液的循环利用。另外，为了实现反应罐1的无缝衔接，同样配置了数组反应罐1与数组反应板11，在第一组反应罐1中的酶活性降低至不能有效推动反应进程时，有两种方案可供选择：①可以将前次反应罐1上的管道快速切换至当此反应罐1上，实现反应罐1催化反应快速衔接；②还可以迅速更换新准备的含固定化酶的反应板11，实现催化反应快速衔接。
综上所述，该化工用反应罐1，通过反应罐1顶层外部有反应液预搅拌装置2，可以形成均一反应体系，保证体系中底物浓度均一。通过反应罐1顶部的喷淋装置3，可以将反应缓冲液均匀喷洒于催化剂上，使催化剂充分发挥催化效果。通过反应罐1可拆卸式多级串联“蒸笼”式结构，可以降低操作人员清洗反应罐1及更换酶催化剂过程的劳动强度。通过反应罐1侧面的负压抽气管道5及抽气孔，由动力泵51提供管道负压，能将催化反应产生的挥发性物质带离反应罐1，即有利于推动催化反应进行，又可以将抽离的挥发性物质进行集中处理，符合清洁生产的理念。
反应罐1每一个串联单元均具备独立控温夹套4，便于反应体系精准控温。通过反应罐1的独立观察窗12，方便观察反应液面高度等体系状态。通过将固定化酶填充于反应板11中，可以有效防止固定化酶受液流冲击而杂乱分布于反应液中。通过反应罐1反应液外部循环管道13及反应罐1反应液外部循环管道13动力泵51，形成反应液循环通路，反应液循环式反应的好处在于：避免传统的搅拌式反应过程中，搅拌装置对酶催化剂的机械损伤；其次便于酶催化剂与反应液的分离。通过纯化系统树脂柱本体6的上游与下游设立的暂存罐，可以实现缓冲液循环与纯化之间的无缝链接。本发明的各个管道上均设置有阀门，通过管路体系的阀门开关配合，可以控制物料走向，使物料或在催化反应罐1内循环反应，或是进入纯化系统进行产物提纯。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种循环式生物酶催化反应系统，其特征在于，包括顺次连接的循环式固定化反应床、树脂柱上游暂存罐、树脂柱本体、树脂柱下游暂存罐；
所述循环式固定化反应床包括：
反应罐；
设置在反应罐上方的预搅拌装置，树脂柱下游暂存罐还与预搅拌装置连接，树脂柱下游暂存罐中分离的反应液再次进入预搅拌装置，与反应底物搅匀参与下一批次的循环反应；
设置在预搅拌装置与反应罐之间的喷淋装置，所述喷淋装置伸至反应罐顶部的内部，用于向反应罐喷射反应液；
间隔的设置在反应罐内部的至少一个反应板，将反应罐内部分隔为多个反应空间，所述反应板内部填充有催化剂；
设置在反应罐底部的底部搅拌装置，且反应罐的底部与树脂柱上游暂存罐连接，反应罐的底部还与预搅拌装置连接；
所述反应板与搅拌罐的侧壁可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的一种循环式生物酶催化反应系统，其特征在于，所述预搅拌装置包括：
与喷淋装置连接的搅拌罐；
设置在搅拌罐内部的搅拌桨与设置在搅拌罐外部的搅拌电机，搅拌电机与搅拌桨连接；
设置在搅拌罐上的加料漏斗。
3.根据权利要求1所述的一种循环式生物酶催化反应系统，其特征在于，所述底部搅拌装置包括设置在反应罐内部的搅拌桨和设置在反应罐外部的搅拌电机，所述搅拌电机与搅拌桨连接。
4.根据权利要求1所述的一种循环式生物酶催化反应系统，其特征在于，所述循环式生物酶催化反应系统还包括废气收集装置、动力泵和负压抽气管道，每个反应空间处的反应罐上均设置有抽气孔，废气收集装置依次通过动力泵、负压抽气管道与每个反应空间的抽气孔连接。
5.根据权利要求1所述的一种循环式生物酶催化反应系统，其特征在于，所述反应板内部设置有用于容纳催化剂的填充腔，填充腔上下表面均设置有可拆卸的砂芯筛网。
6.根据权利要求1所述的一种循环式生物酶催化反应系统，其特征在于，所述树脂柱上游暂存罐、树脂柱本体、树脂柱下游暂存罐均连接有真空管、压缩空气管及温度探头。
7.根据权利要求1所述的一种循环式生物酶催化反应系统，其特征在于，每个反应空间处的反应罐上均设置有观察窗。
8.根据权利要求2所述的一种循环式生物酶催化反应系统，其特征在于，所述搅拌罐、树脂柱上游暂存罐、树脂柱本体、树脂柱下游暂存罐外部均设置有控温夹套。
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