CN111235027A - 一种固定化酶解罐 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固定化酶解罐，包括罐体，罐体侧壁顶端设置有进料口；罐体侧壁底端设置有出料口和排污口；还包括：多个酶反应棒、转动控制装置和旋转装置；转动控制装置固定在罐体外顶部；多个酶反应棒和旋转装置均设置在罐体内部；旋转装置一端与多个酶反应棒顶端固定，另一端与转动控制装置转动连接；酶反应棒由不锈钢套芯、介孔材料和酶组成，其中，酶固定化结合在介孔材料内部，形成固定化酶介孔材料，固定化酶介孔材料固定在不锈钢套芯中。介孔材料与酶固定化结合组成酶反应棒，酶反应棒在旋转装置的带动下旋转，保证酶充分与底物接触，反应完成后，产物直接排出，酶的质量不会减少，可多次利用。

Description

一种固定化酶解罐
技术领域
本发明涉及酶解装置技术领域，更具体地说是涉及一种固定化酶解罐。
背景技术
酶解罐又称酶解反应器、生物酶解反应器，系提供工艺酶解所需的温度、调整pH值、搅拌混合、加速完成生物反应过程的不锈钢容器。
现有技术中的酶解罐大多包括罐体、搅拌装置、酸碱调节装置，在酶解反应时，常常将底物与酶混合在罐体内部，反应完成后，酶随着反应产物一同排放出去，致使酶不能被多次利用，造成了资源的浪费。
因此，如何提供一种可以对酶进行多次利用的酶解罐是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，介孔材料与酶固定化结合组成酶反应棒，酶反应棒在旋转装置的带动下旋转，保证酶充分与底物接触，反应完成后，产物直接排出，酶的质量不会减少，可多次利用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种固定化酶解罐，包括罐体，所述罐体侧壁顶端设置有进料口；所述罐体侧壁底端设置有出料口和排污口；还包括：多个酶反应棒、转动控制装置和旋转装置；其中，所述转动控制装置固定在所述罐体外顶部；多个所述酶反应棒和所述旋转装置均设置在所述罐体内部；所述旋转装置一端与多个所述酶反应棒顶端固定，另一端与和所述转动控制装置转动连接；所述酶反应棒由介孔材料和酶组成，且所述酶固定化结合在所述介孔材料内部。
所述酶反应棒由不锈钢套芯、介孔材料和酶组成，所述酶固定化结合在所述介孔材料内部，形成固定化酶介孔材料，所述固定化酶介孔材料固定在所述不锈钢套芯内；不锈钢套芯为圆柱形双层网格结构，双层网格夹层中间填充固定化酶介孔填料，可根据罐体大小和安装的反应棒数量定制内外径和长度。使用多次失活后的固定化酶介孔材料可以从套芯中取出，清洗、装填材料重新使用。
以上技术方案达到的技术效果是：介孔材料是指孔径介于2-50nm的一类多孔材料。介孔材料具有极高的比表面积、规则有序的孔道结构、狭窄的孔径分布、孔径大小连续可调等特点，而且，这种材料的有序孔道可作为“微型反应器”，在其中组装具有纳米尺度的均匀稳定的“客体”材料后而成为“主客体材料”；
将酶固定化在介质材料内，在催化反应时，既可以保证酶与底物充分接触，又能保证在排出产物时，酶不会随着产物的排出而排出，进而使酶得到多次利用；且使用固定化酶对底物进行酶解，在使用同等酶量的情况下，固定化酶对底物进行酶解效率要高于传统的直接酶解效率，且产物中无残留酶，易于纯化。
此外，由于酶反应棒的数量是可调的(2-16根)，可根据不同酶解反应的需要进行调整，如，(1)酶解反应条件需要碱性蛋白酶：中性蛋白酶：风味蛋白酶为1:2:1时，发酵罐里可以装备4根(固定化碱性蛋白酶反应棒1根，固定化中性蛋白酶反应棒2根，固定化风味蛋白酶反应棒1根)或8根酶反应棒(固定化碱性蛋白酶反应棒2根，固定化中性蛋白酶反应棒4根，固定化风味蛋白酶反应棒2根)；(2)酶解反应条件需要碱性蛋白酶：木瓜蛋白酶为1:2时，发酵罐里可以装备3根(固定化碱性蛋白酶反应棒1根，固定化木瓜蛋白酶反应棒2根)或6根酶反应棒(固定化碱性蛋白酶反应棒21根，固定化木瓜蛋白酶反应棒4根)。
介孔材料的直径为2-50nm，具有极高的比表面积、规则有序的孔道结构、狭窄的孔径分布、孔径大小连续可调等特点，因此，将酶固定化在其内部，酶既不会大量流失，又可以提高酶解效率。
作为本发明优选的技术方案，所述旋转装置包括：旋转轴一、多个连接杆和多个旋转轴二；其中，所述旋转轴一、多个所述连接杆和多个所述旋转轴二设置在所述罐体内部；所述旋转轴一的一端与所述转动控制装置旋转连接，另一端与多个所述连接杆的一端固定；多个所述旋转轴二两端分别与多个所述酶反应棒顶部和多个所述连接杆的另一端固定。
旋转控制装置带动旋转轴一转动，进而旋转轴一带动连接杆转动，从而使得酶反应棒旋转，达到酶与底物充分结合的目的。
作为本发明优选的技术方案，还包括：冷凝水套管，所述冷凝水套管固定在所述罐体内壁。
以上技术方案达到的技术效果是：当需要的酶解温度低于混合底物初始温度或反应过程中温度过高时，可通过向冷凝水套管中通冷凝水达到降温的效果，以保证酶解反应的顺利进行。
作为本发明优选的技术方案，还包括：加热装置，所述加热装置固定在所述罐体内底部。
作为本发明优选的技术方案，所述加热装置包括：加热棒和温控装置；其中，所述加热棒和所述温控装置相邻固定在所述罐体内底部，且所述加热棒和所述温控装置电性连接。
以上技术方案达到的技术效果是：温控装置用于控制并显示罐体内的温度，当需要加热时，温控装置控制加热棒进行加热，温控装置带有温度感应器，假设发酵罐设置温度为45-50℃，当感应探头感应到罐内温度低于45℃时，温控装置控制加热棒进行加热，当感应探头感应到罐内温度高于50℃时，温控装置控制加热棒停止加热，以保证酶解反应的顺利进行。
作为本发明优选的技术方案，所述罐体侧壁上固定并贯通有管道一和管道二；且，所述管道一与酸储罐连通，所述管道二与碱储罐连通。
以上技术方案达到的技术效果是：管道一和管道二用于输送酸性液体和碱性液体，便于对罐体内的pH值进行调整。
作为本发明优选的技术方案，所述罐体顶部还开设有观察窗。
作为本发明优选的技术方案，对酶进行固定化时，以戊二醛作为交联剂，在温度10-20℃下于介孔材料上固定1.5-2.5h。
反应棒基质为介孔材料MCM-41，事先对其进行氨基化修饰和羧基化修饰后，孔道内具有自由羟基，可根据需要对各种酶进行固定化处理，在固定化时，1g介孔材料MCM-41的给酶量为20mg，以0.75％的戊二醛作为交联剂，使酶与介孔材料固定化结合。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种固定化酶解罐，达到的技术效果是：
1)发酵罐里装备酶反应棒，酶反应棒的数量和固定化酶的种类可根据酶解反应的条件需要进行调整。如，(1)酶解反应条件需要碱性蛋白酶：中性蛋白酶：风味蛋白酶为1:2:1时，发酵罐里可以装备4根(固定化碱性蛋白酶反应棒1根，固定化中性蛋白酶反应棒2根，固定化风味蛋白酶反应棒1根)或8根酶反应棒(固定化碱性蛋白酶反应棒2根，固定化中性蛋白酶反应棒4根，固定化风味蛋白酶反应棒2根)；(2)酶解反应条件需要碱性蛋白酶：木瓜蛋白酶为1:2时，发酵罐里可以装备3根(固定化碱性蛋白酶反应棒1根，固定化木瓜蛋白酶反应棒2根)或6根酶反应棒(固定化碱性蛋白酶反应棒21根，固定化木瓜蛋白酶反应棒4根)。
2)酶反应棒由不锈钢套芯、介孔材料和酶组成，且酶固定化结合在介孔材料内部。单根固定化酶反应棒根据固定化酶种类和使用环境，连续使用半衰期可达20-30天，使用多次失活后的固定化酶介孔材料可以从套芯中取出，将固定化酶从介孔材料上洗脱、重新固定化，装填材料重复使用。
3)固定化酶相比较于混合酶-底物系统，反应效率更高。固定化酶反应棒由于是装载在不锈钢套芯内，且在旋转装置的带动下旋转，相比较于普通的混合酶-底物系统，酶与底物接触面积更大，接触时间更长，反应更加充分，且产物中无残留酶，易于纯化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明实施例1提供的结构示意图；
图2附图为本发明实施例2提供的结构示意图；
图3附图为本发明实施例3提供的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种固定化酶解罐，包括罐体1、2根酶反应棒，固定化酶种类为木瓜蛋白酶、转动控制装置3、旋转轴一41、连接杆42和旋转轴二43，罐体1侧壁顶端设置有进料口11；罐体1侧壁底端设置有出料口12和排污口13；
其中，转动控制装置3固定在罐体1外顶部；2根酶反应棒2、旋转轴一41、连接杆42和旋转轴二43设置在罐体1内部；
旋转轴一41一端与转动控制装置3旋转连接，另一端与连接杆42的一端固定；
旋转轴二43两端分别与酶反应棒2顶部和连接杆42的另一端固定；
酶反应棒2由不锈钢套芯、介孔材料和酶组成，其中，所述酶固定化结合在所述介孔材料内部，形成固定化酶介孔材料，所述固定化酶介孔材料固定在不锈钢套芯中；
不锈钢套芯为圆柱形双层网格结构，双层网格夹层中间填充固定化酶介孔填料，可根据罐体大小和安装的反应棒数量定制内外径和长度。使用多次失活后的固定化酶介孔材料可以从套芯中取出，清洗、装填材料重新使用。
酶解效果如表1所示；
表1
Figure BDA0002433491320000051
实施例2
一种固定化酶解罐，包括罐体1、4根酶反应棒，固定化酶种类为碱性蛋白酶：中性蛋白酶：风味蛋白酶，比例为1:2:1，转动控制装置3、旋转轴一41、连接杆42、旋转轴二43、冷凝水套管5、加热棒61和温控装置62，罐体1侧壁顶端设置有进料口11；罐体1侧壁底端设置有出料口12和排污口13；
其中，转动控制装置3固定在罐体1外顶部；4根酶反应棒2、旋转轴一41、连接杆42和旋转轴二43设置在罐体1内部；
旋转轴一41一端与转动控制装置3旋转连接，另一端与连接杆42的一端固定；
旋转轴二43两端分别与酶反应棒2顶部和连接杆42的另一端固定；
酶反应棒2由不锈钢套芯、介孔材料和酶组成，其中，所述酶固定化结合在所述介孔材料内部，形成固定化酶介孔材料，所述固定化酶介孔材料固定在不锈钢套芯中；
不锈钢套芯为圆柱形双层网格结构，双层网格夹层中间填充固定化酶介孔填料，可根据罐体大小和安装的反应棒数量定制内外径和长度。使用多次失活后的固定化酶介孔材料可以从套芯中取出，清洗、装填材料重新使用；
冷凝水套管5固定在罐体1侧壁内部；加热棒61和温控装置62相邻固定在罐体1内底部，且加热棒61和温控装置62电性连接。
酶解效果如表2所示；
表2
Figure BDA0002433491320000061
实施例3
一种固定化酶解罐，包括罐体1、6根酶反应棒，固定化酶种类为碱性蛋白酶：木瓜蛋白酶，比例为1:2，转动控制装置3、旋转轴一41、连接杆42、旋转轴二43、冷凝水套管5、加热棒61和温控装置62，罐体1侧壁顶端设置有进料口11；罐体1侧壁底端设置有出料口12和排污口13；
其中，转动控制装置3固定在罐体1外顶部；酶反应棒2、旋转轴一41、连接杆42和旋转轴二43设置在罐体1内部；
旋转轴一41一端与转动控制装置3旋转连接，另一端与连接杆42的一端固定；
旋转轴二43两端分别与酶反应棒2顶部和连接杆42的另一端固定；
酶反应棒2由不锈钢套芯、介孔材料和酶组成，其中，所述酶固定化结合在所述介孔材料内部，形成固定化酶介孔材料，所述固定化酶介孔材料固定在不锈钢套芯中；
不锈钢套芯为圆柱形双层网格结构，双层网格夹层中间填充固定化酶介孔填料，可根据罐体大小和安装的反应棒数量定制内外径和长度。使用多次失活后的固定化酶介孔材料可以从套芯中取出，清洗、装填材料重新使用；
冷凝水套管5固定在罐体1内壁；加热棒61和温控装置62相邻固定在罐体1内底部，且加热棒61和温控装置62电性连接；罐体1侧壁上固定并贯通有管道一7和管道二8；且，管道一7与酸储罐连通，管道二8与碱储罐连通；罐体1顶部还开设有观察窗9。
酶解效果如表3所示；
表3
Figure BDA0002433491320000071
实施例1-3中，固定化酶的固定化具体过程为：
先对介孔材料MCM-41进行氨基化修饰和羧基化修饰，使其孔道内具有自由羟基，1g介孔材料MCM-41的给酶量为20mg，以0.75％的戊二醛作为交联剂，在温度20℃下于介孔材料上固定2h。
实施例4
以酶解花生蛋白为例，将其分别置于两组酶解罐中，一组采用普通酶解法，另一组采用实施例1公开的固定化酶解法，以固定化酶对底物进行酶解，因固定化酶可反复使用，单次反应所消耗的酶量远低于普通酶解反应，且酶解效率更高，两组酶解罐中的酶解效果如表4所示：
表4普通酶解和固定化酶解效果比较
Figure BDA0002433491320000081
由表4数据可见，固定化酶解法酶解时消耗的酶量大于普通酶解，而且酶解时间短，效率高，产物中没有酶残留，易于纯化，多肽的回收率更高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种固定化酶解罐，包括罐体(1)，所述罐体(1)侧壁顶端设置有进料口(11)；所述罐体(1)侧壁底端设置有出料口(12)和排污口(13)；
其特征在于，还包括：多个酶反应棒(2)、转动控制装置(3)和旋转装置(4)；
其中，所述转动控制装置(3)固定在所述罐体(1)外顶部；多个所述酶反应棒(2)和所述旋转装置(4)均设置在所述罐体(1)内部；
所述旋转装置(4)一端与多个所述酶反应棒(2)顶端固定，另一端与所述转动控制装置(3)转动连接；
所述酶反应棒(2)由不锈钢套芯、介孔材料和酶组成，其中，所述酶固定化结合在所述介孔材料内部，形成固定化酶介孔材料，所述固定化酶介孔材料固定在不锈钢套芯中。
2.根据权利要求1所述的一种固定化酶解罐，其特征在于，所述旋转装置(4)包括：旋转轴一(41)、多个连接杆(42)和多个旋转轴二(43)；
其中，所述旋转轴一(41)、多个所述连接杆(42)和多个所述旋转轴二(43)设置在所述罐体(1)内部；
所述旋转轴一(41)一端与所述转动控制装置(3)旋转连接，另一端与多个所述连接杆(42)的一端固定；
多个所述旋转轴二(43)两端分别与多个所述酶反应棒(2)顶部和多个所述连接杆(42)的另一端固定。
3.根据权利要求1所述的一种固定化酶解罐，其特征在于，还包括：冷凝水套管(5)，所述冷凝水套管(5)固定在所述罐体(1)侧壁的夹层中。
4.根据权利要求1所述的一种固定化酶解罐，其特征在于，还包括：加热装置(6)，所述加热装置(6)固定在所述罐体(1)内底部。
5.根据权利要求4所述的一种固定化酶解罐，其特征在于，所述加热装置(6)包括：加热棒(61)和温控装置(62)；其中，所述加热棒(61)和所述温控装置(62)相邻固定在所述罐体(1)内底部，且所述加热棒(61)和所述温控装置(62)电性连接。
6.根据权利要求1所述的一种固定化酶解罐，其特征在于，所述罐体(1)侧壁上固定并贯通有管道一(7)和管道二(8)；且，所述管道一(7)与酸储罐连通，所述管道二(8)与碱储罐连通。
7.根据权利要求1任一所述的一种固定化酶解罐，其特征在于，所述罐体(1)顶部还开设有观察窗(9)。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种固定化酶解罐，其特征在于，对酶进行固定化时，以戊二醛作为交联剂，在温度20℃下于介孔材料上固定2h。
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