CN112029806B - 一种常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法 - Google Patents

一种常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法，利用常压酶法氧化装置进行酶催化氧化，葡萄糖水溶液由进料口进入氧化罐，洁净空气从底部进入氧化罐，在搅拌下进行酶催化氧化反应，反应温度：38～40℃，反应产物经出料口到下一道工序。控制氧化罐顶压力：0～1.0Kpa。氧化装置包括风机、空气过滤器、常压薄壁氧化罐、循环冷却水泵、循环冷却水罐和循环冷却水换热器。本发明通过降低氧化罐顶的压力、改用高效风过滤器替代无菌风过滤器以及降低氧化罐高度，降低了风机的鼓风压力和功率，减少了氧化过程的操作费用，同时减少了氧化罐设备投资和维护费用，有利于降低氧化生产过程的能量消耗和生产成本，提高企业经济效益。

Description

一种常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法
技术领域
本发明属于生物化工生产技术领域，涉及一种酶法催化氧化技术，具体涉及一种常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法。
背景技术
酶法催化指人们借助生物活性酶在有氧或无氧条件下的催化反应来制备产物的过程，为人类生产有用的生物产品。人们熟知的淀粉乳液化、糖化，以及葡萄糖酶法异构成果糖等都是这方面的例子。随着科学技术的进步，酶法催化技术也有了很大的发展，已经可以生产非常多的产品，具有广阔的应用前景。
随着葡萄糖酸钠产业的发展壮大，截止到2019年底，其国内产销量已经突破150万吨。在这种产能规模的市场潜力吸引下，许多酶制剂生产厂都推出了葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶组合，采用这两种酶混用催化葡萄糖氧化的酶法催化氧化制取葡萄糖酸钠的方法，正在以极快的速度取代原先的生物发酵氧化。但所有的生产企业在采用酶法替代生物发酵法的过程中，都沿用了原先的氧化罐装备和带背压0.1Mpa反应，造成氧化供风仍需0.25～0.3Mpa的空压机供风。背压增加溶氧已经无菌级别空气过滤针对生物发酵沿用下来的习惯性做法，酶法氧化并无其必然需求。本发明针对葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶混合催化反应的特点，设计制造出新型的常压薄壁氧化罐，不再保留罐背压。并且采用特殊结构的搅拌产生自吸，以实现降低罐高和进风压力而不增加通气倍速(VVM)的目的。同时改用高效风过滤器替代无菌风过滤器，明显降低了供风系统风阻。通过这三个改进，氧化供风采用0.06Mpa的鼓风机供风即可满足需求，氧化工序的供风动力消耗可以节约76～80％。
发明内容
本发明的目的是提供一种常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法，以减少氧化设备投资和维护费用，降低氧化过程的能耗和生产成本，提高企业经济效益。
本发明的技术方案是：常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法，利用常压酶法氧化装置进行酶催化氧化，葡萄糖水溶液由进料口进入常压薄壁氧化罐，经过过滤的洁净空气从常压薄壁氧化罐底部进风口进入常压薄壁氧化罐，尾气从常压薄壁氧化罐顶部的排气口排出，在搅拌器的搅拌下进行酶催化氧化反应，氧化反应温度：38～40℃，反应产物经出料口到下一道工序。常压敞口反应，罐顶排气的自然压力为：0～1.0KPa(表压)。
常压酶法氧化装置包括风机、高效空气过滤器、常压薄壁氧化罐循环冷却水泵、循环冷却水罐和循环冷却水换热器。常压薄壁氧化罐包括罐体和搅拌器，罐体的高度为3～4.5m，搅拌器从顶部插入罐体内。罐体的上部设有进料口和排气口，底部设有出料口，进料口与供料设备连接，出料口连接到下一道工序，排气口连接到尾气处理装置。罐体的底部安装有点式分布管或篦形空气分布管。风机通过高效空气过滤器连接到点式分布管或篦形空气分布管。罐体内设有冷却盘管，冷却盘管为蛇管型结构，通过支撑件安装在罐体内壁的下部，冷却盘管上部设有冷却水出口，下部设有冷却水进口。循环水罐通过循环水泵连接到换热器，换热器出口连接到冷却水进口，冷却水出口连接到循环水罐。
点式分布管为环形结构，点式分布管的下部均匀设有出气孔，出气孔的数量和孔径根据工艺要求设定。篦形空气分布管为篦子型结构，由中间分配管和焊接在两侧的分布支管构成，分布支管的下部设有均匀分布的出气孔，出气孔的数量和孔径根据工艺要求确定。
搅拌器的上部装有搅拌电机，搅拌器偏离罐中心线50～100mm垂直安装，搅拌器的搅拌轴为空心轴，上部靠近罐内顶壁处侧向开有通气孔，与液面上气室相通，搅拌轴底部装有一层搅拌桨。搅拌桨的叶片为两片螺旋推进桨，桨叶背面焊接有与空心搅拌轴中心相连通的直管，搅拌旋转时推进方向为向下。氧化装置设有控制单元、风机变频器和风量传感器，风量传感器安装于高效空气过滤器2与进风口9的连接管路上，风量传感器与控制单元通信连接，控制单元通过风机变频器与风机通信连接，风机的运行受控制单元的控制。
在静态条件下，增加氧化罐的背压，可以增加罐内物料中的溶氧量。氧化反应过程是一个不断消耗氧气，排出二氧化碳的过程，试验表明：在动态下溶氧量是动态平衡，溶氧量与通入的空气量和氧气消耗速度有关。氧化反应实际过程就是一个不断通入氧气(空气带人)、不断消耗氧气的动态过程，氧化罐背压其实对发酵的溶氧量影响很小，在常压下只要保证液体内的通风量即氧气补充速度，完全可以满足发酵反应过程所需的溶氧量。
本发明常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法，通过降低氧化罐顶的背压，由带压操作改为常压敞口操作，降低约0.1Mpa的鼓风压力需求。并且采用特殊结构的搅拌产生自吸，以实现降低罐高和进风压力而不增加通气倍速(VVM)的目的，同时改用高效风过滤器替代无菌风过滤器，明显降低了供风系统风阻。这三个方面的改进，使得氧化供风采用0.06Mpa的鼓风机供风即可满足需求，氧化工序的供风动力消耗可以节约76～80％。减少了发酵过程的操作费用，同时也减少氧化罐设备投资和维护费用，有利于降低发酵生产过程的能量消耗和生产成本，提高企业经济效益。
附图说明
图1为常压酶法氧化装置的流程示意图；
图2为点式分布管的结构示意图；
图3为篦形空气分布管的结构示意图
图4为空心轴带抽吸空气循环功能搅拌器的结构示意图。
其中：1—风机、2—高效空气过滤器、3—搅拌电机、4—排气口、5—常压薄壁氧化罐、6—搅拌器、7—搅拌桨、8—冷却盘管、9—进风口、10—点式分布管、11—进料口、12—冷却水出口、13—冷却水入口、14—出料口、15—循环冷却水换热器、16—循环冷却水泵、17—循环冷却水罐、18—控制单元、19—风机变频器、20—风量传感器、21—分布支管、22—篦形空气分布管、23—分配管、24—通气孔、25—搅拌轴、26—直管。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本实发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
实施例1
葡萄糖酶法催化氧化制备葡萄糖酸钠，利用常压酶法氧化装置进行酶催化氧化，如图1所示，常压酶法氧化装置包括风机1、高效空气过滤器2、常压薄壁氧化罐5、循环冷却水泵16、循环冷却水罐17和循环冷却水换热器15。常压薄壁氧化罐包括罐体和搅拌器6，罐体的高度为4.0m，直径为2.5m，搅拌器从顶部插入罐体内。搅拌器的上部(罐体外面)装有搅拌电机3，搅拌器偏离罐中心线60mm垂直安装。如图4所示，搅拌器的搅拌轴25为空心轴，上部靠近罐内顶壁处侧向开有通气孔24，通过通气孔与液面上气室相通，搅拌轴底部装有一层搅拌桨7。搅拌桨的叶片为两片螺旋推进桨，桨叶背面焊接有与空心搅拌轴中心相连通的直管26，搅拌旋转时推进方向为向下。搅拌器运行时，在桨叶背面焊接的与空心搅拌轴中心相连通的直管会产生抽吸作用，将管内上部气室的空气沿空心搅拌轴吸入液体底部重新分散，实现部分空气的循环彻底使用。这种特殊结构的搅拌器，装机功率小于0.1KW每立方罐容，也远低于正常的氧化罐搅拌装机。罐体的上部设有进料口11和排气口4，底部设有出料口14，进料口与供料设备连接，出料口连接到下一道工序，排气口连接到尾气处理装置。罐体的底部安装有简易的点式分布管10，风机1通过高效空气过滤器2和进风口9连接到点式分布管10。罐体内设有冷却盘管8，冷却盘管为蛇管型结构，通过支撑件安装在罐体内壁的下部，冷却盘管上部设有冷却水出口12，下部设有冷却水进口13。循环水罐通过循环水泵连接到换热器，换热器出口连接到冷却水进口，冷却水出口连接到循环水罐，通过调节冷却水的循环量控制常压薄壁氧化罐的温度。如图2所示，点式分布管10为环形结构，点式分布管的底部均匀设有12个垂直向下的出气孔，出气孔的孔径为φ10mm。装置设有控制单元18、风机变频器19和风量传感器20，风量传感器安装于高效空气过滤器2与进风口9的连接管路上，风量传感器与控制单元通信连接。控制单元通过风机变频器与风机1通信连接，风机的运行受控制单元的控制。
本发明常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的过程为，将浓度约32％温度约45℃的葡萄糖溶液通过进料口11送入常压薄壁氧化罐5，通过点式分布管10通入空气，高效空气过滤器2去除尘埃即可，无需达到无菌级别。控制通气比0.30v/v·min，搅拌转速141r/min，常压薄壁氧化罐维持常压敞口自然排放压力，即常压薄壁氧化罐5罐顶压力为0KPa(表压)。通过冷却水循环降温到39℃后同时分别倒入葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶，控制反应温度在38～40温度持续反应。在常压薄壁氧化罐顶维持常压敞口自然排放压力下，风机频率、风量和溶解氧的情况如表1所示。
表1自然排放压力下风机频率、风量及溶解氧情况
时间 风机频率(HZ) 风量(KL/min) 溶氧量
10:00 33.2 4.5 0.82
12:00 35.1 5.0 0.83
14:00 36.3 5.9 0.81
16:00 38.4 6.3 0.82
18:00 39.0 6.5 0.79
20:00 39.3 6.6 0.80
22:00 38.8 6.4 0.84
24:00 38.5 6.3 0.85
表1中数据表明，在及时调节风量的情况下，液体内的溶氧量可以很方便的调整在一个合适的范围，常压薄壁氧化罐没有背压也不受任何影响，在动态氧化过程是一个不断通气氧化、不断消耗氧气过程，影响溶氧量的关键因素是补充空气量要跟上，只要保证合适的通风量，完全可以满足发酵反应过程所需的氧气量，这样操作可以获得最佳的节能效果。
实施例2
本发明另一种实施方式为常压薄壁氧化罐5罐体的底部安装有篦形空气分布管，如图3所示，篦形空气分布管22为篦子型结构，由中间分配管23和焊接在两侧的分布支管21构成，分布支管的下部设有均匀分布的出气孔，出气孔的数量和孔径根据工艺要求确定。本实施例的其它结构及操作与实施例1相同。

Claims (5)

1.一种常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法，利用常压酶法氧化装置进行酶催化氧化，葡萄糖水溶液由进料口(11)进入常压薄壁氧化罐(5)，经过过滤的洁净空气从常压薄壁氧化罐(5)底部的进风口(9)进入常压薄壁氧化罐，尾气从常压薄壁氧化罐顶部的排气口(4)排出，在搅拌器的搅拌下进行酶催化氧化反应，氧化反应温度：38～40℃，反应产物经出料口(14)到下一道工序；其特征是：常压敞口反应，罐顶排气的自然压力为：0.0KPa(表压)；所述常压酶法氧化装置包括风机(1)、高效空气过滤器(2)、常压薄壁氧化罐(5)循环冷却水泵(16)、循环冷却水罐(17)和循环冷却水换热器(15)；所述常压薄壁氧化罐包括罐体和搅拌器(6)，所述罐体的高度为3～4.5m，所述搅拌器从顶部插入罐体内；所述罐体的上部设有进料口(11)和排气口(4)，底部设有出料口(14)，所述进料口与供料设备连接，所述出料口连接到下一道工序，所述排气口连接到尾气处理装置；所述罐体的底部安装有点式分布管(10)或篦形空气分布管(22)；所述风机(1)通过高效空气过滤器(2)连接到点式分布管(10)或篦形空气分布管(22)；所述罐体内设有冷却盘管(8)，所述冷却盘管为蛇管型结构，通过支撑件安装在罐体内壁的下部，冷却盘管上部设有冷却水出口(12)，下部设有冷却水进口(13)；所述循环水罐通过循环水泵连接到换热器，所述换热器出口连接到冷却水进口，所述冷却水出口连接到循环水罐。
2.根据权利要求1所述的常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法，其特征是：所述点式分布管(10)为环形结构，所述点式分布管的下部均匀设有出气孔，所述出气孔的数量和孔径根据工艺要求设定。
3.根据权利要求1所述的常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法，其特征是：所述篦形空气分布管(22)由中间分配管(23)和焊接在两侧的分布支管(21)构成，所述分布支管的下部设有均匀分布的出气孔，所述出气孔的数量和孔径根据工艺要求确定。
4.根据权利要求1所述的常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法，其特征是：所述搅拌器(6)的上部装有搅拌电机(3)，搅拌器偏离罐中心线50～100mm垂直安装；搅拌器的搅拌轴(25)为空心轴，上部靠近罐内顶壁处侧向开有通气孔(24)，与液面上气室相通，搅拌轴底部装有一层搅拌桨(7)；搅拌桨的叶片为两片螺旋推进桨，桨叶背面焊接有与空心搅拌轴中心相连通的直管(26)，搅拌旋转时推进方向为向下。
5.根据权利要求1所述的常压酶法氧化生产葡萄糖酸钠的方法，其特征是：所述氧化装置设有控制单元(18)、风机变频器(19)和风量传感器(20)，所述风量传感器安装于高效空气过滤器(2)与进风口(9)的连接管路上，风量传感器与控制单元通信连接，所述控制单元通过风机变频器与风机(1)通信连接。
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