CN113088443A - 多酶级联反应分离耦合系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种多酶级联反应分离耦合系统，包括反应器，反应器上设有输入管道，输入管道上设有文丘里预混合器，输入管道的输入端连接原料罐与酶液罐上，反应器一端设有输出管道，输出管道连接至超滤系统上，超滤系统中设有超透膜，超透膜与输出管道之间的超滤系统上设有回收酶总管，回收酶总管连接至文丘里预混合器上；超透膜与远离输出管道的超滤系统一端之间上设有透过液输出管，透过液输出管连接至另一反应器上，透过液输出管上也设有文丘里预混合器，透过液输出管上的文丘里预混合器上还通过管道与二次反应酶液罐连接。本发明专利采用上述结构及方法，依靠多级管式反应、酶分离纯化浓缩回用系统，实现目标产物手性化合物的低成本高纯度的连续化生产。
Description
技术领域
本发明涉及化工生产技术领域，具体的是一种多酶级联反应分离耦合系统和方法。
背景技术
多酶级联反应因其温度低、产物立体选择性高，能够以廉价的起始底物出发等优势，被广泛应用于合成手性化合物和天然活性物质，如手性萘乙胺、手性苯基环氧乙烷、L-丙氨醇、L-丝氨醇、d-伪麻黄碱、(R)-苯甘氨醇等。但在生物合成的体外多酶级联反应中，往往采用“一锅多步”的间歇方法，虽然节约了部分设备投资，但是存在以下问题：
1、一个反应器中难于协调多个酶的催化反应，因为不同酶往往具有不同的pH和温度条件；
2、不能实现连续化生产，产能低；
3、酶的利用率低，一锅反应后没有加以回收利用。
因此迫切需要从反应器和膜分离的集成设计中加以有效解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多酶级联反应分离耦合系统和方法，依靠多级管式反应、酶分离纯化浓缩回用系统，实现目标产物手性化合物的低成本高纯度的连续化生产。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多酶级联反应分离耦合系统，包括反应器，反应器上设有输入管道，输入管道上设有文丘里预混合器，输入管道的输入端通过多根支管连接至不同的原料罐与酶液罐上，反应器一端设有输出管道，输出管道连接至超滤系统上，超滤系统中设有超透膜，超透膜与输出管道之间的超滤系统上设有回收酶总管，回收酶总管连接至文丘里预混合器上；
所述的超透膜与远离输出管道的超滤系统一端之间上设有透过液输出管，透过液输出管连接至另一反应器上，透过液输出管上也设有文丘里预混合器，透过液输出管上的文丘里预混合器上还通过管道与二次反应酶液罐连接。
优选的方案中，所述的原料罐上的输入管道支管路上设有原料输入泵和原料输入阀，酶液罐上的输入管道支管路上设有酶液输入泵和酶液输入阀；
所述的原料输入阀与酶液输入阀均与入料控制系统连接。
优选的方案中，所述的输入管道上设有输入管道阀，输入管道阀也与入料控制系统连接。
优选的方案中，所述的反应器内设有环状的侧腔体，侧腔体内设有盘管，盘管两端分别延伸至反应器外，位于反应器外的盘管其中一端上设有加热泵和加热阀，加热阀连接至反应温控系统上。
优选的方案中，所述的反应器内设有多个折流板，反应器底部还设有取样管，单个取样管设置在相邻两个折流板之间的反应器上。
优选的方案中，所述的折流板截面积大于1/2的反应器截面积，小于2/3的反应器截面积。
优选的方案中，在所述的超透膜与输出管道之间的超滤系统中设有多个隔板，多个隔板形成多个隔间，超透膜设置在隔间远离输出管道的一端上，不同隔间上对应设置的超透膜孔径不相同。
优选的方案中，所述的回收酶总管一端上设有多个回收酶支管，回收酶支管一一对应连接至多个隔间上；
所述的输出管道上设有输出管道阀，回收酶支管上设有支管阀，输出管道阀、支管阀均连接至回收控制系统上。
优选的方案中，所述的回收酶总管上设有总管阀，总管阀也连接至回收控制系统上。
基于上述多酶级联反应分离耦合系统的反应方法，包括以下步骤：
1)通过入料控制系统控制原料输入阀和酶液输入阀开启，将原料与酶液输入至一级反应器中；
2)通过反应温控系统控制加热阀开启，向一级反应器中的盘管内持续输送热水，控制一级反应器内的反应温度；
3)反应至酶液消耗为止；
4)通过回收控制系统控制输出管道上的输出管道阀和回收酶支管上的支管阀开启，实现反应后混合液的超滤，并对酶进行浓缩和纯化后再次输入至一级反应器内；
5)经步骤4)所产出的透过液经透过液输出管输送至二级反应器中；
6)通过二次反应酶液罐向二级反应器中添加二次反应酶液；
7)重复步骤1)-4)后，将产出的透过液输送至下一级反应器中；
8)重复步骤1)-7)，完成多酶级联反应。
本发明所提供的一种多酶级联反应分离耦合系统和方法，通过采用上述结构,具有以下有益效果：
(1)可以连续化生产高附加值手性化合物和天然活性物质；
(2)实现多次酶回收目的，有效降低酶用量；
(3)保证多个酶促反应均处于最优的反应条件，从而提升反应效率；
(4)多管式反应器可以根据反应的个数进行灵活选择。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图。
图中：原料罐1，酶液罐2，原料输入泵3，原料输入阀4，酶液输入泵(5)，酶液输入阀6，输入管道7，输入管道阀8，入料控制系统9，文丘里预混合器10，反应器11，侧腔体111，折流板12，取样管13，盘管14，加热泵15，加热阀16，反应温控系统17，超滤系统18，隔板181，超透膜182，输出管道19，输出管道阀20，回收酶支管21，支管阀22，回收酶总管23，回收泵24，总管阀25，回收控制系统26，透过液输出管27，二次反应酶液罐28。
具体实施方式
实施例1：
如图1中，一种多酶级联反应分离耦合系统，包括反应器11，反应器11上设有输入管道7，输入管道7上设有文丘里预混合器10，输入管道7的输入端通过多根支管连接至不同的原料罐1与酶液罐2上，反应器11一端设有输出管道19，输出管道19连接至超滤系统18上，超滤系统18中设有超透膜182，超透膜182与输出管道19之间的超滤系统18上设有回收酶总管23，回收酶总管23连接至文丘里预混合器10上；
所述的超透膜182与远离输出管道19的超滤系统18一端之间上设有透过液输出管27，透过液输出管27连接至另一反应器11上，透过液输出管27上也设有文丘里预混合器10，透过液输出管27上的文丘里预混合器10上还通过管道与二次反应酶液罐28连接。
优选的方案中，所述的原料罐1上的输入管道7支管路上设有原料输入泵3和原料输入阀4，酶液罐2上的输入管道7支管路上设有酶液输入泵5和酶液输入阀6；
所述的原料输入阀4与酶液输入阀6均与入料控制系统9连接。
优选的方案中，所述的输入管道7上设有输入管道阀8，输入管道阀8也与入料控制系统9连接。
优选的方案中，所述的反应器11内设有环状的侧腔体111，侧腔体111内设有盘管14，盘管14两端分别延伸至反应器11外，位于反应器11外的盘管14其中一端上设有加热泵15和加热阀16，加热阀16连接至反应温控系统17上。
优选的方案中，所述的反应器11内设有多个折流板12，反应器11底部还设有取样管13，单个取样管13设置在相邻两个折流板12之间的反应器11上。
优选的方案中，所述的折流板12截面积大于1/2的反应器11截面积，小于2/3的反应器11截面积。
优选的方案中，在所述的超透膜182与输出管道19之间的超滤系统18中设有多个隔板181，多个隔板181形成多个隔间，超透膜182设置在隔间远离输出管道19的一端上，不同隔间上对应设置的超透膜182孔径不相同。
优选的方案中，所述的回收酶总管23一端上设有多个回收酶支管21，回收酶支管21一一对应连接至多个隔间上；
所述的输出管道19上设有输出管道阀20，回收酶支管21上设有支管阀22，输出管道阀20、支管阀22均连接至回收控制系统26上。
优选的方案中，所述的回收酶总管23上设有总管阀25，总管阀25也连接至回收控制系统26上。
实施例2：
基于上述多酶级联反应分离耦合系统的反应方法，包括以下步骤：
1)通过入料控制系统9控制原料输入阀4和酶液输入阀6开启，将原料与酶液输入至一级反应器11中；
2)通过反应温控系统17控制加热阀16开启，向一级反应器11中的盘管14内持续输送热水，控制一级反应器11内的反应温度；
3)反应至酶液消耗为止；
4)通过回收控制系统26控制输出管道19上的输出管道阀20和回收酶支管21上的支管阀22开启，实现反应后混合液的超滤，并对酶进行浓缩和纯化后再次输入至一级反应器11内；
5)经步骤4)所产出的透过液经透过液输出管27输送至二级反应器11中；
6)通过二次反应酶液罐28向二级反应器11中添加二次反应酶液；
7)重复步骤1)-4)后，将产出的透过液输送至下一级反应器11中；
8)重复步骤1)-7)，完成多酶级联反应。
实施例3：
在实施例2的基础上，以手性胺和手性氨基醇合成为例，选用三级反应器11完成多酶级联任务：
一级反应器11为利用醇脱氢酶(分子量30kD)将醇氧化为酮，反应条件为33℃；
反应到辅酶消耗为止，进入二级反应器11，在转氨酶(分子量为40kD)和磷酸吡哆醛的辅酶作用下将酮转化为手性胺，反应条件为30℃；
对于磷酸吡哆醛的辅酶以及氧化型辅酶NAD+系统分别由第三个反应器11利用丙氨酸转化为丙酮酸、丙酮酸由酮基还原酶(41kD)产生；
在每个反应器11上均连接有超滤系统，根据分子量大小选用10kD、20kD和20kD的膜材料进行分离纯化和浓缩，达到反应器11所需要的酶浓度和酶活条件下，进行回用。
反应路线如下：
本实施例中，实现酶回收10次以上，(R)-1-萘基乙胺、(R)-苯甘氨醇反应总收率达到50％、70％；光学收率可以达到99％以上。
实施例4：
在实施例2的基础上，以手性环氧化合物的合成为例，选用三级反应器11完成多酶级联任务。
一级反应器11为利用酮基还原酶(分子量40kD)将酮氧化为醇，最佳反应条件为35℃；
反应到辅酶消耗为止，进入二级反应器11，在卤醇脱卤酶(分子量为31kD)作用下将醇环化转化为手性环氧化合物，最佳反应条件为30℃；
对于氧化型辅酶NAD+系统分别由第三个反应器11利用葡萄糖和酮基还原酶(41kD)产生；
在每个反应器11上均连接有超滤系统，根据分子量大小选用20kD、15kD、20kD的膜材料进行分离纯化和浓缩，达到反应器11所需要的酶浓度和酶活条件下，进行回用，回收次数可以达到8-10次以上。
反应路线如下：
Claims (10)
1.一种多酶级联反应分离耦合系统，其特征在于：包括反应器（11），反应器（11）上设有输入管道（7），输入管道（7）上设有文丘里预混合器（10），输入管道（7）的输入端通过多根支管连接至不同的原料罐（1）与酶液罐（2）上，反应器（11）一端设有输出管道（19），输出管道（19）连接至超滤系统（18）上，超滤系统（18）中设有超透膜（182），超透膜（182）与输出管道（19）之间的超滤系统（18）上设有回收酶总管（23），回收酶总管（23）连接至文丘里预混合器（10）上；
所述的超透膜（182）与远离输出管道（19）的超滤系统（18）一端之间上设有透过液输出管（27），透过液输出管（27）连接至另一反应器（11）上，透过液输出管（27）上也设有文丘里预混合器（10），透过液输出管（27）上的文丘里预混合器（10）上还通过管道与二次反应酶液罐（28）连接。
2.根据权利要求1所述的一种多酶级联反应分离耦合系统，其特征在于：所述的原料罐（1）上的输入管道（7）支管路上设有原料输入泵（3）和原料输入阀（4），酶液罐（2）上的输入管道（7）支管路上设有酶液输入泵（5）和酶液输入阀（6）；
所述的原料输入阀（4）与酶液输入阀（6）均与入料控制系统（9）连接。
3.根据权利要求2所述的一种多酶级联反应分离耦合系统，其特征在于：所述的输入管道（7）上设有输入管道阀（8），输入管道阀（8）也与入料控制系统（9）连接。
4.根据权利要求1所述的一种多酶级联反应分离耦合系统，其特征在于：所述的反应器（11）内设有环状的侧腔体（111），侧腔体（111）内设有盘管（14），盘管（14）两端分别延伸至反应器（11）外，位于反应器（11）外的盘管（14）其中一端上设有加热泵（15）和加热阀（16），加热阀（16）连接至反应温控系统（17）上。
5.根据权利要求1或4所述的一种多酶级联反应分离耦合系统，其特征在于：所述的反应器（11）内设有多个折流板（12），反应器（11）底部还设有取样管（13），单个取样管（13）设置在相邻两个折流板（12）之间的反应器（11）上。
6.根据权利要求5所述的一种多酶级联反应分离耦合系统，其特征在于：所述的折流板（12）截面积大于1/2的反应器（11）截面积，小于2/3的反应器（11）截面积。
7.根据权利要求1所述的一种多酶级联反应分离耦合系统，其特征在于：在所述的超透膜（182）与输出管道（19）之间的超滤系统（18）中设有多个隔板（181），多个隔板（181）形成多个隔间，超透膜（182）设置在隔间远离输出管道（19）的一端上，不同隔间上对应设置的超透膜（182）孔径不相同。
8.根据权利要求7所述的一种多酶级联反应分离耦合系统，其特征在于：所述的回收酶总管（23）一端上设有多个回收酶支管（21），回收酶支管（21）一一对应连接至多个隔间上；
所述的输出管道（19）上设有输出管道阀（20），回收酶支管（21）上设有支管阀（22），输出管道阀（20）、支管阀（22）均连接至回收控制系统（26）上。
9.根据权利要求8所述的一种多酶级联反应分离耦合系统，其特征在于：所述的回收酶总管（23）上设有总管阀（25），总管阀（25）也连接至回收控制系统（26）上。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种多酶级联反应分离耦合系统的反应方法，其特征在于包括以下步骤：
1）通过入料控制系统（9）控制原料输入阀（4）和酶液输入阀（6）开启，将原料与酶液输入至一级反应器（11）中；
2）通过反应温控系统（17）控制加热阀（16）开启，向一级反应器（11）中的盘管（14）内持续输送热水，控制一级反应器（11）内的反应温度；
3）反应至酶液消耗为止；
4）通过回收控制系统（26）控制输出管道（19）上的输出管道阀（20）和回收酶支管（21）上的支管阀（22）开启，实现反应后混合液的超滤，并对酶进行浓缩和纯化后再次输入至一级反应器（11）内；
5）经步骤4）所产出的透过液经透过液输出管（27）输送至二级反应器（11）中；
6）通过二次反应酶液罐（28）向二级反应器（11）中添加二次反应酶液；
7）重复步骤1）-4）后，将产出的透过液输送至下一级反应器（11）中；
8）重复步骤1）-7），完成多酶级联反应。
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