CN114456928A - 固定酶反应器及反应系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固定酶反应器及反应系统，涉及酶反应技术领域，所述固定酶反应器包括中空纤维水凝胶管、外壳、第一接头、第二接头、循环导管；所述中空纤维水凝胶管具有纤维网状的管壁和所述管壁围合成的多个管腔，酶包埋在所述管壁中；所述外壳的内部具有循环腔体，所述中空纤维水凝胶管位于所述循环腔体中且两端的管口与所述循环腔体隔离；两个第一接头分别连通所述中空纤维水凝胶管两端的管口，两个第二接头分别连通所述循环腔体；所述循环导管的一端连接其中一个第一接头，另一端连接其中一个第二接头。本发明的优点在于：增加了酶与底物的接触面积，提高了反应速度。
Description
技术领域
本发明涉及酶反应技术领域，尤其涉及一种固定酶反应器及反应系统。
背景技术
随着工业的发展，酶已经广泛应用于工业的各个领域中，酶反应器是针对酶的理化性质而设计的反应设备，其设计的目标就是提高效率、降低成本、减少耗能和污染，从而获得经济效益和社会效益的最大化。以固定酶作为生物反应的场所即为固定酶反应器，通常将酶和固定酶的载体放入固定酶反应器中参与催化反应。
现有的固定酶反应器主要存在的问题有：首先现有的固定酶反应器常采用旋转流体的方式使底物与酶接触，从而导致反应不充分，造成原料的浪费、生产效率低下的问题，如公开号为CN214400543U的专利文献公开了一种固定酶反应器，包括导流装置和反应柱，底物溶液经过导流装置后与反应柱内的固定酶进行酶化反应，导流装置形成环形叶栅，底物溶液全部从叶栅间通过，会形成旋转流体，该固定酶反应器中酶与底物反应的比表面积较小，这就需要底物溶液第一次发生酶化反应后，多次利用循环管道再次流入进液口，进行多次酶化，增加了反应时间，降低了生产效率。同时现有的固定酶反应器反应器大部分结构较为复杂，整体的制造和修复成本较大。最后，现有的固定酶反应器多为独立模式，不能串联使用，这也大大降低了生产效率。
公开号为CN113604451A的专利文献公开了一种固定化酶及其制备方法和应用，通过3D生物打印技术制备具有纤维网状的管壁和所述管壁围合形成的管腔的水凝胶中空纤维管，酶包埋固定于管壁内，具有较高的比表面，能有效提高酶与底物的结合，从而提高酶与底物的反应效率；酶在中空纤维的包裹下，酶的稳定性比游离状态下明显提高；且中空纤维管状结构的存在能够在不影响酶活的情况下制成大尺寸的水凝胶结构，从而便利酶催化后的回收，不需要繁琐的手段。该方法提出了以中空纤维水凝胶管为酶固定载体，但没有解决如何将包埋有酶的中空纤维水凝胶管集成化在固定酶反应器中，以提高底物与酶的接触面积的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够将包埋有酶的中空纤维水凝胶管集成化，提高酶与底物的接触面积的固定酶反应器及反应系统。
本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：固定酶反应器，包括中空纤维水凝胶管、外壳、第一接头、第二接头、循环导管；所述中空纤维水凝胶管具有纤维网状的管壁和所述管壁围合成的多个管腔，酶包埋在所述管壁中；所述外壳的内部具有循环腔体，所述中空纤维水凝胶管位于所述循环腔体中且两端的管口与所述循环腔体隔离；两个第一接头分别连通所述中空纤维水凝胶管两端的管口，两个第二接头分别连通所述循环腔体；所述循环导管的一端连接其中一个第一接头，另一端连接其中一个第二接头。该装置将包埋有酶的中空纤维水凝胶管集成化，以底物溶液先从中空纤维水凝胶管的内腔流过，再从其外层流过为一个反应周期，具有较高的比表面，增加了酶与底物的接触面积，提高了反应速度。
作为优化的技术方案，两个第一接头与所述中空纤维水凝胶管两端的管口之间分别安装有分流机构，所述分流机构包括第一分流板、第二分流板；所述第一分流板与所述第二分流板间隔排列，所述第一分流板靠近所述第一接头，所述第二分流板靠近所述中空纤维水凝胶管的管口；所述第一分流板上贯穿有多个第一分流孔，所述第二分流板上贯穿有多个第二分流孔。底物溶液先经过分流结构分流，再从中空纤维水凝胶管的内腔流过，采用两块分流板的分流效果要优于无分流板和一块分流板，能够提升底物溶液的均匀度，从而提升底物溶液与酶的反应效果。
作为优化的技术方案，所述第一分流孔的半径大于所述第二分流孔的半径，所述第一分流孔的分布密度小于所述第二分流孔的分布密度。达到最优的分流效果，进一步提高反应速率。
作为优化的技术方案，所述分流装置还包括支撑环，所述支撑环的中心设有沿其轴向分为两级的阶梯孔，所述第一分流板与所述阶梯孔中内径较小的一级过盈配合，所述第二分流板通过封装胶与所述阶梯孔中内径较大的一级粘接。避免溶液从缝隙流出。
作为优化的技术方案，所述支撑环的外圈一周设有安装槽，所述安装槽中固定连接有弹性的定位圈，所述定位圈的外圈一周等距分布有四个半圆球体的凸块。定位圈能够使分流机构的中心与主壳体的中心尽可能重合，避免因分流机构错位过大影响分流效果；使用之后可以将分流机构拆下清洗，重复利用，以降低制造成本和环境污染。
作为优化的技术方案，所述第一分流板朝向所述第一接头的一侧设有围绕在所述第一分流孔外圈的密封槽，所述密封槽中安装有弹性的O型密封圈。防止溶液发生渗漏，流入分流机构的外侧。
作为优化的技术方案，所述外壳包括主壳体、端盖，两个端盖分别螺接在所述主壳体的两端开口处；所述中空纤维水凝胶管位于所述主壳体的内部且两端的管口分别朝向两个端盖；所述中空纤维水凝胶管的两端分别通过封装胶与所述主壳体的内壁粘接，形成位于所述主壳体内部的循环腔体；两个第一接头分别固定连接在两个端盖的轴向中心位置，两个第二接头分别固定连接在所述主壳体上靠近所述中空纤维水凝胶管的两端位置。
作为优化的技术方案，所述端盖的外端面边缘一周等距分布有四个加强筋。
作为优化的技术方案，所述第一接头采用鲁尔接头，包括内环柱、外环柱、连接端，所述内环柱的中心孔贯穿所述端盖，所述外环柱位于所述内环柱的外圈，所述连接端与所述外环柱螺接。
固定酶反应系统，包括所述固定酶反应器，一个或多个串联的固定酶反应器组成反应机构；所述固定酶反应系统还包括色谱流动液相瓶、进液管、蠕动泵、出液管；所述色谱流动液相瓶中装有底物溶液；所述进液管的一端伸入所述底物溶液中，另一端连接所述反应机构的入口；所述蠕动泵安装在所述进液管的中部；所述出液管的一端连接所述反应机构的出口，另一端伸入所述底物溶液中。固定酶反应器可以多个串联使用，提高了反应的比表面；该装置采用底物溶液多次循环参与催化反应的模式，直至底物反应完全为止。
本发明的优点在于：
1、该装置将包埋有酶的中空纤维水凝胶管集成化，以底物溶液先从中空纤维水凝胶管的内腔流过，再从其外层流过为一个反应周期，具有较高的比表面，增加了酶与底物的接触面积，提高了反应速度。
2、分流机构能够提升底物溶液的均匀度，从而提升底物溶液与酶的反应效果，提高反应速率。
3、分流机构的中心与主壳体的中心尽可能重合，避免因分流机构错位过大影响分流效果；使用之后可以将分流机构拆下清洗，重复利用，以降低制造成本和环境污染。
4、固定酶反应器可以多个串联使用，提高了反应的比表面；该装置采用底物溶液多次循环参与催化反应的模式，直至底物反应完全为止。
附图说明
图1是本发明实施例固定酶反应器的剖视示意图。
图2是本发明实施例固定酶反应器的轴测示意图。
图3是本发明实施例中空纤维水凝胶管和封装胶的轴测示意图。
图4是本发明实施例第一接头内部结构的轴测示意图。
图5是本发明实施例固定酶反应器一端的爆炸示意图。
图6是本发明实施例分流机构的轴测示意图。
图7是本发明实施例第一分流板的侧视示意图。
图8是本发明实施例第二分流板的侧视示意图。
图9是本发明实施例固定酶反应系统的主视示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
如图1至图3所示，固定酶反应器，包括中空纤维水凝胶管1、外壳2、第一接头3、第二接头4、分流机构5、循环导管6。
中空纤维水凝胶管1具有纤维网状的管壁和所述管壁围合成的多个管腔，酶包埋在所述管壁中。
外壳2包括主壳体21、端盖22；主壳体21的两端设有外螺纹，端盖21设有内螺纹，两个端盖22分别螺接在主壳体21的两端开口处；端盖22的外端面边缘一周等距分布有四个加强筋；中空纤维水凝胶管1位于主壳体21的内部且两端的管口分别朝向两个端盖22。
中空纤维水凝胶管1的两端分别通过封装胶与主壳体21的内壁粘接，形成位于主壳体21内部的循环腔体，封装胶与中空纤维水凝胶管1以及主壳体21 均紧密结合无间隙；中空纤维水凝胶管1位于所述循环腔体中且两端的管口与所述循环腔体隔离，实现阻止底物溶液流向中空纤维水凝胶管1的管口时进入所述循环腔体中。
两个第一接头3分别固定连接在两个端盖22的轴向中心位置且分别连通中空纤维水凝胶管1两端的管口，两个第二接头4分别固定连接在主壳体21上靠近中空纤维水凝胶管1的两端位置且分别连通所述循环腔体；主壳体21与两个第二接头4采用一体件或一体成型技术，结构简单，减少了制造成本，降低了使用难度，相应的附带生产成本可以忽略不计，适合推广应用；两个第一接头3 与中空纤维水凝胶管1两端的管口之间分别安装有分流机构5；循环导管6的一端连接其中一个第一接头3，另一端连接其中一个第二接头4。
如图4所示，第一接头3采用鲁尔接头，包括内环柱31、外环柱32、连接端(图未示)，内环柱31的中心孔贯穿端盖22，外环柱32位于内环柱31的外圈，外环柱32设有外螺纹，连接端设有内螺纹，所述连接端与外环柱32螺接。
如图5至图8所示，分流机构5包括第一分流板51、第二分流板52、支撑环53、定位圈54、O型密封圈55。
第一分流板51与第二分流板52间隔排列，第一分流板51靠近第一接头3，第二分流板52靠近中空纤维水凝胶管1的管口；第一分流板51上贯穿有多个第一分流孔，第二分流板52上贯穿有多个第二分流孔；通过comsol等软件分析得出，采用两块分流板的分流效果要优于无分流板和一块分流板，能够提升底物溶液的均匀度，从而提升底物溶液与酶的反应效果；所述第一分流孔的半径 R1大于所述第二分流孔的半径R2，所述第一分流孔的分布密度小于所述第二分流孔的分布密度，分流孔的半径以及分布密度由液体的流速、粘度和温度等因素确定，通过调整两块分流板上分流孔的半径和分布密度可以达到最优的分流效果，进一步提高反应速率。
支撑环53的中心设有沿其轴向分为两级的阶梯孔；第一分流板51与所述阶梯孔中内径较小的一级过盈配合，且过盈量较小，可用拉拔器进行拆卸，也可用钢锤轻轻敲击非配合面和工作面，慢慢将其拆下；第二分流板52通过封装胶与所述阶梯孔中内径较大的一级粘接，避免溶液从其与支撑环53配合的缝隙流出；分流机构5安装时首先对两块分流板进行固定，然后再装配到主壳体21 中，装配方法简单，不会改变固定酶反应器的内部结构，使用后可以将分流机构5拆下清洗，重复利用，以降低制造成本和环境污染；外壳2、第一接头3、第二接头4、第一分流板51、第二分流板52和支撑环53均采用聚碳酸酯(PC) 材质，不会对溶液造成污染。
支撑环53的外圈一周设有安装槽，所述安装槽中固定连接有弹性的定位圈 54，定位圈54采用橡胶材质，定位圈54的外圈一周等距分布有四个半圆球体的凸块，作用是使分流机构5的中心与主壳体21的中心尽可能重合，避免因分流机构5错位过大影响分流效果。
第一分流板51朝向第一接头3的一侧设有围绕在所述第一分流孔外圈的密封槽，所述密封槽中安装有弹性的O型密封圈55，O型密封圈55与端盖22配合固定，作用是防止溶液发生渗漏，流入分流机构5的外侧。
如图9所示，固定酶反应系统，包括所述固定酶反应器，一个或多个串联的固定酶反应器组成反应机构；所述固定酶反应系统还包括色谱流动液相瓶7、进液管8、蠕动泵9、出液管10；色谱流动液相瓶7中装有底物溶液；进液管8 的一端伸入所述底物溶液中，另一端连接所述反应机构的入口；蠕动泵9安装在进液管8的中部；出液管10的一端连接所述反应机构的出口，另一端伸入所述底物溶液中。
本发明的工作原理为：以使用一个固定酶反应器的固定酶反应系统为例，该固定酶反应器上未连接循环导管6的第一接头3为反应机构的入口，未连接循环导管6的第二接头4为反应机构的出口；在蠕动泵9的作用下，底物溶液通过入口进入主壳体21的内部，首先通过第一分流板51进行预分流，然后通过第二分流板52再次分流；因为中空纤维水凝胶管1与主壳体21之间封装胶的密封作用，底物溶液接下来流入中空纤维水凝胶管1的管口，在其内腔中与酶发生反应；随着溶液的流动，溶液依次通过位于主壳体21另一端的第二分流板52、第一分流板51和第一接头3，然后通过循环导管6流入与其连接的第二接头4，进入循环腔体中与中空纤维水凝胶管1外层的固定酶再次反应，进行二次酶化；最后溶液从出口流出，进入色谱流动液相瓶7中，再次在蠕动泵9的作用下通过入口进入主壳体21的内部，两次循环为一个周期，以此循环，直至底物溶液反应完全为止。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种固定酶反应器，其特征在于：固定酶反应器，包括中空纤维水凝胶管、外壳、第一接头、第二接头、循环导管；所述中空纤维水凝胶管具有纤维网状的管壁和所述管壁围合成的多个管腔，酶包埋在所述管壁中；所述外壳的内部具有循环腔体，所述中空纤维水凝胶管位于所述循环腔体中且两端的管口与所述循环腔体隔离；两个第一接头分别连通所述中空纤维水凝胶管两端的管口，两个第二接头分别连通所述循环腔体；所述循环导管的一端连接其中一个第一接头，另一端连接其中一个第二接头。
2.如权利要求1所述的固定酶反应器，其特征在于：两个第一接头与所述中空纤维水凝胶管两端的管口之间分别安装有分流机构，所述分流机构包括第一分流板、第二分流板；所述第一分流板与所述第二分流板间隔排列，所述第一分流板靠近所述第一接头，所述第二分流板靠近所述中空纤维水凝胶管的管口；所述第一分流板上贯穿有多个第一分流孔，所述第二分流板上贯穿有多个第二分流孔。
3.如权利要求2所述的固定酶反应器，其特征在于：所述第一分流孔的半径大于所述第二分流孔的半径，所述第一分流孔的分布密度小于所述第二分流孔的分布密度。
4.如权利要求2所述的固定酶反应器，其特征在于：所述分流装置还包括支撑环，所述支撑环的中心设有沿其轴向分为两级的阶梯孔，所述第一分流板与所述阶梯孔中内径较小的一级过盈配合，所述第二分流板通过封装胶与所述阶梯孔中内径较大的一级粘接。
5.如权利要求4所述的固定酶反应器，其特征在于：所述支撑环的外圈一周设有安装槽，所述安装槽中固定连接有弹性的定位圈，所述定位圈的外圈一周等距分布有四个半圆球体的凸块。
6.如权利要求2所述的固定酶反应器，其特征在于：所述第一分流板朝向所述第一接头的一侧设有围绕在所述第一分流孔外圈的密封槽，所述密封槽中安装有弹性的O型密封圈。
7.如权利要求1所述的固定酶反应器，其特征在于：所述外壳包括主壳体、端盖，两个端盖分别螺接在所述主壳体的两端开口处；所述中空纤维水凝胶管位于所述主壳体的内部且两端的管口分别朝向两个端盖；所述中空纤维水凝胶管的两端分别通过封装胶与所述主壳体的内壁粘接，形成位于所述主壳体内部的循环腔体；两个第一接头分别固定连接在两个端盖的轴向中心位置，两个第二接头分别固定连接在所述主壳体上靠近所述中空纤维水凝胶管的两端位置。
8.如权利要求7所述的固定酶反应器，其特征在于：所述端盖的外端面边缘一周等距分布有四个加强筋。
9.如权利要求7所述的固定酶反应器，其特征在于：所述第一接头采用鲁尔接头，包括内环柱、外环柱、连接端，所述内环柱的中心孔贯穿所述端盖，所述外环柱位于所述内环柱的外圈，所述连接端与所述外环柱螺接。
10.一种固定酶反应系统，包括如权利要求1-9任一项所述的固定酶反应器，一个或多个串联的固定酶反应器组成反应机构；所述固定酶反应系统还包括色谱流动液相瓶、进液管、蠕动泵、出液管；所述色谱流动液相瓶中装有底物溶液；所述进液管的一端伸入所述底物溶液中，另一端连接所述反应机构的入口；所述蠕动泵安装在所述进液管的中部；所述出液管的一端连接所述反应机构的出口，另一端伸入所述底物溶液中。
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