CN212247069U - 一种固定化酶反应装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种固定化酶反应装置，包括：主体，以及可拆卸地安装在主体上并通过连通管道依次连通的原料罐、酶解罐、降解液储罐和脱色罐；降解液储罐与脱色罐之间设有超滤装置，经超滤装置超滤后的小分子降解液进入脱色罐中脱色，而被截留的大分子降解液流回至原料罐进行二次酶解；降解液储罐内还设有控制超滤装置启动和/或停止运行的液位开关，超滤装置在降解液储罐内的降解液高于设定液位时启动运行，低于设定液位时停止运行。本申请提供的固定化酶反应装置，其安装与操作简便，还可以保证底物的完全降解，提高原料的利用率，以及酶解产物的分子量均一性和纯度。

Description

一种固定化酶反应装置

技术领域

本实用新型涉及酶解反应器技术领域，具体涉及一种固定化酶反应装置。

背景技术

固定化酶技术是用物理或化学手段，将游离酶封锁住固体材料或限制在一定区域内进行活跃的、特有的催化作用，并可回收长时间使用的一种技术。使用固定化酶技术进行催化反应，一方面利于酶的回收利用，减少资源浪费；另一方面可以简化产物的纯化工艺，降低能耗。

以固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置叫固定化酶反应器。现有的固定化酶反应器的形式很多，根据进料和出料的方式，可概括分为间歇式和连续式两大类，连续式又有两种基本形式：连续流动搅拌罐式反应器和填充床反应器；还有一些衍生形式：连续流动搅拌罐-超滤膜反应器、循环反应器和流化床反应器等。但是，搅拌式的反应器容易破坏酶的结构，从而降低固定化酶的酶活。此外，现有的固定化酶反应器对底物原料的利用率较低，无法保证底物能够完全降解，降解液的稳定性和纯度较低。

现有技术中也提供了多种能够用于酶解的反应装置，例如CN110437974A公开了一种酶解-膜过滤循环装置，该方案采用酶解后使用膜过滤组件超滤的方法获得了小分子量的贝类多肽，然而开放式的酶解池却容易产生污染的问题；CN207699588U公开了一种固定化酶反应装置，该方案将固定化酶与反应液分开，能够避免固定化酶受到搅拌器的剪切力；CN206232737U公开了一种固定化酶反应装置，该方案将固定化酶装载在多孔圆片上，通过提高底物和固定化酶的接触面积提高酶解效果；CN204509351U公开了一种酶反应自动装置系统，通过设置充满酶液的树脂柱提升酶解效果。上述方案在一定程度上能够提高固定化酶的酶解效果，但酶解后的降解液分子粒径并不均匀，无法解决降解液的稳定性和纯度较低的问题。

实用新型内容

为了解决上述问题，本申请旨在提供一种操作简单、能够有效提高原料利用率、以及酶解产物的分子量均一性和纯度的固定化酶反应装置，该反应装置包括：

主体，以及可拆卸地安装在所述主体上并通过连通管道依次连通的原料罐、酶解罐、降解液储罐和脱色罐；所述酶解罐内装填有固定化酶，所述原料罐中的底物在酶解罐中被固定化酶降解后进入降解液储罐，再经脱色罐脱色后排出；所述降解液储罐与脱色罐之间设有超滤装置，经所述超滤装置超滤后的小分子降解液进入脱色罐中脱色，而被截留的大分子降解液流回至原料罐进行二次酶解；所述降解液储罐内还设有控制所述超滤装置启动和/或停止运行的液位开关，所述超滤装置在降解液储罐内的降解液高于设定液位时启动运行，低于设定液位时停止运行。

在具有上述设置的固定化酶反应装置中，四个罐体可以通过主体实现各自独立的同时又能够一体化设置，并且四个罐体分别与主体是可拆卸连接的，如此设置既有利于简化反应装置的结构，提高拆装便捷度，又使得反应装置在具体操作时可以直接向罐体内装填或倒出物料，简化操作步骤。在一种实施方式中，部分用于连通各罐体的连通管道位于主体的内部，另一部分连通管道独立于主体地设置在两个罐体之间，优选的，设置于两个罐体之间的连通管道与罐体也是可拆卸连接的。

与此同时，上述固定化酶反应装置还能够在将酶解后的降解液进行循环多次地降解，超滤装置内液位开关的设置使该装置具有较高的自动化程度，并且能够获得分子量均一且无杂质的降解液，有效提高了固定化酶的利用率。

进一步地，超滤装置内有超滤膜，底物被固定化酶酶解充分的小粒径分子可以进入脱色罐，而未被充分酶解的可以返回原料罐二次酶解。与此同时，降解液储罐中的液位开关可以控制超滤装置的开启和/或关闭，使得反应装置能够更好的自动化运行。

进一步地，所述原料罐和酶解罐之间、酶解罐和降解液储罐之间还设有蠕动泵。蠕动泵的设置为反应装置中流体的流动提供动力，并且蠕动泵具有无污染、精度高、剪切力小、密封性好、易维护、具有双向同等流量输送能力等优点，并且操作简单。

进一步地，所述原料罐与所述酶解罐之间具有固定化酶循环管道，固定化酶通过所述固定化酶循环管道在酶解罐和原料罐之间循环，以使得固定化酶在所述酶解罐内均匀填充。如此设置，一方面可以进一步提高固定化酶的酶解效果和底物利用率，另一方面，循环填充后的固定化酶颗粒之间具有空隙，还能够起到一定的过滤作用。

在一种实施方式中，固定化酶可以通过原料罐进入酶解罐，并在蠕动泵的作用下通过固定化酶循环管道实现在酶解罐和原料罐之间循环，最终均匀地装填在酶解罐内；在另一种实施方式中，也可以将酶解罐拆卸后直接装填，此时可以手动地磕动罐体底部实现填充均匀。

进一步地，所述固定化酶循环管道以及所述酶解罐和降解液储罐之间的连通管道上均设有阀门。

其中，未能够通过超滤装置的大分子降解液经连通管道流回至原料罐，在优选的实施方式中，固定化酶循环管道也可以承担该部分连通管道的功能，即大分子降解液经固定化酶循环管道流回至原料罐，或者说此时的固定化酶循环管道由大分子降解液流回至原料罐的部分连通管道形成，还可以理解为此时固定化酶可通过大分子降解液流回至原料罐的部分连通管道在原料罐和酶解罐之间循环填充。

在优选的实施方式中，固定化酶循环管道处设有第一阀门，酶解罐和降解液储罐之间的连通管道处设有第二阀门，显然上述两个阀门在使用时应当是只有一个处于开启状态的。当反应装置进行装填固定化酶时，第一阀门开启而第二阀门关闭，此时可以使得固定化酶能够通过固定化酶循环管道流回至原料罐，而无法进入降解液储罐；当反应装置进行底物降解时，第一阀门关闭而第二阀门开启，此时底物经过酶解罐降解后可以通过连通管道进入降解液储罐，而无法流回至原料罐。

优选的，所述第一阀门和第二阀门可以是电磁阀。同时，当固定化酶循环管道由大分子降解液流回至原料罐的部分连通管道形成时，第一阀门应当是三通阀，第二阀门可以是二通阀。此时，当进行循环填充固定化酶时，控制第一阀门连通酶解罐和固定化酶循环管道，第二阀门关闭；当进行底物酶解时，第二阀门开启，控制第一阀门连通固定化酶循环管道和大分子降解液流回至原料罐的另一部分连通管道。

此外，若以将酶解罐拆卸后直接装填的方式装填固定化酶，也可以不设固定化酶循环管道和第一阀门。

进一步地，所述装置还包括控制组件，所述控制组件包括位于原料罐内的温度传感器，和位于所述主体内的控制器。控制组件的设置能够有效控制原料罐中的底物温度，使得底物在较高的酶活性下被降解。

进一步地，所述控制组件还包括设置于主体外侧的显示屏，能够显示原料罐中的温度，在一种实施方式中，还可以显示其他参数，例如pH、反应时间等，优选的，设于主体内的控制器用于温度等参数的预设及调节。

进一步地，所述控制组件还包括加热件，例如电热棒、电阻丝等，以便于调节反应装置内的温度。

进一步地，所述原料罐、酶解罐、降解液储罐和脱色罐的外表面包覆有保温材料，以用于维持罐体内的温度。在一种实施方式中，控制组件中的加热件也可以包覆在罐体的外表面，用于对罐体加热并维持罐体内的温度。

进一步地，所述装置还具有位于原料罐内的pH电极，以用于监测和/或调控原料罐中物料的pH。在一种实施方式中，还可以将原料调好pH后再加入至原料罐中。

进一步地，所述原料罐设有进液口，所述脱色罐设有出液口。其中，底物由进液口进入原料罐，并在被酶解后最终从脱色罐的出液口流出。

在一种实施方式中，脱色罐与降解液储罐之间还可以再另设一循环脱色管道，即经脱色罐脱色后的小分子降解液经循环脱色管道流回至降解液储罐，以实现循环脱色，此时出液口除可以设在脱色罐外还可以设在降解液储罐。

进一步地，所述脱色罐内装填有活性炭，以对降解液充分脱色。

进一步地，至少部分所述降解液储罐和/或至少部分脱色罐的罐壁透明可视，如此设置便于观察降解液储罐和/或脱色罐内的降解液的物理性状以及脱色情况。

通过本申请能够带来如下有益效果：

本申请提供的固定化酶反应装置，其安装与操作非常简便，具有较高的自动化程度，设定参数后，装置可自动运行；同时通过超滤系统，还可以保证底物的完全降解，提高原料的利用率，以及酶解产物的分子量均一性和纯度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为固定化酶反应装置一个实施例的主视图；

图2为固定化酶反应装置一个实施例的剖视图；

图3为固定化酶反应装置的使用示意图；

图中：1、主体；2、原料罐；21、进液口；3、酶解罐；4、降解液储罐；41、液位开关；5、脱色罐；6、蠕动泵；7、超滤装置；8、控制组件；81、显示屏；82、控制器；83、温度传感器；84、pH电极；9、固定化酶；10、出液口；11、第一阀门；12、第二阀门；13、连通管道；14、活性炭；15、保温材料。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面再结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。但注明直接连接则说明连接地两个主体之间并不通过过度结构构建连接关系，只通过连接结构相连形成一个整体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本申请的实施例提供了一种固定化酶反应装置，该反应装置操作简单，并且能够有效提高原料利用率、酶解产物的分子量均一性和纯度。如图1-2所示，该反应装置包括：

主体1，以及通过连通管道13依次连通的原料罐2、酶解罐3、降解液储罐4和脱色罐5，并且上述四个罐体可拆卸地安装在主体1上。其中，原料罐2设有进液口21，脱色罐5设有出液口10，底物由进液口21处进入原料罐2，并在被酶解后最终从脱色罐5的出液口10处流出。

其中，如图2所示，酶解罐3内装填有固定化酶9，脱色罐5内装填有活性炭14，以对降解液充分脱色。原料罐2和酶解罐3之间、酶解罐3和降解液储罐4之间的连通管道13上均设有蠕动泵6，并且原料罐2中的底物在酶解罐3中被固定化酶9降解后进入降解液储罐4，再经脱色罐5脱色后排出；降解液储罐4与脱色罐5之间的连通管道13上设有超滤装置7，经超滤装置7超滤后的小分子降解液进入脱色罐5中脱色，而被截留的大分子降解液流回至原料罐2进行二次酶解；降解液储罐4内还设有控制超滤装置7启动和/或停止运行的液位开关41，超滤装置7在降解液储罐4内的降解液高于设定液位时启动运行，低于设定液位时停止运行。

其中，超滤装置7内有超滤膜，底物被固定化酶9酶解充分的小粒径分子可以进入脱色罐5，而未被充分酶解的可以返回原料罐2二次酶解。与此同时，降解液储罐4中的液位开关41可以控制超滤装置7的开启和/或关闭，使得反应装置能够更好的自动化运行。而蠕动泵6的设置为反应装置中流体的流动提供动力，并且蠕动泵6具有无污染、操作简单、精度高、剪切力小、密封性好、易维护、具有双向同等流量输送能力等优点。

在优选的实施方式中，至少部分降解液储罐4和/或脱色罐5的罐壁透明可视，或者降解液储罐4和/或脱色罐5的罐壁采用透明的玻璃材质，还可以在罐壁可视处设置刻度，如此设置便于观察降解液储罐4和/或脱色罐5内的降解液的物理性状以及脱色情况。

在具有上述设置的固定化酶反应装置中，四个罐体可以通过主体1实现各自独立的同时又能够一体化设置，并且四个罐体分别与主体1是可拆卸连接的，如此设置既有利于简化反应装置的结构，提高拆装便捷度，又使得反应装置在具体操作时可以直接向罐体内装填或倒出物料，简化操作步骤。在一种实施方式中，部分用于连通各罐体的连通管道13位于主体1的内部，另一部分连通管道13独立于主体1地设置在两个罐体之间，优选的，设置于两个罐体之间的连通管道13与罐体也是可拆卸连接的。与此同时，上述固定化酶反应装置还能够在将酶解后的降解液进行循环多次地降解，液位开关41的设置使该装置具有较高的自动化程度，并且能够获得分子量均一且无杂质的降解液，有效提高了固定化酶的利用率。

在如图2所示的实施例中，原料罐2与酶解罐3之间具有固定化酶循环管道，固定化酶9通过固定化酶循环管道在酶解罐3和原料罐2之间循环，以使得固定化酶9在酶解罐3内均匀填充。如此设置，一方面可以进一步提高固定化酶9的酶解效果和底物利用率，另一方面，循环填充后的固定化酶颗粒之间具有空隙，还能够起到一定的过滤作用。

在一种实施方式中，固定化酶9可以通过原料罐2进入酶解罐3，并在蠕动泵6的作用下通过固定化酶循环管道实现在酶解罐3和原料罐2之间循环，最终均匀地装填在酶解罐3内；在另一种实施方式中，也可以将酶解罐3拆卸后直接装填，此时可以手动地磕动罐体底部实现填充均匀。

优选的，固定化酶循环管道以及酶解罐3和降解液储罐4之间的连通管道上均设有阀门。

其中，未能够通过超滤装置的大分子降解液经连通管道流回至原料罐2，在优选的实施方式中，固定化酶循环管道也可以承担该部分连通管道的功能，即大分子降解液经固定化酶循环管道流回至原料罐，或者说此时的固定化酶循环管道由大分子降解液流回至原料罐的部分连通管道形成，还可以理解为此时固定化酶可通过大分子降解液流回至原料罐的部分连通管道在原料罐和酶解罐之间循环填充，如图2所示。

在如图2所示的实施例中，固定化酶循环管道处设有第一阀门11，酶解罐3和降解液储罐4之间的连通管道上设有第二阀门12，显然上述两个阀门在使用时应当是只有一个处于开启状态的。当反应装置进行装填固定化酶9时，第一阀门11开启而第二阀门12关闭，此时可以使得固定化酶9能够通过固定化酶循环管道流回至原料罐2，而无法进入降解液储罐4；当反应装置进行底物降解时，第一阀门11关闭而第二阀门12开启，此时底物经过酶解罐3降解后可以通过连通管道进入降解液储罐4，而无法流回至原料罐2。

优选的，第一阀门11和第二阀门12可以是电磁阀，并且第一阀门11为三通阀，第二阀门12为二通阀。此时，当进行循环填充固定化酶时，控制第一阀门11连通酶解罐3和固定化酶循环管道(即第一阀门11左侧处的管道)，第二阀门12关闭；当进行底物酶解时，第二阀门12开启，控制第一阀门连通固定化酶循环管道和大分子降解液流回至原料罐的另一部分连通管道(即第一阀门11右侧处与超滤装置7连接的管道)。

在其他的实施方式中，若以将酶解罐3拆卸后直接装填的方式装填固定化酶，也可以不设固定化酶循环管道和第一阀门11。

其中，上述反应装置还包括控制组件8，该控制组件8包括设置于主体1外侧的显示屏81，位于原料罐2内的温度传感器83，和位于主体1内的控制器82。优选的，原料罐2、酶解罐3、降解液储罐4和脱色罐5的罐体外表面包覆有保温材料15，以用于维持罐体内的温度。温度控制组件8的设置能够有效控制原料罐2中的底物温度，使得底物在较高的酶活性下被降解。其中，显示屏81能够显示原料罐2中的温度，在一种实施方式中，还可以显示其他参数，例如pH、反应时间等，优选的，设于主体内的控制器82用于温度等参数的预设及调节。可选的，温度控制组件8还包括加热件，例如电热棒、电阻丝等，以便于调节反应装置内的温度，在一种实施方式中，温度控制组件8中的加热件也可以包覆在罐体的外表面，用于对罐体加热并维持罐体内的温度。

如图2所示，原料罐2内还设有pH电极84，以用于监测和/或调控原料罐2中物料的pH，优选的，pH电极84也可以通过主体1内的控制器82进行调节控制。在一种实施方式中，还可以将底物调好pH后再加入至原料罐2中。

在其他的实施方式中，脱色罐5与降解液储罐4之间还可以再另设一循环脱色管道，即经脱色罐脱色后的小分子降解液经循环脱色管道流回至降解液储罐4，以实现循环脱色，此时出液口10除可以设在脱色罐5外还可以设在降解液储罐4处。

如图3所示，上述实施例的反应装置的使用方法如下：

将原料罐2、酶解罐3、降解液储罐4和脱色罐5与主体1组装成完整的反应装置后，第一阀门11连通酶解罐3和固定化酶循环管道，并关闭第二阀门12，将固定化酶9的颗粒通过进液口21进入原料罐2，打开蠕动泵6和控制组件8，并在蠕动泵6的作用下通过连通管道13进入酶解罐3，由于第一阀门11连通酶解罐3和固定化酶循环管道，因此固定化酶9通过固定化酶循环管道进入原料罐2，经多次反复后固定化酶9最终在酶解罐3中均匀填充。装填好固定化酶9后，开启第二阀门12，并控制第一阀门11连通固定化酶循环管道和超滤装置7，将底物原料从进料口21进入原料罐2，并在酶解罐3中酶解后进入降解液储罐4，当降解液储罐4中的降解液高于液位开关41时，超滤装置7开启，使得粒径较小的降解液进入脱色罐5，并在脱色后由出液口10处排出，而粒径较大的降解液流回至原料罐2，并在酶解罐3中再次酶解。

上述实施例提供的固定化酶反应装置，其安装与操作非常简便，具有较高的自动化程度，设定参数后，装置可自动运行；同时通过超滤系统，还可以保证底物的完全降解，提高原料的利用率，以及酶解产物的分子量均一性和纯度。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种固定化酶反应装置，其特征在于，包括：

主体(1)，以及可拆卸地安装在所述主体(1)上并通过连通管道(13)依次连通的原料罐(2)、酶解罐(3)、降解液储罐(4)和脱色罐(5)；所述酶解罐(3)内装填有固定化酶(9)，所述原料罐(2)中的底物在酶解罐(3)中被固定化酶(9)降解后进入降解液储罐(4)，再经脱色罐(5)脱色后排出；

所述降解液储罐(4)与脱色罐(5)之间设有超滤装置(7)，经所述超滤装置(7)超滤后的小分子降解液进入脱色罐(5)中脱色，而被截留的大分子降解液流回至原料罐(2)进行二次酶解；所述降解液储罐(4)内还设有控制所述超滤装置(7)启动和/或停止运行的液位开关(41)，所述超滤装置(7)在降解液储罐(4)内的降解液高于设定液位时启动运行，低于设定液位时停止运行。

2.根据权利要求1所述的固定化酶反应装置，其特征在于，所述原料罐(2)和酶解罐(3)之间、酶解罐(3)和降解液储罐(4)之间的连通管道(13)上设有蠕动泵(6)。

3.根据权利要求2所述的固定化酶反应装置，其特征在于，所述原料罐(2)与所述酶解罐(3)之间还具有固定化酶循环管道，固定化酶(9)通过所述固定化酶循环管道在酶解罐(3)和原料罐(2)之间循环，以使得固定化酶(9)在所述酶解罐(3)内均匀填充。

4.根据权利要求3所述的固定化酶反应装置，其特征在于，所述固定化酶循环管道以及所述酶解罐(3)和降解液储罐(4)之间的连通管道上均设有阀门。

5.根据权利要求1所述的固定化酶反应装置，其特征在于，所述装置还包括控制组件(8)，所述控制组件(8)包括位于原料罐(2)内的温度传感器(83)，和位于所述主体(1)内的控制器(82)。

6.根据权利要求5所述的固定化酶反应装置，其特征在于，所述原料罐(2)、酶解罐(3)、降解液储罐(4)和脱色罐(5)的罐体外表面包覆有保温材料。

7.根据权利要求5所述的固定化酶反应装置，其特征在于，所述装置还具有位于原料罐(2)内的pH电极(84)。

8.根据权利要求1所述的固定化酶反应装置，其特征在于，所述原料罐(2)设有进液口(21)，所述脱色罐(5)设有出液口(10)。

9.根据权利要求1所述的固定化酶反应装置，其特征在于，所述脱色罐(5)内装填有活性炭(14)。

10.根据权利要求1所述的固定化酶反应装置，其特征在于，至少部分所述降解液储罐(4)和/或至少部分脱色罐(5)的罐壁透明可视。

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