本發(fā)明涉及涂覆在填料上的生物酶的原位生成法問題。通過用硅溶膠和酶的組合溶液充滿塔，硅溶膠溶液均勻地潤濕填料，隨后使生物催化涂層涂覆在精餾塔內(nèi)部。在生物催化劑失活的情況下，硅膠涂層可以通過用氫氧化鈉注入到塔中然后進行塔內(nèi)部的重新涂層從而更新為原狀。屬于酶催化反應精餾過程中的優(yōu)化技術(shù)。

背景技術(shù)：

生物酶是高分子生物催化劑，由于其在溫和條件下的高效反應機制和高選擇性，生物酶在反應工程中被廣泛應用。酶催化反應的限制之一是酶在高溫下的化學失活。于是生物酶催化劑的固定化對于在增加操作溫度條件下保持其活性是必要的，利用溶膠-凝膠法可以有效地固定酶。此外，在一些反應精餾過程中，催化劑的惰性化是一個重要的問題，因此，以一個更簡單的方法變換催化劑有助于反應精餾過程的實現(xiàn)。當前酶催化反應精餾中催化劑的裝填方式為催化劑被放在載酶筐中，然后和填料交替排列在精餾塔中，即一層填料一層催化劑的排列方式。因此當生物酶催化劑失活后只能將精餾塔進行拆卸，然后取出失活后的酶，再放入新的載酶筐。這種方法不僅費時費力，而且增加了停車時間，顯著加大了經(jīng)濟成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對當前技術(shù)中存在的不足，提供一種酶催化反應精餾中生物催化涂層的原位涂覆和更新的方法。該方法首先通過氫氧化鈉溶液清洗塔體內(nèi)部的填料，把失活后的生物酶洗掉；再從塔底以鼓泡的方式把新的溶膠酶涂覆在填料上。本發(fā)明使塔內(nèi)部構(gòu)件在不拆分的情況下，使涂覆在規(guī)整填料上的生物酶催化劑能在恰當?shù)奈恢蒙a(chǎn)和更新。通過原位生成法可以促進催化劑在反應精餾過程中進行交換并且減少停車時間和達到簡化安裝步驟從而降低經(jīng)濟成本的目的,具有顯著的實用性及經(jīng)濟效益。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種酶催化反應精餾中生物催化涂層的原位涂覆方法，包括以下步驟：

(1)將反應塔內(nèi)的溫度預冷至1℃-6℃，然后持續(xù)向塔釜注入相同溫度的溶膠，溶膠量為15.0m³m^-2-18.0m³m^-2；所述的反應塔為填料塔；

(2)向塔底的溶膠通入30℃-40℃的加熱空氣，使溶膠產(chǎn)生氣泡，并使氣泡區(qū)域逐步上升，直至充滿塔體；塔內(nèi)的壓力為大氣壓力；

(3)關(guān)閉溶膠和加熱空氣，排出塔釜多余的溶膠，然后使用鼓風機向塔內(nèi)通入30℃-60℃下的干燥空氣3-8分鐘，鼓風機的壓力為1.2-2.1個大氣壓；

(4)依次循環(huán)重復(2)-(3)步驟3-7次，完成生物催化涂層的原位涂覆。

一種酶催化反應精餾中生物催化涂層的原位更新方法，包括以下步驟：

(1)從酶催化反應精餾后的塔體頂部注入50℃-70℃的氫氧化鈉溶液進行洗塔2-6次；然后用去離子水沖洗一次；

(2)將反應塔內(nèi)溫度預冷至1℃-6℃，然后持續(xù)向塔釜注入相同溫度的溶膠，溶膠量為15.0m³m^-2-18.0m³m^-2；所述的反應塔為填料塔；

(3)向塔底的溶膠通入30℃-40℃的加熱空氣，使溶膠產(chǎn)生氣泡，并使氣泡區(qū)域逐步上升，直至充滿塔體；塔內(nèi)的壓力為大氣壓力；

(4)關(guān)閉溶膠和加熱空氣，排出塔釜多余溶膠，然后使用鼓風機向塔內(nèi)通入30℃-60℃下的干燥空氣3-8分鐘，鼓風機的壓力為1.2-2.1個大氣壓；

(5)依次循環(huán)重復(3)-(4)步驟3-7次；完成生物催化涂層的更新。

所述的步驟(1)中氫氧化鈉溶液的濃度為1.5～3m。

所述的酶催化反應精餾中生物催化涂層的原位涂覆和更新的方法中，所述的溶膠為含有生物酶的溶膠,該溶膠的制備包括以下步驟：

(1)a溶液的配制：分別取正硅酸甲酯、甲基三氧甲基硅烷和甲醇混合，放置在冰水浴內(nèi)攪拌；其中，質(zhì)量比為正硅酸甲酯：甲基三氧甲基硅烷：甲醇＝0.203：0.72：0.849；

(2)b溶液的配制：分別取1m的氟化鈉溶液、聚乙二醇、calb酶溶液、去離子水進行混合，冰水浴內(nèi)攪拌；其中，質(zhì)量比為氟化鈉溶液：聚乙二醇：calb酶溶液：去離子水＝0.1：0.3：0.2：0.34，calb酶溶液中蛋白含量為10.9mg/ml；

(3)將b溶液引流至a溶液中，在冰水浴內(nèi)攪拌2-6分鐘后取出,即可得到包含有生物酶的溶膠；

其中，質(zhì)量比a溶液中的正硅酸甲酯：b溶液中1m的氟化鈉溶液＝0.203:0.1。

所述的酶催化反應精餾為酯交換催化精餾反應。

所述的酯交換催化精餾反應優(yōu)選為乙酸乙酯和正丁醇的酯交換反應精餾。

由于反應溶膠在塔中泛濫，整個塔的內(nèi)部隨后被硅膠覆蓋。由于硅膠不能很好地連接到塔壁的平坦表面上，因此在底部容器中發(fā)現(xiàn)的凝膠薄片可能導致反應不受控制和產(chǎn)品的污染。于是，安裝壁蓋以提高凝膠的穩(wěn)定性，并為涂層提供額外的表面。該壁蓋由金屬網(wǎng)片組成，安裝在填料的周圍，壁蓋的安裝可以提高涂層的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的有益效果在于：

在整個周期過程中，填料仍然在塔中。因此，原位生成法是一種在非均相催化劑反應精餾過程中用來促進催化劑交換并且減少停車時間的方法。其主要的優(yōu)勢在于簡化了安裝步驟，雖然需要附加設(shè)備，但是這些額外附加的設(shè)備都是常見的，這也代表降低了投資費用。

當前酶催化反應精餾中催化劑的裝填方式為催化劑被放在載酶筐中，然后和填料交替排列在精餾塔中，即一層填料一層催化劑的排列方式。因此當生物酶催化劑失活后只能將精餾塔進行拆卸，然后取出失活后的生物酶，再放入新的載酶筐。這種方法不僅費時費力，而且增加了停車時間，顯著加大了經(jīng)濟成本。而本發(fā)明中的原位生產(chǎn)法很好的解決了上述過程中所遇到的問題，使催化劑的交換在不拆分精餾塔的情況下進行交換，減少了停車時間，簡化了安裝步驟，降低了投資費用。

附圖說明

1.圖1為酶催化反應精餾中生物催化涂層的原位涂覆和更新的裝置圖。

2.圖2為涂層過程示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案以及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明提供了一種用于酶催化反應精餾的生物催化涂層的原位生成法，包括的步驟詳細描述如下：

實施例1

塔設(shè)備：

該設(shè)備由一個內(nèi)部直徑為45mm和填料高度為720mm的填料塔構(gòu)成(如附圖1)。標準床是由帶有12段的規(guī)整填料cy500構(gòu)成，通過支撐網(wǎng)絡(luò)將填料的12個部分進行分離。在填料床以下提供了加壓的空氣，并且該空氣流可以通過調(diào)節(jié)加熱絲進行加熱。該塔在底部連接了一個4l的溫度控制反應容器，在頂部有一個冷凝器和一個回流閥。塔的壓力用旋片式真空泵p1進行調(diào)節(jié)，另一個旋片式真空泵p2的安裝用來從底部容器中取樣。塔和底部容器可以用一個手柄閥進行相互分離。

原位涂覆：

(1)將反應塔內(nèi)的溫度預冷至2℃，然后持續(xù)向塔釜注入相同溫度的溶膠，溶膠量為17.1m³m^-2；所述的反應塔為填料塔；

(2)向塔底的溶膠通入35℃的加熱空氣，使溶膠產(chǎn)生氣泡，并使氣泡區(qū)域逐步上升，直至充滿塔體；塔內(nèi)的壓力為大氣壓力；

(3)關(guān)閉溶膠和加熱空氣，排出塔釜多余的溶膠，然后使用鼓風機通入35℃下的干燥空氣5分鐘，鼓風機的壓力為1.2個大氣壓；重復(2)-(3)步驟4次，完成生物催化涂層的原位涂覆。

進行反應精餾實驗，將總質(zhì)量為800g的67wt％的乙酸乙酯和33wt％的正丁醇的混合物加入到塔釜，塔釜水槽的溫度為70℃，壓力為900mbar，回流閥設(shè)置為全回流，冷凝回流穩(wěn)定之后進行開車運行，反應時間為8個小時，通過分析反應得到的數(shù)據(jù)，乙酸乙酯的轉(zhuǎn)化率為45％，正丁醇的轉(zhuǎn)化率為82％，相比使用傳統(tǒng)的催化填料，催化效果提高了70％-90％。

原位更新：

(1)從酶催化反應精餾后的塔體頂部注入60℃的2mnaoh氫氧化鈉溶液洗塔3次；再用去離子水沖洗一次；

(2)將反應塔內(nèi)溫度預冷至2℃，然后持續(xù)向塔釜注入相同溫度的溶膠，溶膠量為17.1m³m^-2；所述的反應塔為填料塔；

(3)向塔底的溶膠通入35℃的加熱空氣，使溶膠產(chǎn)生氣泡，并使氣泡區(qū)域逐步上升，直至充滿塔體；塔內(nèi)的壓力為大氣壓力；

(4)關(guān)閉溶膠和加熱空氣，排出塔釜多余的溶膠，然后使用鼓風機通入35℃下的干燥空氣5分鐘，鼓風機的壓力為1.2個大氣壓；重復(3)-(4)步驟4次；完成更新。

原位更新完成之后，繼續(xù)酶催化反應精餾實驗，依然將總質(zhì)量為800g的67wt％的乙酸乙酯和33wt％的正丁醇的混合物加入到塔釜，塔釜水槽的溫度為70℃，壓力為900mbar，回流閥設(shè)置為全回流，冷凝回流穩(wěn)定之后進行開車運行，反應時間為8個小時，反應完成之后，對數(shù)據(jù)進行分析，得到乙酸乙酯的轉(zhuǎn)化率為42％，正丁醇的轉(zhuǎn)化率為80％，與完成原位涂覆之后進行反應的轉(zhuǎn)化率基本相等，說明更新成功，達到了預期的效果。

所述的硅凝膠為溶膠-凝膠反應得到的含有生物酶的凝膠，包括以下步驟：

(1)a溶液的配制：分別取正硅酸甲酯0.203kg、甲基三氧甲基硅烷0.72kg、甲醇0.849kg，混合，放置在冰水浴內(nèi)攪拌10分鐘。

(2)b溶液的配制：分別取1m的氟化鈉0.1kg、聚乙二醇(400)0.3kg、calb酶溶液0.2kg(蛋白含量為10.9mg/ml)、去離子水0.34kg進行混合，放置在冰水浴內(nèi)攪拌10分鐘。

(3)將b溶液引流至a溶液中，在冰水浴內(nèi)攪拌3分鐘后移至室溫。

1.涂層

涂層過程示意圖如圖2所示，首先，快速凝膠化會破壞規(guī)整加工，所以①溶膠和反應塔預冷至1℃-6℃以延長凝膠時間；②空氣流的加熱外套設(shè)置到加熱能力的40％-60％(空氣溫度＝35℃)，氣體負荷設(shè)定為1.2-2.1個大氣壓，液劑量設(shè)定為15.0m³m^-2-18.0m³m^-2，通過蠕動泵加入到塔釜位置；③直至噴動流化床膨脹至填料段最上方，方能停止溶膠的加入；④隨后，通過關(guān)閉溶膠和氣體流來排出溶膠，為了促進內(nèi)部進行凝膠，加入一個中間干燥步驟，⑤在1.2-2.1個大氣壓和30℃-60℃下加壓空氣3-8分鐘，中間干燥步驟的時間根據(jù)氟化鈉在溶膠中的濃度進行調(diào)整。依次循環(huán)重復②-⑤步驟3-7次。

2.洗滌

在反應精餾實驗使用之前，催化填料cy500用充滿塔的反應原料在60℃下洗滌1次，再用去離子水在室溫下洗滌1次。

3.干燥

為了確定催化填料cy500的負載，該涂層必須在加壓空氣為1.2-2.1個大氣壓，溫度為30℃-50℃時完全干燥2-4個小時。

4.涂層的去除

對于催化涂層的去除，在塔中灌入溫度為50℃-70℃的2mnaoh，將涂層的氣體負荷設(shè)置為1.2-2.1個大氣壓，塔內(nèi)的液體噴床是為了使氫氧化鈉和凝膠相互作用更充分，重復用氫氧化鈉灌塔3-5次，然后再用去離子水對塔進行沖洗，兩個小時的干燥步驟得出脫膜過程的結(jié)論。

以酶催化反應精餾制備乙酸丁酯的酯交換反應作為模型反應，反應物系正丁醇和乙酸乙酯，反應物的摩爾比為1:1，反應溫度為55℃，反應時間為3h，與傳統(tǒng)的催化填料相比，分布在塔的整個截面上的涂層有助于催化劑的利用率，正丁醇和乙酸乙酯的轉(zhuǎn)化率能提高70％到90％，在使用傳統(tǒng)的催化填料且操作條件為14.2kpa和0.0483kg/m²時，得到正丁醇的轉(zhuǎn)化率為25.79％，乙酸乙酯的轉(zhuǎn)化率為9.90％，而同樣條件下使用生物催化填料時正丁醇的轉(zhuǎn)化率可以達到89.99％，乙酸乙酯的轉(zhuǎn)化率可以達到49.78％，并且此生物催化填料在連續(xù)使用兩個月后其催化效率仍可保持在70％以上。這些數(shù)據(jù)表明，在使用生物酶催化涂層作為酯交換反應的催化劑時，可以實現(xiàn)正丁醇的轉(zhuǎn)化率超過80％，乙酸乙酯的轉(zhuǎn)化率能達到40％以上，說明在連續(xù)操作的反應精餾塔中生物催化填料的催化效果優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑，并且在模型反應中生物催化劑顯示出了極好的選擇性。

本發(fā)明未盡事宜為公知技術(shù)。