专利名称：功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置与方法
技术领域：
本发明涉及多糖降解，特别是涉及一种功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置与方法。
背景技术：
许多的天然生物多糖来自于动植物或真菌等具有显著的生物活性，但由于分子量较大，粘度大，水溶性差或不溶，影响了其应用及生物活性。如裂褶多糖，具有较好的抗肿瘤活性，但其分子量一般有几百万甚至上千万，较难溶或溶解度较小，影响其应用；壳聚糖也具有较好的生理活性，但其根本不溶于水，只能溶于醋酸等酸性溶液中，大大限制了其应用范围。因此，需要对这些高分子量的天然多糖进行改性。最简单的方法是对其进行降解，降低其分子量。只要不改变多糖的结构，适度降低分子量，不仅可以改善溶解性，而且还可以增强生物活性。大功率超声场成为降解多糖的一种较适宜的方法。目前超声降解多糖一般是间歇式的，即多糖经过一定强度的大功率超声场作用一定的时间后再进行必要的分离等后续操作。这种间歇式操作的存在的问题是，降解多糖的分子量分布较宽，可能还有完全没有降解的大分子，有大量降解到一定分子量的多糖，同时还有一些被过度降解成相对分了量较小的多糖或寡糖，由于分子量过小可能会让多糖失去生物活性如裂褶多糖分子量小于5万时活性就会降低，而I万以下则活性丧失。因此，需要建立一种连续且分子量可控的降解方法。
发明内容
本发明的目的是针对间歇式超声场降解多糖程存在的问题，提供一种实现降解多糖分子量可控降解、连续进料、降解和分离，降解效率高的功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置与方法。本发明将超声场与超滤分离有机结合起来，建立连续化的功率超声降解与膜分离一体化置，对降解多糖的分子量进行有效控制。利用功率超声场对难溶、溶解度小或粘度太大的天然活性大分子多糖进行降解改性，以提高其溶解性，降低粘度；同时利用膜分离，将达到降解要求的多糖及时从反应体系中分离，避免多糖被进一步降解和过度降解，对分子量实行有效控制，以获得分子量在I 500kDa之间可根据不同多糖及降解需求改变膜的截流分子量从而控制产物分子量的范围的具有良好生理活性的降解改性多糖或寡糖，并且实现连续化的功率超声降解与膜分离的一体化。本发明的目的通过如下技术方案实现功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置，包括罐体、冷凝夹层、温度传感器、PH探头、陶瓷微滤膜、超声发生器、中央控制台、第一级超滤膜分离器、贮箱和第二级超滤膜 分离器；罐体侧边设有冷凝夹层，冷凝夹层上设有冷凝水的进出口，冷凝水的进出口设有电磁阀；罐体内侧边安装温度传感器；罐体的顶部安装有超声换能器，超声换能器与超声发生器连接；罐体的顶部还安装有搅拌器，并设有进料口 ；罐体内的边侧与下底之间接合处安装有陶瓷微滤膜，膜孔大小为0. 03 8 i! m ;罐体的底安装有pH探头；温度传感器、电磁阀、PH探头和超声发生器都与中央控制台连接，中央控制台为单片机或者计算机；罐体的底部中央安装有出料口及阀门；所述出料口及阀门通过一级泵与第一级超滤膜分离器连接，第一级超滤膜分离器分别与贮箱和进料口连接；贮箱通过二级泵与第二级超滤膜分离器连接；第二级超滤膜分离器还通过管道与贮箱连接；贮箱设有出料阀门。 为进一步实现本发明的目的，所述罐体优选为圆筒形空腔结构，罐体的顶部和底部为圆弧形的顶和底。所述圆筒形空腔结构的内径优选为0. 05-10m。所述罐体的底部安装有取样口，取样口带有阀门。所述罐体的边侧上设有多个观察视孔。所述罐体内的边侧与下底之间接合处安装的陶瓷微孔滤膜采用螺栓及垫片连接。应用上述装置的功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的方法将多糖的溶液、不溶性多糖的悬浮液或直接将多糖的固体与溶剂经进料口加入罐体中，开动搅拌器和超声发生器，对罐体内的多糖进行超声降解；开动电磁阀，冷却水经冷凝水的进出口进出；通过PH探头测定多糖降解过程体系的pH;降解设定时间后，开启出料口及阀门，并启动一级泵，降解的多糖通过陶瓷微滤膜，经出料口及阀门、一级泵进入第一级超滤膜分离器；第一级超滤膜分离器的截流液返回到罐体内，透过液进入贮罐，经二级泵进入第二级超滤膜分离器，第二级超滤膜分离器的截流液经浓缩通过出料阀门排出，得降解多糖产品。本发明具有如下优点本发明将功率超声降解与膜分离集成起来形成一体化的装置，进行难溶及粘度太大的大分子多糖的降解改性，对降解产物多糖的分子量进行有效控制，避免过度降解，大大提高整个反应体系的效率和目标产物的收率。为了制备分子量在5000至30000的小分子壳聚糖，分别利用本发明装置及常规超声降解装置进行试验，投入总量10. Og脱乙酰度为91. 6%的壳聚糖初始分子量为3. I X 105，两种装置的超声功率均为180W，超声频率均为25kHz。在此试验中采用本发明装置的第一级超滤膜分离的分子量为30000Da，而第二级分离浓缩的超滤膜的分子量为5000Da，得到结果如表I所示。从结果可以看出，本发明的装置目标产物的产率大大提高，特别是较少小分子产生。实际效率与普通的超声降解装置效果差异显著。
图I是功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置的结构示意图。图中示出罐体I、超声换能器2、搅拌器3、进料口 4、冷凝夹层5、冷凝水的进出口
6、电磁阀7、温度传感器8、pH探头9、陶瓷微滤膜10、取样阀门11、出料口及阀门12、中央控制台13、超声发生器14、观察视孔15、一级泵16、第一级超滤膜分离器17、贮箱18、二级泵19、第二级超滤膜分离器20和出料阀门21。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于的实施方式表述的范围。如图I所示，功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置包括罐体I、冷凝夹层5、温度传感器8、pH探头9、陶瓷微滤膜10、超声发生器14、中央控制台13、第一级超滤膜分离器17、贮箱18和第二级超滤膜分离器20 ;罐体I优选为圆筒形空腔结构，筒体直径优选为
0.05-10m，罐体I的顶部和底部优选为圆弧形的顶和底；罐体I侧边设有冷凝夹层5，冷凝夹层5上设有冷凝水的进出口 6，冷凝水的进出口 6设有电磁阀7 ;罐体I内侧边安装温度传感器8 ;罐体I的顶部安装有超声换能器2 (超声探头)，超声换能器2与超声发生器14连接，超声功率为0. I 3kW，频率范围为20 IOOkHz ;罐体I的顶部还安装有搅拌器3，并设有进料口 4 ;罐体I内的边侧与下底之间接合处安装有陶瓷微滤膜10，膜孔大小为0. 03 8 iim;罐体I的底安装有pH探头9和取样口，取样口带有阀门11 ;温度传感器8、电磁阀7、pH探头9和超声发生器14都与中央控制台13连接，中央控制台13为单片机或者计算机；经中央控制台13进行控制和调节。罐体I的边侧上设有多个观察视孔15，用于观测管体内多糖的降解变化情况；罐体I的底部中央安装有出料口及阀门12。pH探头9为一种pH传感器。罐体I内的边侧与下底之间接合处安装的陶瓷微孔滤膜10采用螺栓及垫片连接。出料口及阀门12通过一级泵16与第一级超滤膜分离器17连接，第一级超滤膜分离器17分别与贮箱18和进料口 4连接；贮箱18通过二级泵19与第二级超滤膜分离器20连接；第二级超滤膜分离器20还通过管道与贮箱18连接；第一级超滤膜分离器17的截流液经罐顶进料口 4返回罐体I中；第一级超滤膜分离器17的透过液进入缓冲贮罐18，再经二级泵19送入第二级超滤膜分离器20，第二级超滤膜分离器20的截流液(目的产物)进入贮箱18，不断浓缩，并可通过打开出料阀门21排出；第二级超滤膜分离器20的透过液为溶剂及小分子，直接排放。第一级超滤膜分离器17和第二级超滤膜分离器20的规格及分子量可根据目标多糖降解产物分子量的上下限决定(例如要将多糖降解成分子量为10000 IOOOOODa范围，则超滤膜分离器17的滤过分子量选上限lOOOOODa，而第二级超滤膜分离器20的滤过选分子量规格为下限IOOOODa)。使用功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置时，将多糖的溶液、不溶性多糖的悬浮液或直接将多糖的固体与溶剂经进料口 4加入罐体I中，开动搅拌器3，转速低于lOOrpm，开动超声发生器14，调节超声功率和超声频率等超声作用参数，超声场经超声换能器2对罐体I内的多糖进行超声降解；开动电磁阀7，冷却水经冷凝水的进出口 6进出，冷却水的流量通过电磁阀7调节，其流量大小与温度传感器8关联经中央控制台13控制。对于多糖降解过程体系的PH可以通过pH探头9进行测定。降解一定时间后，开启出料口及阀门12，并启动和一级泵16，在一级泵16的抽力作用下，让降解的多糖通过陶瓷微滤膜10 ；通过陶瓷微滤膜10的降解后多糖经出料口及阀门12、一级泵16进入第一级超滤膜分离器17，第一级超滤膜分离器17能透过多糖的分子量由目标降解多糖产物的最大分子量决定。第一级超滤膜分离器17的截流液返回到罐体内，而第一级超滤膜分离器17的透过液为所要降解的多糖产物，透过液进入贮罐18。随后第一级超滤膜分离器17透过的降解多糖再经 过一级超滤系统进行浓缩，同时除去水和溶剂以及分离除去可能过度降解的寡糖。第一级超滤膜分离器17的透过液经二级泵19进入第二级超滤膜分离器20，第二级超滤膜分离器20滤过的分子量选择目标产物多糖的分子量下限。第二级超滤膜分离器20的透过液为溶剂及过度降解的非目标小分子多糖；第二级超滤膜分离器20的截流液不断浓缩，最终浓缩产品通过打开出料阀门21排出，获得目标降解多糖产品。本发明通过三级膜分离的组合，以保证被降解多糖及时被分离，提高分离效率。第一级膜为陶瓷微滤膜，直接安装于超声降解反应器中罐体I下部，对多糖进行初分离，以截流未溶解或未降解的大分子多糖，同时也减轻第二级超滤膜的负担，提高分离效率；通过陶瓷微滤膜微滤后的降解 多糖经一级泵16送至第一级超滤膜分离器17 ( 二级膜分离)进行分离，以目标产物最高分子量为本级超滤膜的分子量，以便让达到降解程度的多糖透过，而未达到降解要求的多糖被截流回超声降解反应器的罐体I内；透过二级膜的降解多糖再经第二级超滤膜分离器20 (三级膜分离)，三级膜分离的分离膜分子量等于降解改性多糖允许的最小分子量，以除去水分及小分子，而截流部分即为目标产物改性多糖。实施例I采用本发明装置制备分子量在5000 30000Da之间的壳聚糖。首先设备的配置是，第一级超滤膜过滤器17改为分子量为30000Da的超滤膜组件，将第二级超滤膜分离器20换成分子量为5000Da的超滤膜组件。将IOg脱乙酰度为91. 6%的壳聚糖平均分子量3. I X IO5Da粉末加入到本发明装置超声降解反应罐I中，再加入48g冰醋酸，水3000mL，开动搅拌器3，设定转速为30rpm，开动超声发生器14电源，调节超声功率为180W，超声频率25kHz，对壳聚糖进行超声降解；开动电磁阀7，冷凝水的进出口 6通入冷却水，反应器温度控制在10°C，温度通过温度传感器8测定罐内温度经中央控制台13根据温度的高低调节电磁阀7的开度和流量大小。降解至IOmin时，开启出料口及阀门12和一级泵16，让降解的多糖经过陶瓷微滤膜10并被压向第一级超滤膜分离器17，分子量小于30000Da的降解壳聚糖透过第一级超滤膜分离器17，而分子量大于30000Da的壳聚糖被截流返回到超声降解反应罐中。透过液进入贮罐18。再经二级泵19进入第二级超滤膜分离器20，使分子量小于5000Da的非目标产物及小分子随透过液排出，而分子量大于5000Da的目标产物降解壳聚糖被截流并浓缩，最后经第二阀门21放料。反应2小时，获得分子量为5000 30000Da目标产物3. 2g ;反应至6小时，获得目标产物8. 3g。实施例2采用本发明装置，对天然大分子裂褶多糖分子量约为7X106Da制备分子量在100 250kDa之间的裂褶多糖。首先设备的配置是，第一级超滤膜过滤器17改为分子量为250kDa的超滤膜组件，将第二级超滤膜过滤器20换成分子量为IOOkDa的超滤膜组件。将5g平均分子量约为7 X IO6Da的裂褶多糖溶于495g蒸馏水中配成I %的溶液，加入到本发明罐体I中，开动搅拌器3，设定转速为50rpm，开动超声发生器14电源，调节超声功率为200W，超声频率25kHz，对裂褶多糖进行超声降解；开动电磁阀7，冷凝水的进出口6通入冷却水，反应器温度控制在20°C，温度通过温度传感器8测定罐内温度经中央控制台13根据温度的高低调节电磁阀7的开度和流量大小。开启出料口及阀门12和一级泵16，让降解的多糖经过陶瓷微滤膜10并被压向第一级超滤膜分离器17，分子量小于250kDa的降解裂褶多糖透过超滤膜，而分子量大于250kDa的裂褶多糖被截流返回到罐体I中。透过液进入贮罐18。再经二级泵19进入第二级超滤膜分离器20，使分子量小于IOOkDa的非目标产物及小分子随透过液排出，而分子量大于IOOkDa的目标产物降解裂褶多糖被截流并浓缩，最后经第二阀门21排出。反应4小时，获得分子量为100 250kDa目标产物llg;反应至10小时，获得目标产物4. 5g，分子量小于IOOkDa的裂褶多糖0. 2g。本发明将功率超声降解与膜分离集成起来形成一体化的装置，进行难溶及粘度太大的大分子多糖的降解改性，对降解产物多糖的分子量进行有效控制，避免过度降解，大大提高整个反应体系的效率和目标产物的收率。为了制备分子量在5000至30000的小分子壳聚糖，分别利用本发明装置及常规超声降解装置进行试验，投入总量10. Og脱乙酰度为91. 6%的壳聚糖初始分子量为3. I X 105，两种装置的超声功率均为180W，超声频率均为25kHz。在此试验中采用本发明装置的第一级超滤膜分离的分子量为30000Da，而第二级分离浓缩的超滤膜的分子量为5000Da，得到结果如表I所示。从结果可以看出，本发明的装置目标产物的产率大大提高，特别是较少小分子产生。实际效率与普通的超声降解装置效果差异显著。表I本发明的装置与普通间歇式超声降解装置的效果对比
权利要求
1.功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置，其特征在于包括罐体、冷凝夹层、温度传感器、PH探头、陶瓷微滤膜、超声发生器、中央控制台、第一级超滤膜分离器、贮箱和第二级超滤膜分离器；罐体侧边设有冷凝夹层，冷凝夹层上设有冷凝水的进出口，冷凝水的进出口设有电磁阀；罐体内侧边安装温度传感器；罐体的顶部安装有超声换能器，超声换能器与超声发生器连接；罐体的顶部还安装有搅拌器，并设有进料口 ；罐体内的边侧与下底之间接合处安装有陶瓷微滤膜，膜孔大小为0. 03 8 ii m ;罐体的底安装有pH探头；温度传感器、电磁阀、PH探头和超声发生器都与中央控制台连接，中央控制台为单片机或者计算机；罐体的底部中央安装有出料口及阀门； 所述出料口及阀门通过一级泵与第一级超滤膜分离器连接，第一级超滤膜分离器分别与贮箱和进料口连接；贮箱通过二级泵与第二级超滤膜分离器连接；第二级超滤膜分离器还通过管道与贮箱连接；贮箱设有出料阀门。
2.根据权利要求I所述的功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置，其特征在于所述罐体为圆筒形空腔结构，罐体的顶部和底部为圆弧形的顶和底。
3.根据权利要求2所述的功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置，其特征在于所述圆筒形空腔结构的内径为0. 05-10m。
4.根据权利要求I所述的功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置，其特征在于所述罐体的底安装有取样口，取样口带有阀门。
5.根据权利要求I所述的功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置，其特征在于所述罐体的边侧上设有多个观察视孔。
6.根据权利要求I所述的功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置，其特征在于所述罐体内的边侧与下底之间接合处安装的陶瓷微孔滤膜采用螺栓及垫片连接。
7.应用权利要求I所述装置的功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的方法，其特征在于将多糖的溶液、不溶性多糖的悬浮液或直接将多糖的固体与溶剂经进料口加入罐体中，开动搅拌器和超声发生器，对罐体内的多糖进行超声降解；开动电磁阀，冷却水经冷凝水的进出口进出；通过PH探头测定多糖降解过程体系的pH;降解设定时间后，开启出料口及阀门，并启动一级泵，降解的多糖通过陶瓷微滤膜，经出料口及阀门、一级泵进入第一级超滤膜分离器；第一级超滤膜分离器的截流液返回到罐体内，透过液进入贮罐，经二级泵进入第二级超滤膜分离器，第二级超滤膜分离器的截流液经浓缩通过出料阀门排出，得降解多糖产品。
全文摘要
本发明公开了功率超声与膜分离耦合连续降解多糖的装置与方法，该装置包括罐体、超声发生器、第一级超滤膜分离器、贮箱和第二级超滤膜分离器；罐体的顶部安装有超声换能器和搅拌器；罐体内的边侧与下底之间接合处安装有陶瓷微滤膜，膜孔大小为0.03～8μm；罐体的底部中央安装有出料口及阀门；出料口及阀门通过一级泵与第一级超滤膜分离器连接，第一级超滤膜分离器分别与贮箱和进料口连接；贮箱通过二级泵与第二级超滤膜分离器连接。本发明将功率超声降解与膜分离集成起来形成一体化的装置，进行难溶及粘度太大的大分子多糖的降解改性，对降解产物多糖的分子量进行有效控制，避免过度降解，大大提高整个反应体系的效率和目标产物的收率。
文档编号C08B37/00GK102643362SQ20121013292
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者周萌, 熊云霞, 王兆梅, 赵旭, 郑必胜 申请人:华南理工大学