专利名称：一种基于酶反应器的质构磷脂制备方法
技术领域：
本发明属于质构磷脂的制备技术领域，具体涉及一种基于酶反应器的质构磷脂制备方法。
背景技术：
磷脂是分子中含有一个或多个磷酸基的、并且有极性的复合脂质之一。它们广泛地存在于微生物界、植物界和动物界，是构成生物膜的基本成分之一，与和生命有关的各类物质代谢活动都有关。但磷脂分子中的饱和脂肪酸会提高血液中有害的胆固醇含量，摄入过多会对人体健康造成威胁。质构磷脂是在酶的催化作用下、通过酯交换反应将中碳链油脂、共轭亚油酸、植物甾醇或n-3系列多不饱和脂肪酸等不饱和脂肪酸引入磷脂分子中，替换磷脂分子中的饱和 脂肪酸而获得，目前具有重要的研究价值和日益广泛的实用推广应用需求。但现有大规模生产质构磷脂存在着转化率低、温度不易控制、操作繁琐、成本高等缺陷。研究发现，反应器对提高酶法反应转化率具有重要的作用。《化学工业与工程》2001年第6期郑成的文章“应用不同形式反应器对蔗渣酶水解的研究”，采用釜式反应器和固定床反应器，作为纤维素酶酶解纤维素制备低聚糖的反应器。釜式反应器结构简单、操作灵活，但是该方法反应时间较长、能源消耗量大而且产物转化率较低；固定化床反应器反应具有成本低、酶回收容易、操作简单、转化率较高等优点，然而固定床反应器传热性能较差，反应器内部温度较难控制；《食品与机械》2008年第I期王文杰的文章“酶膜反应器中水解大豆分离蛋白的研究”，采用截留分子量IOkDa切向流过滤酶膜反应器，作为大豆分离蛋白的酶解反应器制备小分子大豆多肽。该方法工艺简单、产品产率较高。但是该方法亦存在酶泄露和酶活性下降等缺陷，导致反应效率下降和生产成本增加。申请号为201120017106. 4的实用新型专利“酶反应器”，设计制作了一种搅拌式的反应器，反应器内部温度分布较为均匀，即便局部温度瞬间过高，也可通过搅拌将温度降低，但是该反应器有效容积减小，不适于大规模的生产。也没有针对质构磷脂制备过程中的物料加入和流出的顺序和方式、物料加入速度、冷却手段进行综合设计。目前未见适宜的针对质构磷脂的制备反应专门提供的酶反应器。
发明内容
本发明的目的是克服现有质构磷脂制备技术中转化率低、不易控制、不适于大规模生产等技术不足，提供一种基于酶反应器的质构磷脂制备方法，本发明方法转化率高、控制方便、运行成本低廉，而且适用于质构磷脂的大规模生产。本发明的目的通过以下技术方案予以实现
提供一种基于酶反应器的质构磷脂制备方法，包括以下步骤
(I)提供和准备一种质构磷脂酶法反应器，反应器包括反应罐与外夹套；外夹套包裹于反应罐的外侧，外夹套上设有冷却水入口和冷却水出口，冷却水从此冷却水入口进入外夹套，流经整个外夹套冷却反应罐后从冷却水出口流出；
反应罐设有物料入口，用于向反应罐中添加按照一定比例混合的磷脂和不饱和脂肪酸匀液；设有加酶口，催化酶(脂肪酶或磷脂酶)按一定比例从加酶口进入反应罐；设有空气入口和空气分布器，净化空气从空气入口进入设于反应罐内的空气分布器，空气分布器上具有若干小孔，将空气分散为均匀的小气泡进入反应罐；设有空气出口，用于反应罐内空气的排出；设有一个物料出口，用于反应液的排出；
(2)物料按照比例混合均匀后，从反应罐的物料入口进入反应罐，物料进料的速度为I 2m/s，按混合物料中磷脂质量的10 20%的比例从加酶口向反应罐加入催化用酶(月旨肪酶或磷脂酶);
(3)净化空气从空气入口进入反应罐，空气流速优选为I 3m/s，净化空气从空气入口经空气分布器分布成为均匀的气泡进入反应液，多余的空气从空气出口排出； 所述空气分布器上的小孔孔径优选为2 4cm ;分布密度优选为150 400个/m2 ;更为优选地，所述空气分布器上的小孔孔径为2. 4 3. 2cm。优选地，步骤(2)所述物料进料的速度为I. 2 I. 6m/s ；
优选地，步骤(3)所述空气流速为I. 5 2. 5m/s ；
按照本发明所述空气分布器的设置以及空气流速的选择，反应液在反应器内实现以并流的方式进行充分地循环；
(4)冷却水从冷却水入口阀通入外夹套，冷却水的流速度为I 3m/s，冷却水从冷却水出口阀排出，起到冷却反应器内部温度的作用；
(5)反应结束后，反应液从物料出口流出，反应液流出的速度为I 2m/s。优选地，所述酶法反应器的反应罐中间为圆柱体形，顶部和底部均为半球形，空气出口设于反应罐顶端，加酶口和物料入口分设于空气出口两边；空气入口设于反应罐的底部，空气入口连接内径同样大小的圆环状空气分布器，空气分布器上均匀地分布着小孔，反应罐的底端设有物料出口。优选地，所述质构磷脂酶法反应器的反应罐的高度为5 10m，直径为2 4m ;反应罐顶端物料入口内径为10 20cm，反应罐顶端的加酶口内径为20 40cm，空气出口内径为12 18cm。空气入口的内径为5 10cm，反应罐的底端物料出口内径为15 25cm ；外夹套包裹于反应罐的外侧，外夹套上的冷却水入口与冷却水出口内径为 12cm。更为优选地，上述反应罐的高度为6m，直径为3m。反应罐顶端物料入口内径为15cm，反应罐顶端的加酶口内径为30cm，空气出口内径为25cm。空气入口的内径为8cm，反应罐的底端物料出口内径为20cm。外夹套包裹于反应罐的外侧，外夹套上的冷却水入口与冷却水出口内径均为8cm。空气分布器上每一个小孔的内径最佳为3cm,小孔分布的密度最佳为240个/m2，实现较佳的反应液循环效果。本发明的有益效果是
基于本发明所述酶法反应器以及精确确定的物料加入和流出方式、加入和流出速度、冷却等关键技术参数，本发明提供了一种整体优化了的质构磷脂酶法反应制备方法。通过向反应器中通入适宜流速的净化空气，促进反应液的循环，显著提高酶的催化效率，保证了较高的转化率；同时加快了反应器内部的热循环，并于与外夹套中适宜流速的冷循环水的配合使用，能够方便有效地控制反应体系的温度。本发明方法生产成本较低，能量消耗量少，反应罐中有效容积很大，适于规模化的生产，而且还可用作其他反应釜或发酵罐。
图I本发明的质构磷脂酶法反应器结构示意图 图2本发明反应器的俯视图
图3本发明空气分布器的结构示意图
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例详细说明本发明。本发明实施例旨在说明本发明设计的酶法反应器结构与所描述的进出料速度等关键工艺结合得到的整体技术方案带来的显著技术效果，至于采用哪一种磷脂作为反应原料、采用哪一种酶作为催化剂、原料具体配比等可参照本技术领域常规，在此不作一一赘述，但并不因此限定本发明。 实施例I
如附图I所示，本发明基于一种新的酶法反应器(1)，反应器(I)包括反应罐(2)与外夹套(3)。反应罐(2)为圆柱形，顶部和底部和均为半球形，反应罐(2)的高度为6m，直径为3mο反应罐(2)顶端物料入口(4)内径为10cm，反应罐(2)顶端的加酶口(5)内径为25cm，空气出口(7)内径为12cm。反应罐(2)的底部有一个空气入口(6)，空气入口(6)的内径为5cm，空气入口(6)连着内径同样大小的圆环状空气分布器(8)，空气分布器(8)上均匀的分布着内径为2cm小孔，小孔分布密度200个/m2，反应罐(2)的底部物料出口(9)内径为15cm。外夹套(3)包裹于反应罐(2)的外侧，外夹套上(3)的冷却水入口( 10)与冷却水出口(11)内径均为8cm。大豆磷脂与亚油酸按一定比例混合均匀后，从物料入口(4)进入反应罐(2)，进料的速度为lm/s ;按混合物料中磷脂质量的10%的比例从加酶口(5)向反应罐加入催化用酶(Novozym435 脂肪酶)
净化后的空气从空气入口(6)进入反应罐(2)，空气流速为lm/s，通过空气分布器(8)成为均匀的气泡进入反应液，促进反应液的循环，反应液在反应器内以并流的方式进行循环。空气从空气出口(7)排出。冷却水从冷却水入口(10)处的水阀通入外夹套,冷却水的流速为lm/s,冷却水从冷却水出口( 11)处的水阀排出。反应结束后，反应液从物料出口(9)流出，反应液流出的速度为lm/s。本发明经过反应容器和反应工艺条件的整体优化和合理设计，成功摆脱机械搅拌装置，扩大了反应容器的有效容积，促进了反应液的循环，显著提高酶的催化效率，保证了较高的转化率，同时反应器内部热循环的有效加快和外夹套中适宜流速的冷循环水的配合使用，能够方便有效地控制反应体系的温度，能量消耗量少，生产成本较低，适于规模化的生产。从本实施例实验效果来看，质构磷脂的产率达到67%，而在同等条件下釜式反应器制备质构磷脂的产率仅为45%。实施例2
本实施例提供一种质构磷脂酶法反应器(I)，反应器(I)包括反应罐(2 )与外夹套(3 )。反应罐(2)为圆柱形，顶部和底部和均为半球形，反应罐(2)的高度为8m，直径为3m。反应罐(2)顶部的物料入口(4)内径为20cm，反应罐(2)顶部的加酶口(5)内径为40cm，空气出口(7)内径为15cm。反应罐(2)的底部有一个空气入口(6)，空气入口(6)的内径为10cm，空气入口(6)连着内径同样大小的圆环状空气分布器(8)，空气分布器(8)上均匀的分布着内径为3cm小孔，小孔分布密度200个/m2，反应罐(2)的底部物料出口(9)内径为20cm。外夹套(3 )包裹于反应罐(2 )的外侧，外夹套(3 )上的冷却水入口( 10 )与冷却水出口( 11)内径均为10cm。大豆磷脂与亚油酸按一定比例混合均匀后，从物料入口(4)进入反应罐(2)，进料的速度为lm/s ;按混合物料中磷脂质量的10%的比例从加酶口(5)向反应罐加入催化用酶(Novozym435 脂肪酶)
净化后的空气从空气入口(6)进入反应罐(2)，空气流速为lm/s，通过空气分布器(8)成为均匀的气泡进入反应液，促进反应液的循环，反应液在反应器内以并流的方式进行循环。空气从空气出口(7)排出。
冷却水从冷却水入口(10)处的水阀通入外夹套(3)，冷却水的流速为lm/s，冷却水从冷却水出口( 11)处的水阀排出。反应结束后，反应液从物料出口(9)流出，反应液流出的速度为lm/s。本发明经过反应容器和反应工艺条件的整体优化和合理设计，成功摆脱机械搅拌装置，扩大了反应容器的有效容积，促进了反应液的循环，显著提高酶的催化效率，保证了较高的转化率。同时反应器内部热循环的有效加快和外夹套中适宜流速的冷循环水的配合使用，能够方便有效地控制反应体系的温度，能量消耗量少，生产成本较低，适于规模化的生产。从本实施例效果来看，本实施例质构磷脂的产率达到68%，而在同等条件下釜式反应器制备质构磷脂的产率仅为45%。实施例3
本实施例提供一种质构磷脂酶法反应器(I)，反应器(I)包括反应罐(2 )与外夹套(3 )。反应罐(2)为圆柱形，顶部和底部和均为半球形，反应罐(2)的高度为8m，直径为3m。反应罐(2 )顶部的物料入口( 4)内径为15cm，反应罐(2 )顶部的加酶口( 5 )内径为30cm，空气出口(7)内径为15cm。反应罐(2)的底部有一个空气入口(6)，空气入口(6)的内径为10cm，空气入口(6)连接内径同样大小的圆环状空气分布器(8)，空气分布器(8)上均匀的分布着内径为3cm小孔，小孔分布密度为300个/m2，反应罐(2)的底部物料出口(9)内径为20cm。外夹套(3)包裹于反应罐(2)的外侧，外夹套(3)上的冷却水入口(10)与冷却水出口(11)内径均为10cm。大豆磷脂与亚油酸按一定比例混合均匀后，从物料入口(4)进入反应罐(2)，进料的速度为I. 5m/s ;按混合物料中磷脂质量的20%的比例从加酶口(5)向反应罐(2)加入催化用酶(Novozym435脂肪酶)
净化后的空气从空气入口(6)进入反应罐(2)，空气流速为2m/s，通过空气分布器(8)成为均匀的气泡进入反应液，促进反应液的循环，反应液在反应器内以并流的方式进行循环。空气从空气出口(7)排出。冷却水从冷却水入口(10)处的水阀通入外夹套(3)，冷却水的流速为2m/s，冷却水从冷却水出口( 11)处的水阀排出。反应结束后，反应液从物料出口(9)流出，反应液流出的速度为I. 8m/s。
基于本实施例反应器及反应方法，质构磷脂的产率可达到71%，而在同等条件下釜式反应器制备质构磷脂的产率仅为48%。实施例4
如附图I所示，本发明基于一种新的酶法反应器(1)，反应器(I)包括反应罐(2)与外夹套(3)。反应罐(2)为圆柱形，顶部和底部和均为半球形，反应罐(2)的高度为6m，直径为3mο反应罐(2)顶端物料入口(4)内径为20cm，反应罐(2)顶端的加酶口(5)内径为40cm，空气出口(7)内径为18cm。反应罐(2)的底部有一个空气入口(6)，空气入口(6)的内径为IOcm,空气入口(6)连着内径同样大小的圆环状空气分布器(8)，空气分布器(8)上均匀的分布着内径为2cm小孔，小孔分布密度400个/m2 ;反应罐(2)的底部物料出口(9)内径为25cm。外夹套(3)包裹于反应罐(2)的外侧，外夹套上(3)的冷却水入口( 10)与冷却水出口(11)内径均为12cm。大豆磷脂与亚油酸按一定比例混合均匀后，从物料入口(4)进入反应罐(2)，进料的速度为2m/s ;按混合物料中磷脂质量的15%的比例从加酶口向反应罐内加入催化用酶(Novozym435 脂肪酶)
净化后的空气从空气入口( 6 )进入反应罐(2 )，空气流速为3m/s，通过空气分布器(8 )成为均匀的气泡进入反应液，促进反应液的循环，反应液在反应器内以并流的方式进行循环。空气从空气出口(7)排出。冷却水从冷却水入口(10)处的水阀通入外夹套(3)，冷却水的流速为3m/s，冷却水从冷却水出口( 11)处的水阀排出。反应结束后，反应液从物料出口(9)流出，反应液流出的速度为2m/s。基于本实施例反应器及反应方法，质构磷脂的产率可达到74%，而在同等条件下釜式反应器制备质构磷脂的产率仅为51%。
实施例5
如附图I所示，本发明基于一种新的酶法反应器(1)，反应器(I)包括反应罐(2)与外夹套(3)。反应罐(2)为圆柱形，顶部和底部和均为半球形，反应罐(2)的高度为6m，直径为3mο反应罐(2)顶端物料入口(4)内径为15cm，反应罐(2)顶端的加酶口(5)内径为30cm，空气出口(7)内径为20cm。反应罐(2)的底部有一个空气入口(6)，空气入口(6)的内径为8cm，空气入口(6)连着内径同样大小的圆环状空气分布器(8)，空气分布器(8)上均匀的分布着内径为3cm小孔，小孔分布密度240个/m2 ;反应罐(2)的底部物料出口(9)内径为20cm。外夹套(3)包裹于反应罐(2)的外侧，外夹套上(3)的冷却水入口( 10)与冷却水出口(11)内径均为8cm。大豆磷脂与亚油酸按一定比例混合均匀后，从物料入口(4)进入反应罐(2)，进料的速度为I. 5m/s ;按混合物料中磷脂质量的15%的比例从加酶口向反应罐内加入催化用酶(Novozym435 脂肪酶)
净化后的空气从空气入口(6)进入反应罐(2)，空气流速为2. 5m/s，通过空气分布器
(8)成为均匀的气泡进入反应液，促进反应液的循环，反应液在反应器内以并流的方式进行循环。空气从空气出口(7)排出。冷却水从冷却水入口(10)处的水阀通入外夹套(3)，冷却水的流速为3m/s，冷却水从冷却水出口( 11)处的水阀排出。
反应结束后，反应液从物料出口(9)流出，反应液流出的速度为2m/S。本实施例进一步对反应容器和反应工艺条件的进行更优设计，基于本实施例反应器及反应方法，质构磷脂的产率可达到76%，而在同等条件下釜式反应器制备质构磷脂的产率仅为51%。综上 所述，本发明通过向反应器中通入净化空气，促进反应液的循环，提高了脂肪酶的反应效率，同时加快了反应器内部的热循环，通过与冷循环水的配合使用，能够有效的控制反应内部的温度。此外，本发明提供的反应器生产成本较低，能量消耗量少，反应罐中有效容积很大，适于规模化生产，而且还可用作其他反应釜或发酵罐。
权利要求
1.一种基于酶反应器的质构磷脂制备方法，其特征在于包括以下步骤 (1)准备质构磷脂酶法反应器； 所述质构磷脂酶法反应器包括反应罐与外夹套；外夹套包裹于反应罐的外侧，外夹套上设有冷却水入口和冷却水出口，冷却水从冷却水入口进入外夹套，流经整个外夹套冷却反应 ρ后从冷却水出口流出； 反应罐设有物料入口，用于向反应罐中添加磷脂和不饱和脂肪酸混合液；设有加酶口，催化酶从加酶口进入反应罐；设有空气入口和空气分布器，净化空气从空气入口进入设于反应罐底部的空气分布器，空气分布器上设有若干小孔，将空气分散为均匀的小气泡进入反应罐；设有空气出口，反应罐内空气从此排出；设有物料出口，反应液从物料出口排出； (2)物料按照比例混合均匀后，从物料入口进入反应罐，物料进料的速度为I 2m/s，然后按混合物料中磷脂质量的10 20%的比例从加酶口向反应罐加入催化酶； (3)净化空气从反应器的空气入口进入反应罐，空气流速为I 3m/s，净化空气从空气入口经空气分布器分布成为均匀的气泡进入反应液，多余的空气从空气出口排出； (4)冷却水从冷却水入口阀通入外夹套，冷却水的流速为I 3m/s，冷却水从冷却水出口阀排出； (5)反应结束后，反应液从物料出口流出，反应液流出的速度为I 2m/s。
2.根据权利要求I所述基于酶反应器的质构磷脂制备方法，其特征在于步骤(2)所述物料进料的速度为I. 2 I. 6m/s。
3.根据权利要求I所述基于酶反应器的质构磷脂制备方法，其特征在于所述空气分布器上的小孔孔径为2 4cm ;分布密度为150 400个/m2。
4.根据权利要求I或3所述基于酶反应器的质构磷脂制备方法，其特征在于所述空气分布器上的小孔孔径为2. 4 3. 2cm。
5.根据权利要求I所述基于酶反应器的质构磷脂制备方法，其特征在于步骤(3)所述空气流速为I. 5 2. 5m/s。
6.根据权利要求I所述基于酶反应器的质构磷脂制备方法，其特征在于所述质构磷脂酶法反应器的反应罐中间为圆柱形,顶部和底部均为半球形,空气出口设于反应罐顶端,力口酶口和物料入口分设于空气出口两边；空气入口设于反应罐的底部，空气入口连接空气分布器，空气入口和空气分布器内径相同，空气分布器为圆环状，其上均匀分布小孔，反应罐的底端设有物料出口。
7.根据权利要求I或6所述基于酶反应器的质构磷脂制备方法，其特征在于所述质构磷脂酶法反应器的反应罐的高度为5 10m，直径为2 4m ;反应罐顶端物料入口内径为10 20cm，反应罐顶端的加酶口内径为20 40cm，空气出口内径为12 18cm ;空气入口的内径为5 10cm，反应罐的底端物料出口内径为15 25cm ;外夹套包裹于反应罐的外侦牝外夹套上的冷却水入口与冷却水出口内径为7 12cm ;所述空气分布器上的小孔孔径为2 4cm ;分布密度为150 400个/m2。
8.根据权利要求7所述基于酶反应器的质构磷脂制备方法，其特征在于所述质构磷脂酶法反应器的反应罐高度为6m，直径为3m ;反应罐顶端物料入口内径为15cm，反应罐顶端的加酶口内径为30cm，空气出口内径为25cm ;空气入口的内径为8cm，反应罐的底端物料出口内径为20cm;外夹套包裹于反应罐的外侧，外夹套上的冷却水入口与冷却水出口内径均为8cm ; 空气分布器上每一个小孔的内径为3cm，小孔分布的密度为240个/m2。
全文摘要
本发明公开了一种基于酶反应器的质构磷脂制备方法。本发明提供一种质构磷脂酶法反应器，包括反应罐与外夹套，反应罐上有物料入口、加酶口、空气入口、空气分布器、空气出口、物料出口，外夹套上有冷却水入口和冷却水出口。反应物料以1～2m/s的进料速度从物料入口进入反应罐，催化酶按磷脂质量10～20%的比例从加酶口进入反应罐，净化空气从空气入口进入反应罐，净化空气经空气分布器成为分散的均匀的小气泡，空气流速为1～3m/s；反应结束后，物料从物料出口流出，流出的速度为1～2m/s。本发明质构磷脂酶法反应器结构简单、成本低廉，有效反应容积较大，适于大规模工业化生产质构磷脂；采用本发明质构磷脂酶法反应器及反应方法，能够促进反应物料的充分循环，方便有效地控制反应，显著提高不饱和脂肪酸的转化率。
文档编号C12M1/40GK102827887SQ201210276840
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月6日 优先权日2012年8月6日
发明者彭述辉, 李小林, 熊波, 徐振林, 黄利华, 张挺 申请人:广州城市职业学院, 广州海莎生物科技有限公司