酶法制备丁酸甘油酯的生产系统的制作方法

本实用新型涉及生物催化反应装备，更具体的说，涉及一种酶法制备丁酸甘油酯的生产系统。

背景技术：

抗生素在饲料工业中的应用已经有很长的历史。饲养实验证明，抗生素可以有效的增强动物对病原菌的抵抗力，从而降低畜禽的发病率和死亡率，有很大的商业价值。但近年来由于饲用抗生素的滥用，其巨大的负面效应开始引起了社会的高度关注，如畜禽体内残留的抗生素通过食物链进入人体，对人体的正常微生物菌群，内分泌平衡造成破坏；能抵抗多种抗生素作用的“超级耐药细菌”的诞生等等，开发一种安全环保的抗生素替代品显得很有必要。事实上，欧盟早在2006年就已经取消了抗生素作为饲料添加剂的资质。美国，日本，澳大利亚，加拿大等国家也纷纷效仿，大幅削减了饲用抗生素的名目。

丁酸是一种短链脂肪酸。动物实验表明，其作为饲料添加剂，可以有效地降低动物胃肠道的pH值，抑制有害细菌的生长，维持动物消化道的正常微生物菌群，提高动物的抵抗力，是一种潜在的抗生素替代物。

但由于丁酸本身有着较强的挥发性和特殊的奶酪酸败样气味，其直接作为饲料添加剂使用，会增加饲料生产的工艺难度，并且会影响动物的采食量。

目前工业上主要有两种方法来解决这个问题。第一种方法为将丁酸做成挥发性相对较低，气味相对不明显的丁酸钠固体，再采用包膜工艺对其进行处理，以进一步降低其气味和减少过胃损失。由于工艺条件的限制，目前市场上这类产品较少，而且效果难以达到预期。另外一种方法为将丁酸做成挥发性和气味均很低的丁酸甘油酯。丁酸甘油酯可以安全的过胃并且在胰脂肪酶的作用下选择性的在肠道释放出有效成分丁酸，是一种理想的饲用丁酸类添加剂。

丁酸甘油酯根据酰化程度的不同又可以被分为三类：单丁酸甘油酯，双丁酸甘油酯和三丁酸甘油酯。其中三丁酸甘油酯的丁酸载量最大，但由于其较强的亲脂性，其中丁酸的有效释放高度依赖于胆汁酸盐的乳化作用，这对于消化功能尚未发育完全的幼龄畜禽来说有着显著的问题。单丁酸甘油酯和双丁酸甘油酯由于有着游离羟基的存在，既具有亲水性也具有亲油性，因此有丁酸载体和乳化剂的双重功效，与三丁酸甘油酯配合使用，有着很大的工业应用潜力。

丁酸甘油酯目前主要通过化学方法合成。其中最广泛应用的方法为丁酸与甘油在酸性催化剂如对甲基苯磺酸或者磺酸型强酸性离子交换树脂作用下的酯化。工艺的主要问题为反应几乎没有选择性，生成的产物为单，双和三丁酸甘油酯的混合物，需要进一步精馏纯化以得到纯的单，双或三丁酸甘油酯。而且反应完成后对酸催化剂的后处理会产生大量的垃圾，这从生产成本和环境保护上来说问题均很显著。使用高活性的丁酰氯与甘油在固体碱作为缚酸剂的条件下反应，也是一种制备丁酸甘油酯的方法。但丁酰氯是一种具有强腐蚀性和高度危险性的化学品，对生产设备提出了很高的要求，并且对生产安全造成了极大的威胁。丁酸甘油酯还可以通过酸性催化剂催化丁酸烷基酯与甘油的转酯化反应来进行，反应同样存在着选择性差，后处理困难等劣势。

单丁酸甘油酯和双丁酸甘油酯还可以通过三丁酸甘油酯与甘油在高温(210℃-240℃)条件下的转酯化反应来制备，工艺的主要问题为反应条件苛刻，反应产物为单丁酸甘油酯和双丁酸甘油酯的混合物，需要进一步精馏纯化以得到纯的单一组分。

酶作为生物催化剂，有着催化效率高，选择性好，反应条件温和等优势，因此应用酶法合成丁酸甘油酯近年来受到了很大的关注。但目前酶法合成丁酸甘油酯的工艺成本普遍较高，产率普遍较低，离工业化的应用还有很远的距离。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种酶法制备丁酸甘油酯的生产系统，解决现有酶法制备丁酸甘油酯成本高、产率低的问题。

本实用新型解决上述问题的技术方案为：提供一种酶法制备丁酸甘油酯的生产系统，包括依次连接的填料床反应器、蒸发器、冷凝器，其中，所述填料床反应器包括原料进口、有孔格栅分隔出的填料空间、容纳于所述填料空间中的固定化脂肪酶层、反应液出口，所述蒸发器包括与所述反应液出口通过管路相连通的进液口、通过加热蒸发以移除所述反应液中副产物的加热腔、与所述加热腔相连通的蒸汽出口和补料口，所述冷凝器包括与所述蒸汽出口通过管路相连通的进气口、用于冷凝所述副产物的冷凝腔。

在本实用新型提供的酶法制备丁酸甘油酯的生产系统中，所述蒸发器还包括用于排出反应产物的出液口。

在本实用新型提供的酶法制备丁酸甘油酯的生产系统中，所述生产系统包括串联的至少2级反应系统，每级的所述反应系统包括依次连接的填料床反应器、蒸发器、冷凝器，前一级反应系统中蒸发器的出液口通过管路与后一级反应系统中填料床反应器的原料进口相连通。

在本实用新型提供的酶法制备丁酸甘油酯的生产系统中，所述生产系统还包括连通所述蒸发器的所述出液口与所述填料床反应器的所述原料进口、用以循环反应所述反应产物的循环管路。

实施本实用新型，具有如下有益效果：本实用新型通过运用酶的固定化，串联耦合副产物移除单元，解决了现有酶法生产丁酸甘油酯生产成本高，产率低的问题，在丁酸甘油酯的工业生产中有着巨大的应用前景。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1为本实用新型酶法制备丁酸甘油酯的生产系统第一较佳实施例的结构示意图；

图2为本实用新型酶法制备丁酸甘油酯的生产系统第二较佳实施例的结构示意图；

图3为本实用新型酶法制备丁酸甘油酯的生产系统第三较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的实施例进行具体描述。

规模化的酶法制备丁酸甘油酯迄今未见报道，已报道的原料液与酶液在反应器中混合的方式，由于脂肪酶成本高、无法回收会使得增加其生产成本，另外，脂肪酶的催化反应不影响反应的化学平衡，所以丁酸甘油酯产率通常很低。

游离酶虽然具有较高的酶活，但其在反应过程中往往很不稳定，易受到温度，抑制剂等各种环境因素的影响。加上其分离上的困难，使用游离酶具有极高的成本。固定化酶可以在增加酶的稳定性的同时，提高其可回收利用性，这极大的增加了单位酶可制备的产物量，降低了生产成本。

本实用新型将发酵得到的脂肪酶固定化，装填于填料床反应器中使用，开发了一个可以高产率生产丁酸甘油酯的工艺流程生产系统。

本实用新型的主要创新点在于，使用固定化的脂肪酶装填于填料床反应器中，催化丁酸甘油酯生产反应的进行；在填料床反应器后增加副产物移除单元，以减少副产物对于酶的抑制作用并且使得反应向着生成丁酸甘油酯的方向移动，最终增加了丁酸甘油酯的得率。

图1为本实用新型酶法制备丁酸甘油酯的生产系统第一较佳实施例的结构示意图，如图1所示，本实施例的生产系统包括通过管路依次连接的填料床反应器100、蒸发器200、冷凝器300，反应液在填料床反应器100中完成生产丁酸甘油酯的催化反应，蒸发器200、冷凝器300一起构成了副产物移除单元，反应液中的副产物在蒸发器200中受热转变为气态，在冷凝器300被冷凝回收，这样反应液中的副产物减少，利于反应向生成丁酸甘油酯的方向移动。

填料床反应器100随着反应液的流动方向包括原料进口101、有孔格栅102分隔出的填料空间103、容纳于填料空间103中的固定化脂肪酶层104、反应液出口105，固定化脂肪酶层104中的脂肪酶起到催化丁酸甘油酯合成的作用，脂肪酶固定化的方法包含了1通过物理吸附的方式将酶吸附于某一种载体上，这些载体包含了硅藻土，活性炭，氧化铝，多孔陶瓷，多孔玻璃等；2通过包埋的方式将酶包埋于某一种基质中，如可将酶包埋于海藻酸钙凝胶中；3通过表面含有活性基团的载体如环氧树脂与酶表面的活性基团如氨基反应，将酶共价固定于某一种载体上；4通过双官能团试剂如戊二醛，顺丁烯二酸酐等使得酶分子之间发生交联生成不溶于水的高聚物。如果固定化的脂肪酶能较好的保持催化活力与选择性，并且在多次使用后仍然保持有较高的酶活，该固定化脂肪酶即可被用于下面的生产系统中。

蒸发器200包括与反应液出口105通过管路相连通的进液口201、通过加热蒸发以移除反应液中副产物的加热腔202、与加热腔202相连通的蒸汽出口203和补料口204。反应液经过脂肪酶的催化作用后流入蒸发器200，并在加热腔202中将副产物汽化，由于沸点与副产物接近的物质也会被移出蒸发器200，所以需要持续从补料口204补加原料。冷凝器300包括与蒸汽出口203通过管路相连通的进气口301、用于冷凝副产物的冷凝腔302，汽化的副产物在冷凝腔302被冷凝回收。优选的，蒸发器200还包括用于排出反应产物的出液口205，便于排出被移除副产物的反应液。

以环氧树脂Eupergit C固定化的Candida antarctica lipase B(南极假丝酵母脂肪酶B，CALB)催化丁酸甲酯与甘油转酯化制备单丁酸甘油酯为例，将固定化酶装填于填料床反应器100中，在反应器的一端以一定的流速通入以异戊醇溶解的丁酸甲酯和甘油摩尔比为1:1.2，通过对酶的装载量，进样流速，反应物浓度，反应温度进行优化，单丁酸甘油酯的得率可达到75.83％。

图2为本实用新型酶法制备丁酸甘油酯的生产系统第二较佳实施例的结构示意图，如图2所示，本实施例的生产系统为多级反应系统，包括串联的至少2级反应系统，前一级反应系统中蒸发器200的出液口205通过管路与后一级反应系统中填料床反应器100的原料进口101相连通，每级的反应系统包括依次连接的填料床反应器100、蒸发器200、冷凝器300，由于前一级反应系统中副产物几乎全部被移除，副产物对于酶的抑制作用被消除，多级反应系统连用之后丁酸甘油酯的产率大大提高。

由于单级反应系统的单丁酸甘油酯的产率还不能满足实际生产的需要，本专利将多个装填有固定化酶的填料床反应器100串联，并且在反应器之间引入副产物移除单元，以减少副产物对于酶的抑制作用并且使得反应向着生成单丁酸甘油酯的方向移动，最终增加了单丁酸甘油酯的得率。

副产物移除单元为在填料床反应器100末端接入的蒸发器200和冷凝器300。通过控制液温略高于副产物的沸点，可以高效的将反应产生的副产物移除。在蒸发冷凝器中损失的与副产物沸点接近的原料通过补偿管路的不断流加得以补偿，以保持反应液的总体积不变。

例如，脂肪酶催化丁酸甲酯与甘油转酯化制备单丁酸甘油酯，经过甲醇移除的第一级反应系统的反应产物接着被通入第二级反应系统中继续反应，依次类推，发现反应系统串联可以显著的提高单丁酸甘油酯的产率，串联2级、3级、4级反应系统可以分别获得的单丁酸甘油酯产率76.82％、82.11％、90.56％。

图3为本实用新型酶法制备丁酸甘油酯的生产系统第三较佳实施例的结构示意图，如图3所示，本实施例的生产系统采用单级反应系统循环反应的方式，在单级反应系统的基础上设置用以循环反应产物的循环管路400，该循环管路400连通蒸发器200的出液口205与填料床反应器100的原料进口101，经过催化反应的反应产物经过副产物移除处理后被循环管路400送入再次送入填料床反应器100继续反应，反应产物反复循环，以达到需要的单丁酸甘油酯产率。

本实用新型上述实施例的酶法制备丁酸甘油酯的生产系统，适用于多种不同原料的丁酸甘油酯的生产。例如：

1.以甘油和丁酸为起始原料通过脂肪酶催化的酯化反应合成丁酸甘油酯；

2.以三丁酸甘油和甘油为起始原料通过脂肪酶催化的转酯化反应合成单丁酸甘油酯与双丁酸甘油酯；

3.以丁酸烷基酯和甘油为起始原料，通过脂肪酶催化的转酯化反应合成丁酸甘油酯；

4.以三丁酸甘油酯为起始原料，通过脂肪酶催化的选择性水解反应制备双丁酸甘油酯与单丁酸甘油酯。

在通过多级反应系统反应，单级反应系统循环反应或者添加吸附剂条件下的反应后，单丁酸甘油酯的产率可以达到85.78％。但反应混合液中仍然有未反应的丁酸甲酯与甘油底物，微量的双丁酸甘油酯与痕量的三丁酸甘油酯副产物存在。通过对反应混合液进行短程分子蒸馏，可以得到纯度为99％的单丁酸甘油酯。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。