本发明涉及一种固定化单宁酶生产没食子酸的装置及其方法，具体以固定化单宁酶生产没食子酸为研究对象，研究设计一种无搅拌连续生产的柱式反应器和生产方法，属于生物化工领域。
背景技术
没食子酸又名五倍子酸，化学名称为3,4,5-三羟基苯甲酸，为白色或浅褐色针状或片状晶体，广泛存在于五倍子、塔拉、葡萄等植物中。是一种重要的精细化工产品，广泛用于化工、医药、食品和电子工业等领域。
水解五倍子单宁生产没食子酸是国际上没食子酸产品的主要来源，工艺技术主要有：酸水解法、碱水解法、发酵法和酶法。酸、碱水解法由于对单宁转化率高、工艺简单而成为行业通用方法，但其一方面对设备腐蚀严重，另一方面生产废液量大且cod高、色度大、含盐量高而导致处理困难，成本高，若不能完全处理则会对环境造成巨大的污染。随着生物技术的不断发展，利用发酵法和酶法生产没食子酸日趋成熟。但发酵法反应周期长、单宁水解不完全，过程难以控制而导致没食子酸收率低，对五倍子资源浪费较大，采用酶法生产没食子酸成为研究的主流。而固定化酶作为一种可循环、效率高、易分离的酶制剂，得到广泛的应用。
cn106978451a公开了一种固定化葡萄糖氧化酶制备葡萄糖酸钠的方法。该方法将制备好的葡萄糖氧化酶与葡萄糖溶液混合，搅拌反应制得葡萄糖酸钠。cn106957883a公开了一种固定化蒜酶合成阿霍烯的方法。该方法将制备好的蒜酶与大蒜素混合搅拌，过滤后干燥制得阿霍烯。cn102321681b公开了一种固定化单宁酶生产没食子酸的方法。该方法将粉碎后的五倍子粉、培花粉或塔拉粉原料置于原料浸提罐中，得浸提液。在装有浸提液的水解罐中加入固定化单宁酶进行静态水解，制得没食子酸。其中，酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置，为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件。目前酶反应器以鼓泡式和搅拌罐式为主，多以搅拌罐式酶反应器为主。鼓泡式利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到底物与酶的混合作用，而搅拌罐式利用从利用搅拌将底物与酶混合。这两种方法需要设备简单，操作容易，但存在不足。一方面，罐式反应器的生产条件无法实时变更，原料质量不一时，产品品质无法保证，灵活性差。另一方面，搅拌和鼓泡对酶有强机械作用，破坏固定酶的结构，影响酶的使用寿命。
因此，设计一种利用固定化酶连续高效生产没食子酸的装置和方法具有很重要的现实意义。
技术实现要素：
本发明涉及一种固定化单宁酶生产没食子酸的装置及其方法。装置包含：原料预处理系统、水解系统和分离系统。方法为单宁酸储液罐内的单宁酸溶液经反应器下端锥形封头内的脱脂棉粗滤后进入反应器筒体，被筒体内的固定化单宁酶水解后进入冷却结晶罐，待没食子酸晶体析出后，打开阀门，流入离心机，离心后产物干燥包装，离心母液返回单宁储液罐中作为原料继续水解。
所述的原料预处理系统包括单宁酸储液罐和纯净水储液罐；所述的水解系统为由圆柱形筒体和上下部锥形封头组成的柱式反应器；所述的分离系统包括冷却结晶罐和离心机；单宁酸储液罐和纯净水储液罐底部经管道与反应器底部连接；反应器上部通过管道与冷却结晶罐上部连接；冷却结晶罐下部与离心机通过管道连接。
所述的原料预处理系统中的单宁酸储液罐和纯净水储液罐均具有夹套，可对罐内物料进行加热或冷却。
所述的反应器筒体具有夹套，可对反应器内物料进行加热或冷却。
所述的反应器锥形封头，其与筒体相接的一端为具有均匀圆孔的承重不锈钢筛板。
所述的反应器锥形封头与筒体之间通过法兰连接，可自由拆卸。
所述的反应器锥形封头与筒体之间夹有200目不锈钢滤网。
所述的反应器筒体内装有固定化单宁酶；所述的反应器下部锥形封头装有填充物，所述的填充物为脱脂棉或纱布；
所述的冷却结晶罐由至少3个具有搅拌、冷却功能的反应罐组成连接而成，各罐间通过管道与离心机相连。
所述的反应器筒体高径比为12:1～7:1；优选反应器筒体高径比为10:1。
固定化单宁酶生产没食子酸的方法，所述的单宁酸储液罐内的单宁液质量浓度为6～13％，ph为7±0.5，温度为40-50℃。
所述的反应器筒体内装满固定化单宁酶，通过夹套加热保持反应器内温度为40-50℃，控制单宁液在反应器中的流速不超过0.6v酶/h(v酶表示反应器内固定化单宁酶的堆积体积)。
以进入的单宁酸溶液折算成干物质的质量等于填充的固定化单宁酶的质量时为一批，每生产下一批前用40-50℃的纯净水冲洗反应器内单宁酶一次，冲洗液的体积为1v酶，冲洗速度不超过0.6v酶/h，冲洗液合并入单宁储液罐。
采用本发明涉及的装置和方法生产没食子酸，具有设备简单、工艺灵活、收率高、产品品质好、生产污染小的优点，具体表现在：
(1)自主设计的无搅拌反应器结构简单，操作灵活，解决了搅拌和鼓泡对酶的强机械作用而破坏固定酶的结构的问题，使酶循环使用次数最大化。
(2)通过反应器进行酶解，调节单宁母液在反应器内的流速和夹套温度可以有效的控制水解的速率和程度，解决了罐式反应器的生产条件无法实时变更，原料质量不一时，产品品质无法保证，灵活性差的问题。
(3)利用生物酶的单一性生产没食子酸，产物单一，产品杂质少，品质高。
(4)连续生产工艺，又解除了生产过程中没食子酸浓度的提高对酶活性的抑制作用，提高了转化效率的同时大大提高固定化酶的使用寿命。
(5)未水解完全单宁在后续离心后又回到母液中套用，既能保证单宁酸的转化率，又没有高盐、高cod的废水产生，在实现经济效益的同时兼顾了环境保护。
附图说明
图1为固定化单宁酶生产没食子酸的装置结构示意图，其中，1.单宁酸储液罐，2.纯净水储液罐，3.柱式反应器，4.法兰，5.滤网，6.筛板，7.转子流量计，8.冷却结晶罐，9.分离机，10.母液回收装置。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
实施例1：
(1)将高径比为10:1的反应器筒体内装满固定化单宁酶；将单宁酸储液罐将罐内单宁酸溶液质量浓度调为6％，ph为7±0.5，温度为45℃。纯净水储液罐内纯水温度调至45℃。
(2)生产前分别用45℃的纯净水冲洗反应器内单宁酶一次，冲洗液的体积为1v酶，冲洗速度为0.6v酶/h，冲洗液合并入单宁储液罐。
(3)单宁酸溶液经反应器下端锥形封头内的脱脂棉粗滤后以0.6v酶/h的流速进入反应器筒体，保持反应器内温度为45℃，单宁液通过酶层水解后进入冷却结晶罐，夹套通入冰水降温，待罐内温度降至20℃以下，将冷却液放入离心机内脱水，滤饼为所得产品，滤液回收至单宁酸储液罐，连续进液至一批生产结束。通过上述步骤生产的没食子酸，一批生产时间为28小时，收率为71.3％，含量为99.5％。
实施例2：
(1)将高径比为10:1的反应器筒体内装满固定化单宁酶；将单宁酸储液罐将罐内单宁酸溶液质量浓度调为10％，ph为7±0.5，温度为48℃。纯净水储液罐内纯水温度调至48℃。
(2)生产前分别用48℃的纯净水冲洗反应器内单宁酶一次，冲洗液的体积为1v酶，冲洗速度为0.5v酶/h，冲洗液合并入单宁储液罐。
(3)单宁酸溶液经反应器下端锥形封头内的脱脂棉粗滤后以0.5v酶/h的流速进入反应器筒体，保持反应器内温度为48℃，单宁液通过酶层水解后进入冷却结晶罐，夹套通入冰水降温，待罐内温度降至20℃以下，将冷却液放入离心机内脱水，滤饼为所得产品，滤液回收至单宁酸储液罐，连续进液至一批生产结束。通过上述步骤生产的没食子酸，一批生产时间为16.7小时，收率为71.2％，含量为99.6％。
实施例3：
(1)将高径比为10:1的反应器筒体内装满固定化单宁酶；将单宁酸储液罐将罐内单宁酸溶液质量浓度调为13％，ph为7±0.5，温度为46℃。纯净水储液罐内纯水温度调至46℃。
(2)生产前分别用46℃的纯净水冲洗反应器内单宁酶一次，冲洗液的体积为1v酶，冲洗速度为0.45v酶/h，冲洗液合并入单宁储液罐。
(3)单宁酸溶液经反应器下端锥形封头内的脱脂棉粗滤后以0.45v酶/h的流速进入反应器筒体，保持反应器内温度为46℃，单宁液通过酶层水解后进入冷却结晶罐，夹套通入冰水降温，待罐内温度降至20℃以下，将冷却液放入离心机内脱水，滤饼为所得产品，滤液回收至单宁酸储液罐，连续进液至一批生产结束。通过上述步骤生产的没食子酸，一批生产时间为12.8小时，收率为63.5％，含量为96.8％。
实施例4：
(1)将高径比为10:1的反应器筒体内装满固定化单宁酶；将单宁酸储液罐将罐内单宁酸溶液质量浓度调为6％，ph为7±0.5，温度为42℃。纯净水储液罐内纯水温度调至42℃。
(2)生产前分别用42℃的纯净水冲洗反应器内单宁酶一次，冲洗液的体积为1v酶，冲洗速度为0.42v酶/h，冲洗液合并入单宁储液罐。
(3)单宁酸溶液经反应器下端锥形封头内的脱脂棉粗滤后以0.42v酶/h的流速进入反应器筒体，保持反应器内温度为42℃，单宁液通过酶层水解后进入冷却结晶罐，夹套通入冰水降温，待罐内温度降至20℃以下，将冷却液放入离心机内脱水，滤饼为所得产品，滤液回收至单宁酸储液罐，连续进液至一批生产结束。通过上述步骤生产的没食子酸，一批生产时间为83.3小时，收率为71.8％，含量为99.6％。
实施例5：
(1)将高径比为10:1的反应器筒体内装满固定化单宁酶；将单宁酸储液罐将罐内单宁酸溶液质量浓度调为10％，ph为7±0.5，温度为45℃。纯净水储液罐内纯水温度调至45℃。
(2)生产前分别用45℃的纯净水冲洗反应器内单宁酶一次，冲洗液的体积为1v酶，冲洗速度为0.35v酶/h，冲洗液合并入单宁储液罐。
(3)单宁酸溶液经反应器下端锥形封头内的脱脂棉粗滤后以0.2v酶/h的流速进入反应器筒体，保持反应器内温度为45℃，单宁液通过酶层水解后进入冷却结晶罐，夹套通入冰水降温，待罐内温度降至20℃以下，将冷却液放入离心机内脱水，滤饼为所得产品，滤液回收至单宁酸储液罐，连续进液至一批生产结束。通过上述步骤生产的没食子酸，一批生产时间为50小时，收率为71.1％，含量为99.5％。
实施例6：
(1)将高径比为10:1的反应器筒体内装满固定化单宁酶；将单宁酸储液罐将罐内单宁酸溶液质量浓度调为13％，ph为7±0.5，温度为44℃。纯净水储液罐内纯水温度调至44℃。
(2)生产前分别用44℃的纯净水冲洗反应器内单宁酶一次，冲洗液的体积为1v酶，冲洗速度为0.36v酶/h，冲洗液合并入单宁储液罐。
(3)单宁酸溶液经反应器下端锥形封头内的脱脂棉粗滤后以0.2v酶/h的流速进入反应器筒体，保持反应器内温度为44℃，单宁液通过酶层水解后进入冷却结晶罐，夹套通入冰水降温，待罐内温度降至20℃以下，将冷却液放入离心机内脱水，滤饼为所得产品，滤液回收至单宁酸储液罐，连续进液至一批生产结束。通过上述步骤生产的没食子酸，一批生产时间为38.4小时，收率为68.3％，含量为98.4％。
实施例7：
(1)将高径比为10:1的反应器筒体内装满固定化单宁酶；将单宁酸储液罐将罐内单宁酸溶液质量浓度调为6％，ph为7±0.5，温度为40℃。纯净水储液罐内纯水温度调至46℃。
(2)生产前分别用46℃的纯净水冲洗反应器内单宁酶一次，冲洗液的体积为1v酶，冲洗速度为0.6v酶/h，冲洗液合并入单宁储液罐。
(3)单宁酸溶液经反应器下端锥形封头内的脱脂棉粗滤后以1v酶/h的流速进入反应器筒体，保持反应器内温度为46℃，单宁液通过酶层水解后进入冷却结晶罐，夹套通入冰水降温，待罐内温度降至20℃以下，将冷却液放入离心机内脱水，滤饼为所得产品，滤液回收至单宁酸储液罐，连续进液至一批生产结束。通过上述步骤生产的没食子酸，一批生产时间为16.7小时，收率为70.2％，含量为99.1％。
实施例8：
(1)将高径比为10:1的反应器筒体内装满固定化单宁酶；将单宁酸储液罐将罐内单宁酸溶液质量浓度调为8％，ph为7±0.5，温度为43℃。纯净水储液罐内纯水温度调至40℃。
(2)生产前分别用40℃的纯净水冲洗反应器内单宁酶一次，冲洗液的体积为1v酶，冲洗速度为0.5v酶/h，冲洗液合并入单宁储液罐。
(3)单宁酸溶液经反应器下端锥形封头内的脱脂棉粗滤后以1v酶/h的流速进入反应器筒体，保持反应器内温度为40℃，单宁液通过酶层水解后进入冷却结晶罐，夹套通入冰水降温，待罐内温度降至20℃以下，将冷却液放入离心机内脱水，滤饼为所得产品，滤液回收至单宁酸储液罐，连续进液至一批生产结束。通过上述步骤生产的没食子酸，一批生产时间为10小时，收率为68.7％，含量为99.3％。
实施例9：
(1)将高径比为10:1的反应器筒体内装满固定化单宁酶；将单宁酸储液罐将罐内单宁酸溶液质量浓度调为13％，ph为7±0.5，温度为46℃。纯净水储液罐内纯水温度调至46℃。
(2)生产前分别用46℃的纯净水冲洗反应器内单宁酶一次，冲洗液的体积为1v酶，冲洗速度为0.6v酶/h，冲洗液合并入单宁储液罐。
(3)单宁酸溶液经反应器下端锥形封头内的脱脂棉粗滤后以1v酶/h的流速进入反应器筒体，保持反应器内温度为46℃，单宁液通过酶层水解后进入冷却结晶罐，夹套通入冰水降温，待罐内温度降至20℃以下，将冷却液放入离心机内脱水，滤饼为所得产品，滤液回收至单宁酸储液罐，连续进液至一批生产结束。通过上述步骤生产的没食子酸，一批生产时间为7.7小时，收率为60.9％，含量为95.3％。
实施例10
一种固定化单宁酶生产没食子酸的装置，包括原料预处理系统、水解系统和分离系统；所述的原料预处理系统包括单宁酸储液罐1和纯净水储液罐2；所述的水解系统为具有恒温夹套的层析柱和下部的锥形封头组成的柱式反应器3；所述的分离系统包括冷却结晶罐7和离心机8；单宁酸储液罐1和纯净水储液罐2底部经管道与柱式反应器3底部连接；柱式反应器3上部通过管道与冷却结晶罐7上部连接；冷却结晶罐7下部与离心机8通过管道连接。
所述的柱式反应器7底部的锥形封头与筒体相接的一端设置有均匀圆孔的承重不锈钢筛板5，所述的柱式反应器的锥形封头与筒体之间夹有200目不锈钢滤网5。
所述的柱式反应器3下部锥形封头装有填充物，所述的填充物为脱脂棉或纱布；柱式反应器3的筒体内填装有单宁酶。
所述的冷却结晶罐7由至少3个反应罐连接而成，各罐间通过管道与离心机8相连。
所述的柱式反应器3筒体高径比为10:1。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。