酶催化反应精馏中生物催化涂层的原位涂覆和更新的方法与流程

本发明涉及涂覆在填料上的生物酶的原位生成法问题。通过用硅溶胶和酶的组合溶液充满塔，硅溶胶溶液均匀地润湿填料，随后使生物催化涂层涂覆在精馏塔内部。在生物催化剂失活的情况下，硅胶涂层可以通过用氢氧化钠注入到塔中然后进行塔内部的重新涂层从而更新为原状。属于酶催化反应精馏过程中的优化技术。

背景技术：

生物酶是高分子生物催化剂，由于其在温和条件下的高效反应机制和高选择性，生物酶在反应工程中被广泛应用。酶催化反应的限制之一是酶在高温下的化学失活。于是生物酶催化剂的固定化对于在增加操作温度条件下保持其活性是必要的，利用溶胶-凝胶法可以有效地固定酶。此外，在一些反应精馏过程中，催化剂的惰性化是一个重要的问题，因此，以一个更简单的方法变换催化剂有助于反应精馏过程的实现。当前酶催化反应精馏中催化剂的装填方式为催化剂被放在载酶筐中，然后和填料交替排列在精馏塔中，即一层填料一层催化剂的排列方式。因此当生物酶催化剂失活后只能将精馏塔进行拆卸，然后取出失活后的酶，再放入新的载酶筐。这种方法不仅费时费力，而且增加了停车时间，显著加大了经济成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对当前技术中存在的不足，提供一种酶催化反应精馏中生物催化涂层的原位涂覆和更新的方法。该方法首先通过氢氧化钠溶液清洗塔体内部的填料，把失活后的生物酶洗掉；再从塔底以鼓泡的方式把新的溶胶酶涂覆在填料上。本发明使塔内部构件在不拆分的情况下，使涂覆在规整填料上的生物酶催化剂能在恰当的位置生产和更新。通过原位生成法可以促进催化剂在反应精馏过程中进行交换并且减少停车时间和达到简化安装步骤从而降低经济成本的目的,具有显著的实用性及经济效益。

本发明的技术方案为：

一种酶催化反应精馏中生物催化涂层的原位涂覆方法，包括以下步骤：

(1)将反应塔内的温度预冷至1℃-6℃，然后持续向塔釜注入相同温度的溶胶，溶胶量为15.0m³m^-2-18.0m³m^-2；所述的反应塔为填料塔；

(2)向塔底的溶胶通入30℃-40℃的加热空气，使溶胶产生气泡，并使气泡区域逐步上升，直至充满塔体；塔内的压力为大气压力；

(3)关闭溶胶和加热空气，排出塔釜多余的溶胶，然后使用鼓风机向塔内通入30℃-60℃下的干燥空气3-8分钟，鼓风机的压力为1.2-2.1个大气压；

(4)依次循环重复(2)-(3)步骤3-7次，完成生物催化涂层的原位涂覆。

一种酶催化反应精馏中生物催化涂层的原位更新方法，包括以下步骤：

(1)从酶催化反应精馏后的塔体顶部注入50℃-70℃的氢氧化钠溶液进行洗塔2-6次；然后用去离子水冲洗一次；

(2)将反应塔内温度预冷至1℃-6℃，然后持续向塔釜注入相同温度的溶胶，溶胶量为15.0m³m^-2-18.0m³m^-2；所述的反应塔为填料塔；

(3)向塔底的溶胶通入30℃-40℃的加热空气，使溶胶产生气泡，并使气泡区域逐步上升，直至充满塔体；塔内的压力为大气压力；

(4)关闭溶胶和加热空气，排出塔釜多余溶胶，然后使用鼓风机向塔内通入30℃-60℃下的干燥空气3-8分钟，鼓风机的压力为1.2-2.1个大气压；

(5)依次循环重复(3)-(4)步骤3-7次；完成生物催化涂层的更新。

所述的步骤(1)中氢氧化钠溶液的浓度为1.5～3m。

所述的酶催化反应精馏中生物催化涂层的原位涂覆和更新的方法中，所述的溶胶为含有生物酶的溶胶,该溶胶的制备包括以下步骤：

(1)a溶液的配制：分别取正硅酸甲酯、甲基三氧甲基硅烷和甲醇混合，放置在冰水浴内搅拌；其中，质量比为正硅酸甲酯：甲基三氧甲基硅烷：甲醇＝0.203：0.72：0.849；

(2)b溶液的配制：分别取1m的氟化钠溶液、聚乙二醇、calb酶溶液、去离子水进行混合，冰水浴内搅拌；其中，质量比为氟化钠溶液：聚乙二醇：calb酶溶液：去离子水＝0.1：0.3：0.2：0.34，calb酶溶液中蛋白含量为10.9mg/ml；

(3)将b溶液引流至a溶液中，在冰水浴内搅拌2-6分钟后取出,即可得到包含有生物酶的溶胶；

其中，质量比a溶液中的正硅酸甲酯：b溶液中1m的氟化钠溶液＝0.203:0.1。

所述的酶催化反应精馏为酯交换催化精馏反应。

所述的酯交换催化精馏反应优选为乙酸乙酯和正丁醇的酯交换反应精馏。

由于反应溶胶在塔中泛滥，整个塔的内部随后被硅胶覆盖。由于硅胶不能很好地连接到塔壁的平坦表面上，因此在底部容器中发现的凝胶薄片可能导致反应不受控制和产品的污染。于是，安装壁盖以提高凝胶的稳定性，并为涂层提供额外的表面。该壁盖由金属网片组成，安装在填料的周围，壁盖的安装可以提高涂层的稳定性。

本发明的有益效果在于：

在整个周期过程中，填料仍然在塔中。因此，原位生成法是一种在非均相催化剂反应精馏过程中用来促进催化剂交换并且减少停车时间的方法。其主要的优势在于简化了安装步骤，虽然需要附加设备，但是这些额外附加的设备都是常见的，这也代表降低了投资费用。

当前酶催化反应精馏中催化剂的装填方式为催化剂被放在载酶筐中，然后和填料交替排列在精馏塔中，即一层填料一层催化剂的排列方式。因此当生物酶催化剂失活后只能将精馏塔进行拆卸，然后取出失活后的生物酶，再放入新的载酶筐。这种方法不仅费时费力，而且增加了停车时间，显著加大了经济成本。而本发明中的原位生产法很好的解决了上述过程中所遇到的问题，使催化剂的交换在不拆分精馏塔的情况下进行交换，减少了停车时间，简化了安装步骤，降低了投资费用。

附图说明

1.图1为酶催化反应精馏中生物催化涂层的原位涂覆和更新的装置图。

2.图2为涂层过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下参照附图对本发明进一步详细说明。本发明提供了一种用于酶催化反应精馏的生物催化涂层的原位生成法，包括的步骤详细描述如下：

实施例1

塔设备：

该设备由一个内部直径为45mm和填料高度为720mm的填料塔构成(如附图1)。标准床是由带有12段的规整填料cy500构成，通过支撑网络将填料的12个部分进行分离。在填料床以下提供了加压的空气，并且该空气流可以通过调节加热丝进行加热。该塔在底部连接了一个4l的温度控制反应容器，在顶部有一个冷凝器和一个回流阀。塔的压力用旋片式真空泵p1进行调节，另一个旋片式真空泵p2的安装用来从底部容器中取样。塔和底部容器可以用一个手柄阀进行相互分离。

原位涂覆：

(1)将反应塔内的温度预冷至2℃，然后持续向塔釜注入相同温度的溶胶，溶胶量为17.1m³m^-2；所述的反应塔为填料塔；

(2)向塔底的溶胶通入35℃的加热空气，使溶胶产生气泡，并使气泡区域逐步上升，直至充满塔体；塔内的压力为大气压力；

(3)关闭溶胶和加热空气，排出塔釜多余的溶胶，然后使用鼓风机通入35℃下的干燥空气5分钟，鼓风机的压力为1.2个大气压；重复(2)-(3)步骤4次，完成生物催化涂层的原位涂覆。

进行反应精馏实验，将总质量为800g的67wt％的乙酸乙酯和33wt％的正丁醇的混合物加入到塔釜，塔釜水槽的温度为70℃，压力为900mbar，回流阀设置为全回流，冷凝回流稳定之后进行开车运行，反应时间为8个小时，通过分析反应得到的数据，乙酸乙酯的转化率为45％，正丁醇的转化率为82％，相比使用传统的催化填料，催化效果提高了70％-90％。

原位更新：

(1)从酶催化反应精馏后的塔体顶部注入60℃的2mnaoh氢氧化钠溶液洗塔3次；再用去离子水冲洗一次；

(2)将反应塔内温度预冷至2℃，然后持续向塔釜注入相同温度的溶胶，溶胶量为17.1m³m^-2；所述的反应塔为填料塔；

(3)向塔底的溶胶通入35℃的加热空气，使溶胶产生气泡，并使气泡区域逐步上升，直至充满塔体；塔内的压力为大气压力；

(4)关闭溶胶和加热空气，排出塔釜多余的溶胶，然后使用鼓风机通入35℃下的干燥空气5分钟，鼓风机的压力为1.2个大气压；重复(3)-(4)步骤4次；完成更新。

原位更新完成之后，继续酶催化反应精馏实验，依然将总质量为800g的67wt％的乙酸乙酯和33wt％的正丁醇的混合物加入到塔釜，塔釜水槽的温度为70℃，压力为900mbar，回流阀设置为全回流，冷凝回流稳定之后进行开车运行，反应时间为8个小时，反应完成之后，对数据进行分析，得到乙酸乙酯的转化率为42％，正丁醇的转化率为80％，与完成原位涂覆之后进行反应的转化率基本相等，说明更新成功，达到了预期的效果。

所述的硅凝胶为溶胶-凝胶反应得到的含有生物酶的凝胶，包括以下步骤：

(1)a溶液的配制：分别取正硅酸甲酯0.203kg、甲基三氧甲基硅烷0.72kg、甲醇0.849kg，混合，放置在冰水浴内搅拌10分钟。

(2)b溶液的配制：分别取1m的氟化钠0.1kg、聚乙二醇(400)0.3kg、calb酶溶液0.2kg(蛋白含量为10.9mg/ml)、去离子水0.34kg进行混合，放置在冰水浴内搅拌10分钟。

(3)将b溶液引流至a溶液中，在冰水浴内搅拌3分钟后移至室温。

1.涂层

涂层过程示意图如图2所示，首先，快速凝胶化会破坏规整加工，所以①溶胶和反应塔预冷至1℃-6℃以延长凝胶时间；②空气流的加热外套设置到加热能力的40％-60％(空气温度＝35℃)，气体负荷设定为1.2-2.1个大气压，液剂量设定为15.0m³m^-2-18.0m³m^-2，通过蠕动泵加入到塔釜位置；③直至喷动流化床膨胀至填料段最上方，方能停止溶胶的加入；④随后，通过关闭溶胶和气体流来排出溶胶，为了促进内部进行凝胶，加入一个中间干燥步骤，⑤在1.2-2.1个大气压和30℃-60℃下加压空气3-8分钟，中间干燥步骤的时间根据氟化钠在溶胶中的浓度进行调整。依次循环重复②-⑤步骤3-7次。

2.洗涤

在反应精馏实验使用之前，催化填料cy500用充满塔的反应原料在60℃下洗涤1次，再用去离子水在室温下洗涤1次。

3.干燥

为了确定催化填料cy500的负载，该涂层必须在加压空气为1.2-2.1个大气压，温度为30℃-50℃时完全干燥2-4个小时。

4.涂层的去除

对于催化涂层的去除，在塔中灌入温度为50℃-70℃的2mnaoh，将涂层的气体负荷设置为1.2-2.1个大气压，塔内的液体喷床是为了使氢氧化钠和凝胶相互作用更充分，重复用氢氧化钠灌塔3-5次，然后再用去离子水对塔进行冲洗，两个小时的干燥步骤得出脱膜过程的结论。

以酶催化反应精馏制备乙酸丁酯的酯交换反应作为模型反应，反应物系正丁醇和乙酸乙酯，反应物的摩尔比为1:1，反应温度为55℃，反应时间为3h，与传统的催化填料相比，分布在塔的整个截面上的涂层有助于催化剂的利用率，正丁醇和乙酸乙酯的转化率能提高70％到90％，在使用传统的催化填料且操作条件为14.2kpa和0.0483kg/m²时，得到正丁醇的转化率为25.79％，乙酸乙酯的转化率为9.90％，而同样条件下使用生物催化填料时正丁醇的转化率可以达到89.99％，乙酸乙酯的转化率可以达到49.78％，并且此生物催化填料在连续使用两个月后其催化效率仍可保持在70％以上。这些数据表明，在使用生物酶催化涂层作为酯交换反应的催化剂时，可以实现正丁醇的转化率超过80％，乙酸乙酯的转化率能达到40％以上，说明在连续操作的反应精馏塔中生物催化填料的催化效果优于传统催化剂，并且在模型反应中生物催化剂显示出了极好的选择性。

本发明未尽事宜为公知技术。