專利名稱：一種超聲波酶膜反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物工程領(lǐng)域，涉及一種酶膜反應(yīng)器，特指一種將超聲波發(fā)生器和酶解反 應(yīng)器結(jié)合的新型超聲波酶膜反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
1) 酶膜反應(yīng)器技術(shù)
Blatt等20世紀(jì)60年代末首次提出了酶膜反應(yīng)器的概念， 一般是指膜和生物化學(xué) 反應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)或操作單元，依靠酶的專一性、催化性及膜特有的功能，可在生物反應(yīng) 過程中實(shí)現(xiàn)反應(yīng)與反應(yīng)的耦合、產(chǎn)物的原位分離濃縮和酶的回收利用于一體，從而達(dá)到突 破反應(yīng)平衡的限制、減少副產(chǎn)物生成、提高產(chǎn)品得率等目的。隨著生物化學(xué)工程和膜技術(shù) 的不斷發(fā)展，酶膜反應(yīng)器成為近年來人們研究的重要領(lǐng)域。
但是膜在使用一定時(shí)間后， 一般需要清洗除去污染物。常規(guī)清洗方法包括循環(huán)清洗、 反沖洗滌(適用于內(nèi)壓式中空纖微膜)、水力方法、氣一液脈沖、海綿球機(jī)械擦洗、電場(chǎng)過 濾的物理方法以及用酸堿液、表面活性劑、氧化劑或酶清洗的化學(xué)方法。物理方法如水力 學(xué)清洗只適用于微濾膜和疏松的超濾膜，大多數(shù)情況下膜仍需化學(xué)清洗，而化學(xué)清洗一方 面會(huì)帶來二次污染，且會(huì)對(duì)膜產(chǎn)生不同程度的損傷，縮短了膜的壽命。天津大學(xué)化工學(xué)院 應(yīng)用動(dòng)態(tài)膜分離技術(shù)開發(fā)研制的新型多功能酶反應(yīng)器，在酶反應(yīng)器中用旋葉動(dòng)態(tài)膜分離代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的膜分離，由于膜表面流體的高剪切作用，能有效削弱濃差極化和凝膠層的形成， 提高過濾速率，減少了膜的更換次數(shù)，同時(shí)產(chǎn)物及時(shí)濾出可消除產(chǎn)物抑制效應(yīng)，有利于酶 解反應(yīng)的進(jìn)行，然而這種方法只能清洗膜表面沉積的污染物，對(duì)于膜孔中的污染物清洗效
果較弱。膜污染是膜反應(yīng)器實(shí)際工作遇到的最大問題，亟待解決。
2) 超聲波處理技術(shù)
超聲波是物質(zhì)介質(zhì)中的一種彈性機(jī)械波，是物理能量的一種形式。自從1928年美國 普林斯頓大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科技人員首次發(fā)現(xiàn)超聲波有加速二甲基硫酸水解和亞硫酸還 原硫酸鉀反應(yīng)作用以來，聲學(xué)與化學(xué)相互交叉滲透的超聲化學(xué)作為一門新興的邊緣學(xué)科發(fā) 展十分迅速，特別是在20世紀(jì)80年代發(fā)展更為迅速，并且隨著功率超聲波儀器設(shè)備的發(fā) 明與制造技術(shù)的日趨完善等，使超聲化學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品加工、化學(xué)、化工、醫(yī)療、 醫(yī)藥和農(nóng)藥等許多領(lǐng)域。大量的研究表明適宜的超聲波處理?xiàng)l件可提高酶促反應(yīng)速度， 在一定條件下也可使酶鈍化。Barton于1996年研究發(fā)現(xiàn)60W超聲波可以激活任意底物 濃度下的a-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶。Ateqad等利用2MHz、 5.2W/cm2的超聲處理木瓜蛋 白質(zhì)水解酶，使酶活性有較大幅度的提高。Sakakibara等也發(fā)現(xiàn)超聲處理可使庶糖酶水解蔗糖的反應(yīng)速度提高30%。 Vargas LHM等超聲處理黑曲霉中轉(zhuǎn)移酶，在兩振幅(20%,40 %)下都能顯著地提高整個(gè)轉(zhuǎn)移酶活性，當(dāng)振幅為20%,作用8min時(shí)酶活力提高最大。 張富新等利用超聲提取小牛皺胃酶，與傳統(tǒng)提取法提取2d、提取活性最大為54368U/g相 比，它僅需70min，提取活性就可達(dá)62768U/g，大大縮短了提取時(shí)間，提高了提取率。 黃卓烈等在研究超聲波對(duì)酵母過氧化氫酶及多酚氧化酶活性的影響時(shí)觀察到，在一定參數(shù) 超聲波范圍內(nèi)兩種酶活性都升高。宗敏華等在進(jìn)行有機(jī)相中脂肪酶催化棕櫚油酯交換反應(yīng) 的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，適宜的超聲輻照可顯著提高脂肪酶促轉(zhuǎn)酯反應(yīng)的速度和脂肪酶催化酯化反 應(yīng)。
超聲波對(duì)超濾膜的清洗具有良好的應(yīng)用前景。南京工業(yè)大學(xué)研究了超聲對(duì)聚偏氟乙烯 中空纖維超濾膜的清洗作用，實(shí)驗(yàn)表明超聲和稀檸檬酸協(xié)同清洗可使通量恢復(fù)到初始通量 的73.2%，明顯高于無浸泡時(shí)的56.2%。超聲波清洗膜是通過液體為作用媒質(zhì)的，由于 液體中空化核的尺寸并不相同，因此要在極短的超聲波作用時(shí)間內(nèi)使空化效應(yīng)達(dá)到最佳，， 就應(yīng)針對(duì)不同尺寸的空化核應(yīng)用不同頻率的超聲波作用。目前還沒有將超聲波技術(shù)應(yīng)用在 酶膜反應(yīng)器中用以提高酶解效率和膜的清洗效率的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是基于提高酶膜反應(yīng)器的酶解效率、膜的清洗效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，提供一種 酶解效率高、系統(tǒng)穩(wěn)定的酶解反應(yīng)器。將超聲波技術(shù)和酶膜反應(yīng)器技術(shù)相結(jié)合，利用超聲 波對(duì)酶解反應(yīng)的促進(jìn)作用，提高酶解的效率，利用超聲波對(duì)超濾膜的清洗作用，改善膜的 污染問題，并大大減輕了超聲波對(duì)膜的機(jī)械損傷作用。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
本發(fā)明超聲波酶膜反應(yīng)器由三部分組成超聲波酶解反應(yīng)器，超聲波膜分離器，液體 輸送泵；超聲波酶解反應(yīng)器通過液體輸送泵和超聲波膜分離器連接，超聲波膜分離器通過 管道和超聲波酶解反應(yīng)器連接。
其中所述超聲波酶解反應(yīng)器由超聲波發(fā)生系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，pH控制系統(tǒng)和物料 輸送系統(tǒng)組成。超聲波發(fā)生系統(tǒng)包括超聲槽(罐)1,該超聲槽(罐)為不銹鋼結(jié)構(gòu)槽式或 罐式容器，超聲波換能器8和17、超聲波控制器10。溫度控制系統(tǒng)包括加熱套7、冷卻套 2和溫度傳感器5，加熱套7置于超聲槽(罐)底部，冷卻套2置于超聲槽(罐)中部， 溫度傳感器5置于加熱套7和冷卻套2之間。pH控制系統(tǒng)包括pH探頭6、 pH值顯示器 11、貯酸罐19和貯堿罐20，其中pH探頭6與溫度傳感器5相鄰，可以根據(jù)pH值顯示器 所顯示的物料溶液的pH值以及使用的酶的最適pH來決定啟動(dòng)貯酸罐19加酸或者貯堿罐 20加堿。
其中所述超聲波膜分離器由超聲波發(fā)生器16、膜分離設(shè)備15以及置于膜分離設(shè)備15內(nèi)部的超濾膜14組成。超濾膜14的材料可以是陶瓷膜、不銹鋼膜或者有機(jī)膜。
其中所述超聲波酶解反應(yīng)罐的超聲波頻率為20kHz 78kHz，超聲波功率為 20mW/cm2~40m W/cm2，具體功率和頻率的選擇要根據(jù)不同的酶解反應(yīng)的底物和所選用的 酶進(jìn)行試驗(yàn)確定。
其中所述超聲波膜分離器是將探頭式超聲波發(fā)生器和超濾設(shè)備結(jié)合。超聲波發(fā)生器的 頻率為20kHz 78kHz，超聲波功率在20mW/cm2~100m W/cm2。
其中所述的超聲波可以是固定頻率的超聲波，也可以是兩個(gè)或多個(gè)頻率復(fù)合式的超聲 波，也可以是掃頻式的超聲波。
其中所述超聲波酶解反應(yīng)器和超聲波膜分離器通過循環(huán)泵12相連接，酶解液在循環(huán) 泵的作用下從超聲波酶解反應(yīng)器中進(jìn)入超聲波膜分離器，酶解后形成的小分子目標(biāo)物質(zhì)通 過超濾膜14形成濾過液，不能通過超濾膜的物質(zhì)再次進(jìn)入超聲波酶解反應(yīng)器繼續(xù)酶解。
其中所述超聲波酶解反應(yīng)器中的酶，采用常規(guī)的固定化方法進(jìn)行固定化處理。 本發(fā)明超聲波酶膜反應(yīng)器的工作過程為
a采用常規(guī)的方法對(duì)酶進(jìn)行固定化處理，置入超聲槽(罐)1中。 b將底物按照一定比例配成溶液，加入酸堿調(diào)節(jié)pH，開啟加熱套7使得酶解液 溫度達(dá)到酶解最適溫度。
c開啟超聲酶解罐的超聲波發(fā)生器1，在該酶解反應(yīng)最佳的超聲波條件(功率、 頻率、間歇比)下進(jìn)行酶解反應(yīng)。
d開啟循環(huán)泵12，將經(jīng)過酶解的液體輸送至超濾設(shè)備，使其逐漸充滿超濾膜空間。
e開啟超聲發(fā)生器16，調(diào)整超聲波條件(功率、頻率、間歇比)，收集濾下物， 未能通過超濾膜的液體重新送回超聲槽(罐)1繼續(xù)酶解。 f根據(jù)反應(yīng)情況進(jìn)行補(bǔ)料或者補(bǔ)水。
g檢測(cè)酶解反應(yīng)罐中底物濃度，根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果，及時(shí)停止或更換酶解液
進(jìn)行酶解。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1) 酶解反應(yīng)的效率得到提高，在超聲波的作用下，底物的溶解性增大，底物與酶 的接觸幾率增大，產(chǎn)物能及時(shí)離開酶的表面使得新的酶解反應(yīng)盡快進(jìn)行，提高了酶解反應(yīng) 的速度。
(2) 膜的清洗和機(jī)械損傷問題大大改善，目前已有超聲波在膜的清洗中的應(yīng)用，只 限于被污染的膜進(jìn)行間隙清洗，還沒有將超聲波應(yīng)用在膜反應(yīng)器中進(jìn)行減輕膜污染的使 用，本發(fā)明將超聲波應(yīng)用在膜反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)了在線膜分離過程中的在線清洗，并大大改 善了 一般超聲波對(duì)膜的機(jī)械損傷作用。


圖1為超聲波酶膜反應(yīng)器裝置示意圖；其中1超聲槽(罐)，2冷卻套，3物料水溶 液，4固定化酶，5溫度傳感器，6 pH探頭，7加熱套，8超聲波換能器，9酶 解液輸出管，IO超聲波控制器，llpH顯示器，12循環(huán)泵，13濾過液，14超濾膜， 15超濾設(shè)備，16探頭式超聲波發(fā)生器，17超聲波換能器，18膜上物輸出管，19貯 酸罐，20貯堿罐，21原料補(bǔ)充罐，22循環(huán)泵。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但不因此而限制本發(fā)明。 實(shí)施例1
在米糠制取ACE肽的研究中，進(jìn)行了利用酶解-膜分離耦合技術(shù)制備ACE活性肽的 研究。在酶膜反應(yīng)中，設(shè)定工作參數(shù)為溫度45。C、 pH8.5、加酶量([E]/[S]) 10%、出肽速 率11mL/min，對(duì)應(yīng)的底物蛋白轉(zhuǎn)化率達(dá)到47.50%，該值是相同條件下傳統(tǒng)制取方法的1.27 倍。對(duì)連續(xù)式酶解-膜分離耦合系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)。結(jié)果表明，反應(yīng)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行 3.5h，生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)的活性肽制取方法提高了 6.37倍。
采用本發(fā)明的酶膜超聲波反應(yīng)器。工作參數(shù)為超聲波酶解罐中超聲波的強(qiáng)度為 25mw/cm2、頻率為20kHz、溫度45'C、 pH8.5、加酶量([E]/[S]) 10%;超聲波膜分離器 的超聲波功率為40mw/cm2、頻率為28~73kHzkHz、掃描周期為10ms。底物蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化率 達(dá)到82%，出肽速率達(dá)到18ml/min，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行137h。
(2)在醋糟纖維素降解研究中，進(jìn)行了酶解-膜分離耦合技術(shù)酶解研究。醋糟粉碎至 100目，連續(xù)酶解實(shí)驗(yàn)的參數(shù)為酶解溫度60'C、 pH=4.70、加酶量([E]/[S]) 10%、出糖 速率7mL/min，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行4.3h，纖維素水解率達(dá)到48.4%。采用本發(fā)明的酶膜超聲波 反應(yīng)器。工作參數(shù)設(shè)定超聲波酶解罐中超聲波的強(qiáng)度為40mw/cm2、頻率為26kHz、酶 解溫度55'C、 pH=4.70、加酶量([E]/[S]) 10%。超聲波膜分離器的超聲波功率為40mw/cm2、 頻率為28~73kHz kHz、掃描周期為10ms。出糖速率11 mL/min，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行122h，纖 維素水解率達(dá)到72.5%。
本實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而不進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1、一種超聲波酶膜反應(yīng)器，由超聲波酶解反應(yīng)器，超聲波膜分離器，液體輸送泵三部分組成；其特征在于超聲波酶解反應(yīng)器通過液體輸送泵和超聲波膜分離器相連，超聲波膜分離器通過管道和超聲波酶解反應(yīng)器相連；其中所述超聲波酶解反應(yīng)器由超聲波發(fā)生系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、pH控制系統(tǒng)和物料輸送系統(tǒng)組成；超聲波發(fā)生系統(tǒng)包括超聲槽(罐)1，該超聲槽(罐)為不銹鋼結(jié)構(gòu)槽式或罐式容器，超聲波換能器8和17、超聲波控制器10；其中所述溫度控制系統(tǒng)包括加熱套7、冷卻套2和溫度傳感器5，加熱套7置于超聲槽(罐)底部，冷卻套2置于超聲槽(罐)中部，溫度傳感器5置于加熱套7和冷卻套2之間；pH控制系統(tǒng)包括pH探頭6、pH值顯示器11、貯酸罐19和貯堿罐20，其中pH探頭6與溫度傳感器5相鄰，可以根據(jù)pH值顯示器所顯示的物料溶液的pH值以及使用的酶的最適pH來決定啟動(dòng)貯酸罐19加酸或者貯堿罐20加堿；其中所述超聲波膜分離器由超聲波發(fā)生器16、膜分離設(shè)備15以及置于膜分離設(shè)備15內(nèi)部的超濾膜14組成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波酶膜反應(yīng)器，其特征在于超濾膜14的材料 可以是陶瓷膜、不銹鋼膜或者有機(jī)膜；所使用的酶采用常規(guī)的方法對(duì)酶進(jìn)行 固定化處理。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波酶膜反應(yīng)器，其特征在于超聲波酶解反應(yīng) 罐的超聲波頻率為20kHz 78kHz，超聲波功率為20mW/cm2~40m W/cm2。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波酶膜反應(yīng)器，其特征在于所述超聲波膜分 離器是將探頭式超聲波發(fā)生器和超濾設(shè)備結(jié)合,探頭式超聲波發(fā)生器的頻率 為20kHz 78kHz，超聲波功率為20mW/cm2~100m W/cm2。
5、 其中所述的超聲波可以是固定頻率的超聲波，也可以是兩個(gè)或多個(gè)頻率復(fù)合 式的超聲波，也可以是掃頻式的超聲波。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物工程領(lǐng)域，特指一種將超聲波發(fā)生器和酶解反應(yīng)器結(jié)合的新型超聲波酶膜反應(yīng)器，由超聲波酶解反應(yīng)器，超聲波膜分離器，液體輸送泵三部分組成；其特征在于超聲波酶解反應(yīng)器通過液體輸送泵和超聲波膜分離器相連，超聲波膜分離器通過管道和超聲波酶解反應(yīng)器相連；將超聲波技術(shù)和酶膜反應(yīng)器技術(shù)相結(jié)合，利用超聲波對(duì)酶解反應(yīng)的促進(jìn)作用，提高酶解的效率，利用超聲波對(duì)超濾膜的清洗作用，改善膜的污染問題，并大大減輕了超聲波對(duì)膜的機(jī)械損傷作用。
文檔編號(hào)C12M1/40GK101591614SQ200910032559
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者任曉鋒, 吳士云, 江慎華, 洋 王, 王振斌, 陳曉寅, 馬曉珂, 馬海樂 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)