CN219032197U - 固定化酶反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固定化酶反应器，该固定化酶反应器包括反应釜、第一筛网、第二筛网和搅拌装置；反应釜内沿自身周壁方向设置有环形支撑板；第一筛网横向设置于环形支撑板上；第二筛网竖向设置于环形支撑板上，第二筛网沿反应釜的内周壁围设形成环状结构，且第二筛网与反应釜的内周壁之间存在容纳空间，反应釜靠近环形支撑板的一侧开设有与容纳空间连通的排流口；搅拌装置与反应釜转动连接并设置于第二筛网内。该固定化酶反应器提供的技术方案能够有效的使黏度较大的物料和固定化酶及时进行分离，维持固定化酶的催化条件保持稳定，提高油脂催化的效率。

Description

固定化酶反应器

技术领域

本实用新型属于固定化酶催化装置技术领域，具体涉及一种固定化酶反应器。

背景技术

生物柴油是21世纪崛起的新兴产业，我国秉着“不与人争粮”的理念，用废弃油脂生产生物柴油。目前生产生物柴油最普遍的方法是酯交换法，将底物油料与醇进行催化反应，反应使用的催化剂一般有化学催化剂和生物催化剂。化学催化剂常使用浓硫酸，化学法加工过程需要高温高压，存在能耗高、对设备要求高、产物难于回收和废碱液污染环境等缺点。生物催化剂常使用酶，生物酶法工艺简单、反应在常温常压下便可进行、副产物少、生成的甘油容易回收且无需进行废液处理等优点。

在我国，酶法生产生物柴油时常使用固定化酶、甲醇与餐饮废油进行催化，生成脂肪酸甲酯含量高于95％的生物柴油。生物柴油的生产中，黏度较大的物料富集在固定化酶上，使固定化酶稳定性下降，例如甘油具有粘度大，密度大的特点，很容易积累在反应釜底部，从而富集在固定化酶上。而现有的反应釜结构在催化反应后不易将黏度较大的物料和固定化酶及时进行分离，很难维持固定化酶的催化条件保持稳定，导致油脂催化效率低下等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种固定化酶反应器，该固定化酶反应器能够使黏度较大的物料和固定化酶及时进行分离，从而能够维持固定化酶的催化条件保持稳定，提高油脂催化的效率。

实现上述目的包括如下技术方案。

一种固定化酶反应器，所述固定化酶反应器包括反应釜、第一筛网、第二筛网和搅拌装置；

所述反应釜内沿自身周壁方向设置有环形支撑板；所述第一筛网横向设置于所述环形支撑板上；所述第二筛网竖向设置于所述环形支撑板上，所述第二筛网沿所述反应釜的内周壁围设形成环状结构，且所述第二筛网与所述反应釜的内周壁之间存在容纳空间，所述反应釜靠近所述环形支撑板的一侧开设有与所述容纳空间连通的排流口；所述搅拌装置与所述反应釜转动连接并设置于所述第二筛网内。

在其中一些实施例中，所述第一筛网的筛网目数为80目～300目；所述第二筛网的筛网目数为50目～200目，所述第一筛网的筛网目数大于所述第二筛网的筛网目数。

在其中一些实施例中，所述第二筛网的中心线与所述反应釜的中心轴同轴设置，且所述反应釜内壁的直径与所述第二筛网的直径的比值范围为1.05～1.2:1。

在其中一些实施例中，所述固定化酶反应器还包括鼓气装置，所述鼓气装置设置于所述反应釜内。

在其中一些实施例中，所述鼓气装置包括与所述反应釜的内底壁连接的鼓气管，所述鼓气管螺旋弯曲形成盘状管，所述鼓气管上开设有多个间隔设置的出气孔，各所述出气孔朝下。

在其中一些实施例中，所述反应釜的底端开设有进料口，所述反应釜的顶端开设有出料口。

在其中一些实施例中，所述反应釜、第一筛网和第二筛网均设置有多个，每一反应釜内均设置有一个所述第一筛网和一个第二筛网；前一级的所述反应釜通过所述出料口与后一级的所述反应釜的进料口连通设置。

在其中一些实施例中，所述第一筛网和所述第二筛网一体成型并与所述反应釜可拆卸连接，所述第二筛网竖向设置于所述第一筛网上。

在其中一些实施例中，所述反应釜的内壁沿自身周向方向开设有多个卡槽，所述第二筛网的外环壁沿自身周向方向设置有多个支撑件，所述支撑件与所述卡槽一一对应设置，且所述支撑件可拆卸地设置于所述卡槽中。

在其中一些实施例中，所述环形支撑板上开设有凹槽；所述第一筛网的底部向下延伸形成有凸环，所述凸环可拆卸地插接于所述凹槽，且所述第一筛网与所述环形支撑板紧密贴合。

本实用新型所提供的技术方案具有以下的优点及效果：

该固定化酶反应器通过反应釜内的第一筛网和第二筛网配合能够使固定化酶始终位于第一筛网和第二筛网围成的空间内，避免固定化酶流失，且通过第二筛网形成环状结构并与反应釜的内周壁之间形成容纳空间，在搅拌装置转动时产生的离心力作用下，使黏度较大的物料甩出第二筛网并进入第二筛网与所述反应釜的内周壁之间的容纳空间，并根据密度的性质分层以沉积于底部并通过排流口排出，从而实现黏度较大的物料与固定化酶的有效分离，维持固定化酶的催化条件保持稳定，提高油脂催化的效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例的固定化酶反应器的结构示意图；

图2是实施例1的实验结果图；

图3是实施例2的实验结果图；

图4是实施例3的实验结果图。

附图标记说明：

100、固定化酶反应器；

1、反应釜；11、环形支撑板；12、进料口；13、出料口；14、排流口；15、抽真空口；16、超压排放口；17、放净口；18、辅助通料口；2、第一筛网；3、第二筛网；31、支撑件；4、搅拌装置；41、搅拌件；42、旋转驱动装置；5、鼓气管。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照说明书附图对本实用新型的具体实施例进行更详细的描述。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的“第一、第二…”仅仅是用于对名称的区分，不代表具体的数量或顺序。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，本文中“固定于”、“连接于”，可以是直接固定或连接于一个元件，也可以是间接固定或连接于一个元件。

本实用新型提供一种固定化酶反应器100，如图1所示，固定化酶反应器100包括反应釜1、第一筛网2、第二筛网3和搅拌装置4；反应釜1内沿自身周壁方向设置有环形支撑板11；第一筛网2横向设置于环形支撑板11上；第二筛网3竖向设置于环形支撑板11上，第二筛网3沿反应釜1的内周壁围设形成环状结构，且第二筛网3与反应釜1的内周壁之间存在容纳空间，反应釜1靠近环形支撑板11的一侧开设有与容纳空间连通的排流口14；搅拌装置4与反应釜1转动连接并设置于第二筛网3内。

可以理解地，该固定化酶反应器100用于油脂催化反应时，将固定化酶投入反应釜1中第一筛网2和第二筛网3围成的空间内，其中第一筛网2和第二筛网3的孔径小于固定化酶的粒径，以使固定化酶始终位于第一筛网2和第二筛网3围成的空间内，随后将底物油料和辅料投入该空间，搅拌装置4转动以使三者充分混合进行催化反应得到产物。其中，通过第一筛网2和第二筛网3的配合作用，以使固定化酶始终位于第一筛网2和第二筛网3围成的空间内，并在搅拌装置4转动时产生的离心力作用下，使物料甩出第二筛网3并进入第二筛网3与反应釜1的内周壁之间的容纳空间，对于密度大、黏度高的物料，如甘油等，在自然状态下难以穿透该第二筛网3再次进入第一筛网2和第二筛网3围成的空间内，且根据密度差异，密度大的物料与密度小的物料迅速分层，此时可以通过靠近环形支撑板11的一侧开设的排流口14将物料逐层排出，以实现黏度较大的物料和固定化酶相互分离。

综上，该固定化酶反应器100通过反应釜1内的第一筛网2和第二筛网3配合能够使固定化酶始终位于第一筛网2和第二筛网3围成的空间内，避免固定化酶流失，且通过第二筛网3形成环状结构并与反应釜1的内周壁之间形成容纳空间，在搅拌装置4转动时产生的离心力作用下，使黏度较大的物料如甘油甩出第二筛网3并进入第二筛网3与反应釜1的内周壁之间的容纳空间，并根据密度的性质分层以沉积于底部并通过排流口14排出，从而实现黏度较大的物料与固定化酶的有效分离，维持固定化酶的催化条件保持稳定，提高油脂催化的效率。

在一些实施例中，第一筛网2的筛网目数为80目～300目，例如可以为80目、100目、150目、200目、250目、300目等；第二筛网3的筛网目数为50目～200目，例如可以为50目、100目、120目、150目、180目、200目等。在此范围内的第一筛网2和第二筛网3的孔径大小能够使固定化酶始终位于第一筛网2和第二筛网3围成的空间内，而黏度较大的物料如甘油能够在搅拌装置4的离心力作用下顺畅甩出第二筛网3，且难以在自然状态下返流回第二筛网3内，以使甘油和固定化酶更好地分离。第一筛网2的筛网目数大于第二筛网3的筛网目数，较大的第一筛网2便于底物油料进入或者流出，以使反应能够顺利进行。

在一些实施例中，如图1所示，第二筛网3的中心线与反应釜1的中心轴同轴设置，且反应釜1内壁的直径与第二筛网3的直径的比值范围为1.05～1.2:1。可以理解地，由于第二筛网3与反应釜1内壁之间的空间大小会影响黏度较大的物料如甘油和固定化酶的分离效果，通过第二筛网3与反应釜1内壁之间的容纳空间的大小设置为反应釜1内壁的直径与第二筛网3的直径的比值范围为1.05～1.2:1，能有效使黏度较大的物料和固定化酶分离。

在一些实施例中，如图1所示，搅拌装置4包括搅拌件41和旋转驱动装置42；搅拌件41悬置于第二筛网3内，旋转驱动装置42的输出端与搅拌件41连接并能够带动搅拌件41转动。其中该搅拌件41的结构可以是锚式、桨式、涡轮式、推进式、框式等结构，并采用一层或多层搅拌件41，反应时转速为30rpm-400rpm。通过旋转驱动装置42如旋转电机等驱动搅拌件41转动，能够使反应物充分混合，并使黏度较大的物料和固定化酶进行充分分离，从而提高油脂催化的效率。

在一些实施例中，固定化酶反应器100还包括鼓气装置，鼓气装置设置于反应釜1内。通过鼓气装置向反应釜1内进行鼓气，有利于固定化酶与底物油料、辅料充分接触进行反应，从而有效降低生物柴油的酸价。

具体在本实施例中，如图1所示，鼓气装置包括与反应釜1的内底壁连接的鼓气管5，鼓气管5螺旋弯曲形成盘状管，鼓气管5上开设有多个间隔设置的出气孔，各出气孔朝下。盘管结构的鼓气管5能够增大出气面积，从而进一步使固定化酶与底物油料充分接触，从而进一步降低生物柴油的酸价。

在一些实施例中，如图1所示，反应釜1的底端开设有进料口12，反应釜1的顶端开设有出料口13。底物油料和辅料从反应釜1的底端的进料口12进来后，再进入第一筛网2和第二筛网3围成的空间内与固定化酶进行反应，反应完成后得到的生物柴油从顶端的出料口13流出，下进上出的结构能够使反应充分进行，提高生产效率。此外，在其他实施例中，也可以反应釜1的顶端开设有进料口12，反应釜1的底端开设有出料口13，以形成上进下出的结构，在此不作特别的限制。进一步地，该反应釜1还可以开设有常规的抽真空口15、超压排放口16、放净口17、辅助通料口18等。

在一些实施例中，反应釜1、第一筛网2和第二筛网3均设置有多个，每一反应釜1内均设置有一个第一筛网2和一个第二筛网3；前一级的反应釜1通过出料口13与后一级的反应釜1的进料口12连通设置。可以理解地，通过多级反应釜1串联设置，将固定化酶加入反应釜1内；底物油料从反应釜1底部的进料口12通入第一级反应釜1中，反应后的产物从中上部的出料口13再进入下一反应釜1的进料口12，新鲜辅料可以额外通过喷淋管喷淋至每一反应釜1内，与底物油料和固定化酶充分接触进行反应，搅拌件41转速为30-400rpm，反应温度20-35℃，多级反应后从最后一级的反应釜1中上部的出料口13收集反应得到的生物柴油。该多级反应釜1串联使用能够进一步提高生物柴油的转化率。

在一些实施例中，第一筛网2和第二筛网3一体成型并与反应釜1可拆卸连接，第二筛网3竖向设置于第一筛网2上。可以理解地，第一筛网2和第二筛网3一体成型形成筛网装置，该筛网装置与反应釜1之间为可拆卸结构，因此可通过更换筛网装置以反复更换新鲜的固定化酶，以及在第一筛网2和/或第二筛网3堵塞等情况下更换该筛网装置，从而维持固定化酶的催化条件保持稳定，提高油脂催化的效率。

在一些实施例中，反应釜1的内壁沿自身周向方向开设有多个卡槽，第二筛网3的外环壁沿自身周向方向设置有多个支撑件31，支撑件31与卡槽一一对应设置，且支撑件31可拆卸地设置于卡槽中。可以理解地，支撑件31与卡槽配合能够使第二筛网3相对反应釜1在连接状态时稳定连接，且支撑件31能够对第二筛网3进行结构支撑，有效避免第二筛网3在工作过程中变形影响催化反应的进程。

在一些实施例中，环形支撑板11上开设有凹槽；第一筛网2的底部向下延伸形成有凸环，凸环可拆卸地插接于凹槽，且第一筛网2与环形支撑板11紧密贴合。可以理解地，第一筛网2的底部与反应釜1的环形支撑板11紧密贴合，从底部进入的物料需经过第一筛网2筛除杂质后才能进入第一筛网2和第二筛网3围成的空间内与固定化酶进行反应；且第一筛网2为可拆卸结构，配合第二筛网3的可拆卸结构，能够对第一筛网2和第二筛网3进行更换，因此可反复更换新鲜的固定化酶，从而维持固定化酶的催化条件保持稳定，提高油脂催化的效率。

以下通过具体实施例，对本实用新型的技术方案做进一步地阐述，但是不用于限制本实用新型的保护范围。以下实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

实施例1

该固定化酶反应器100包括反应釜1、第一筛网2、第二筛网3和搅拌装置4；反应釜1内沿自身周壁方向设置有环形支撑板11；第一筛网2横向设置于环形支撑板11上；第二筛网3竖向设置于环形支撑板11上，第二筛网3沿反应釜1的内周壁围设形成环状结构，且第二筛网3与反应釜1的内周壁之间存在容纳空间，反应釜1靠近环形支撑板11的一侧开设有与容纳空间连通的排流口14；搅拌装置4与反应釜1转动连接并设置于第二筛网3内。反应釜1内还设置有鼓气装置。

第一筛网2的目数为200目，第二筛网3选择不同目数的筛网结构，分别为50、80、120、160、200、300目，催化反应生成生物柴油。底物为100kg餐饮废油和4kg甲醇，将底物混合好后从反应釜1底部的进料口12进入，流速为10kg/h，反应温度30℃。选用商品化酶Novozym435，加酶量为200g。10h反应后测定产物中脂肪酸甲酯含量，如下图2所示，其中第二筛网3为50目～200目均具有高于30％的脂肪酸甲酯含量，且第二筛网3为160目时最高，脂肪酸甲酯含量为48％。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于，第一筛网2的目数为200目，第二筛网3目数为150目。

称取300g固定化酶放入第一筛网2和第二筛网3围成空间内，取15kg的餐饮废油(酸价10mg/g)加入反应釜1中，从反应釜1顶端流加4％甲醇，然后将搅拌件41的转速调至200rpm，35℃催化反应2h，从筛网内部取油样检测脂肪酸甲酯含量。取样后将反应后的油排出，保留原固定化酶，继续换餐饮废油进行反应，重复上述操作实验20次。

设两组实验，实验组采用上述的固定化酶反应器100，对照组采用反应器，与实验组不同之处在于，在反应器内的底部进料口上方加一圆形筛网阻拦固定化酶。实验结果如下图3所示，其中实验组的催化效果稳定，产物中脂肪酸甲酯含量为44-46％，对照组中随反应批次增加，产物中脂肪酸甲酯含量逐渐降低。

实施例3

用3个固定化酶反应器100串联形成三级反应系统制备生物柴油，具体组装方法如下：采用循环泵将3个反应釜1进行串联，其中上一级反应釜1的出料口13与下一级反应釜1的进料口12用管道与循环泵相连，保证上一级的产物能顺利进入下一级反应釜1作反应物。

准备1000kg餐饮废油，在每一级反应釜1中加入100g固定化酶。反应时，通过循环泵将餐饮废油和4％甲醇通入第一级反应釜1的进料口12，整个生物柴油反应体系控制原料油的流速保持4kg/h，控制搅拌件41转速200rpm，温度控制在30℃。每隔6h从反应釜1排流口14排液，除去生成的副产物甘油。

从第三级反应釜1的出料口13收集最终的反应产物。在反应过程中，每隔2h从反应釜1出料口13处取油样，测定每一级的脂肪酸甲酯转化率，结果如图4所示。反应周期约为78h，每一级的产率稳定，第一级反应后产物中脂肪酸甲酯含量约为35％，第二级反应后产物中脂肪酸甲酯含量为57-62％，第三级反应后产物中脂肪酸甲酯含量可达90-95％。因此多级反应系统能够提高进一步提高生物柴油的转化率。

以上实施例也并非是基于本实用新型的穷尽性列举，在此之外，还可以存在多个未列出的其他实施方式。在不违反本实用新型构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.固定化酶反应器，其特征在于，所述固定化酶反应器包括反应釜、第一筛网、第二筛网和搅拌装置；

所述反应釜内沿自身周壁方向设置有环形支撑板；所述第一筛网横向设置于所述环形支撑板上；所述第二筛网竖向设置于所述环形支撑板上，所述第二筛网沿所述反应釜的内周壁围设形成环状结构，且所述第二筛网与所述反应釜的内周壁之间存在容纳空间，所述反应釜靠近所述环形支撑板的一侧开设有与所述容纳空间连通的排流口；所述搅拌装置与所述反应釜转动连接并设置于所述第二筛网内。

2.如权利要求1所述的固定化酶反应器，其特征在于，所述第一筛网的筛网目数为80目～300目；所述第二筛网的筛网目数为50目～200目，所述第一筛网的筛网目数大于所述第二筛网的筛网目数。

3.如权利要求1所述的固定化酶反应器，其特征在于，所述第二筛网的中心线与所述反应釜的中心轴同轴设置，且所述反应釜内壁的直径与所述第二筛网的直径的比值范围为1.05～1.2:1。

4.如权利要求1所述的固定化酶反应器，其特征在于，所述固定化酶反应器还包括鼓气装置，所述鼓气装置设置于所述反应釜内。

5.如权利要求4所述的固定化酶反应器，其特征在于，所述鼓气装置包括与所述反应釜的内底壁连接的鼓气管，所述鼓气管螺旋弯曲形成盘状管，所述鼓气管上开设有多个间隔设置的出气孔，各所述出气孔朝下。

6.如权利要求1所述的固定化酶反应器，其特征在于，所述反应釜的底端开设有进料口，所述反应釜的顶端开设有出料口。

7.如权利要求6所述的固定化酶反应器，其特征在于，所述反应釜、第一筛网和第二筛网均设置有多个，每一反应釜内均设置有一个所述第一筛网和一个第二筛网；前一级的所述反应釜通过所述出料口与后一级的所述反应釜的进料口连通设置。

8.如权利要求1所述的固定化酶反应器，其特征在于，所述第一筛网和所述第二筛网一体成型并与所述反应釜可拆卸连接，所述第二筛网竖向设置于所述第一筛网上。

9.如权利要求8所述的固定化酶反应器，其特征在于，所述反应釜的内壁沿自身周向方向开设有多个卡槽，所述第二筛网的外环壁沿自身周向方向设置有多个支撑件，所述支撑件与所述卡槽一一对应设置，且所述支撑件可拆卸地设置于所述卡槽中。

10.如权利要求8所述的固定化酶反应器，其特征在于，所述环形支撑板上开设有凹槽；所述第一筛网的底部向下延伸形成有凸环，所述凸环可拆卸地插接于所述凹槽，且所述第一筛网与所述环形支撑板紧密贴合。

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