酶反應(yīng)設(shè)備及酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種酶反應(yīng)設(shè)備及酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制方法。酶反應(yīng)設(shè)備包括氣體干燥模塊，用于提供設(shè)定水蒸氣分壓值的干燥氣體，其至少包括氣源和氣體干燥裝置；酶反應(yīng)模塊，用于容納反應(yīng)底物并在其中形成酶反應(yīng)體系；控制模塊，其包括：至少兩個(gè)監(jiān)測單元，其中一個(gè)設(shè)置于酶反應(yīng)模塊的出口端，其另一個(gè)連接于氣體干燥裝置的出口端；中央控制器，其根據(jù)酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值獲取所述酶反應(yīng)體系水含量值，并且根據(jù)所述酶反應(yīng)體系水含量值與酶反應(yīng)體系水含量的預(yù)定值形成流量控制信號；氣體流量調(diào)節(jié)裝置，其接收流量控制信號并且調(diào)節(jié)干燥氣體的流量。采用這種酶反應(yīng)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)酶反應(yīng)體系水含量的精確控制。
【專利說明】酶反應(yīng)設(shè)備及酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種酶反應(yīng)設(shè)備，還涉及一種使用所述酶反應(yīng)設(shè)備的酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制方法。
【背景技術(shù)】[0002]有機(jī)相酶催化反應(yīng)可以獲得許多常規(guī)條件下不可獲得的新特性和優(yōu)勢:(I)酶作用的底物范圍拓寬到了水不溶性底物；(2)改變反應(yīng)平衡；(3)改變酶對底物的專一性并且增加酶的熱穩(wěn)定性；(4)反應(yīng)后的酶易于回收和重復(fù)利用等。因此，有機(jī)相酶催化反應(yīng)給生物工程領(lǐng)域帶來了一次革命性的飛躍，并成為生物化學(xué)和有機(jī)合成領(lǐng)域中發(fā)展最為迅速的技術(shù)。有機(jī)相酶反應(yīng)并非在完全無水的體系中進(jìn)行，一般要求含有約1% (?/V)微量的水。微量的水對酶有效發(fā)揮催化作用是必需的，因?yàn)樗苯踊蛘唛g接地參與了酶三維構(gòu)象中所有的非共價(jià)作用，包括氫鍵、疏水相互作用、靜電力和范德瓦爾斯力等。然而，過多的水則會使得酶分子的柔韌性增加，增大酶分子的熱不可逆失活速率以及熱聚集失活速率，由此加快酶的失活，降低酶的使用壽命。同時(shí)，在有機(jī)相反應(yīng)中水往往是副產(chǎn)物，比如脂肪酶有機(jī)相酯化反應(yīng)。過多的水抑制正向反應(yīng)，加快逆向反應(yīng)。因此，水分含量能否控制在最佳范圍是有機(jī)相酶催化反應(yīng)能夠成功的關(guān)鍵要素。
[0003]有機(jī)相酶催化反應(yīng)體系水含量的控制非常困難。例如，親水性的酶往往不溶于有機(jī)相，而是作為固相存在于體系中，而水常常富集在酶周圍，若要擴(kuò)散到有機(jī)相主體中的話，存在相當(dāng)大的阻力。此外，有機(jī)相包含了有溶劑體系和無溶劑體系。兩種不同體系的特性決定了水含量控制方法的差異和難度。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，去除有機(jī)相中水分的方法有加入吸水劑、抽真空、飽和鹽溶液平衡法、滲透汽化膜法等。這些方法能夠?qū)⒎磻?yīng)體系中的水分去除，例如，在反應(yīng)體系中加入一定量的吸水劑可以去除體系中的水分，但是吸水劑也會吸收部分底物或者產(chǎn)物等有機(jī)物，但是這些底物或者產(chǎn)物往往難以回收利用，增加了使用成本。抽真空可以維持體系上方為負(fù)壓，加快水分從體系中揮發(fā)，但受制于反應(yīng)器形式，需要一個(gè)非常大的揮發(fā)面。飽和鹽溶液平衡法雖然可以使用不同水活度值的飽和鹽溶液平衡體系，但是平衡時(shí)間過長，從而導(dǎo)致體系中水含量變化響應(yīng)緩慢，同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)不同梯度水平的水含量值的控制，并且難以放大反應(yīng)。滲透汽化膜法由于膜成本過高以及膜污染問題的嚴(yán)重性，也難以在放大反應(yīng)中使用。因此，急需一種對有機(jī)相酶催化反應(yīng)體系水含量能夠精確控制的酶反應(yīng)設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述的問題，本發(fā)明提出了一種酶反應(yīng)設(shè)備，使用這種酶反應(yīng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對酶反應(yīng)體系水含量的精確控制。此外，本發(fā)明還提出了一種使用這種酶反應(yīng)設(shè)備的酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種酶反應(yīng)設(shè)備，其包括:
[0007]氣體干燥模塊，用于提供設(shè)定水蒸氣分壓值的干燥氣體，其至少包括氣源和氣體干燥裝置；
[0008]酶反應(yīng)模塊，其用于容納反應(yīng)底物并在其中形成酶反應(yīng)體系，干燥氣體能夠?qū)胫练磻?yīng)底物中；
[0009]控制模塊，其包括:
[0010]至少兩個(gè)監(jiān)測單元，其中一個(gè)設(shè)置于酶反應(yīng)模塊內(nèi)的出口處，用于采集酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值，至少兩個(gè)監(jiān)測單元中的另一個(gè)連接于氣體干燥裝置的出口端，用于采集干燥氣體的溫濕度值；
[0011]中央控制器，其根據(jù)酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值獲取酶反應(yīng)體系水含量值，并且根據(jù)酶反應(yīng)體系水含量值與酶反應(yīng)體系水含量的預(yù)定值形成流量控制信號；
[0012]氣體流量調(diào)節(jié)裝置，其接收流量控制信號并且調(diào)節(jié)干燥氣體的流量。
[0013]通過本發(fā)明的酶反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行酶反應(yīng)時(shí)，控制模塊根據(jù)檢測單元采集的酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值獲取酶反應(yīng)體系水含量值，并且根據(jù)酶反應(yīng)體系水含量值與酶反應(yīng)體系水含量的預(yù)定值來調(diào)節(jié)干燥氣體的流量，由此能夠調(diào)節(jié)進(jìn)入到反應(yīng)底物中的干燥氣體量，從而實(shí)現(xiàn)對酶反應(yīng)體系水含量的精確控制。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，中央控制器根據(jù)酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值與干燥氣體的溫濕度值預(yù)測反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率。由此可以根據(jù)反應(yīng)底物轉(zhuǎn)化率情況決定是否結(jié)束酶反應(yīng)。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，酶反應(yīng)設(shè)備還包括設(shè)置于氣體干燥模塊和酶反應(yīng)模塊之間的氣體冷凝循環(huán)模塊，氣體冷凝循環(huán)模塊包括氣體增壓泵，以使從所述酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體循環(huán)使用。由此當(dāng)干燥氣體中使用的主要是氮?dú)饣蛘咂渌嘿F氣體時(shí)，從酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體(其主要 成分可能是氮?dú)饣蛘咂渌嘿F氣體時(shí))可以循環(huán)使用，以此降低生產(chǎn)成本。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，氣體冷凝循環(huán)模塊還包括設(shè)置于靠近酶反應(yīng)模塊的冷凝器，冷凝器用于分離從所述酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體中的至少一種。由此，如果從酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體中存在易揮發(fā)氣體時(shí)，可以啟動(dòng)冷凝器將其冷凝后回收，而從所述酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體中的其它氣體經(jīng)由氣體增壓泵加壓后循環(huán)使用，由此降低生產(chǎn)成本以及對大氣的污染。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中，氣體干燥模塊還包括儲氣裝置，儲氣裝置的出氣口連接于氣體干燥裝置，儲氣裝置的第一進(jìn)氣口連接于氣源，儲氣裝置的第二進(jìn)氣口連接于氣體增壓泵。儲氣裝置的設(shè)置能夠保障干燥氣體的供給充沛，避免出現(xiàn)所需量不足的情況。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，還提供了一種酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制方法，酶反應(yīng)模塊中的酶反應(yīng)底物和酶均勻混合，并且酶反應(yīng)模塊中的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行以下步驟:
[0018]步驟1:向反應(yīng)底物中導(dǎo)入設(shè)定水蒸氣分壓值的干燥氣體；
[0019]步驟2:采集酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值以及干燥氣體的溫濕度值；
[0020]步驟3:根據(jù)所述酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值獲取酶反應(yīng)體系水含量值；
[0021]步驟4:根據(jù)酶反應(yīng)體系水含量值與酶反應(yīng)體系水含量的預(yù)定值形成流量控制信號;
[0022]步驟5:根據(jù)流量控制信號調(diào)節(jié)干燥氣體的流量，返回步驟2。[0023]由此能夠通過調(diào)節(jié)干燥氣體的流量實(shí)現(xiàn)酶反應(yīng)體系水含量的控制，提高了酶反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率以及酶的重復(fù)利用率。
[0024]在一個(gè)實(shí)施例中，步驟3還包括:根據(jù)酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值和干燥氣體的溫濕度值預(yù)測反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率，并且根據(jù)反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率判斷酶反應(yīng)是否結(jié)束，若是，結(jié)束酶反應(yīng)，若不是，執(zhí)行步驟4。由此能夠根據(jù)反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率決定是否結(jié)束酶反應(yīng)，利于掌握酶反應(yīng)的進(jìn)程。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)時(shí)顯示酶反應(yīng)體系的水含量值。由此可以實(shí)時(shí)掌握酶反應(yīng)體系的水含量的控制情況。
[0026]在一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)時(shí)顯示酶反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。由此能夠直觀地實(shí)施掌握酶催化反應(yīng)的進(jìn)程，從而把握整個(gè)酶催化反應(yīng)的全過程。
[0027]在一個(gè)實(shí)施例中，酶反應(yīng)體系水含量值的范圍為0.2%至酶反應(yīng)體系飽和水含量。如此微量的水不但提高酶的活性，延長其使用壽命，并且加快催化反應(yīng)的正向反應(yīng)，抑制其逆向反應(yīng)。
[0028]在一個(gè)實(shí)施例中，采集干燥氣體的流量值，并且實(shí)時(shí)顯示干燥氣體的流量值。從而能夠?qū)崟r(shí)掌握干燥氣體流量 的調(diào)節(jié)情況。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)干燥氣體的流量實(shí)現(xiàn)對酶反應(yīng)體系的水含量的精確控制，使酶反應(yīng)體系的水含量控制在穩(wěn)定范圍內(nèi)，由此提高酶催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率以及酶的反復(fù)使用率。另外，酶反應(yīng)裝置包括的氣體冷凝循環(huán)模塊，可以使得這些成本較高的氣體循環(huán)使用，以此降低酶反應(yīng)設(shè)備的成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中:
[0031]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的酶反應(yīng)設(shè)備的示意圖；
[0032]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制方法的流程圖。
[0033]在圖中，相同的構(gòu)件由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示。附圖并未按照實(shí)際的比例繪制。【具體實(shí)施方式】
[0034]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0035]本發(fā)明提供的酶反應(yīng)設(shè)備包括:氣體干燥模塊、酶反應(yīng)模塊以及控制模塊。此外，本發(fā)明還提供了使用這種酶反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制方法。本發(fā)明是通過調(diào)節(jié)導(dǎo)入至反應(yīng)底物中的干燥氣體的流量實(shí)現(xiàn)酶反應(yīng)體系水含量的精確控制，下面將詳細(xì)地描述酶反應(yīng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及上述自動(dòng)控制方法。另外，需要說明的是，在實(shí)施例中以反應(yīng)底物為有機(jī)相進(jìn)行說明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0036]氣體干燥模塊用于提供設(shè)定水蒸氣分壓值的干燥氣體。如圖1所示，氣體干燥模塊至少包括氣源和氣體干燥裝置4。氣源可以是能夠提供空氣或者氮?dú)獾染哂兴魵夂康臍怏w供應(yīng)裝置，如圖中的空壓機(jī)I或者氮?dú)獍l(fā)生器2，也可以是氣體鋼瓶。作為優(yōu)選實(shí)施例，氣源包括空壓機(jī)I和氮?dú)獍l(fā)生器2，由此可以根據(jù)有機(jī)相的性質(zhì)選擇是采用空壓機(jī)1，還是氮?dú)獍l(fā)生器2產(chǎn)生干燥氣體。氣體干燥裝置4體干燥裝置能夠降低干燥氣體中水蒸氣分壓的裝置，由此能使將干燥氣體調(diào)節(jié)至設(shè)定水蒸氣分壓值的干燥氣體，以此來滿足酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制(因?yàn)椋稍餁怏w的水蒸氣分壓值越低，越容易吸收有機(jī)相中的水分)。氣體干燥裝置4可以是無熱再生式氣體干燥器或者冷凍干燥器。氣體干燥裝置可以是一套或者多套，直至能夠提供設(shè)定水蒸氣分壓值的干燥氣體。
[0037]如圖1所示，酶反應(yīng)模塊7用于容納反應(yīng)底物例如有機(jī)相，并在酶反應(yīng)模塊中形成酶反應(yīng)體系，干燥氣體能夠?qū)胫练磻?yīng)底物中。酶反應(yīng)模塊7具有溫度控制的功能，并且可用于酶催化反應(yīng)，特別是有機(jī)相酶催化反應(yīng)的裝置。例如可以是攪拌式反應(yīng)釜、固定床反應(yīng)器、流化床。作為優(yōu)選地，酶反應(yīng)模塊7中設(shè)置有氣體分布器6，可以將氣體在有機(jī)相中分散成小氣泡，由此使得干燥氣體能夠與有機(jī)相充分混合，利于酶反應(yīng)體系水含量的精確控制。另外，需要說明的是，酶反應(yīng)模塊7中使用的酶制劑可以是多種類型，如固定化酶、酶粉或者液體酶。
[0038]如圖1所示，控制模塊包括至少兩個(gè)檢測單元11和12、中央控制器10和氣體流量調(diào)節(jié)裝置5。
[0039]至少兩個(gè)監(jiān)測單元11和12，其中一個(gè)12設(shè)置于酶反應(yīng)模塊7內(nèi)的出口處，用于采集酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值，至少兩個(gè)監(jiān)測單元中的另一個(gè)11連接于氣體干燥裝置4的出口端，用于采集干燥氣體的溫濕度值。檢測單元例如可以是溫濕度探頭。監(jiān)測單元至少兩個(gè)，分別采集干燥氣體的溫濕度和酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度。還可以包括位于不同位置的多個(gè)監(jiān)測單元，以此測定不同位置的溫濕度，從而可以使得干燥氣體流量的控制更加精確。
[0040]如圖1所示，中央控制器10內(nèi)部設(shè)置有不同酶反應(yīng)體系設(shè)定的水含量預(yù)定值。另外，中央控制器10內(nèi)置有酶反應(yīng)體系水分分布數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值通過酶反應(yīng)水分分布 數(shù)據(jù)庫獲取酶反應(yīng)體系水含量值，并且根據(jù)酶反應(yīng)體系水含量值與酶反應(yīng)體系水含量的預(yù)定值，借助水分平衡數(shù)學(xué)算法來形成流量控制信號。
[0041]氣體流量調(diào)節(jié)裝置5接收流量控制信號，并且以此流量控制信號調(diào)節(jié)干燥氣體的流量達(dá)到所需值為止。氣體流量控制器5可以是一體式的氣體質(zhì)量流量控制器，或者是由比率閥和氣體流量計(jì)組成的裝置。
[0042]采用上述酶反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行酶反應(yīng)時(shí)，控制模塊根據(jù)檢測單元采集的酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值獲取酶反應(yīng)體系水含量值，并且根據(jù)該酶反應(yīng)體系水含量值和酶反應(yīng)體系水含量的預(yù)定值來調(diào)節(jié)干燥氣體的流量，由此能夠調(diào)節(jié)進(jìn)入到有機(jī)相中的干燥氣體量,從而能夠確定吸附有機(jī)相中水含量的多少，以此達(dá)到對有機(jī)相體系水含量的精確控制。
[0043]作為優(yōu)選地，控制模塊還可以包括與中央處理器10連接并且能夠接收不同的顯不信號而顯不對應(yīng)信息的顯不器13。
[0044]作為優(yōu)選實(shí)施例，酶反應(yīng)設(shè)備還包括設(shè)置于氣體干燥模塊和酶反應(yīng)模塊7之間的氣體冷凝循環(huán)模塊，氣體冷凝循環(huán)模塊包括氣體增壓泵9，以使從酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體循環(huán)使用。氣體增壓泵能夠?qū)⒌蛪毫Φ臍怏w增壓到高壓力。當(dāng)干燥氣體中使用的主要是氮?dú)饣蛘咂渌嘿F氣體時(shí)，從酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體(其主要成分可能是氮?dú)饣蛘咂渌嘿F氣體時(shí))可以循環(huán)使用，以此降低生產(chǎn)成本。優(yōu)選地，氣體冷凝循環(huán)模塊還包括設(shè)置于靠近酶反應(yīng)模塊7的冷凝器8，冷凝器8用于分離從酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體中的至少一種。由此，如果從酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體中存在易揮發(fā)氣體時(shí)，可以啟動(dòng)冷凝器將其冷凝后回收，而從酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體中的其它氣體經(jīng)由氣體增壓泵加壓后循環(huán)使用，由此降低生產(chǎn)成本以及對大氣的污染。氣體冷凝循環(huán)模塊在必要時(shí)才啟動(dòng)使用，冷凝器8和氣體增壓泵9可以同時(shí)啟用。
[0045]優(yōu)選地，氣體干燥模塊還包括儲氣裝置3，儲氣裝置3的出氣口連接于氣體干燥裝置4，儲氣裝置3的第一進(jìn)氣口連接于氣源I或2，儲氣裝置3的第二進(jìn)氣口連接于氣體增壓泵9。從酶反應(yīng)模塊排出的混合氣體通過氣體增壓泵9增壓后儲存在儲氣裝置3中以備后續(xù)使用。儲氣裝置3可以是儲氣罐。另外，需要說明的是，氣體增壓泵9可以是至少一套或者多套，直至將從酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體的壓力加壓至儲氣罐壓力要求為止。
[0046]如圖1所示為本發(fā)明的酶反應(yīng)設(shè)備的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，通過調(diào)節(jié)閥門a-k的打開或者關(guān)閉狀態(tài)，以此滿足不同有機(jī)相酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制，從而提高酶反應(yīng)設(shè)備的通用性。
[0047]在上述酶反應(yīng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供了酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制方法。如圖2所示，當(dāng)酶反應(yīng)模塊中的反應(yīng)底物和酶均勻混合，并且酶反應(yīng)模塊中的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)進(jìn)行的步驟為:步驟I為S1:向反應(yīng)底物中導(dǎo)入設(shè)定水蒸氣分壓值的干燥氣體。該設(shè)定水蒸氣分壓值只要低于預(yù)定溫度和一定壓力下的水蒸氣飽和值，就能夠吸附有機(jī)相中的水分。步驟2為S2:采集酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值以及干燥氣體的溫濕度值。由此能夠獲取酶反應(yīng)系統(tǒng)的水含量，并且根據(jù)干燥氣體的溫濕度來決定干燥氣體的流量。步驟3為S3:根據(jù)酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值獲取酶反應(yīng)體系水含量值。通過中央控制器內(nèi)置的水分分布數(shù)據(jù)庫來確定酶反應(yīng)體系水含量值。步驟4為S4:根據(jù)酶反應(yīng)體系水含量值與酶反應(yīng)體系水含量的預(yù)定值形成流量控制信號。中央處理器根據(jù)酶反應(yīng)體系水含量值和酶反應(yīng)體系水含量的預(yù)定值借助水分平衡算法來確定干燥氣體的流量調(diào)節(jié)幅度。步驟5為S5:根據(jù)流量控制信號調(diào)節(jié)干燥氣體的流量，返回步驟2。干燥氣體的流量調(diào)節(jié)完成后再重新檢測酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值以及干燥氣體的溫濕度值。由于能夠?qū)崟r(shí)地調(diào)節(jié)干燥氣體的流量實(shí)現(xiàn)酶反應(yīng)體系水含量的實(shí)時(shí)控制，由此提高酶反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率以及酶的重復(fù)利用率。
[0048]作為優(yōu)選的實(shí)施例，`步驟3還包括:根據(jù)酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值和干燥氣體的溫濕度值預(yù)測反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率，并且根據(jù)反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率判斷酶反應(yīng)是否結(jié)束，若是，結(jié)束酶反應(yīng)，若不是，執(zhí)行步驟4。由此能夠根據(jù)反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率決定是否結(jié)束酶反應(yīng)，利于掌握酶反應(yīng)的進(jìn)程。
[0049]作為優(yōu)選的實(shí)施例,酶反應(yīng)體系水含量值的范圍為0.2%至酶反應(yīng)體系飽和水含量。如此微量的水不但提高酶的活性，延長其使用壽命，并且加快催化反應(yīng)的正向反應(yīng)，抑制其逆向反應(yīng)。
[0050]進(jìn)一步地，如圖1所示通過顯示器13能夠?qū)崟r(shí)顯示酶反應(yīng)體系的水含量值。由此可以實(shí)時(shí)掌握酶反應(yīng)體系水含量的控制情況。并且也可以實(shí)時(shí)顯示酶反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。由此能夠?qū)嵤┱莆彰复呋磻?yīng)的進(jìn)程，從而把握整個(gè)酶催化反應(yīng)的全過程。
[0051]優(yōu)選地，中央控制器10采集干燥氣體的流量值，并且通過顯示器13實(shí)時(shí)顯示干燥氣體的流量值。從而能夠?qū)崟r(shí)掌握干燥氣體流量的調(diào)節(jié)情況。
[0052]下面為采用三種不同有機(jī)相的酶催化反應(yīng)的實(shí)施例，并且對比了現(xiàn)有技術(shù)中采用相同有機(jī)相的酶催化反應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。[0053]實(shí)施例1為有機(jī)相酶催化三羥甲基丙烷和脂肪酸反應(yīng)合成多元醇酯。反應(yīng)底物為性質(zhì)穩(wěn)定的不易揮發(fā)、不易氧化的三羥甲基丙烷和辛酸，酶制劑為脂肪酶酶粉。如圖1所示，酶反應(yīng)設(shè)備中的閥門b、c、e處于開啟狀態(tài)，閥門a、d、f、g、h、1、j、k處于關(guān)閉狀態(tài)。氣體冷凝循環(huán)模塊處于未啟用狀態(tài)。酶反應(yīng)模塊7采用攪拌式反應(yīng)器，控制溫度為50°C，攪拌轉(zhuǎn)速為250rpm。過程體系水含量控制范圍為0.6-0.8%。反應(yīng)72h時(shí)，辛酸轉(zhuǎn)化率為92.6%，三羥甲基丙烷轉(zhuǎn)化率為99.5%，三羥基甲基丙烷三辛酯含量占反應(yīng)液總質(zhì)量的85.3%。反應(yīng)結(jié)束后，將脂肪酶過濾回收，進(jìn)行下一批次的使用。在該酶反應(yīng)設(shè)備中以72h辛酸轉(zhuǎn)化率低于80.0%為限，考查酶使用批次。本實(shí)施例中脂肪酶酶粉重復(fù)使用了 5批次。該實(shí)施例1平行實(shí)施3次，均達(dá)到了相近的結(jié)果。
[0054]本實(shí)施例的對比實(shí)施例是采用單一的酶反應(yīng)模塊，不使用其他模塊，反應(yīng)底物量和反應(yīng)條件均與實(shí)施例相同。反應(yīng)72h時(shí)，辛酸轉(zhuǎn)化率為32.3%，三羥甲基丙烷轉(zhuǎn)化率為24.6%，三羥甲基丙烷三辛酯含量占反應(yīng)液總質(zhì)量的5.4%。反應(yīng)過程中水含量逐漸升高到
2.3%以上。脂肪酶酶粉發(fā)生聚集失活，回收后無法進(jìn)行批次反應(yīng)。該對比實(shí)施例平行實(shí)施3次，均得到了相近的結(jié)果。
[0055]實(shí)施例2位有機(jī)相酶催化植物留醇和脂肪酸合成植物留醇酯。反應(yīng)底物為性質(zhì)穩(wěn)定的植物留醇和較易氧化的油酸，酶制劑為脂肪酶酶粉。如圖1所示，酶反應(yīng)設(shè)備中的閥門C、f、g、k處于開啟狀態(tài)，閥門b、d、e、h、1、j處于關(guān)閉狀態(tài)。閥門a在反應(yīng)開始前開啟，生產(chǎn)氮?dú)獬錆M儲氣裝置3后關(guān)閉。反應(yīng)過程中儲氣裝置3壓力下降至0.3MPa時(shí)重新開啟，增壓至0.6MP a后關(guān)閉。氣體冷凝循環(huán)模塊的氣體增壓泵9處于啟用狀態(tài)，將氮?dú)膺M(jìn)行循環(huán)使用。冷凝器8處于未啟用狀態(tài)。酶反應(yīng)模塊7采用攪拌式反應(yīng)器，控制溫度為50°C，攪拌轉(zhuǎn)速為250rpm。反應(yīng)過程中體系水含量控制范圍為0.3-0.5%。反應(yīng)78h時(shí)，甾醇轉(zhuǎn)化率為91.2%，植物留醇酯含量占反應(yīng)液總質(zhì)量的70.5%。反應(yīng)結(jié)束后，將脂肪酶過濾回收，進(jìn)行下一批次使用。以78h甾醇轉(zhuǎn)化率低于80.0%為限，考查酶使用批次，本實(shí)施例2中脂肪酶酶粉重復(fù)使用了 4批次。該實(shí)施例2平行實(shí)施3次，均達(dá)到了相近的結(jié)果。
[0056]本實(shí)施例的對比實(shí)施例為采用單一的酶反應(yīng)模塊，不使用其他模塊。反應(yīng)底物量和反應(yīng)條件均與實(shí)施例相同。反應(yīng)78h時(shí)，植物留醇轉(zhuǎn)化率為52.3%，植物留醇酯含量占反應(yīng)液總質(zhì)量的25.4%。反應(yīng)過程中水含量逐漸升高到1.5%以上。脂肪酶酶粉發(fā)生聚集失活，回收后無法進(jìn)行批次反應(yīng)。該對比實(shí)施例平行實(shí)施3次，均得到了相近的結(jié)果。
[0057]實(shí)施例3為有機(jī)相酶催化異辛醇和棕櫚酸合成棕櫚酸異辛醇。反應(yīng)底物為易揮發(fā)的異辛醇和性質(zhì)穩(wěn)定的棕櫚酸，酶制劑為硅藻土固定化脂肪酶。如圖1所示，酶反應(yīng)設(shè)備中閥門b、C、f、h、j處于開啟狀態(tài)，閥門a、d、e、g、k處于關(guān)閉狀態(tài)。氣體冷凝循環(huán)模塊中冷凝器8處于啟用狀態(tài)；氣體增壓泵9處于未啟用狀態(tài)。當(dāng)冷凝器8中回收的異辛醇達(dá)到一定量時(shí)，開啟閥門i回收異辛醇。酶反應(yīng)模塊7采用攪拌式反應(yīng)器，控制溫度為35°C，攪拌轉(zhuǎn)速為250rpm。反應(yīng)過程體系水含量控制范圍為0.4-0.6%。反應(yīng)4h時(shí)，棕櫚酸轉(zhuǎn)化率為91.5%，棕櫚酸異辛醇含量占反應(yīng)液總質(zhì)量的92.3%。反應(yīng)結(jié)束后，將脂肪酶過濾回收，進(jìn)行下一批次使用。以4h棕櫚酸轉(zhuǎn)化率低于80.0%為限，考查酶使用批次。本實(shí)施例中硅藻土固定化脂肪酶重復(fù)使用了 25批次。
[0058]以上三個(gè)示例性的實(shí)施例說明通過控制有機(jī)相酶催化反應(yīng)過程的微水含量，打破以水為副產(chǎn)物的反應(yīng)平衡，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，增加酶使用批次和壽命。上述僅為示例，包括反應(yīng)體系和使用的酶制劑。本發(fā)明的酶反應(yīng)設(shè)備及酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制方法可用于任何需要水含量控制的有機(jī)相酶催化反應(yīng)。
[0059]雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實(shí)施例，而是包括落入`權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。
【權(quán)利要求】
1.一種酶反應(yīng)設(shè)備，其特征在于，包括: 氣體干燥模塊，用于提供設(shè)定水蒸氣分壓值的干燥氣體，其至少包括氣源和氣體干燥裝置； 酶反應(yīng)模塊，其用于容納反應(yīng)底物并在其中形成酶反應(yīng)體系，所述干燥氣體能夠?qū)胫了龇磻?yīng)底物中； 控制模塊，其包括: 至少兩個(gè)監(jiān)測單元，其中一個(gè)設(shè)置于所述酶反應(yīng)模塊內(nèi)的出口處，用于采集所述酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值，所述至少兩個(gè)監(jiān)測單元中的另一個(gè)連接于所述氣體干燥裝置的出口端，用于采集所述干燥氣體的溫濕度值； 中央控制器，其根據(jù)所述酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值獲取所述酶反應(yīng)體系水含量值，并且根據(jù)所述酶反應(yīng)體系水含量值與酶反應(yīng)體系水含量的預(yù)定值形成流量控制信號; 氣體流量調(diào)節(jié)裝置，其接收所述流量控制信號并且調(diào)節(jié)所述干燥氣體的流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酶反應(yīng)設(shè)備，其特征在于，所述中央控制器根據(jù)所述酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值與所述干燥氣體的溫濕度值預(yù)測所述反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的酶反應(yīng)設(shè)備，其特征在于，還包括設(shè)置于所述氣體干燥模塊和所述酶反應(yīng)模塊之間的氣體冷凝循環(huán)模塊，所述氣體冷凝循環(huán)模塊包括氣體增壓泵，以使從所述酶反應(yīng)模塊中排出的混合氣體循環(huán)使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的酶反應(yīng)設(shè)備，其特征在于，所述氣體冷凝循環(huán)模塊還包括設(shè)置于靠近所述酶反應(yīng)模塊的冷凝器，所`述冷凝器用于分離從所述酶反應(yīng)模塊中排出的所述混合氣體中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的酶反應(yīng)設(shè)備，其特征在于，所述氣體干燥模塊還包括儲氣裝置，所述儲氣裝置的出氣口連接于所述氣體干燥裝置，所述儲氣裝置的第一進(jìn)氣口連接于所述氣源，所述儲氣裝置的第二進(jìn)氣口連接于所述氣體增壓泵。
6.一種酶反應(yīng)體系水含量的自動(dòng)控制方法，其特征在于，酶反應(yīng)模塊中的反應(yīng)底物和酶均勻混合，并且酶反應(yīng)模塊中的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行以下步驟: 步驟1:向反應(yīng)底物中導(dǎo)入設(shè)定水蒸氣分壓值的干燥氣體； 步驟2:采集酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值以及所述干燥氣體的溫濕度值； 步驟3:根據(jù)所述酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值獲取酶反應(yīng)體系水含量值； 步驟4:根據(jù)所述酶反應(yīng)體系水含量值與酶反應(yīng)體系水含量的預(yù)定值形成流量控制信號; 步驟5:根據(jù)所述流量控制信號調(diào)節(jié)所述干燥氣體的流量，返回步驟2。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自動(dòng)控制方法，其特征在于，步驟3還包括:根據(jù)所述酶反應(yīng)體系上方混合氣體的溫濕度值和所述干燥氣體的溫濕度值預(yù)測所述反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率，并且根據(jù)所述反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率判斷所述酶反應(yīng)是否結(jié)束，若是，結(jié)束酶反應(yīng)，若不是，執(zhí)行步驟4。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自動(dòng)控制方法，其特征在于，實(shí)時(shí)顯示所述酶反應(yīng)體系水含量值和/或所述反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自動(dòng)控制方法，其特征在于，酶反應(yīng)體系水含量值的范圍為至酶反應(yīng)體系飽和水含量。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的自動(dòng)控制方法，其特征在于，采集所述干燥氣體的流量值，并且實(shí)時(shí)顯示所述干燥氣體的流量值。
【文檔編號】C12M1/36GK103756900SQ201410046355
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月10日
【發(fā)明者】陳必強(qiáng), 陶一峰, 譚天偉, 陳國華, 郄龍飛, 崔彩霞, 管楠 申請人:北京化工大學(xué)