專利名稱：功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及多糖降解，特別是涉及ー種功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置與方法。
背景技術：
許多的天然生物多糖來自于動植物或真菌等具有顯著的生物活性，但由于分子量較大，粘度大，水溶性差或不溶，影響了其應用及生物活性。如裂褶多糖，具有較好的抗腫瘤活性，但其分子量一般有幾百萬甚至上千萬，較難溶或溶解度較小，影響其應用；殼聚糖也具有較好的生理活性，但其根本不溶于水，只能溶于醋酸等酸性溶液中，大大限制了其應用范圍。因此，需要對這些高分子量的天然多糖進行改性。最簡單的方法是對其進行降解， 降低其分子量。只要不改變多糖的結構，適度降低分子量，不僅可以改善溶解性，而且還可以增強生物活性。大功率超聲場成為降解多糖的ー種較適宜的方法。目前超聲降解多糖一般是間歇式的，即多糖經過一定強度的大功率超聲場作用一定的時間后再進行必要的分離等后續(xù)操作。這種間歇式操作的存在的問題是，降解多糖的分子量分布較寬，可能還有完全沒有降解的大分子，有大量降解到一定分子量的多糖，同時還有ー些被過度降解成相對分了量較小的多糖或寡糖，由于分子量過小可能會讓多糖失去生物活性如裂褶多糖分子量小于5萬時活性就會降低，而I萬以下則活性喪失。因此，需要建立ー種連續(xù)且分子量可控的降解方法。

實用新型內容本實用新型的目的是針對間歇式超聲場降解多糖程存在的問題，提供一種實現降解多糖分子量可控降解、連續(xù)進料、降解和分離，降解效率高的功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置。本實用新型將超聲場與超濾分離有機結合起來，建立連續(xù)化的功率超聲降解與膜分離一體化置，對降解多糖的分子量進行有效控制。利用功率超聲場對難溶、溶解度小或粘度大大的天然活性大分子多糖進行降解改性，以提高其溶解性，降低粘度；同時利用膜分離，將達到降解要求的多糖及時從反應體系中分離，避免多糖被進ー步降解和過度降解，對分子量實行有效控制，以獲得分子量在I 500kDa之間可根據不同多糖及降解需求改變膜的截流分子量從而控制產物分子量的范圍的具有良好生理活性的降解改性多糖或寡糖，并且實現連續(xù)化的功率超聲降解與膜分離的一體化。本實用新型的目的通過如下技術方案實現功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置，包括罐體、冷凝夾層、溫度傳感器、PH探頭、陶瓷微濾膜、超聲發(fā)生器、中央控制臺、第一級超濾膜分離器、貯箱和第二級超濾膜分離器；罐體側邊設有冷凝夾層，冷凝夾層上設有冷凝水的進出口，冷凝水的進出ロ設有電磁閥；罐體內側邊安裝溫度傳感器；罐體的頂部安裝有超聲換能器，超聲換能器與超聲發(fā)生器連接；罐體的頂部還安裝有攪拌器，并設有進料ロ ；罐體內的邊側與下底之間接合處安裝有陶瓷微濾膜，膜孔大小為O. 03 8 μ m ;罐體的底安裝有pH探頭；溫度傳感器、電磁閥、PH探頭和超聲發(fā)生器都與中央控制臺連接，中央控制臺為單片機或者計算機；罐體的底部中央安裝有出料ロ及閥門；所述出料ロ及閥門通過ー級泵與第一級超濾膜分離器連接，第一級超濾膜分離器分別與貯箱和進料ロ連接；貯箱通過ニ級泵與第二級超濾膜分離器連接；第二級超濾膜分離器還通過管道與貯箱連接；貯箱設有出料閥門。為進ー步實現本實用新型的目的，所述罐體優(yōu)選為圓筒形空腔結構，罐體的頂部和底部為圓弧形的頂和底。所述圓筒形空腔結構的內徑優(yōu)選為O. 05-10m。所述罐體的底部安裝有取樣ロ，取樣ロ帶有閥門。所述罐體的邊側上設有多個觀察視孔。所述罐體內的邊側與下底之間接合處安裝的陶瓷微孔濾膜采用螺栓及墊片連接。應用上述裝置的功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的方法將多糖的溶液、不溶性多糖的懸浮液或直接將多糖的固體與溶劑經進料ロ加入罐體中，開動攪拌器和超聲發(fā)生器，對罐體內的多糖進行超聲降解；開動電磁閥，冷卻水經冷凝水的進出ロ進出；通過pH探頭測定多糖降解過程體系的pH;降解設定時間后，開啟出料ロ及閥門，并啟動ー級泵，降解的多糖通過陶瓷微濾膜，經出料ロ及閥門、一級泵進入第一級超濾膜分離器；第一級超濾膜分離器的截流液返回到罐體內，透過液進入貯罐，經ニ級泵進入第二級超濾膜分離器，第ニ級超濾膜分離器的截流液經濃縮通過出料閥門排出，得降解多糖產品。本實用新型具有如下優(yōu)點本實用新型將功率超聲降解與膜分離集成起來形成一體化的裝置，進行難溶及粘度大大的大分子多糖的降解改性，對降解產物多糖的分子量進行有效控制，避免過度降解，大大提高整個反應體系的效率和目標產物的收率。為了制備分子量在5000至30000的小分子殼聚糖，分別利用本實用新型裝置及常規(guī)超聲降解裝置進行試驗，投入總量10. Og脫こ酰度為91. 6%的殼聚糖初始分子量為3. I X 105，兩種裝置的超聲功率均為180W，超聲頻率均為25kHz。在此試驗中采用本實用新型裝置的第一級超濾膜分離的分子量為30000Da，而第二級分離濃縮的超濾膜的分子量為5000Da，得到結果如表I所示。從結果可以看出，本實用新型的裝置目標產物的產率大大提高，特別是較少小分子產生。實際效率與普通的超聲降解裝置效果差異顯著。

圖I是功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置的結構示意圖。圖中示出罐體I、超聲換能器2、攪拌器3、進料ロ 4、冷凝夾層5、冷凝水的進出ロ6、電磁閥7、溫度傳感器8、pH探頭9、陶瓷微濾膜10、取樣閥門11、出料ロ及閥門12、中央控制臺13、超聲發(fā)生器14、觀察視孔15、ー級泵16、第一級超濾膜分離器17、貯箱18、ニ級泵19、第二級超濾膜分離器20和出料閥門21。
具體實施方式
[0020]
以下結合附圖和實施方式對本實用新型作進ー步的說明，但本實用新型要求保護的范圍并不局限于的實施方式表述的范圍。如圖I所示，功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置包括罐體I、冷凝夾層5、溫度傳感器8、pH探頭9、陶瓷微濾膜10、超聲發(fā)生器14、中央控制臺13、第一級超濾膜分離器17、貯箱18和第二級超濾膜分離器20 ;罐體I優(yōu)選為圓筒形空腔結構，筒體直徑優(yōu)選為O. 05-10m，罐體I的頂部和底部優(yōu)選為圓弧形的頂和底；罐體I側邊設有冷凝夾層5，冷凝夾層5上設有冷凝水的進出ロ 6，冷凝水的進出ロ 6設有電磁閥7 ;罐體I內側邊安裝溫度傳感器8 ;罐體I的頂部安裝有超聲換能器2 (超聲探頭)，超聲換能器2與超聲發(fā)生器14連接，超聲功率為O. I 3kW，頻率范圍為20 IOOkHz ;罐體I的頂部還安裝有攪拌器3，并設有進料ロ 4 ;罐體I內的邊側與下底之間接合處安裝有陶瓷微濾膜10，膜孔大小為O. 03 8μπι;罐體I的底安裝有pH探頭9和取樣ロ，取樣ロ帶有閥門11 ;溫度傳感器8、電磁閥7、pH探頭9和超聲發(fā)生器14都與中央控制臺13連接，中央控制臺13為單片機或者計算機；經中央控制臺13進行控制和調節(jié)。罐體I的邊側上設有多個觀察視孔15，用于觀測管體內多糖的降解變化情況；罐體I的底部中央安裝有出料ロ及閥門12。pH探頭9為ー種pH傳感器。罐體I內的邊側與下底之間接合處安裝的陶瓷微孔濾膜10采用螺栓及墊片連接。出料ロ及閥門12通過ー級泵16與第一級超濾膜分離器17連接，第一級超濾膜分離器17分別與貯箱18和進料ロ 4連接；貯箱18通過ニ級泵19與第二級超濾膜分離器20連接；第二級超濾膜分離器20還通過管道與貯箱18連接；第一級超濾膜分離器17的截流液經罐頂進料ロ 4返回罐體I中；第一級超濾膜分離器17的透過液進入緩沖貯罐18，再經ニ級泵19送入第二級超濾膜分離器20，第二級超濾膜分離器20的截流液(目的產物)進入貯箱18，不斷濃縮，并可通過打開出料閥門21排出；第二級超濾膜分離器20的透過液為溶劑及小分子，直接排放。第一級超濾膜分離器17和第二級超濾膜分離器20的規(guī)格及分子量可根據目標多糖降解產物分子量的上下限決定(例如要將多糖降解成分子量為10000 IOOOOODa范圍，則超濾膜分離器17的濾過分子量選上限lOOOOODa，而第二級超濾膜分離器20的濾過選分子量規(guī)格為下限IOOOODa)。使用功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置時，將多糖的溶液、不溶性多糖的懸浮液或直接將多糖的固體與溶劑經進料ロ 4加入罐體I中，開動攪拌器3，轉速低于lOOrpm，開動超聲發(fā)生器14，調節(jié)超聲功率和超聲頻率等超聲作用參數，超聲場經超聲換能器2對罐體I內的多糖進行超聲降解；開動電磁閥7，冷卻水經冷凝水的進出ロ 6進出，冷卻水的流量通過電磁閥7調節(jié)，其流量大小與溫度傳感器8關聯經中央控制臺13控制。對于多糖降解過程體系的PH可以通過pH探頭9進行測定。降解一定時間后，開啟出料ロ及閥門12，并啟動和ー級泵16，在ー級泵16的抽力作用下，讓降解的多糖通過陶瓷微濾膜10 ；通過陶瓷微濾膜10的降解后多糖經出料ロ及閥門12、ー級泵16進入第一級超濾膜分離器17，第一級超濾膜分離器17能透過多糖的分子量由目標降解多糖產物的最大分子量決定。第一級超濾膜分離器17的截流液返回到罐體內，而第一級超濾膜分離器17的透過液為所要降解的多糖產物，透過液進入貯罐18。隨后第一級超濾膜分離器17透過的降解多糖再經過ー級超濾系統(tǒng)進行濃縮，同時除去水和溶劑以及分離除去可能過度降解的寡糖。第一級超濾膜分離器17的透過液經ニ級泵19進入第二級超濾膜分離器20，第二級超濾膜分離器20濾過的分子量選擇目標產物多糖的分子量下限。第二級超濾膜分離器20的透過液為溶劑及過度降解的非目標小分子多糖；第二級超濾膜分離器20的截流液不斷濃縮，最終濃縮產品通過打開出料閥門21排出，獲得目標降解多糖產品。本實用新型通過三級膜分離的組合，以保證被降解多糖及時被分離，提高分離效率。第一級膜為陶瓷微濾膜，直接安裝于超聲降解反應器中罐體I下部，對多糖進行初分離，以截流未溶解或未降解的大分子多糖，同時也減輕第二級超濾膜的負擔，提高分離效率；通過陶瓷微濾膜微濾后的降解多糖經ー級泵16送至第一級超濾膜分離器17 (ニ級膜分離)進行分離，以目標產物最高分子量為本級超濾膜的分子量，以便讓達到降解程度的多糖透過，而未達到降解要求的多糖被截流回超聲降解反應器的罐體I內；透過ニ級膜的降解多糖再經第二級超濾膜分離器20 (三級膜分離)，三級膜分離的分離膜分子量等于降解改性多糖允許的最小分子量，以除去水分及小分子，而截流部分即為目標產物改性多糖。實施例I采用本實用新型裝置制備分子量在5000 30000Da之間的殼聚糖。首先設備的配置是，第一級超濾膜過濾器17改為分子量為30000Da的超濾膜組件，將第二級超濾膜分離器20換成分子量為5000Da的超濾膜組件。將IOg脫こ酰度為91. 6%的殼聚糖平均分子量3. I X IO5Da粉末加入到本實用新型裝置超聲降解反應罐I中，再加入48g冰醋酸，水3000mL，開動攪拌器3，設定轉速為30rpm，開動超聲發(fā)生器14電源，調節(jié)超聲功率為180W，超聲頻率25kHz，對殼聚糖進行超聲降解；開動電磁閥7，冷凝水的進出ロ 6通入冷卻水，反應器溫度控制在10°C，溫度通過溫度傳感器8測定罐內溫度經中央控制臺13根據溫度的高低調節(jié)電磁閥7的開度和流量大小。降解至IOmin時，開啟出料ロ及閥門12和ー級泵16，讓降解的多糖經過陶瓷微濾膜10并被壓向第一級超濾膜分離器17，分子量小于30000Da的降解殼聚糖透過第一級超濾膜分離器17,而分子量大于30000Da的殼聚糖被截流返回到超聲降解反應罐中。透過液進入貯罐18。再經ニ級泵19進入第二級超濾膜分離器20，使分子量小于5000Da的非目標產物及小分子隨透過液排出，而分子量大于5000Da的目標產物降解殼聚糖被截流并濃縮，最后經第二閥門21放料。反應2小時，獲得分子量為5000 30000Da目標產物3. 2g ;反應至6小時，獲得目標產物8. 3g。實施例2采用本實用新型裝置，對天然大分子裂褶多糖分子量約為7 X IO6Da制備分子量在100 250kDa之間的裂褶多糖。首先設備的配置是，第一級超濾膜過濾器17改為分子量為250kDa的超濾膜組件，將第二級超濾膜過濾器20換成分子量為IOOkDa的超濾膜組件。將5g平均分子量約為7 X IO6Da的裂褶多糖溶于495g蒸餾水中配成I %的溶液，加入到本實用新型罐體I中，開動攪拌器3，設定轉速為50rpm，開動超聲發(fā)生器14電源，調節(jié)超聲功率為200W，超聲頻率25kHz，對裂褶多糖進行超聲降解；開動電磁閥7，冷凝水的進出ロ 6通入冷卻水，反應器溫度控制在20°C，溫度通過溫度傳感器8測定罐內溫度經中央控制臺13根據溫度的高低調節(jié)電磁閥7的開度和流量大小。開啟出料ロ及閥門12和ー級泵16，讓降解的多糖經過陶瓷微濾膜10并被壓向第一級超濾膜分離器17，分子量小于250kDa的降解裂褶多糖透過超濾膜，而分子量大于250kDa的裂褶多糖被截流返回到罐體I中。透過液進入貯罐18。再經ニ級泵19進入第二級超濾膜分離器20，使分子量小于IOOkDa的非目標產物及小分子隨透過液排出，而分子量大于IOOkDa的目標產物降解裂褶多糖被截流并濃縮，最后經第二閥門21排出。反應4小時，獲得分子量為100 250kDa目標產物Ilg ；反應至10小時，獲得目標產物4. 5g，分子量小于IOOkDa的裂褶多糖O. 2g。本實用新型將功率超聲降解與膜分離集成起來形成一體化的裝置，進行難溶及粘度大大的大分子多糖的降解改性，對降解產物多糖的分子量進行有效控制，避免過度降解，大大提高整個反應體系的效率和目標產物的收率。為了制備分子量在5000至30000的小分子殼聚糖，分別利用本實用新型裝置及常規(guī)超聲降解裝置進行試驗，投入總量10. Og脫こ酰度為91. 6%的殼聚糖初始分子量為3. I X 105，兩種裝置的超聲功率均為180W，超聲頻率均為25kHz。在此試驗中采用本實用新型裝置的第一級超濾膜分離的分子量為30000Da，而第二級分離濃縮的超濾膜的分子量為5000Da，得到結果如表I所示。從結果可以看出，本實用新型的裝置目標產物的產率大大提高，特別是較少小分子產生。實際效率與普通的超聲降解裝置效果差異顯著。表I本實用新型的裝置與普通間歇式超聲降解裝置的效果對比
權利要求1.功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置，其特征在于包括罐體、冷凝夾層、溫度傳感器、PH探頭、陶瓷微濾膜、超聲發(fā)生器、中央控制臺、第一級超濾膜分離器、貯箱和第二級超濾膜分離器；罐體側邊設有冷凝夾層，冷凝夾層上設有冷凝水的進出口，冷凝水的進出口設有電磁閥；罐體內側邊安裝溫度傳感器；罐體的頂部安裝有超聲換能器，超聲換能器與超聲發(fā)生器連接；罐體的頂部還安裝有攪拌器，并設有進料口 ；罐體內的邊側與下底之間接合處安裝有陶瓷微濾膜，膜孔大小為O. 03 8 μ m ;罐體的底安裝有pH探頭；溫度傳感器、電磁閥、PH探頭和超聲發(fā)生器都與中央控制臺連接，中央控制臺為單片機或者計算機；罐體的底部中央安裝有出料口及閥門； 所述出料口及閥門通過一級泵與第一級超濾膜分離器連接，第一級超濾膜分離器分別與貯箱和進料口連接；貯箱通過二級泵與第二級超濾膜分離器連接；第二級超濾膜分離器還通過管道與貯箱連接；貯箱設有出料閥門。
2.根據權利要求I所述的功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置，其特征在于所述罐體為圓筒形空腔結構，罐體的頂部和底部為圓弧形的頂和底。
3.根據權利要求2所述的功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置，其特征在于所述圓筒形空腔結構的內徑為O. 05-10m。
4.根據權利要求I所述的功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置，其特征在于所述罐體的底安裝有取樣口，取樣口帶有閥門。
5.根據權利要求I所述的功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置，其特征在于所述罐體的邊側上設有多個觀察視孔。
6.根據權利要求I所述的功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置，其特征在于所述罐體內的邊側與下底之間接合處安裝的陶瓷微孔濾膜采用螺栓及墊片連接。
專利摘要本實用新型公開了功率超聲與膜分離耦合連續(xù)降解多糖的裝置，該裝置包括罐體、超聲發(fā)生器、第一級超濾膜分離器、貯箱和第二級超濾膜分離器；罐體的頂部安裝有超聲換能器和攪拌器；罐體內的邊側與下底之間接合處安裝有陶瓷微濾膜，膜孔大小為0.03～8μm；罐體的底部中央安裝有出料口及閥門；出料口及閥門通過一級泵與第一級超濾膜分離器連接，第一級超濾膜分離器分別與貯箱和進料口連接；貯箱通過二級泵與第二級超濾膜分離器連接。本實用新型將功率超聲降解與膜分離集成起來形成一體化的裝置，進行難溶及粘度太大的大分子多糖的降解改性，對降解產物多糖的分子量進行有效控制，避免過度降解，大大提高整個反應體系的效率和目標產物的收率。
文檔編號C08B37/00GK202610144SQ201220193028
公開日2012年12月19日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權日2012年4月28日
發(fā)明者鄭必勝, 熊云霞, 趙旭, 周萌, 王兆梅 申請人:華南理工大學