磁穩(wěn)定流化床的結(jié)構(gòu)及流固處理特性

磁穩(wěn)定流化床的結(jié)構(gòu)及流固處理特性

良好的傳質(zhì)和傳熱性能。它可以處理高粘度和粉末，不會(huì)堵塞，溫度和ph值容易控制，并在酶催化反應(yīng)中越來(lái)越受到重視。然而在傳統(tǒng)的液固流化床中，一般的固定化酶顆粒的密度與流化流體密度相差不大，而且顆粒體積較小，使得流化床的帶出速度較小，降低了傳質(zhì)過(guò)程，限制了設(shè)備操作范圍和適應(yīng)性。為了使固定化酶顆粒在較高的流化速度下不被流體夾帶出床層，必須借助于某種外力的作用。磁場(chǎng)流化床（MagneticallyFluidizedBed,MFB）是將磁場(chǎng)引入普通的流化床，采用磁敏性顆粒作為床層介質(zhì)的流固處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助于磁敏性顆粒對(duì)外部磁場(chǎng)的響應(yīng)性，提供了一種改善流化床操作性能的手段，為流化床在酶催化反應(yīng)中的更廣泛應(yīng)用提供一個(gè)新的途徑。1磁體及其特征1.1磁流變流化床的裝置磁場(chǎng)流化床的床層采用磁敏性顆粒，床體外部添加恒定或交變的磁場(chǎng)。在外加磁場(chǎng)的作用下，顆粒受到磁化，顆粒間的磁極產(chǎn)生相互作用，并傾向于沿磁力線方向排列。在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，軸向（平行于流體流動(dòng)的方向）的外磁場(chǎng)作用可使床層獲得更高的流速操作上限，而徑向（垂直于流體流動(dòng)的方向）的外磁場(chǎng)可使介質(zhì)在徑向排列成鏈，避免在流動(dòng)方向上產(chǎn)生過(guò)大的空隙，可有效避免流體短路。磁場(chǎng)的引入，使流化床的操作范圍變寬。目前研究較多的是外加軸向磁場(chǎng)的流化床，其裝置如圖1所示。在一定的流體流速下，床層隨磁場(chǎng)強(qiáng)弱不同出現(xiàn)三種流態(tài)化狀態(tài)：散流床、鏈流床和磁聚床。當(dāng)磁場(chǎng)較弱時(shí)，床層呈正常的流化狀態(tài)流動(dòng)，稱為散流床；磁場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，床層中顆粒沿磁場(chǎng)方向成鏈流動(dòng)，稱鏈流床；當(dāng)磁場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，整個(gè)床聚為一體而固定，稱為磁聚床。當(dāng)外部磁場(chǎng)為穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)，流速在高于最小流化速度umf而小于帶出速度ut時(shí)，床層呈均勻穩(wěn)定的膨脹狀態(tài)，即磁穩(wěn)定流化床(MagneticallyStabilizedFluidizedBed,MSFB)，此時(shí)流化床兼有固定床和流化床的優(yōu)點(diǎn)：具有固定床的固液接觸特性，床層介質(zhì)穩(wěn)定，不存在擴(kuò)散和返混，對(duì)微小填充床介質(zhì)不存在固定床易出現(xiàn)的床層堵塞現(xiàn)象；具有與固定床相同的壓降特性，液相流動(dòng)近似于平推流，相間接觸充分，適于不耐受高壓、易破碎的物料；調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度和流體相的速度可改善流體停留時(shí)間分布，獲得較寬的流速操作范圍，使得同一裝置可適用于不同的處理對(duì)象和處理要求；在多相接觸中，被磁場(chǎng)固定化的顆粒可有效抑制和破壞氣泡的產(chǎn)生，更好地調(diào)節(jié)相間傳質(zhì)；調(diào)節(jié)磁場(chǎng)方向或大小可實(shí)現(xiàn)在床層外部移動(dòng)床層介質(zhì)，能夠連續(xù)地從反應(yīng)器引進(jìn)和引出填充介質(zhì)，使液固相逆流接觸，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作。磁場(chǎng)流化床的流化特性與初始床層高度、流化速度、磁場(chǎng)的類(lèi)型與強(qiáng)度、顆粒的磁化特性以及尺度特性等因素有關(guān)。1.2氣體磁穩(wěn)流化床的判據(jù)磁場(chǎng)流化床主要是在床層呈均勻穩(wěn)定的膨脹狀時(shí)操作，即主要應(yīng)用的是磁穩(wěn)流化床。磁穩(wěn)流化床的穩(wěn)定性研究是其應(yīng)用的關(guān)鍵。Rosensweig等分析氣體磁穩(wěn)流化床中流體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，考慮磁性粒子的受力情況并結(jié)合傳質(zhì)方程及質(zhì)量守恒定律，提出了關(guān)于氣體磁穩(wěn)流化床的穩(wěn)定性判據(jù)：Nm×Nv>1不穩(wěn)定狀態(tài)（1)Nm×Nv=1臨界狀態(tài)（2)Nm×Nv<1穩(wěn)定狀態(tài)（3)其中，Nm是動(dòng)能與靜能的比率，Nv是空隙模量，它們定義如下：其中，γ是流動(dòng)方向與波運(yùn)動(dòng)方向的夾角，θ是磁場(chǎng)方向和波動(dòng)方向的夾角。Fee對(duì)Rosensweig等的關(guān)于氣體磁穩(wěn)流化床判據(jù)加以修正，將其推廣到液體磁穩(wěn)流化床。但是，在實(shí)際應(yīng)用中其計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值尚有一定的偏差。到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)理想的判據(jù)對(duì)液體流化床是否處于穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行判斷，而通常用肉眼進(jìn)行觀察。2磁場(chǎng)對(duì)酪氨酸酶活性的影響要使酶催化反應(yīng)能夠在磁場(chǎng)流化床中應(yīng)用，需解決的基本問(wèn)題之一是酶在磁場(chǎng)的作用下是否還保存活性。如果在磁場(chǎng)流化床中，酶的活性不復(fù)存在，或者穩(wěn)定性有很大下降，那么在磁場(chǎng)流化床中進(jìn)行酶催化反應(yīng)的研究就失去了意義。顏流水等研究了恒磁場(chǎng)對(duì)固定化α-淀粉酶的影響發(fā)現(xiàn)，在一定的條件下磁場(chǎng)對(duì)固定化α-淀粉酶有顯著影響，但磁場(chǎng)效應(yīng)與磁場(chǎng)強(qiáng)度并不存在線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)考查了固定化酶在0.03,0.08,0.12,0.15和0.20T的磁場(chǎng)作用20min后其相對(duì)活性。結(jié)果表明，0.03T的磁場(chǎng)對(duì)酶的活性有明顯激活作用；0.12,0.18和0.20T的磁場(chǎng)對(duì)酶有明顯抑制作用；0.08和0.15T的磁場(chǎng)無(wú)明顯影響。馬貴斌等研究磁場(chǎng)對(duì)酪氨酸酶催化活性的影響，實(shí)驗(yàn)分別在H型場(chǎng)磁化杯（磁場(chǎng)強(qiáng)度為250～300×10-4T）和HJC-1型流體磁化器（磁場(chǎng)強(qiáng)度為2000～3000×10-4T）的磁場(chǎng)中進(jìn)行。在其它條件相同的情況下，測(cè)定其有關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表1。由上可見(jiàn)，在條件相同的情況下，磁場(chǎng)的作用使酶的活性提高，反應(yīng)速率加快，酶的物理化學(xué)性質(zhì)有一定的變化，而不同類(lèi)型磁場(chǎng)的作用結(jié)果有差異。對(duì)于米氏常數(shù)Km，有（1/Km）無(wú)磁場(chǎng)>（1/Km）流體型≥（1/Km)H型磁場(chǎng)，可見(jiàn)磁場(chǎng)使酶對(duì)底物的親合力下降，而最大反應(yīng)速度卻都有所增大，這說(shuō)明磁場(chǎng)的作用使酶分子的構(gòu)象或活性中心的金屬離子的性質(zhì)發(fā)生了變化，這種變化使酶處于高度的激活狀態(tài)，使酶反應(yīng)催化活性中心與底物的親合力下降，結(jié)合作用調(diào)整在適中的程度，使反應(yīng)的底物容易離去，從而反應(yīng)速度加快。賀華君等以羧甲基纖維素鈉（CMC）為底物評(píng)價(jià)纖維素酶的活性，研究了不同條件下靜磁場(chǎng)對(duì)酶的活性及構(gòu)象的影響。發(fā)現(xiàn)，在9℃，pH4.0條件下，單獨(dú)磁化酶液時(shí)，0.460T磁場(chǎng)磁化6h內(nèi)活性稍有升高，磁化6h以上，則具有活性波動(dòng)，其它磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)其活性基本上隨時(shí)間不同而波動(dòng)，活性稍有降低。單獨(dú)磁化底物時(shí)，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁化時(shí)間不同，也對(duì)酶活性產(chǎn)生不同的影響，但其上升或下降程度不大，均在5%范圍內(nèi)波動(dòng)。在9℃時(shí)，不同的pH下實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在pH4.0附近磁場(chǎng)對(duì)其影響小，而遠(yuǎn)離其最適點(diǎn)（pH4.0）的pH3.6,5.0處，其活性分別升高達(dá)10.0%和16.4%，并且發(fā)現(xiàn)磁處理后的酶有滯后效應(yīng)及可逆性。上述的結(jié)果表明，在一定的強(qiáng)度范圍內(nèi)，磁場(chǎng)對(duì)酶的活性和穩(wěn)定性有促進(jìn)作用，而在另一范圍內(nèi)則磁場(chǎng)對(duì)酶有抑制甚至失活作用。磁場(chǎng)流化床外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度一般小于0.05T。由上可見(jiàn)，大部分酶在這個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)活性和穩(wěn)定性不會(huì)下降，有的酶活性和穩(wěn)定性還會(huì)提高，這為酶在磁場(chǎng)流化床中的應(yīng)用提供了一個(gè)必要條件。3磁敏性固定化纖維酶磁場(chǎng)流化床在酶催化反應(yīng)中的應(yīng)用，另一個(gè)需要解決的問(wèn)題是固定化酶顆粒的磁響應(yīng)性，這可以通過(guò)將酶固定在磁敏性載體上實(shí)現(xiàn)。目前，已有很多研究者對(duì)磁敏性載體固定化酶進(jìn)行了研究，提出了許多磁敏性顆粒的制備以及酶固定化的方法。宋存先等研究了用含F(xiàn)e3O4的交聯(lián)聚乙烯醇（PVA）微球?yàn)檩d體固定化過(guò)氧化酶（POD）。實(shí)驗(yàn)用戊二醛為交聯(lián)劑，使含有Fe3O4的聚乙烯醇微液滴在酸催化下交聯(lián)固化，得到直徑為20～100μm的交聯(lián)PVA磁敏性微球，調(diào)節(jié)PVA的濃度和Fe3O4的比例，可得到粒度均勻和表面光滑的微球。當(dāng)Fe3O4的含量達(dá)到15%左右，大于30μm直徑的微球有較強(qiáng)的磁響應(yīng)性。在上述微球表面進(jìn)行化學(xué)修飾后對(duì)過(guò)氧化酶進(jìn)行固定化，結(jié)果表明，固定化酶有較好的穩(wěn)定性，而且酶用量少，活性收回率高。邱廣明等以聚乙二烯作為分散劑和穩(wěn)定劑，水為分散介質(zhì)，在堿性條件下，用過(guò)氧化氫氧化亞鐵鹽制備穩(wěn)定的內(nèi)部是Fe3O4、外部纏繞一層聚乙二烯的磁敏性膠體粒子。用吸附-交聯(lián)法將中性蛋白酶固定在磁敏性膠體粒子上，結(jié)果表明，該固定化酶有較好的耐熱性和操作穩(wěn)定性，其活性達(dá)2500U/g，并具有較強(qiáng)的磁響應(yīng)性。他們還研究了將葡萄糖淀粉酶固定在上述制備得到的顆粒上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磁敏性固定化酶對(duì)底物的親合力較游離酶小，為游離酶的66.7%。在無(wú)底物存在的條件下，在4℃保特30d，磁敏性固定化酶和自由酶的剩余活力分別為90%和20%，固定化酶穩(wěn)定性比溶液酶有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且其操作穩(wěn)定性也大大提高。黃惠華根據(jù)上述方法制備得到粒徑為100μm左右磁敏性膠粒，并用于固定化菠蘿蛋白酶，結(jié)果表明，該顆粒對(duì)皮汁中蛋白酶的吸附率達(dá)62%以上，每克微球可吸附3.8×104U的蛋白酶；固定化磁敏性菠蘿蛋白酶的熱穩(wěn)定性得以提高，常溫下存放半衰期達(dá)30d左右（而游離酶在存放5d后，活性急劇下降，其活性殘留率少于50%）；酶的Km值增大，對(duì)底物（酪蛋白）的親和力有所下降。邱廣亮等以磁敏性瓊脂糖復(fù)合微球（內(nèi)含F(xiàn)e3O4）為載體，采用物理吸附法，制備出磁敏性固定化纖維酶。在最佳固定化條件下，磁敏性固定化酶的活性收回率為73.1%，其Km值（4.1×10-3g/L）較游離酶Km值（7.8×10-3g/L）小，熱穩(wěn)定性較天然酶有所提高，磁敏性固定化酶重復(fù)使用10次后，其相對(duì)活性保持在60%。Bahar等用溶劑揮發(fā)技術(shù)制備包含活性基團(tuán)的磁敏性聚苯乙烯顆粒，并以其作為載體將葡萄糖淀粉酶固定化，固定化酶的產(chǎn)率達(dá)到70%，而且酶的損失很少。相對(duì)于游離酶，固定化后酶的活性能夠保持70%。Arcrica等通過(guò)溶劑揮發(fā)法制備磁敏性聚異丁烯酸甲脂顆粒（MPMMA），并通過(guò)其羰基反應(yīng)共價(jià)引入6-碳手臂（如：己二胺，即HMDA），以碳化二亞胺（CDI）或溴化氰（CNBr）作交聯(lián)劑，通過(guò)MPMMA的手臂共價(jià)固定葡萄糖淀粉酶。酶的活性收回率分別為57%(CDI）和73%(CNBr）。對(duì)固定化酶和游離酶的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，固定化酶的Km值（CDI:12.5g/L糊精；CNBr:9.3g/L糊精）高于游離酶（2.1g/L糊精），然而Vmax卻比游離酶小，最適溫度都比游離酶高5℃，并且操作穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、貯藏穩(wěn)定性均比游離酶高。由上可見(jiàn)，以磁敏性顆粒作為酶的固定化載體，酶活性收回率高，而且穩(wěn)定性也得到了很大的提高。4應(yīng)中應(yīng)用效果在酶的固定化中，顆粒通常要求足夠小以獲得比較大的固定化面積，但是小顆粒在流化床中造成比較大的壓降，并且沒(méi)有足夠的操作速度（流速過(guò)高固定化酶會(huì)“沖出”流化床）。磁場(chǎng)流化床的應(yīng)用，能夠克服上述缺點(diǎn)，大大提高粒子的帶出速度，提高傳質(zhì)速率和增加反應(yīng)器的容積負(fù)荷，并且能夠消除返混現(xiàn)象。由于可以將酶固定于磁敏性載體上，而且在磁場(chǎng)流化床的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)酶的活性和穩(wěn)定性沒(méi)有下降，因此，磁場(chǎng)流化床在酶催化反應(yīng)中的應(yīng)用在理論上是可行的。Bahar等將葡萄糖淀粉酶固定于平均直徑為125μm的磁敏性顆粒上，并在流化床中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)固定化酶的半衰期為206h，是游離酶（33.8h）的6倍；在50℃，pH4.5，不同的底物（麥芽糖）濃度下分別測(cè)定游離酶和固定化酶的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明，（Km）游離<（Km）固定化，（Vm）游離>（Vm）固定化，而（Ea）游離=（Ea）固定化。并且發(fā)現(xiàn)，流化床的空隙體積可通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最佳的磁場(chǎng)強(qiáng)度為14～18mT。若強(qiáng)度太高，將引起顆粒的凝聚。Weeb等用磁敏性κ-角叉膠（carrageenan）球形微粒在磁場(chǎng)流化床中做了實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置的床體是直徑為113mm的圓管，管的外面有一單線磁性線圈，通過(guò)強(qiáng)度為45A的直流電。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流體的帶出速度提高5倍。由于在磁場(chǎng)流化床中可以運(yùn)用比較小的固定化酶顆粒以及可以獲得比較高的液體表觀速度，因此外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散的阻力可以大大減小。Sada等研究了外加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、周期性通斷電磁場(chǎng)和上部加恒定磁場(chǎng)的流化床中的酶催化反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)分別將脲酶、葡萄糖氧化酶和過(guò)氧化氫酶固定在磁敏性聚乙烯顆粒上，考查了它們?cè)诖艌?chǎng)流化床中的反應(yīng)活性、傳遞性能等。結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和周期性通斷電磁場(chǎng)均可起到攪拌作用，減薄邊界層厚度，增加了傳質(zhì)過(guò)程；磁場(chǎng)流化床的操作液速提高而無(wú)顆粒夾帶出現(xiàn)；流化床處理能力增強(qiáng)，轉(zhuǎn)化率與固定床相當(dāng)。5磁場(chǎng)流化床中固定化酶的應(yīng)用在磁場(chǎng)流化床的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，一般酶的活性和穩(wěn)定性沒(méi)有降低，磁場(chǎng)對(duì)某些酶甚至有激活作用。磁敏性顆粒固定化酶有較高的收回率以及較好的熱穩(wěn)定性和操作穩(wěn)定性。這些都為磁場(chǎng)流化床中的酶催化反應(yīng)提供了可能性。流化床外加磁場(chǎng)后，固定化酶顆粒的帶