[发明专利]一种兼具分布气体和酶催化的中空纤维膜反应器及其应用

说明书

技术领域

本发明属于酶催化、生物反应器、化工工艺领域，涉及一种兼具分布气体和酶催 化功能的中空纤维膜反应器。

背景技术

CO₂是最重要的温室气体之一，因其大量排放致使全球气温增加。CO₂催化加氢 或与相应的底物反应合成高附加值的化学品是温室气体再利用的一条重要途径。与通 常在高温高压下进行的传统催化反应工艺相比，酶催化法具有高效、高选择性、反应 条件温和、对环境无污染等优点，符合当今社会的发展趋势。以CO₂为原料或者原 料之一，在酶催化作用下，可合成甲酸、甲醇、苹果酸、异柠檬酸、天门冬氨酸等。 但这类反应存在两方面问题：一方面，价格昂贵的游离酶作为催化剂易溶于水相而难 以回收和重复利用，且容易受环境因素或外界剪切力等影响而失去活性；另一方面， 在酶催化的温和条件下，CO₂在水相的溶解度较低，而气-液两相是否能够充分接触 传质会进一步影响水相中的底物浓度，从而会对反应速率和反应平衡带来很大影响。 因此，一方面，有必要通过固定化酶来提高酶的稳定性和方便其回收和重复利用；另 一方面，强化气-液传质是这类以CO₂为底物的生物催化反应亟待解决的关键问题。

针对酶催化CO₂转化这一领域，已有研究多采用包埋法固定化酶，这种方法虽 有利于保持酶活，但酶容易流失，且包埋会给底物和产物的扩散带来一定的限制。所 采用的酶载体种类相对较窄，尚未见到将酶固载到中空纤维膜表面的报道。文献中所 采用的反应器型式大致可分为两种：一种是通过管路直接向反应器通入CO₂气体， 用CO₂或者直接通入的氮气鼓泡，这种方式虽可对溶液形成一定的扰动，但由于气 泡从单根管路出来，在反应液内的分布极不均匀，很难获得较好的传质效果；另一种 是采用密闭的容器，通CO₂气体后，保持在一定压力下(如0.5MPa)而保证无气体 逸出，这种方式可通过加压来提高CO₂在液相中的溶解度，但同时也对溶液的搅拌 和混合带来不利影响。

通过选择合适类型的反应器以及优化反应器的设计，可大大增强气-液传质，从 而促进反应向所需方向进行。通常用于气-液反应的反应器主要包括板式、填料塔式、 高速扰动式和鼓泡式反应器。其中，鼓泡式反应器由于其自身的一些固有特性诸如结 构和操作简单、剪切力低以及混合效果好等而被工业上广泛采用。鼓泡式反应器是以 液相为连续相、气相为分散相的气-液反应器，气体一般经由气体分布器分散后进入 溶液相。气体分布器主要有环型、单孔喷嘴型、多孔板型、膜分布器等。环型分布器 每一个分布点的气体分散路径是一致的，虽有利于气体分布的均一性，但它的制造工 艺相对复杂、材料成本高；单孔喷嘴型分布器多用于对气体分布要求不严格的生产过 程；多孔板型分布器由于可以产生比前两种分布器更均匀的气泡而被广泛应用。

相比其他类型的气体分布器，膜分布器可以产生更细小、更稠密的气泡，气液接 触的比表面积更大，结构更可控，因而具有独特的优势。这方面的研究起步较晚，已 有的文献较少。Du等以孔径为0.2μm的镍微滤平板膜作为氨气的分散介质，用于SiO₂纳米颗粒的可控制备，显示出很好的微混合效果。Chan等用孔径为0.2μm的多孔不 锈钢膜代替玻璃分布器分布臭氧时，邻苯二甲酸复合物的转化率从20％提高到100％， 表明膜分布器可使臭氧得到更高效的利用，从而可降低臭氧的进料量。Chen等采用 单通道的管状多孔陶瓷膜(0.5μm)作为臭氧分布器，用于苯酚羟基化反应，相比直 接供给臭氧而言，苯二酚的产率提高了13％。程丽华等使用聚合物中空纤维膜组件作 为外置式气体分布器，将其与气升式光生物反应器相连，用于去除低浓度的CO₂，与 未使用膜组件作为气体分布器的反应器相比，气体在藻液中的停留时间从2秒增至高 于20秒，CO₂的去除率从80mg/(L·h)增至260mg/(L·h)。