生物合成麦芽糖酯反应器的特性研究和优化

论文摘要

糖酯是一类广泛应用于食品、医药、化工等行业的非离子型表面活性剂。它具有无毒、无味、易降解等优点,因此备受国内外学者关注。目前国内外糖酯实验室合成主要采用间歇法,只有少数采用固定床或CSTR连续化合成糖酯的报道,并且产率不是很高,距离工业化生产要求还有一段差距。本课题着重于从反应器着手,设计新型高效的连续化酶反应器,并通过对反应器停留时间分布的研究,以此了解反应器内部物料流动状况,为反应器的修改完善以及放大提供必要信息。首先对连续搅拌釜式反应器的停留时间分布进行测定。确定了以共轭亚油酸作为示踪剂,丙酮为流动主体的共轭亚油酸比色新型测定方法。较以往的测定方法相比,由于真实的模拟反应的状态以及共轭亚油酸与反应物月桂酸的结构类似性,更能真实地反映物料流动状态。设计了不同流量（0.2-0.4mL/min）,不同搅拌速度（100～500min-1）的模拟实验,测得停留时间分布无量纲方差在0.7～0.8之间,反应器接近全混流。并且从停留时间分布的E（θ）～θ曲线可以看出反应器较为理想。提出了一个两参数模型,并通过此模型对反应器特性进行了进一步研究,反应器存在一定的短路。设计了新型循环流化床反应器,并对其颗粒流化特性进行了检测。通过比较不同公式,估算其临界流化速度以及流出速度分别为2.0×10-3m/s和2.43×10-2m/s,与实验测得的临界流化速度以及流出速度2.17×10-3m/s和2.31×10-2m/s吻合。采用共轭亚油酸比色法对流化床的停留时间分布进行了研究,建立了各因素与返混程度的数学模型,以期对反应器的改进以及放大提供必要信息。通过第二章提出的模型对循环流化床反应器特性作进一步研究,反应器存在一定的死区。采用循环流化床合成麦芽糖月桂酸酯,研究了不同单因素下麦芽糖月桂酸酯合成产率以及浓度的变化。并且利用响应面法对合成工艺进行了优化,最佳生产条件为:月桂酸浓度214mmol/L,一次性添加麦芽糖10g,加酶量6g,月桂酸丙酮溶液250mL作为流化液,床层膨胀比为1.1,物料进出速度为0.34mL/min,分子筛添加量12.6g/L,此时反应器产率达到52.45g/（L.d）。以design-expert软件回归了描述合成工艺的模型,此模型具有实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 糖酯的应用与合成
• 1.1.1 糖酯在食品、日化、医药及其他工业中的应用
• 1.1.2 糖酯的合成
• 1.2 反应器与流动模型
• 1.2.1 常用的反应器及其特点
• 1.2.2 反应器内的流动模型
• 1.3 停留时间分布
• 1.3.1 停留时间分布的概念
• 1.3.2 停留时间分布的实验测定
• 1.4 流态化技术
• 1.4.1 流态化技术的发展
• 1.4.2 流态化的分类
• 1.4.3 流态化在工业中的应用
• 1.5 立题背景和意义
• 1.5.1 立题背景
• 1.5.2 立题意义
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 第二章 搅拌釜式反应器停留时间分布的测定
• 2.1 引言
• 2.2 实验原理
• 2.2.1 非理想流动与停留时间分布
• 2.2.2 停留时间分布的表达
• 2.3 实验材料与方法
• 2.3.1 材料
• 2.3.2 实验方法
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 共轭亚油酸吸光度与浓度线性范围的测定
• 2.4.2 不同进料流量下 CSTR 的 E（θ）曲线特征
• 2.4.3 不同搅拌速度下 CSTR 的 E（θ）曲线特征
• 2.5 流动模型的提出以及 CSTR 特性的考察
• 2.5.1 流动模型的提出
• 2.5.2 模型参数的求解方法
• 2.5.3 CSTR 特性的考察
• 2.6 本章小结
• 第三章 循环流化床反应器的设计及其特性
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 流化床反应器的设计思路和流化特性
• 3.3.2 颗粒的流化特性
• 3.3.3 主要因素对流化床反应器停留时间分布的影响
• 3.3.4 反应器停留时间分布无因次方差的响应曲面分析和优化
• 3.4 循环流化床反应器特性的研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 循环流化床在麦芽糖月桂酸酯连续合成中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料及方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 反应产物的定性分析
• 4.3.2 床层膨胀比对麦芽糖月桂酸酯合成反应的影响
• 4.3.3 平均停留时间的确定
• 4.3.4 糖酸比对麦芽糖月桂酸酯合成反应的影响
• 4.3.5 连续生产工艺的优化
• 4.4 本章小结
• 主要结论
• 问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文