磁稳定流化床的结构及流固处理特性

磁稳定流化床的结构及流固处理特性

良好的传质和传热性能。它可以处理高粘度和粉末，不会堵塞，温度和ph值容易控制，并在酶催化反应中越来越受到重视。然而在传统的液固流化床中，一般的固定化酶颗粒的密度与流化流体密度相差不大，而且颗粒体积较小，使得流化床的带出速度较小，降低了传质过程，限制了设备操作范围和适应性。为了使固定化酶颗粒在较高的流化速度下不被流体夹带出床层，必须借助于某种外力的作用。磁场流化床（MagneticallyFluidizedBed,MFB）是将磁场引入普通的流化床，采用磁敏性颗粒作为床层介质的流固处理系统。该系统借助于磁敏性颗粒对外部磁场的响应性，提供了一种改善流化床操作性能的手段，为流化床在酶催化反应中的更广泛应用提供一个新的途径。1磁体及其特征1.1磁流变流化床的装置磁场流化床的床层采用磁敏性颗粒，床体外部添加恒定或交变的磁场。在外加磁场的作用下，颗粒受到磁化，颗粒间的磁极产生相互作用，并倾向于沿磁力线方向排列。在一定的磁场强度范围内，轴向（平行于流体流动的方向）的外磁场作用可使床层获得更高的流速操作上限，而径向（垂直于流体流动的方向）的外磁场可使介质在径向排列成链，避免在流动方向上产生过大的空隙，可有效避免流体短路。磁场的引入，使流化床的操作范围变宽。目前研究较多的是外加轴向磁场的流化床，其装置如图1所示。在一定的流体流速下，床层随磁场强弱不同出现三种流态化状态：散流床、链流床和磁聚床。当磁场较弱时，床层呈正常的流化状态流动，称为散流床；磁场较强时，床层中颗粒沿磁场方向成链流动，称链流床；当磁场很强时，整个床聚为一体而固定，称为磁聚床。当外部磁场为稳恒均匀磁场，流速在高于最小流化速度umf而小于带出速度ut时，床层呈均匀稳定的膨胀状态，即磁稳定流化床(MagneticallyStabilizedFluidizedBed,MSFB)，此时流化床兼有固定床和流化床的优点：具有固定床的固液接触特性，床层介质稳定，不存在扩散和返混，对微小填充床介质不存在固定床易出现的床层堵塞现象；具有与固定床相同的压降特性，液相流动近似于平推流，相间接触充分，适于不耐受高压、易破碎的物料；调节外加磁场强度和流体相的速度可改善流体停留时间分布，获得较宽的流速操作范围，使得同一装置可适用于不同的处理对象和处理要求；在多相接触中，被磁场固定化的颗粒可有效抑制和破坏气泡的产生，更好地调节相间传质；调节磁场方向或大小可实现在床层外部移动床层介质，能够连续地从反应器引进和引出填充介质，使液固相逆流接触，可实现连续操作。磁场流化床的流化特性与初始床层高度、流化速度、磁场的类型与强度、颗粒的磁化特性以及尺度特性等因素有关。1.2气体磁稳流化床的判据磁场流化床主要是在床层呈均匀稳定的膨胀状时操作，即主要应用的是磁稳流化床。磁稳流化床的稳定性研究是其应用的关键。Rosensweig等分析气体磁稳流化床中流体动力学稳定性，考虑磁性粒子的受力情况并结合传质方程及质量守恒定律，提出了关于气体磁稳流化床的稳定性判据：Nm×Nv>1不稳定状态（1)Nm×Nv=1临界状态（2)Nm×Nv<1稳定状态（3)其中，Nm是动能与静能的比率，Nv是空隙模量，它们定义如下：其中，γ是流动方向与波运动方向的夹角，θ是磁场方向和波动方向的夹角。Fee对Rosensweig等的关于气体磁稳流化床判据加以修正，将其推广到液体磁稳流化床。但是，在实际应用中其计算值与实验值尚有一定的偏差。到目前为止，还没有一个理想的判据对液体流化床是否处于稳定区进行判断，而通常用肉眼进行观察。2磁场对酪氨酸酶活性的影响要使酶催化反应能够在磁场流化床中应用，需解决的基本问题之一是酶在磁场的作用下是否还保存活性。如果在磁场流化床中，酶的活性不复存在，或者稳定性有很大下降，那么在磁场流化床中进行酶催化反应的研究就失去了意义。颜流水等研究了恒磁场对固定化α-淀粉酶的影响发现，在一定的条件下磁场对固定化α-淀粉酶有显著影响，但磁场效应与磁场强度并不存在线性关系。实验考查了固定化酶在0.03,0.08,0.12,0.15和0.20T的磁场作用20min后其相对活性。结果表明，0.03T的磁场对酶的活性有明显激活作用；0.12,0.18和0.20T的磁场对酶有明显抑制作用；0.08和0.15T的磁场无明显影响。马贵斌等研究磁场对酪氨酸酶催化活性的影响，实验分别在H型场磁化杯（磁场强度为250～300×10-4T）和HJC-1型流体磁化器（磁场强度为2000～3000×10-4T）的磁场中进行。在其它条件相同的情况下，测定其有关动力学参数，结果如表1。由上可见，在条件相同的情况下，磁场的作用使酶的活性提高，反应速率加快，酶的物理化学性质有一定的变化，而不同类型磁场的作用结果有差异。对于米氏常数Km，有（1/Km）无磁场>（1/Km）流体型≥（1/Km)H型磁场，可见磁场使酶对底物的亲合力下降，而最大反应速度却都有所增大，这说明磁场的作用使酶分子的构象或活性中心的金属离子的性质发生了变化，这种变化使酶处于高度的激活状态，使酶反应催化活性中心与底物的亲合力下降，结合作用调整在适中的程度，使反应的底物容易离去，从而反应速度加快。贺华君等以羧甲基纤维素钠（CMC）为底物评价纤维素酶的活性，研究了不同条件下静磁场对酶的活性及构象的影响。发现，在9℃，pH4.0条件下，单独磁化酶液时，0.460T磁场磁化6h内活性稍有升高，磁化6h以上，则具有活性波动，其它磁场强度时其活性基本上随时间不同而波动，活性稍有降低。单独磁化底物时，随磁场强度和磁化时间不同，也对酶活性产生不同的影响，但其上升或下降程度不大，均在5%范围内波动。在9℃时，不同的pH下实验发现，在pH4.0附近磁场对其影响小，而远离其最适点（pH4.0）的pH3.6,5.0处，其活性分别升高达10.0%和16.4%，并且发现磁处理后的酶有滞后效应及可逆性。上述的结果表明，在一定的强度范围内，磁场对酶的活性和稳定性有促进作用，而在另一范围内则磁场对酶有抑制甚至失活作用。磁场流化床外加磁场的强度一般小于0.05T。由上可见，大部分酶在这个磁场强度范围内活性和稳定性不会下降，有的酶活性和稳定性还会提高，这为酶在磁场流化床中的应用提供了一个必要条件。3磁敏性固定化纤维酶磁场流化床在酶催化反应中的应用，另一个需要解决的问题是固定化酶颗粒的磁响应性，这可以通过将酶固定在磁敏性载体上实现。目前，已有很多研究者对磁敏性载体固定化酶进行了研究，提出了许多磁敏性颗粒的制备以及酶固定化的方法。宋存先等研究了用含Fe3O4的交联聚乙烯醇（PVA）微球为载体固定化过氧化酶（POD）。实验用戊二醛为交联剂，使含有Fe3O4的聚乙烯醇微液滴在酸催化下交联固化，得到直径为20～100μm的交联PVA磁敏性微球，调节PVA的浓度和Fe3O4的比例，可得到粒度均匀和表面光滑的微球。当Fe3O4的含量达到15%左右，大于30μm直径的微球有较强的磁响应性。在上述微球表面进行化学修饰后对过氧化酶进行固定化，结果表明，固定化酶有较好的稳定性，而且酶用量少，活性收回率高。邱广明等以聚乙二烯作为分散剂和稳定剂，水为分散介质，在碱性条件下，用过氧化氢氧化亚铁盐制备稳定的内部是Fe3O4、外部缠绕一层聚乙二烯的磁敏性胶体粒子。用吸附-交联法将中性蛋白酶固定在磁敏性胶体粒子上，结果表明，该固定化酶有较好的耐热性和操作稳定性，其活性达2500U/g，并具有较强的磁响应性。他们还研究了将葡萄糖淀粉酶固定在上述制备得到的颗粒上，结果发现，磁敏性固定化酶对底物的亲合力较游离酶小，为游离酶的66.7%。在无底物存在的条件下，在4℃保特30d，磁敏性固定化酶和自由酶的剩余活力分别为90%和20%，固定化酶稳定性比溶液酶有明显的优势，而且其操作稳定性也大大提高。黄惠华根据上述方法制备得到粒径为100μm左右磁敏性胶粒，并用于固定化菠萝蛋白酶，结果表明，该颗粒对皮汁中蛋白酶的吸附率达62%以上，每克微球可吸附3.8×104U的蛋白酶；固定化磁敏性菠萝蛋白酶的热稳定性得以提高，常温下存放半衰期达30d左右（而游离酶在存放5d后，活性急剧下降，其活性残留率少于50%）；酶的Km值增大，对底物（酪蛋白）的亲和力有所下降。邱广亮等以磁敏性琼脂糖复合微球（内含Fe3O4）为载体，采用物理吸附法，制备出磁敏性固定化纤维酶。在最佳固定化条件下，磁敏性固定化酶的活性收回率为73.1%，其Km值（4.1×10-3g/L）较游离酶Km值（7.8×10-3g/L）小，热稳定性较天然酶有所提高，磁敏性固定化酶重复使用10次后，其相对活性保持在60%。Bahar等用溶剂挥发技术制备包含活性基团的磁敏性聚苯乙烯颗粒，并以其作为载体将葡萄糖淀粉酶固定化，固定化酶的产率达到70%，而且酶的损失很少。相对于游离酶，固定化后酶的活性能够保持70%。Arcrica等通过溶剂挥发法制备磁敏性聚异丁烯酸甲脂颗粒（MPMMA），并通过其羰基反应共价引入6-碳手臂（如：己二胺，即HMDA），以碳化二亚胺（CDI）或溴化氰（CNBr）作交联剂，通过MPMMA的手臂共价固定葡萄糖淀粉酶。酶的活性收回率分别为57%(CDI）和73%(CNBr）。对固定化酶和游离酶的动力学参数进行测定，固定化酶的Km值（CDI:12.5g/L糊精；CNBr:9.3g/L糊精）高于游离酶（2.1g/L糊精），然而Vmax却比游离酶小，最适温度都比游离酶高5℃，并且操作稳定性、热稳定性、贮藏稳定性均比游离酶高。由上可见，以磁敏性颗粒作为酶的固定化载体，酶活性收回率高，而且稳定性也得到了很大的提高。4应中应用效果在酶的固定化中，颗粒通常要求足够小以获得比较大的固定化面积，但是小颗粒在流化床中造成比较大的压降，并且没有足够的操作速度（流速过高固定化酶会“冲出”流化床）。磁场流化床的应用，能够克服上述缺点，大大提高粒子的带出速度，提高传质速率和增加反应器的容积负荷，并且能够消除返混现象。由于可以将酶固定于磁敏性载体上，而且在磁场流化床的磁场强度范围内酶的活性和稳定性没有下降，因此，磁场流化床在酶催化反应中的应用在理论上是可行的。Bahar等将葡萄糖淀粉酶固定于平均直径为125μm的磁敏性颗粒上，并在流化床中进行实验，发现固定化酶的半衰期为206h，是游离酶（33.8h）的6倍；在50℃，pH4.5，不同的底物（麦芽糖）浓度下分别测定游离酶和固定化酶的动力学参数，结果表明，（Km）游离<（Km）固定化，（Vm）游离>（Vm）固定化，而（Ea）游离=（Ea）固定化。并且发现，流化床的空隙体积可通过磁场强度来进行调节，最佳的磁场强度为14～18mT。若强度太高，将引起颗粒的凝聚。Weeb等用磁敏性κ-角叉胶（carrageenan）球形微粒在磁场流化床中做了实验。该实验装置的床体是直径为113mm的圆管，管的外面有一单线磁性线圈，通过强度为45A的直流电。结果发现，流体的带出速度提高5倍。由于在磁场流化床中可以运用比较小的固定化酶颗粒以及可以获得比较高的液体表观速度，因此外扩散和内扩散的阻力可以大大减小。Sada等研究了外加旋转磁场、周期性通断电磁场和上部加恒定磁场的流化床中的酶催化反应。实验分别将脲酶、葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶固定在磁敏性聚乙烯颗粒上，考查了它们在磁场流化床中的反应活性、传递性能等。结果表明，旋转磁场和周期性通断电磁场均可起到搅拌作用，减薄边界层厚度，增加了传质过程；磁场流化床的操作液速提高而无颗粒夹带出现；流化床处理能力增强，转化率与固定床相当。5磁场流化床中固定化酶的应用在磁场流化床的磁场强度范围内，一般酶的活性和稳定性没有降低，磁场对某些酶甚至有激活作用。磁敏性颗粒固定化酶有较高的收回率以及较好的热稳定性和操作稳定性。这些都为磁场流化床中的酶催化反应提供了可能性。流化床外加磁场后，固定化酶颗粒的带