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，不會堵塞，溫度和ph值容易控制，并在酶催化反應(yīng)中越來越受到重視。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。磁場流化床（MagneticallyFluidizedBed,MFB）是將磁場引入普通的流化床，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外部磁場的響應(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)用提供一個新的途徑。1磁體及其特征1.1磁流變流化床的裝置磁場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。在外加磁場的作用下，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。在一定的磁場強度范圍內(nèi)，軸向（平行于流體流動的方向）的外磁場作用可使床層獲得更高的流速操作上限，而徑向（垂直于流體流動的方向）的外磁場可使介質(zhì)在徑向排列成鏈，避免在流動方向上產(chǎn)生過大的空隙，可有效避免流體短路。磁場的引入，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，床層隨磁場強弱不同出現(xiàn)三種流態(tài)化狀態(tài)：散流床、鏈流床和磁聚床。當磁場較弱時，床層呈正常的流化狀態(tài)流動，稱為散流床；磁場較強時，床層中顆粒沿磁場方向成鏈流動，稱鏈流床；當磁場很強時，整個床聚為一體而固定，稱為磁聚床。當外部磁場為穩(wěn)恒均勻磁場，流速在高于最小流化速度umf而小于帶出速度ut時，床層呈均勻穩(wěn)定的膨脹狀態(tài)，即磁穩(wěn)定流化床(MagneticallyStabilizedFluidizedBed,MSFB)，此時流化床兼有固定床和流化床的優(yōu)點：具有固定床的固液接觸特性，床層介質(zhì)穩(wěn)定，不存在擴散和返混，對微小填充床介質(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)外加磁場強度和流體相的速度可改善流體停留時間分布，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象和處理要求；在多相接觸中，被磁場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)磁場方向或大小可實現(xiàn)在床層外部移動床層介質(zhì)，能夠連續(xù)地從反應(yīng)器引進和引出填充介質(zhì)，使液固相逆流接觸，可實現(xiàn)連續(xù)操作。磁場流化床的流化特性與初始床層高度、流化速度、磁場的類型與強度、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)磁場流化床主要是在床層呈均勻穩(wěn)定的膨脹狀時操作，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)流化床中流體動力學穩(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是流動方向與波運動方向的夾角，θ是磁場方向和波動方向的夾角。Fee對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，在實際應(yīng)用中其計算值與實驗值尚有一定的偏差。到目前為止，還沒有一個理想的判據(jù)對液體流化床是否處于穩(wěn)定區(qū)進行判斷，而通常用肉眼進行觀察。2磁場對酪氨酸酶活性的影響要使酶催化反應(yīng)能夠在磁場流化床中應(yīng)用，需解決的基本問題之一是酶在磁場的作用下是否還保存活性。如果在磁場流化床中，酶的活性不復(fù)存在，或者穩(wěn)定性有很大下降，那么在磁場流化床中進行酶催化反應(yīng)的研究就失去了意義。顏流水等研究了恒磁場對固定化α-淀粉酶的影響發(fā)現(xiàn)，在一定的條件下磁場對固定化α-淀粉酶有顯著影響，但磁場效應(yīng)與磁場強度并不存在線性關(guān)系。實驗考查了固定化酶在0.03,0.08,0.12,0.15和0.20T的磁場作用20min后其相對活性。結(jié)果表明，0.03T的磁場對酶的活性有明顯激活作用；0.12,0.18和0.20T的磁場對酶有明顯抑制作用；0.08和0.15T的磁場無明顯影響。馬貴斌等研究磁場對酪氨酸酶催化活性的影響，實驗分別在H型場磁化杯（磁場強度為250～300×10-4T）和HJC-1型流體磁化器（磁場強度為2000～3000×10-4T）的磁場中進行。在其它條件相同的情況下，測定其有關(guān)動力學參數(shù)，結(jié)果如表1。由上可見，在條件相同的情況下，磁場的作用使酶的活性提高，反應(yīng)速率加快，酶的物理化學性質(zhì)有一定的變化，而不同類型磁場的作用結(jié)果有差異。對于米氏常數(shù)Km，有（1/Km）無磁場>（1/Km）流體型≥（1/Km)H型磁場，可見磁場使酶對底物的親合力下降，而最大反應(yīng)速度卻都有所增大，這說明磁場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）為底物評價纖維素酶的活性，研究了不同條件下靜磁場對酶的活性及構(gòu)象的影響。發(fā)現(xiàn)，在9℃，pH4.0條件下，單獨磁化酶液時，0.460T磁場磁化6h內(nèi)活性稍有升高，磁化6h以上，則具有活性波動，其它磁場強度時其活性基本上隨時間不同而波動，活性稍有降低。單獨磁化底物時，隨磁場強度和磁化時間不同，也對酶活性產(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。在9℃時，不同的pH下實驗發(fā)現(xiàn)，在pH4.0附近磁場對其影響小，而遠離其最適點（pH4.0）的pH3.6,5.0處，其活性分別升高達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，在一定的強度范圍內(nèi)，磁場對酶的活性和穩(wěn)定性有促進作用，而在另一范圍內(nèi)則磁場對酶有抑制甚至失活作用。磁場流化床外加磁場的強度一般小于0.05T。由上可見，大部分酶在這個磁場強度范圍內(nèi)活性和穩(wěn)定性不會下降，有的酶活性和穩(wěn)定性還會提高，這為酶在磁場流化床中的應(yīng)用提供了一個必要條件。3磁敏性固定化纖維酶磁場流化床在酶催化反應(yīng)中的應(yīng)用，另一個需要解決的問題是固定化酶顆粒的磁響應(yīng)性，這可以通過將酶固定在磁敏性載體上實現(xiàn)。目前，已有很多研究者對磁敏性載體固定化酶進行了研究，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）微球為載體固定化過氧化酶（POD）。實驗用戊二醛為交聯(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Fe3O4的含量達到15%左右，大于30μm直徑的微球有較強的磁響應(yīng)性。在上述微球表面進行化學修飾后對過氧化酶進行固定化，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2500U/g，并具有較強的磁響應(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)，磁敏性固定化酶對底物的親合力較游離酶小，為游離酶的66.7%。在無底物存在的條件下，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，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，該顆粒對皮汁中蛋白酶的吸附率達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)率達到70%，而且酶的損失很少。相對于游離酶，固定化后酶的活性能夠保持70%。Arcrica等通過溶劑揮發(fā)法制備磁敏性聚異丁烯酸甲脂顆粒（MPMMA），并通過其羰基反應(yīng)共價引入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MPMMA的手臂共價固定葡萄糖淀粉酶。酶的活性收回率分別為57%(CDI）和73%(CNBr）。對固定化酶和游離酶的動力學參數(shù)進行測定，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，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，并且沒有足夠的操作速度（流速過高固定化酶會“沖出”流化床）。磁場流化床的應(yīng)用，能夠克服上述缺點，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，而且在磁場流化床的磁場強度范圍內(nèi)酶的活性和穩(wěn)定性沒有下降，因此，磁場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，并在流化床中進行實驗，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）濃度下分別測定游離酶和固定化酶的動力學參數(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磁場強度來進行調(diào)節(jié)，最佳的磁場強度為14～18mT。若強度太高，將引起顆粒的凝聚。Weeb等用磁敏性κ-角叉膠（carrageenan）球形微粒在磁場流化床中做了實驗。該實驗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，通過強度為45A的直流電。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流體的帶出速度提高5倍。由于在磁場流化床中可以運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，因此外擴散和內(nèi)擴散的阻力可以大大減小。Sada等研究了外加旋轉(zhuǎn)磁場、周期性通斷電磁場和上部加恒定磁場的流化床中的酶催化反應(yīng)。實驗分別將脲酶、葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶固定在磁敏性聚乙烯顆粒上，考查了它們在磁場流化床中的反應(yīng)活性、傳遞性能等。結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)磁場和周期性通斷電磁場均可起到攪拌作用，減薄邊界層厚度，增加了傳質(zhì)過程；磁場流化床的操作液速提高而無顆粒夾帶出現(xiàn)；流化床處理能力增強，轉(zhuǎn)化率與固定床相當。5磁場流化床中固定化酶的應(yīng)用在磁場流化床的磁場強度范圍內(nèi)，一般酶的活性和穩(wěn)定性沒有降低，磁場對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。這些都為磁場流化床中的酶催化反應(yīng)提供了可能性。流化床外加磁場后，固定化酶顆粒的帶