耦合循环反应器固定化细胞法制取醋酸盐的研究.doc

ZJNSF 浙江省自然科学基金申请书( 2005版) 第3页同行评议组别生物化工项目编号Y405140浙江省自然科学基金申 请 书申报类别:一般项目项目名称:耦合循环反应器固定化细胞法制取醋酸盐的研究申 请 者:张良佺电 话托单位:浙江科技学院通信地址:杭州市学院路85号邮政编码:310012E-mail :申报日期:2005-5-25浙江省自然科学基金委员会二OO五年制基本信息申请者信息姓 名张良佺性别男出生日期1965年08月16日最终学位博士获学位年份1995职称高级工程师主要研究领域化学反应工程E-电 人网页 依托单位浙江科技学院证件类型身份证证件号码340702650816359申请者是否近三年调入在浙单位工作否调入时间 申请者曾主持的浙江省自然科学基金资助项目编号: 申请者正在主持的国家和省部资助经费在20万元及以上的研究项目名称、来源和研究期限: 项目基本信息项目名称耦合循环反应器固定化细胞法制取醋酸盐的研究申报类别一般项目研究属性支撑性应用基础研究同行评议组别材料与化学科学/生物化工依托基地名称 预计研究年限2006年01月2008年12月总经费预算10.0万元申请经费10.0万元项目研究目标、内容和意义简介(限400字)应用耦合反应器技术采取固定化细胞催化的方法制取环保型除冰剂醋酸钙镁，探索了反应器的合适工艺条件，研究了物料逗留时间、醋酸的生成率、循环比等工艺变量之间的关系；了解产品的晶相结构，进而寻找不同的钙镁比、不同的温度及其它工艺条件和融冰能力之间的联系；通过对产品的失重平台分析，了解其组成及结构和水结合的能力；考察菌体的生长速率和各变量之间的关系，建立了相应的动力学模型；重点研究了醋酸发酵过程本征动力学行为，在搅拌反应器中，应用正交方法设计实验，建立了模型方程；同时考察了载体颗粒宏观动力学规律，在涡轮反应器中研究了各变量对过程的影响；最后应用所获得的基本动力学数据模拟了小型耦合反应器工况。本研究可加快化学工程和生物工程之间的交叉与渗透，为环保型除冰剂的生产提供可靠的理论基础。关键词（不超过4个）耦合反应器;固定化细胞法;除冰剂;醋酸钙镁同行评议分组说明生化反应工程和生化反应器 重点资助方向绿色化学与清洁生产方法申请书版本号：16414340 项目组主要成员编号姓名出生日期性别职称学位单位名称电话项目分工每年工作时间（月）（(月)1张良佺1965年08月16日男高级工程师博士浙江科技学责人82魏培莲1974.6.11女讲师博士浙江科技学要成员43姜华昌1975.12.2男讲师博士浙江科技学员24李菊清1963.11.12女高级实验师学士浙江科技学析35吴元锋1976.6.3男讲师硕士浙江科技学员36 7 总人数高级中级初级博士后博士生硕士生参加单位数52300001说明：1.个人介绍部分申请者必须填写，其他人员可以不填写；2.高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生及参加单位数由申请者负责填报，总人数自动生成；3.第一人必须是申请者，信息从前面自动读入，但每年工作时间必须手工录入。ZJNSF 浙江省自然科学基金申请书（2005版） 第12页个人介绍：张良佺：张良佺，男，汉族，1995年华东理工大学化工工艺专业毕业，获得博士学位，现为浙江科技学院生物与化学工程学系从事教学与科研工作，为浙江省中青年学科带头人，副教授，硕士生导师。近期发表有关论文如下：1、张良佺，陈纪忠，祝巨，固体聚合硫酸铁制取及工艺优化研究，高校化学工程学报，2004，No.6,Vol.182、张良佺，胡顺勇，陈纪忠，多组分精馏故障诊断和生产优化，现代化工，2003，Vol.23，2282313、张良佺，复合聚合硫酸铁反应动力学研究，化工科技，2002，Vol.12，18234、张良佺，诸爱士，李飞武，氨合成催化反应中毒模型建立和计算， 计算机与应用化学，2002，No.5,Vol.19，5935985、张良佺，富含二氧化碳油田气生产甲醇的模拟和优化（）”，计算机与应用化学，1999，No.3,Vol.16，1992066、张良佺，富含二氧化碳油田气生产甲醇的模拟和优化（），计算机与应用化学，1999，No.4,Vol.16，2592647、张良佺，诸爱士，甲醇生产过程的模拟和优化，杭州应用工程技术学院学报，2001，No.2,Vol.13，3237承担项目:1）主持浙江省科技厅项目：“高效复合型聚合硫酸铁的制取及其设备研究”，金额为16万元，编号：2003C31056，2003.12004.12，负责整个项目的实施。2）浙江省高校中青年学科带头人资助项目：“化学反应器的研究与开发”，资助经费5万，学校配套5万，2001.12005.1。3）浙江诸暨市光明化工厂项目：利用酸洗废液制取新型高效净水剂的中试研究，经费3万，2003.122004.12，负责中试研究。4）浙江湖州华曼化工有限公司资助项目：生物法生产醋酸钙镁的工艺研究，金额为20万元，2003.122004.12。 申请经费预算 10.0 万元 计划开支项目名称计算根据及理由金额（万元）1信息费查阅资料,发表论文,复印等1.82专题学术活动费参加学术会议1.33仪器和设备购置费动力学数据在线测试系统3.64能源材料费各种化学药品，易耗品，菌种1.85计划管理费按项目总费用的5%计算0.56人员费人员劳务1.0注：开支范围和标准参见浙江省省级科技项目经费管理暂行办法（浙财教字200220号）。 申请者承诺：我保证： （1）申请书内容是真实的；（2）恪守科学道德，伦理道德的基本原则；（3）项目组成员知晓申请书内容，并自愿参与研究工作；（4）已如实填报申请者正在主持的国家和省部资助经费在20万元及以上的研究项目名称、来源和研究期限；（5）如果获得资助，我将履行项目负责人职责，严格遵守浙江省自然科学基金委员会的有关规定，切实保证研究工作时间，认真开展工作，按时报送有关材料。若填报失实或违反规定，本人将承担全部责任。 签字： 日期：项目依托单位承诺:已按规定对申请人的资格和申请书内容进行了审核。申请项目如获资助，我单位保证对计划实施所需要的人力、物力和工作时间等条件给予保障，严格遵守浙江省自然科学基金委员会有关规定，督促项目组遵守科学道德和伦理道德的基本原则，督促项目负责人和本单位项目管理部门按照规定及时报送有关材料。依托单位公章 日期 .申请书正文1、 项目研究意义醋酸钙镁(CMA)是醋酸钙和醋酸镁的混合物，作为新一代环保型除冰剂，CMA以其独特的物理化学性质而引人注目。CMA具有较好的水溶性，熔点低，醋酸可生物降解，对环境友好。目前CMA的生产一般采用如下两种工艺1，一是直接将冰醋酸和白云石（CaO/MgO）或石灰岩（Ca/MgCO3）之间直接反应生成CMA；二是先将MgO和过量的醋酸反应，再将中间产物和水合石灰石反应生成最终产物。上述工艺，存在的主要问题是，原料醋酸价格昂贵，产品成本远远地高于传统除冰剂岩盐，极大地限制了CMA的广泛应用，除非是在一些对环境要求特别严格的场所。于是人们开始寻找廉价的反应原料，并产生了几种新的方法2：其一是以乳酪下脚料为原料，采用相应的菌株发酵生成乳酸，再由乳酸生成醋酸；其二是以下水道污泥为原料，通过加热酸解、酶解，使纤维素水解成葡萄酸，然后再发酵成为醋酸；国内则有利用醋酸废液生产CMA的报道3。这些生产工艺共同的缺点是：间歇操作，同时由于醋酸浓度过低，产物中存在大量的水，需要通过萃取以增高CMA的浓度，但由于难以选择性能优越的萃取剂，导致无法实现工业化。 本项目组长期以来一直关注环保型除冰剂醋酸钙镁的研究，并在各方面取得了长足的技术进步。于2003年受浙江湖州某有限公司委托，以糖业生产的下脚料糖蜜为原料，开发出“生物法生产醋酸钙镁”的工艺，克服了传统技术中由于使用醋酸而导致的产品成本高缺陷，并实现了工业化，取得了良好的经济效益。产品远销国外，同时为本项目的进一步研究奠定了基础。 本项目应用耦合反应器技术，通过不断添加活性水合氧化钙、氧化镁，使之与醋酸不断反应生成醋酸钙镁，同时采取生物固定化细胞技术，克服了传统技术中的底物和产物抑制效应，提高了糖蜜生成醋酸的转化率。 和游离细胞相比，生物固定化细胞技术可以进行高密度增殖培养，提高底物转化率，是现代生物工程领域中的一项新兴技术，该项技术在各行业中的应用正日益引起人们的广泛关注，国内已有一些文献4进行了报道。 耦合循环生化反应器，主要由两根直径相同的平行反应管组成，反应管（）中装填固定化醋酸菌粒子，醋酸菌通过包埋法固定于双载体聚乙烯醇和海藻酸钠中，双载体包埋法具有载体内粒径大，传质阻力较小，机械强度大等优点。一定浓度的乙醇底物和无菌空气由反应管底部送入，缓慢流过固定床，在固定化细胞醋酸菌的作用下，乙醇反应生成醋酸，管的上部通过连通管和闪蒸器连接，无菌空气在闪蒸器中和液相组分分离，气体从顶部导出系统，含有一定浓度的醋酸液相组分通过导管进入反应管（），和活性水合氧化钙、氧化镁的混合物反应生成醋酸钙镁，严格控制活性水合氧化钙、氧化镁的流量，使反应产物保持微酸性，一部分反应产物通过管的底部导出，干燥除去水份，产品为白色固体。另一部分反应产物通过管底部的弧型导管和新鲜乙醇底物混合，进入反应管，从而完成一次循环，由于反应管中含有一定量的空气，整个体系的密度低于反应管中的流体，依靠密度差，反应物料可以自动循环，循环过程的进行不需另加动力。整个装置集反应、分离于一体，结构颇具特色。目前尚未见文献报道。 耦合循环反应器具有一系列的优良性能，由于醋酸不断地在反应管中进行反应而消耗掉，浓度不断降低，当流体循环到达反应管时，可以有效地克服产物对醋酸菌的抑制效应，提高了产物的生成率；由于循环料液在进入反应管中时和新鲜乙醇料液进行混合，降低了料液中的乙醇浓度，控制一定的混合比可以有效地克服底物抑制效应，入口的乙醇浓度由原来的10%提高到20%，为最终获得较高浓度的醋酸钙镁提供了保证；由于采取了流体循环技术，使得整个工艺由间歇操作变为连续，提高了生产能力。耦合循环反应器技术具有广泛的应用前景，不仅可以应用于醋酸钙镁的生产，也可以有效地应用到其它系列醋酸盐的生产，能够形成共性技术；它克服了传统流加反应器只能部分消除底物抑制的缺点，同时能够协调具有不同特点的化学反应的进行，应用范围广阔。 耦合循环反应器需解决的问题：一是两个反应器之间耦合时，应照顾好不同反应之间的特点，尤其是热效应，醋酸菌细胞要求的反应温度较低，一般在37左右，管中醋酸钙镁的反应温度为7585，当流体循环进入反应管中时，温度需严格控制；二是如何控制适当的密度差使得液体在反应管中自在的循环是该装置开发的另一个关键。 为解决上述耦合反应器开发问题，反应动力学研究是核心，在反应管中，醋酸和活性氧化钙、氧化镁之间的反应，速度较快，几分钟之内完成。在反应管中进行的乙醇转化反应是耦合反应器开发技术的关键，乙醇在固定化细胞上的氧化过程为气、液、固三相反应体系，目前在化学工程领域为研究热点。在流体主体中，固定化颗粒之间，无菌空气和液体形成气液两相，氧分子首先由气相主体通过气膜、液膜扩散进入液体主体，再和乙醇分子分别由流体主体向固定化颗粒表面扩散，固定化载体为聚乙烯醇和海藻酸钠的混合物，反应物分子通过载体中的空隙扩散到内部，在固定化的醋酸菌作用下生成醋酸，醋酸分子由内部扩散到载体表面，进入流体主体，因此乙醇和氧气分子以及醋酸在载体中随反应的进行形成一定的分布；同时，醋酸生成过程中，醋酸菌在接种后，菌种迅速增殖，整个载体颗粒内部，菌种浓度沿着径向也形成一定分布。浓度分布规律研究对生化反应器技术的开发和应用十分重要，而其基础是乙醇反应动力学和包括内部扩散在内的宏观动力学的研究。目前这方面研究尚未见报道。 浙江省是我国生物和化工产品生产大省，产品种类非常丰富，并形成了众多的生产基地，如椒江、新昌、镇海、巨化等，这些具有特色的基地形成与壮大为浙江省经济的迅速发展起了至关重要的作用。本项目完成后，可在如下几个方面加快我省的经济发展和提升产品生产的技术档次：不同反应之间的耦合技术具有共性，有广阔的发展前景，能够便捷地应用到其它产品制备过程中，有效地提高产品的转化率，降低成本；可将生物细胞固定化技术和化工产品的生产有效地结合起来；醋酸钙镁主要出口日本，可为我省赚取大量的外汇；可为机场跑道、高速公路的除冰提供性能优异、价格低廉的融雪产品。为我省各工业区的振兴和发展做出贡献。2、 项目研究目标及与申请者研究工作长期目标的关系本课题的研究目标为：申请人长期从事“反应器分析与设计、放大效应”在相关领域的应用研究。2003年主持一项由省科技厅下达的“高效复合型聚合硫酸铁的制取及其设备研究”项目，该项目主要研究了加压鼓泡反应器的结构和操作方式对复合聚合硫酸铁的制备的影响；2003年由浙江湖州某化工有限公司资助，申请人承担了并开发出“生物法生产醋酸钙镁”的工艺；课题组相关成员，主要从事生物反应器研究与开发，参加过多项省级科研项目的研究，如“固定化细胞多菌种生物反应器发酵乙酸的研究”，“细胞融合构建高产胡萝卜素新型盐藻的研究”，“海水养殖微生态制剂的研究”。项目结束，预计取得如下成果：获得具有自主知识产权的新型耦合生化反应器工艺开发技术；建立固定化载体中醋酸菌增殖模型；建立乙醇氧化生成醋酸的动力学模型；建立单个固定化载体颗粒宏观动力学模型；针对小型耦合生化反应器装置，模拟整个反应器动力学行为。在核心及以上杂志发表论文45篇。项目的研究目标是课题组长期工作的具体化。3、 项目研究内容，研究方案和进度安排研究内容包括：1） 新型耦合生化反应器工艺研究 寻找合适的反应条件，保持反应器之间的协调，控制适当的密度差，使流体流动顺畅，为动力学研究提供工艺上的保证，为此不断改变空气的流量，研究物料逗留时间、醋酸的生成率、循环比等工艺变量之间的关系。2） 醋酸钙镁物化性能研究醋酸钙镁融冰能力与其组成及结构有密切的关系，拟通过对产品进行XRD分析，了解产品的晶相结构，进而寻找不同的钙镁比、不同的温度及其它工艺条件和融冰能力之间的联系；通过对产品的失重平台分析，了解其组成及结构和水结合的能力。3） 载体中醋酸菌增殖模型的研究醋酸发酵过程中，菌体的生长速率和众多因素有关，本项目拟考察菌体的生长速率和发酵时间之间的关系，和细胞浓度之间的关系，和底物浓度之间的关系，和产物浓度之间的关系，并建立相应的动力学模型。4） 乙醇氧化生成醋酸的动力学研究在搅拌反应器中，通过改变载体粒径和搅拌速度，消除内、外扩散影响的条件下，研究反应速率和乙醇浓度之间的关系，和醋酸浓度之间的关系，和氧溶解度之间的关系，并建立相应的动力学模型。5） 单个载体颗粒乙醇氧化宏观动力学模型的研究醋酸菌以包埋法固定在聚乙烯醇和海藻酸钠双载体上，载体中存在一定的孔径分布，底物和产物分子沿着孔道扩散，扩散速率对醋酸发酵过程产生影响，因此需研究颗粒尺度的乙醇氧化宏观动力学行为，应用涡轮转筐反应器，在转筐中放置一定粒径载体颗粒，在保持全混的流动条件下，进行动力学行为的研究，拟合实验数据，建立动力学方程。6） 耦合反应器模拟 在以上各动力学方程研究的基础上，建立非均相模型，通过计算机模拟，考察底物和产物沿反应器径向和轴向浓度分布。研究方案：1）新型耦合生化反应器工艺研究 耦合反应器由两个体积为8L的有机玻璃制造而成，乙醇、无菌空气通过流量计进入反应管的底部，乙醇进料处安装取样管，闪蒸器中安装取样管以分析反应器的出口醋酸的含量，反应管的上部安装活性氧化钙、氧化镁的进料管，按比例严格控制进料量，管的底部安装一取样管，分析醋酸的含量和检测pH值。通过改变空气的流量，寻找合适的工艺条件。 2）醋酸钙镁物化性能研究 选取不同工艺条件下制备的醋酸钙镁固体产品，进行热失重分析，获得相应的吸热峰图谱，对失重曲线进行微分得到DTG图谱，通过分析获得最佳的制备工艺条件；对固体产品进行XRD衍射分析，获得相应的衍射图谱，从图谱的分析中了解产品结构和融冰能力之间的关系，进而调整相应的工艺条件。 3）载体中醋酸菌增殖模型和醋酸发酵本征反应动力学模型研究 目前研究者们提出了众多的微生物生长速率模型，使用广泛的是确定论的非结构模型，该模型存在一定的缺陷。在醋酸发酵过程中，菌种生长速率不仅和醋酸菌自身性质有关，也和底物和产物的浓度有关，同时载体对菌种也存在着作用。同时为获得本征反应动力学方程，必须消除内、外扩散对过程的影响，为此，设计如下实验。在容积为1000ml的搅拌反应器中，加入一定粒径的固定化醋酸菌细胞，改变搅拌速度，当乙醇和醋酸的浓度不随搅拌速度而变化时，可认为外扩散影响已经消除。维持该搅拌速度，不断改变载体粒径，同时对物料进行分析，当乙醇和醋酸的浓度不随载体粒径而变化时，可认为内扩散影响已经消除。 在内、外扩散影响消除的条件下，改变氧气、乙醇和醋酸的浓度，检测不同时间下底物、产物浓度以及醋酸菌的含量，以醋酸和醋酸作为两个独立组分，提出相应的数学模型，求出模型参数，建立方程。 5）载体颗粒宏观动力学模型的建立 将粒径为23mm的载体颗粒置于容积为500ml的涡轮转筐反应器中，载体颗粒由两层不锈钢丝网围成，反应器内壁有四个径向挡板，可以避免旋涡环流，当涡轮转速达到一定值时，转轴附近形成卷吸气体，反应器中出现气泡群，呈现为气液两相混合流，气液固三相接触良好，釜内流体高度湍动，符合全混流模型，在此条件下，应用正交法设计实验，在不同的时间，检测底物和产物浓度，根据实验数据建立宏观动力学模型。6）载体颗粒内各组分浓度分布模型研究和耦合反应器模型的建立。 将载体颗粒近似为球型，取任半径r处厚度为dr的壳层分别对醋酸菌细胞、各底物和产物作物料衡算，可以认为在该壳层中，各物质浓度分布均匀，以醋酸和醋酸菌为关键组分，通过计算机模拟可以了解浓度沿径向分布情况。通过类似的方法，可以建立耦合反应器模型。拟解决的关键问题包括： 耦合生化反应器合适工艺条件的确定。无菌空气流量的大小，不仅影响到氧分子的扩散过程，更重要的是影响到耦合反应器中流体的密度差，从而影响到流动状态，改变反应物料在固定床中的逗留时间，影响到反应器单程转化率。空气流量大小的确定是需解决的关键问题之一。 载体中醋酸菌增殖模型方程的建立。乙醇氧化生成醋酸的动力学的建立。乙醇氧化动力学模型的建立是整个项目中的核心，乙醇氧化速率的快慢直接决定着反应器的生产能力。载体颗粒宏观动力学模型的建立。载体颗粒内各组分的传质过程影响到醋酸发酵速率，也是决定反应器生产能力的关键数据，因此宏观动力学模型的建立至关重要。耦合反应器模型的建立。进度安排： 2006年1月2006年12月 完成研究内容1）、2），获得耦合反应器合适的工艺条件，拟发表论文1-2篇，完成专利1项。 2007年1月2007年12月 完成研究内容3）、4）、5），建立载体中醋酸菌增殖动力学方程，建立乙醇氧化生成醋酸的动力学方程，测定载体中各组分内扩散系数，拟发表论文2篇。 2008年1月2008年11月 完成研究内容6）、7），建立载体颗粒内各组分浓度沿径向分布模型，并对小型耦合反应器进行模拟，拟发表论文2-3篇。4、 项目创新之处本项目的特色在于：用生物工程原理，特别是固定化细胞理论和化学反应工程原理，特别是反应器理论有机地结合起来，解决环保型除冰剂醋酸钙镁的生产问题，降低了成本。 创新之处表现在： 依靠物料密度差进行自循环的耦合反应器技术，克服了传统的流加反应器的缺点，有效地消除了底物、产物对细胞活性的抑制影响，提高了生产能力，目前尚未见国内外报道，可望获得具有自主知识产权的成果。 对产品进行热重分析，获得有关物质组成和结构方面的信息；利用XRD衍射图谱进行晶相分析，从微观角度阐述了不同工艺条件对产品融冰能力的影响，获得响应的结论。目前这方面的研究尚未见报道，亦为重要的创新之处。 对乙醇在固定化细胞上转化生成醋酸的本征和宏观动力学研究具有创新性，国内外未见报道。可为耦合反应器的设计奠定理论基础。 固定化细胞、底物以及产物在载体上的分布规律研究，耦合反应器动力学行为的模拟均为创新成果。5、 工作基础与工作条件工作基础： 项目负责人多年来主要从事化学反应器研究与开发，同时关注学科之间的交叉，注重将化学工程学原理应用到生物、环境保护等各领域，近三年来，负责项目数6项，科研经费总额达50余万元，其中承担浙江省科技厅、浙江省教育厅和浙江省财政厅项目各一项，承担由企业资助的项目多项。发表论文23篇，其中第一作者20篇，文章分布于各类核心期刊，2000年被评为浙江省高校中青年学科带头人，并获省财政厅资助。申请者于2003年12月受浙江湖州某有限公司资助，以糖业生产的下脚料糖蜜为原料，开发出“生物法生产醋酸钙镁”的工艺，并实现了工业化生产，克服了传统的化学法生产中，由于直接使用醋酸而导致的产品成本高缺陷，取得了良好的经济效益。同时为本项目的研究奠