РЕАКТОР

Полезная модель относится к устройствам - реакторам для осуществления многофазных, гетерогенных каталитических и биокаталитических процессов, и это устройство может быть использовано в химической, пищевой, фармацевтической и других областях промышленности.
Известно устройство - вихревой реактор (Taylor-Poiseuille vortex flow reactor) [Giordano R.C., Giordano R.LC., Prazeres D.M.F., Cooney C.L. Chem. Eng. Sci. 1998, 53 (20), 3635-3652], состоящий из двух вертикально расположенных цилиндров - внутреннего и внешнего, для которых отношение радиусов составляет 1:1,5, при этом внутренний цилиндр вращается относительно внешнего. Как следует из соотношения радиусов, зазор между цилиндрами достаточно узкий, что обеспечивает вихревое движение жидкости в зазоре и препятствует образованию в ней воронки. Внутренний цилиндр погружается в раствор исходных химических реагентов или субстрата ферментативной реакции, в котором одновременно находятся катализатор или биокатализатор, и вращается в нем. Вращение внутреннего цилиндра приводит к перемешиванию реагентов, что позволяет интенсифицировать массообмен, уменьшить диффузионные ограничения и увеличить скорость реакции. Вихревой реактор апробирован в процессе изомеризации глюкозы, где биокатализатором является фермент - глюкозоизомераза в растворимом или иммобилизованном состоянии. Недостатком вихревого реактора является невысокая производительность из-за относительно небольшого объема реакционной среды, заключенной в узком зазоре между цилиндрами, а также недостаточная интенсификация массообмена в многофазных процессах, в том числе, при работе с твердыми биокатализаторами - иммобилизованными ферментами.
Полезная модель решает задачу увеличения производительности вихревого реактора в различных многофазных процессах.
Технический результат заключается в повышении производительности многофазных химических и биокаталитических процессов при помощи вихревого реактора.
Использование вихревого реактора позволяет значительно интенсифицировать массообмен между реакционной средой, содержащей исходные реагенты или субстрат ферментативной реакции, и твердым катализатором или
биокатализатором - иммобилизованным ферментом, в результате чего повышаются скорость реакции и, как следствие, производительность процесса.
Этот технический результат достигается тем, что многофазные, гетерогенные каталитические и биокаталитические процессы осуществляют в вихревом реакторе. Реактор состоит из вращающегося корпуса, имеющего форму конфузора, собранного из двух тарелей - верхней и нижней, причем высота тарелей в каждой точке продольного сечения обратно пропорциональна ее радиусу и термостатируемой емкости для раствора субстрата. Корпус заполнен твердым катализатором или биокатализатором. Корпус реактора имеет осевое отверстие для засасывания раствора исходных реагентов или субстрата ферментативной реакции внутрь корпуса, а также щелевые отверстия для вывода продуктов реакции из корпуса реактора. Реактор содержит термостатируемую емкость с раствором исходных реагентов или субстрата ферментативной реакции, снабженную отражательными перегородками, при этом корпус реактора погружен в эту емкость.,
Продольный разрез корпуса реактора представлен на Фиг.1.
Корпус реактора имеет осевую симметрию и собирается из двух профилированных тарелей - верхней 1 и нижней 2. Профиль каждой тарели выполнен по гиперболическому закону - ее высота (h) в каждой точке сечения обратно пропорциональна радиусу (R): h=1/R. Тарели крепят на оси 3 корпуса реактора. В нижней тарели 2 имеется отверстие 4, через которое раствор исходных реагентов или субстрата засасывается принудительно внутрь корпуса под действием центробежных сил, а также за счет возникновения пониженного давления в центре закручивающейся жидкости. Частота вращения (ω) корпуса задается и регулируется при помощи механической мешалки (на Фиг.1 не показано) и составляет по величине от 50 об/мин до 1500 об/мин. Твердый катализатор или биокатализатор с размером гранул 1-4 мм помещают в нижнюю тарель 2, сверху закручивается верхняя тарель 1. После всасывания внутрь корпуса поток жидкости - раствора исходных реагентов или субстрата ферментативной реакции, проходит через внутренние щелевые отверстия 5 к катализатору или биокатализатору, двигается через слой катализатора или биокатализатора к боковым отверстиям 6, по пути своего движения претерпевая химические или ферментативные превращения с образованием продуктов реакции.
На Фиг.2 изображена термостатируемпя емкость, которая заполнена раствором исходных реагентов или субстрата ферментативной реакции. В емкость с раствором погружен вращающийся корпус реактора с катализатором или
1/2
биокатализатором. Емкость состоит из корпуса 7 и вкладка 8 с отражательными перегородками для предотвращения образования воронки в раскручиваемой жидкости. Для поддержания необходимой температуры реакционной среды емкость снабжена рубашкой 9 с патрубками 10 для ввода и вывода теплоносителя. Раствор многократно прокачивается (циркулирует) через слой катализатора или биокатализатора, причем скорость потока раствора через слой биокатализатора увеличивается при повышении частоты вращения корпуса пропорционально ω.
Сущность полезной модели иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Ферментативный гидролиз кукурузного декстрина в вихревом реакторе.
3
В корпус вихревого реактора загружают твердый биокатализатор, приготовленный следующим образом. Навеску 5 г объемом 15 см исходного углеродного носителя с размером гранул 1-2 мм медленно (с частотой 60 об/мин) вращают в 120 мл буферного раствора фермента глюкоамилазы рН 4,6 при температуре 20°С в течение 20 ч, при этом происходит адсорбционная иммобилизация фермента на углеродном носителе. Активность приготовленного биокатализатора составляет 50 ЕА/г.
Емкость заполняют 500 мл раствора 5%-ного кукурузного декстрина рН 4,6 и термостатируют при 50°С. Корпус вихревого реактора с биокатализатором погружают в емкость с раствором субстрата ферментативной реакции и вращают его с частотой 300-900 об/мин, при этом достигается максимальная скорость гидролиза декстрина, и его полная конверсия до глюкозного сиропа происходит за 2 часа.
Сравнение производительности процесса ферментативного гидролиза декстрина, проводимого в вихревом реакторе и в реакторе с неподвижным слоем, показывает, что производительность этого процесса в вихревом реакторе 1,5-2 раза выше.
Пример 2.
Гидролиз молочного белка - казеина в вихревом реакторе.
В корпус вихревого реактора загружают твердый биокатализатор, приготовленный путем иммобилизации щелочной протеазы на углеродсодержащем θ-оксиде алюминия (Пат. US 1314672, 1.02.1987). Активность приготовленного биокатализатора составляет 30 УЕА/г.
Емкость заполняют 500 мл раствора 2%-ного казеина рН=9,7 и термостатируют при 37°С. Корпус вихревого реактора с биокатализатором погружают в емкость с раствором субстрата ферментативной реакции и вращают с
частотой 200-600 об/мин, при этом достигается максимальная скорость гидролиза казеина, и его конверсия, равная 96%, происходит за 1 ч. При частоте более 600 об/мин наблюдается интенсивное ценообразование в белковых растворах, поэтому частота вращения корпуса реактора не должна превышать этой величины.
Пример 3.
Окисление этанола в вихревом реакторе.
В корпус вихревого реактора загружается твердый биокатализатор, приготовленный путем иммобилизации дрожжевой алкогольдегидрогеназы на θ-оксиде алюминия (Пат. US 1057535, 30.11.1983). Активность приготовленного биокатализатора составляет 30 ЕА/г.
+
Емкость заполняют 500 мл раствора 3%-ного этилового спирта при рН 8,0, содержащего 1 мМ ко-фермент NAD, и термостатируют при 25°С. Корпус вихревого реактора с биокатализатором погружают в емкость с раствором субстрата и ко-фермента ферментативной реакции и вращают его с частотой 600 об/мин, при этом достигается максимальная скорость окисления этилового спирта, и его полная конверсия до ацетальдегида происходит за 5 мин.
Пример 4. Гидродехлорирование хлорбензола в вихревом реакторе
В корпус вихревого реактора загружают твердый катализатор, состоящий из активного компонента состава 90 мас.% металлического палладия и 10 мас.% металлической платины, нанесенного в количестве 1 мас.% на углеродный носитель с диаметром гранул 2 мм. Количество металлов на катализаторе составляет 0,00026 моль, масса катализатора 2,9 г.
Емкость заполняют 350 мл раствора исходного реагента - хлорбензола (0,26 моль) в растворителе следующего состава толуол:изопропиловый спирт =2:1, и термостатируют при 40°С. В реакционную среду подают газообразный водород. Корпус вихревого реактора с катализатором погружают в емкость с раствором исходного реагента химической реакциии вращают его с частотой 200 об/мин. Конверсия хлорбензола составляет 48% за 40 мин.
Как видно из приведенных примеров, вихревой реактор позволяет с высокой скоростью и производительностью осуществлять различные многофазные химические и биокаталитические процессы с участием жидких и газообразных исходных реагентов или субстратов ферментативной реакции, а также твердых катализаторов или биокатализаторов, поскольку создаются условия для существенной интенсификации массопереноса и увеличения скорости реакции.