摘 要

微反应器的传热能力和传质能力高，在微反应器中物料可以被瞬间均匀混合并且能够高效传热，许多很难在常规条件下进行的反应都可以在微反应器中发生^[1]。因此微反应器被广泛应用在化学、化工、生物等诸多领域的研究和生产过程中，并且表现出很好的优势，酶促反应就是其中的一类^[1]。这类反应在酶和微反应器的作用下，反应效果好，能够实现安全高产。但很少有人研究微反应器中酶促反应的动力学参数。所以为了探究动力学参数的变化，我们使用B型脂肪酶催化剂对硬脂酸酯进行两相催化水解反应，在微通道和常规条件下比较其水解的动力学参数K_m、V_max，最后通过计算发现在常规和微反中的动力学参数K_m很相似，而V_max的值微反要高于常规。当V_max提高，反应到达平衡的时间就会降低。所以微反应器能够在不改变酶的K_m参数的情况下缩短反应时间，降低反应物消耗。

关键词：微反应器 水解反应 动力学参数 脂肪酶435 两相反应

Hydrolysis Kinetics of Stearate in Microchannels

Abstract

The microreactor has the excellent capability of heat transfer and mass transfer , enabling instantaneous and uniform mixing the materials of reaction and efficient heat transfer. Many of the reactions that can not be achieved on bench scale can be achieved in microreactors. So micro-reactor has been widely used in chemistry, chemical, biological, materials and many other areas on research and production process, and has shown a good development of prospect.The enzymatic reaction is one of them. The effect of reaction can be very good in the help of enzyme and microreactor,safety and high yield. Even so,few people studied the nature of enzymatic reactions in microreversion. Therefore,in order to explore the change of kinetic parameters, we use the B-type lipase catalyst to catalyze the hydrolysis of the stearate. And we compare the hydrolysis of kinetic parameters K_m,V_max between the micro-channel and conventional conditions. we found that the kinetic parameters K_m between the bench scale and micro-inverse are very similar by detecting,the value of V_max is slightly higher than that of conventional. When V_max is increased,the time to reach the equilibrium will be reduced. The microreactor is able to shorten the reaction time and reduce the reactant consumption without changing the K_m parameter of the enzyme .

Key words: microreactor; hydrolysis; kinetic parameter; lipase; Two-phase reaction

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 微反应器研究 1

1.2.1 微反应器定义 1

1.2.2 微反应器优点 2

1.2.3 微反应器的选择性 2

1.2.4 Labtrix® Start——微通道反应器 3

1.3 酶微反应器 5

第二章 实验部分 7

2.1 模板反应 7

2.2 在常规中进行反应 8

2.2.1 常规中的酶反应动力学方程 8

2.2.2试剂和仪器 9

2.2.3 实验步骤 10

2.2.4 实验结果与讨论 10

2.2.5 小结 12

2.3 在微反中进行反应 12

2.3.1 微反中的动力学方程 12

2.3.2 实验步骤 13

2.3.3 实验结果与讨论 13

2.3.4 小结 14

第三章 结论和展望 15

3.1 结论 15

3.2 展望 15

参考文献: 16

致谢 18

第一章 绪论

1.1 前言

微反应器的传热能力和传质能力很高，在微反应器中物料可以被瞬间均匀混合并且能够高效的传热，许多不能在常规条件下进行的反应都可以在微反应器中发生^[1]。因此在化学、化工、生物等诸多领域的研究和生产过程中，微反应器已经被广泛使用并且表现出了很好的优势^[1]。对于许多非均相反应，其都需要反应设备能够很好的将物料混合均匀并且能够将反应过程产生的热量传递出去。传统的小型反应器内一般通过加入转子促进体系的混合，对于大型反应器则依赖搅拌桨来实现均匀混合。对于反应体系的换热则依靠夹套和盘管内的冷凝水实现，尽管如此但还是存在底物浓度和反应温度分布不均的情况，使得反应效果不好^[2]，对于那种快速强放热反应甚至有可能出现爆炸现象。为了避免这些问题，我们往往采用缓慢滴加底物的方法来控制反应的温度以及反应的剧烈程度，但往往存在反应产率低，反应选择性差等缺点。对于那些受传递控制的反应过程，其强化的关键就在于提高反应过程的传质传热效率，这想在传统反应中实现更是难上加难^[3]。针对这些情况，微反应器便走进了科研人员的眼中。正因为它的种种优势，使得其在提高反应转化率、稳定反应和增强反应专一性上扮演着重要的角色，许多有机化合、催化反应都使用微反应器来实现高产，酶促反应也不例外。这类反应在酶和微反应器的作用下反应效果可以达到最佳，产率也可以达到最高。也正因为如此，人们对微反中酶动力学的研究也从来没有停止，但是大多数人都是采用固体酶^[4]进行研究，对于这类酶它在微反应器中是固定的，而液体酶是流动的可以随着反应液流动，考虑到这两者之间可能会有差异，所以本次实验我们采用Lipozyme435液体酶对硬脂酸丁酯进行两相水解反应。

1.2 微反应器研究

1.2.1 微反应器定义

“微反应器”顾名思义就是反应器尺寸很小，是微米级别的^[5]。但是往细了看是指反应器的通道小，这就决定了参与反应流体的通道是在微米级别，化学反应也是发生在微通道里，但这并不意味着产物的产量小，相反产率确是很高。最初，微反应器是指一类用于评价催化剂催化效率和研究反应动力学的小型管式反应器，尺寸大约为10毫米^[5]。而现在微加工技术的盛行，微结构的制造也不是那么遥不可及。所以微反应器被重新定义，它一般是指具微结构的反应设备，因此他的流体通道就都是微米量级的^[6]。所以微反应器与大反应器相比，在结构上具有完全不同的特征：狭窄规整的微通道、比较小的反应空间和非常大的比表面积^[7]。正是因为微反应器的通道尺寸即当量直径是微米级的，决定了其混合效果比较好，这是那些大反应器实现不了的^[8]。在微通道内由于微反应器是管状的，所以混合原理一般就是以下四点：1、层流剪切；2、延伸流动；3、分布混合；4、分子扩散^[8]。在微反应器中，由于流体通道比较窄，所以当混合流体通过注射泵一同被注入微通道时，就相当于液滴混合，这样分子与分子之间融合的阻力就很小，在很短的时间内底物内分子便能融合完成，从而使得底物混合均匀^[9]。

1.2.2 微反应器优点

微反应器从本质上讲就是一种管道式反应器，它的管道尺寸远远小于常规管式反应器^[10]。虽然尺寸小但是数量多，许多细管道通过串联或者并联在形成反应容器，因此微反应器的比表面积是常规的几十倍^[11]。也正因为如此他的换热效率和混合效率是非常好的。许多要求操作性高、底物纯度高、产率高等等的反应都使用微反应器进行操作。因为微反应器的管道比较细，直径在1μm到1mm之间，所以在其管道内的流体的直径就比较小，这种流体就被称为微流体^[12]。微流体相对于常规尺度的流体是具有一定的优势的，主要体现在流体力学规律的变化、传递过程的强化、固有的安全性以及良好的可控性等等方面^[1]。下面就是他的主要优点：

首先，微反应器具有很高的传热传质效果，因为流体之间的流动、底物和底物分子之间的碰撞等等与传质直接相联系，微米级流动和分散尺度能够有效地强化宏观混合和热交换过程, 促进微观传递过程的快速完成^[1]。

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