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德國(guó)CINC連續(xù)離心萃取器給兩相（生物）催化反應(yīng)帶來(lái)的巨大機(jī)遇
荷蘭格羅寧根大學(xué)案例】德國(guó)CINC連續(xù)離心萃取器給兩相（生物）催化反應(yīng)帶來(lái)的巨大機(jī)遇
間歇生產(chǎn)是精細(xì)化學(xué)品制造的嶄新技術(shù)，因?yàn)槭褂玫姆磻?yīng)器針對(duì)不同的工藝表現(xiàn)出了多用性。然而，使用間歇反應(yīng)器有一些巨大的缺陷：對(duì)于大批量生產(chǎn)，必須進(jìn)行多次間歇運(yùn)行，這常常導(dǎo)致不同批次間產(chǎn)品的質(zhì)量和性能不穩(wěn)定。此外，生產(chǎn)率往往低于的連續(xù)反應(yīng)器，而且因?yàn)槠鋭趧?dòng)密集型的特點(diǎn)，導(dǎo)致維修成本非常高。然而，連續(xù)工藝對(duì)此則表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)。此外，在小流量反應(yīng)器中的連續(xù)生產(chǎn)對(duì)于使用或生產(chǎn)高毒性和/或爆炸性物質(zhì)的反應(yīng)非常有利。
基于這一分析，許多科研小組已經(jīng)開(kāi)始研究過(guò)程強(qiáng)化的概念，其目的是發(fā)展小型反應(yīng)器或?qū)⒎磻?yīng)器與分離相結(jié)合。這一領(lǐng)域突出的研究無(wú)疑是微反應(yīng)器的使用。Poechlauer和他的同事們近報(bào)道了使用微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器進(jìn)行噸級(jí)的Ritter反應(yīng)。和田和吉田報(bào)道了微反應(yīng)器中格里納德交換反應(yīng)的中試規(guī)模生產(chǎn)。還有學(xué)者研究了酶作為催化劑在微反應(yīng)器中的應(yīng)用。Ley和Baxendale發(fā)表了一系列論文，描述了微反應(yīng)器中的串聯(lián)反應(yīng)，其中試劑以固定的形式存在。
連續(xù)流反應(yīng)器中的串聯(lián)催化原理是一個(gè)非常有趣的問(wèn)題。為了整體，每一級(jí)反應(yīng)器中都要達(dá)到高轉(zhuǎn)化率。然而，并沒(méi)有多少反應(yīng)其速度快到可以用在微反應(yīng)器中，因?yàn)槲⒎磻?yīng)器的停留時(shí)間通常只有幾秒。此外，這些概念中的反應(yīng)器并不總是容易放大到噸級(jí)。
荷蘭格羅寧根大學(xué)的Gerard N. Kraai等學(xué)者使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)規(guī)模的德國(guó)CINC連續(xù)離心萃取器系統(tǒng)研究了化學(xué)和生物催化反應(yīng)，取得了重要的成果，并于2008年發(fā)表在《Angewandte Chemie》雜質(zhì)上（Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3905 –3908）。
該裝置是一種接觸式連續(xù)離心萃取器（CCS），只有實(shí)驗(yàn)臺(tái)規(guī)模大小，用于油水分離（如清理溢油）、連續(xù)萃取發(fā)酵產(chǎn)物（如青霉素和苯丙氨酸）以及在原子廢物工業(yè)中用于提取和凈化放射性廢物。圖1展示了CCS的結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)離心機(jī)。在轉(zhuǎn)子外部與外殼體內(nèi)部的小環(huán)形混合區(qū)引入了不互溶的液液兩相。在這里，兩相之間發(fā)生了非常且快速的混合，非常有利于兩相催化反應(yīng)。而后分散相被吸進(jìn)離心機(jī)，在那里兩相逐步但非常有效地分離，同時(shí)向上移動(dòng)，之后通過(guò)不同的出口離開(kāi)設(shè)備。
圖1
之前還沒(méi)有報(bào)道使用CCS作為化學(xué)反應(yīng)器。此離心機(jī)可以用于在間歇模式下連續(xù)地從蔗糖的酶轉(zhuǎn)化過(guò)程中分離出聚合產(chǎn)物（右旋糖酐）。在液液兩相（催化）反應(yīng)中使用CCS具有潛在的吸引力。在這種情況中，環(huán)形區(qū)域作為反應(yīng)器，離心機(jī)作為液液分離器。de Bellefon和Claus等學(xué)者報(bào)道了流動(dòng)裝置中的兩相催化，但沒(méi)有完整的相分離。Ryu和他的同事報(bào)道了一個(gè)微反應(yīng)器中的兩相Heck反應(yīng)，其中含有鈀催化劑的相是離子液體。在這種情況下，催化劑的分離和回收是*結(jié)合的。通過(guò)連接一系列這樣的設(shè)備，使用不同類型催化劑的串聯(lián)催化在原則上是可能的，如圖2所示。
圖2
作者測(cè)試了CCS對(duì)葵花油連續(xù)生產(chǎn)生物柴油的效率。該反應(yīng)是典型的液液催化反應(yīng)。在高溫（60℃）下，以葵花油和6倍摩爾過(guò)量的甲醇為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用堿性催化劑（NaOMe，1% w/w相對(duì)于葵花油）。CCS配備了加熱套，以確保等溫條件?？ㄓ捅活A(yù)熱到60℃，并以12.6 mL/min的流速泵入CCS的一個(gè)入口，然后以3.1 mL/min的流速將MeOH中的NaOMe溶液泵入另一個(gè)入口。約40分鐘后，體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，含有部分殘留葵花油的脂肪酸甲酯（FAME）以輕相形式析出，而重相為MeOH中的甘油溶液。調(diào)節(jié)不同的離心速度，在這些條件下FAME的收率高可達(dá)到96%（圖3）。
圖3
轉(zhuǎn)速為30 Hz時(shí)轉(zhuǎn)化率達(dá)到大值。以更高速度旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)在分離時(shí)所增加的功率會(huì)導(dǎo)致發(fā)生反應(yīng)的混合相體積減小（圖4）。當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，混合過(guò)程的效率降低，導(dǎo)致分散相液滴的平均尺寸增大，從而降低了傳質(zhì)速率和轉(zhuǎn)化率。
圖4
利用所確定的工藝條件，以61 kg/m3? min的產(chǎn)率生產(chǎn)生物柴油，比典型間歇法42 kg/m3? min的產(chǎn)率更高。此外，目前的工藝效率更高，因?yàn)闆](méi)有單獨(dú)的分離步驟，可以省去不同批次之間的反應(yīng)器清洗步驟。
接下來(lái)，作者研究了用CCS進(jìn)行酶催化轉(zhuǎn)化的潛力。大多數(shù)酶在水環(huán)境中功能，因此是在CCS中測(cè)試的理想催化劑。由于酶很容易受到剪切力的破壞，因此采用低混合底板的CCS。該底板與離心機(jī)周?chē)谋Ｗo(hù)筒連接，從而避免了進(jìn)入的液體與旋轉(zhuǎn)離心機(jī)直接接觸。以油酸和1-丁醇為模型反應(yīng)，研究了Rhizomucor miehei脂肪酶催化油酸與1-丁醇的酯化反應(yīng)（Scheme 1）。
脂肪酶催化油酸和乙醇的反應(yīng)已經(jīng)為人所知，但作者發(fā)現(xiàn)用1-丁醇代替乙醇所得到的轉(zhuǎn)化率要高得多。另外，作者還介紹了用青霉菌coryophilum的粗提取物在膠束體系中將丁醇和油酸酯化的方法。在間歇模式下，盡管存在大量過(guò)剩的水，這個(gè)反應(yīng)仍然*轉(zhuǎn)化。據(jù)推測(cè)，該反應(yīng)是由反應(yīng)物的親脂性引起的。在第1組系列實(shí)驗(yàn)中，使用了一種有機(jī)相，組成為庚烷中油酸（0.6 mol/L）和1-丁醇（0.9 mol/L）的混合物。水相由在pH=5.6的磷酸鹽緩沖液中的R. miehei脂肪酶（1 g/L）溶液組成。作者首先研究了兩相流量和離心機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響（圖5）。在這些條件下，作者發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速為40 Hz，兩相流量均為6 mL/min時(shí)達(dá)到了高的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化率（70%）。轉(zhuǎn)化率顯示了與每相流量相關(guān)的一個(gè)明顯的大值。在較低的流速下，CCS中以混合相為代價(jià)進(jìn)行了更有效的相分離，其效果可與高轉(zhuǎn)速相媲美。在較高的流速下，CCS中的停留時(shí)間過(guò)短，也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率降低。在這種特殊情況下，每相的流速為6mL/min。與生物柴油的情況相似，離心機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)油酸的轉(zhuǎn)化率有著較大的影響，高點(diǎn)值為40 Hz。
圖5
使用上述確定的很佳條件，在較高的酶負(fù)荷下（3.0而非1.0 g/L）進(jìn)行脂肪酶催化酯化反應(yīng)（圖6）。大約2小時(shí)后，轉(zhuǎn)化率變得相當(dāng)穩(wěn)定并在78~87%之間波動(dòng)，平均82%，重復(fù)性良好。
圖6
在之前的實(shí)驗(yàn)中，酶溶液均為單次使用。為了提高酶的循環(huán)次數(shù)，作者進(jìn)行了酶溶液連續(xù)循環(huán)和有機(jī)相部分循環(huán)的實(shí)驗(yàn)。有機(jī)相回收率為90%，油酸轉(zhuǎn)化為油酸丁酯的轉(zhuǎn)化率接近80%（圖7），反應(yīng)器在此模式下運(yùn)行了13h，每克酶可產(chǎn)生486 g油酸丁酯。雖然隨著時(shí)間的推移轉(zhuǎn)化率會(huì)有所下降，但考慮到離心機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，可以認(rèn)為酶在這段時(shí)間內(nèi)保持了顯著的穩(wěn)定性。酶的穩(wěn)定性仍然是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。圖7中觀察到的催化劑失活可能有許多不同的原因：有可能的假設(shè)是，作為酶抑制劑的有機(jī)組分在水相中積累。這一假設(shè)目前正在求證中。
圖7
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
1. 在實(shí)驗(yàn)臺(tái)規(guī)模大小的德國(guó)CINC連續(xù)離心萃取器中進(jìn)行連續(xù)的化學(xué)和生物催化轉(zhuǎn)化是可能的，也是非常有利的；
2. 即使在目前可以放在通風(fēng)柜里的低成本設(shè)備中，也有可能在幾天內(nèi)生產(chǎn)100 kg的化學(xué)品；
3. CINC連續(xù)離心萃取器為已經(jīng)成熟商業(yè)化的連續(xù)反應(yīng)分離器，具備很好的規(guī)范性和通用性。隨著CCS大規(guī)模投入市場(chǎng)，利用兩相催化連續(xù)生產(chǎn)噸級(jí)精細(xì)化工產(chǎn)品的前景將變得十分廣闊。
參考文獻(xiàn)：
doi: 10.1002/anie.200705426
Zwol F V , Scuur B , Kraai G N . Two-phase (bio)catalytic reactions in a table-top centrifugal contact separator[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2010, 47(21):3905-3908.
公司簡(jiǎn)介：
深圳市一正科技有限公司，作為荷蘭Chemtrix公司（微通道反應(yīng)器）、英國(guó)AM公司（連續(xù)多級(jí)攪拌反應(yīng)器、催化加氫系統(tǒng)、連續(xù)結(jié)晶器）、德國(guó)CINC（連續(xù)離心萃取器）在中國(guó)區(qū)的代理商和技術(shù)服務(wù)商，為廣大高校和企業(yè)提供連續(xù)合成、在線萃取、連續(xù)結(jié)晶、在線過(guò)濾干燥、在線分析等整套連續(xù)工藝解決方案。
公司與復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)、華東理工大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等高校研究機(jī)構(gòu)合作成立微通道連續(xù)流化學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，致力于推動(dòng)連續(xù)流工藝在有機(jī)合成、精細(xì)化工、制藥行業(yè)、能源材料、食品飲料等領(lǐng)域的應(yīng)用，合作實(shí)驗(yàn)室可以為客戶的傳統(tǒng)間歇釜式工藝在連續(xù)流工藝上的轉(zhuǎn)變提供工藝驗(yàn)證、連續(xù)流工藝開(kāi)發(fā)工作，促進(jìn)制藥及精細(xì)化工企業(yè)由傳統(tǒng)間歇工藝向綠色、安全、快速、經(jīng)濟(jì)的連續(xù)工藝轉(zhuǎn)變。
公司與荷蘭Chemtrix B.V.在浙江臺(tái)州、江蘇南京合作組建了連續(xù)流微通道工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)中心（以下簡(jiǎn)稱“工業(yè)化技術(shù)中心”），旨在打造集連續(xù)流微通道工藝開(kāi)發(fā)、中試試驗(yàn)、工業(yè)化驗(yàn)證、技術(shù)交流于一體的綜合性連續(xù)流微通道應(yīng)用技術(shù)服務(wù)中心，以為廣大生物醫(yī)藥企業(yè)、化工類企業(yè)提供專業(yè)、完善的智能化連續(xù)流工藝整套系統(tǒng)解決方案及技術(shù)服務(wù)方案。