本发明涉及葡萄糖酸钠生产领域，具体而言，涉及一种葡萄糖酸钠的连续生产方法及装置。
背景技术：
葡萄糖酸钠，在工业上用途十分广泛，可应用于食品、医药、化工、水处理等行业，在混凝土行业用作高效缓凝剂、高效减水剂等。
目前，葡萄糖酸钠的生产方法主要有微生物发酵法、电解法和催化氧化法、双酶法等方法。由于微生物法的条件温和，易于操作而被广泛采用。葡萄糖酸及其盐(如葡萄糖酸钠、葡萄糖酸钙等)发酵生产时主要采用霉菌发酵进行，其过程是在发酵罐加入大量培养基后，接入种子液进行发酵。随着优良菌种的选育已经可以耐受较高的底物浓度，但是由于大量培养基的加入以及副产物给后期的提取带来很大麻烦，直接影响到产品的质量和产品收率。微生物法因为每批发酵都要维持一定的菌体浓度，并且是每进行一批发酵都要培养一批菌种，菌体培养和发酵过程中消耗葡萄糖，使发酵收率降低。
采用双酶法生产葡萄糖酸钠的优点是转化效率高，生产时间短，产品纯度高，工艺简单。然而目前，双酶法生产葡萄糖酸钠的缺点是在生产过程中酶活会降低，当降低到一定程度后反应就会停止，所以酶添加量大、成本高昂(诺维信公司生产酶添加量为葡萄糖氧化酶3.5kg/T干物、过氧化氢酶3.5kg/T干物)。此外，现在双酶法都是单批生产(单批双酶法)，即反应完一批后要排出反应液，灭酶后重新添加原料和双酶进行反应，这也会增大酶的消耗量。
技术实现要素：
本发明的第一目的在于提供一种葡萄糖酸钠的连续生产方法，这种生产方法可以使产生葡萄糖酸钠的酶促反应连续进行，提高生产效率、节省葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的添加量、降低生产成本。
本发明的第二目的在于提供一种葡萄糖酸钠的连续生产装置，通过该装置，能够实现葡萄糖酸钠的连续生产，提高生产效率。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种葡萄糖酸钠的连续生产方法，其包括：将葡萄糖、葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶通入反应罐中进行酶促反应，并用流加氢氧化钠溶液的方式将反应罐内的反应液的pH值控制在5.0～5.5之间，在酶促反应过程中，在反应罐中流加葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和葡萄糖。
一种葡萄糖酸钠的连续生产装置，其包括：反应罐和至少两个缓冲罐，反应罐的出口与缓冲罐连通，反应罐具有用于接入葡萄糖、葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶、及氢氧化钠溶液的进料口。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明实施例提供的这种葡萄糖酸钠的连续生产方法，通过在酶促反应过程中，以流加氢氧化钠溶液的方式，控制反应液的pH始终维持在适宜的程度，同时，在酶促反应进行了一段时间后，当反应罐中葡萄糖氧化酶和/或过氧化氢酶的活性降低到一定程度后，以流加的方式持续补充葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和葡萄糖，提高反应液中的酶活和反应物的浓度，进而提高反应效率。这种生产方法可以使产生葡萄糖酸钠的酶促反应连续进行，提高生产效率、节省葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的添加量、降低生产成本。通过本发明实施例提供这种葡萄糖酸钠的连续生产装置，能够实现葡萄糖酸钠的连续生产，提高生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为实施例1中所示的葡萄糖酸钠的连续生产装置的结构示意图。
图标：100-连续生产装置；110-反应罐；111-排液口；112-第一进料口；120-第一缓冲罐；130-第二缓冲罐；121-第二进料口；140-储料罐；141-第三进料口。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本实施方式提供一种葡萄糖酸钠的连续生产方法，本方法采用双酶法来生产葡萄糖酸钠，其具体的反应过程为：
a.葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下，葡萄糖与氧气和水反应，生成葡萄糖酸和过氧化氢；
b.葡萄糖酸和氢氧化钠反应生成葡萄糖酸钠；
c.过氧化氢在过氧化氢酶的作用下分解成氧气和水。
由此可见，在该反应过程中，葡萄糖氧化酶的作用主要是将葡萄糖转化为葡萄糖酸，这是反应的控速步骤，葡萄糖氧化酶的活性直接影响葡萄糖酸钠的合成效率；而过氧化氢酶的作用主要是分解反应中产生的过氧化氢，避免过氧化氢浓度过大影响葡萄糖氧化酶的活性，同时也为葡萄糖氧化酶参与的酶促反应提供氧气。
这两种酶在生产葡萄糖酸钠的过程中，酶活都会逐渐降低，当其酶活降低到一定程度后，上述酶促反应就会停止，葡萄糖酸钠的合成反应终止。此时，很可能还有一大部分的底物，即葡萄糖，还没参与反应，酶的利用率不高。如果要使反应继续进行，就得再加入大量的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶。而这两种酶都是及其昂贵的，需要使用其它方法来生产。
为了解决该问题，本实施方式提供一种葡萄糖酸钠的连续生产方法，其包括：
(1)将葡萄糖、葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶通入反应罐中进行酶促反应，并用流加氢氧化钠溶液的方式将反应液的pH值控制在5.0～5.5之间。
较为优选的，反应罐中葡萄糖的浓度为，优选的350g/L；葡萄糖氧化酶的酶活为750-950万U/mL，优选的873.6万U/mL，添加量为每1吨纯的葡萄糖添加0.9～1.1kg的葡萄糖氧化酶，优选为1.0kg；过氧化氢酶的酶活为36-38万U/mL，优选的37.5万U/mL，添加量为每1吨纯的葡萄糖添加0.9～1.1kg的葡萄糖氧化酶，优选为1.0kg。
加入氢氧化钠溶液的目的是使氢氧化钠中和反应生成的葡萄糖酸，形成葡萄糖酸钠，同时也将反应液的pH值控制在5.0～5.5之间，优选为pH值为5.3，以使保持葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的活性。由于葡萄糖酸是在反应过程中陆续生成的，采用流加氢氧化钠溶液的方式可保持反应液的pH值相对稳定。
在本申请中，“流加”是指在反应过程中，将料液(如，氢氧化钠溶液)以一定的流速连续不断的添加到反应罐中；同时连续不断的将反应罐中的反应液排出，进入下一道工序。采用这种方式可保持反应罐中的反应液的体积相对恒定，有利于控制反应的各项参数，比如pH、压力、溶氧量等。在本实施方式中，加入氢氧化钠溶液的流速可随反应进行的程度来调节，氢氧化钠溶液的浓度也可根据实际情况具体设置，优选的，氢氧化钠溶液的浓度为33wt％。此外，为了使酶促反应高效的进行，反应罐内的溶氧量须控制在25～50％，较为优选的，溶氧量为35％。
为了使酶促反应高效的进行，在本发明较佳的实施例中，在反应过程中，通过控制转速、风量以及罐压，使得维持罐内的溶氧维持在25-50％，优选的，溶氧浓度为30～40％。
为了避免反应中产生大量的气泡，使得反应罐内压力增大，在本发明较佳的实施例中，在进行酶促反应之前，在反应罐中加入消泡剂。优选的，消泡剂为表面活性剂，更为优选的为硅油。
(2)在酶促反应过程中，在反应罐中流加葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和葡萄糖。
由于在酶促反应过程中，葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的活性会逐渐降低、葡萄糖的含量也会逐渐降低，酶促反应速率减慢。为了提高葡萄糖的利用率以及反应速率，在反应罐中流加葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶，使反应罐中的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的酶活始终保持在一个相对稳定的范围内；流加葡萄糖，提高反应物的浓度，进而使酶促反应平衡向合成葡萄糖酸的方向移动，提高生产效率。
较为优选的，当葡萄糖氧化酶的活性下降至2500～3500U/mL时，再开始流加葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶。更为优选的，当葡萄糖氧化酶的活性下降至3000U/mL时，再开始流加葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶。流加葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的质量比为1：0.5～1.5，优选为1：1。
进一步的，当反应罐中的葡萄糖的浓度低于100g/L时，说明反应罐中的葡萄糖大部分已经转化成葡萄糖酸钠了，为了提高反应效率，在本发明较佳的实施例中，采用流加的方式在反应罐中持续加入葡萄糖，并同时将反应罐中的反应液排出至缓冲罐中，以保持反应罐中的反应液体积相对恒定，同时也使反应液中的葡萄糖含量增大，提高反应效率。优选的，在反应罐中流加葡萄糖，并同时将反应罐中的反应液排出至缓冲罐中，使反应罐中的葡萄糖含量维持在90～150g/L。
排入至缓冲罐中的反应液中含有未反应的葡萄糖和以及葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶，依然在进行葡萄糖酸的合成反应。为了让缓冲罐中的葡萄糖转化成葡萄糖酸，在本发明较佳的实施例中，在缓冲罐中流加氢氧化钠溶液，将缓冲罐中的反应液的pH值控制在5.0～5.5之间。加入氢氧化钠溶液的流速可随缓冲罐内反应进行的程度来调节，氢氧化钠溶液的浓度也可根据实际情况具体设置，优选的，氢氧化钠溶液的浓度为33wt％。此外，为了使酶促反应高效的进行，缓冲罐内的溶氧量须控制在25～50％，较为优选的，溶氧量为35％。
这种葡萄糖酸钠的生产工艺是连续进行的，反应罐内持续的流加葡萄糖、葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶，同时持续的将反应罐内的反应液排出至缓冲罐中。因此，为了使缓冲罐内的反应液反应充分完全，缓冲罐至少设置两个，交替使用，例如，待其中一个缓冲罐内的反应液体积达到一定程度时，让反应罐中的反应液排出至另外一个缓冲罐，以此轮换，以保证缓冲罐内反应液的浓度以及反应完全程度。当缓冲罐中的葡萄糖含量低于5g/L，说明生成葡萄糖酸的酶促反应进行的相对完全，此时将缓冲罐的反应液排至储料罐中，再经过后续的纯化步骤，得到高纯度的葡萄糖酸钠。
后续的纯化步骤包括：将储料罐中的反应液于75～85℃下加热25～35分钟进行灭酶，随后将获得的葡萄糖酸钠进行脱色、过滤、结晶、分离、干燥，即可获得高质量的葡萄糖酸钠成品。
这种葡萄糖酸钠的连续生产方法，通过在酶促反应过程中，以流加氢氧化钠溶液的方式，控制反应液的pH始终维持在适宜的程度，同时，在酶促反应进行了一段时间后，当反应罐中葡萄糖氧化酶和/或过氧化氢酶的活性降低到一定程度后，以流加的方式持续补充葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和葡萄糖，提高反应液中的酶活和反应物的浓度，进而提高反应效率。这种生产方法可以使产生葡萄糖酸钠的酶促反应连续进行，提高生产效率、节省葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的添加量、降低生产成本。
本实施方式还提供一种葡萄糖酸钠的连续生产装置，其包括：反应罐和至少两个缓冲罐，反应罐的出口与缓冲罐连通，反应罐具有用于接入葡萄糖、葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶、及氢氧化钠溶液的进料口。通过这种葡萄糖酸钠的连续生产装置，能够实现葡萄糖酸钠的连续生产，提高生产效率。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述：
实施例1
本实施例提供一种葡萄糖酸钠的连续生产装置100，如图1所示，其包括：反应罐110、第一缓冲罐120、第二缓冲罐130以及储料罐140，反应罐110的排液口111可选择的与第一缓冲罐120或第二缓冲罐130连接，反应罐110具有用于接入葡萄糖、葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶、及氢氧化钠溶液的第一进料口112(它们走不同进料口，如图上不同线表示不同进料管)，第一缓冲罐120和第二缓冲罐130均具有用于加入氢氧化钠溶液的第二进料口121；储料罐140具有用于排入第一缓冲罐120或第二缓冲罐130中的反应液的第三进料口141。
实施例2
本实施例提供一种葡萄糖酸钠的连续生产方法，其采用如实施例1所示的连续生产装置100，其包括：
a.在200m3的反应罐中加入130m3的葡萄糖(浓度为350g/L)、10kg的消泡剂、52.5kg的葡萄糖氧化酶(酶活为873.6万U/ml)、52.5kg的过氧化氢酶(酶活为37.5万U/ml)，开始反应，流加33wt％的氢氧化钠控制反应液的pH维持在5.3，罐压控制在0.14MPa，控制转速和风量维持罐内溶氧35％。
b.当反应罐内葡萄糖氧化酶的酶活下降到3000U/mL时，开始流加质量比为1：1的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶，控制流加速率维持反应罐内葡萄糖氧化酶的酶活为3050U/mL。
c.反应进行12.5小时后，即反应罐内的葡萄糖含量为95g/L，开始向反应罐内流加350g/L的葡萄糖，控制流加速率维持反应罐内葡萄糖的含量为110g/L，同时排出反应液至第一缓冲罐，维持反应罐中反应液体积为150m3。
d.向第一缓冲罐流加33wt％的氢氧化钠，控制第一缓冲罐中反应液的pH为5.3，罐压控制0.1MPa，控制转速和风量维持罐内溶氧35％。从反应罐向第一缓冲罐排出反应液5小时后，将反应罐中的反应液排出至第二号缓冲罐，并维持第二缓冲罐的反应条件(pH、溶氧量等)与第一缓冲罐相同。
e.当第一缓冲罐内葡萄糖含量低于5g/L时，排出反应液至储料罐。从反应罐向第二缓冲罐排出反应液5小时后，将反应罐中的反应液排出至第一号缓冲罐，以此类推，两个缓冲罐交替使用。
f.储料罐内料液纯化处理：将储料罐内的料液在80℃下加热处理30min灭酶，活性炭脱色，过滤后在115℃下浓缩至质量含量70％以上，冷却结晶；将结晶分离干燥后，得葡萄糖酸钠成品。
按上述步骤，连续反应800小时，得到葡萄糖酸钠成品，纯度为99.3％，收率为96.0％，葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的添加量均节约12％(单批双酶法中的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的原始添加量都为3.5kg/T干物)，生产每吨葡萄糖酸钠的能耗相比于单批双酶法下降了8％，葡萄糖酸钠的产量相比于单批双酶法提高65％。
实施例3
本实施例提供一种葡萄糖酸钠的连续生产方法，其采用如实施例1所示的连续生产装置100，该方法包括：
a.在200m3的反应罐中加入130m3的葡萄糖(浓度为300g/L)、10kg的消泡剂、50kg的葡萄糖氧化酶(酶活为950万U/ml)、50kg的过氧化氢酶(酶活为38万U/ml)，开始反应，流加33wt％的氢氧化钠控制反应液的PH维持在5.5，罐压控制在0.14MPa，控制转速和风量维持罐内溶氧25％。
b.当反应罐内葡萄糖氧化酶的酶活下降到2500U/mL时，开始流加质量比为1：0.5的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶，控制流加速率维持反应罐内葡萄糖氧化酶的酶活为3000U/mL。
c.反应进行12小时后，即反应罐内的葡萄糖含量为100g/L，开始向反应罐内流加350g/L的葡萄糖，控制流加速率维持反应罐内葡萄糖的含量为150g/L，同时排出反应液至第一缓冲罐，维持反应罐中反应液体积为140m3。
d.向第一缓冲罐流加33wt％的氢氧化钠，控制第一缓冲罐中反应液的pH为5.5，罐压控制0.1MPa，控制转速和风量维持罐内溶氧25％。从反应罐向第一缓冲罐排出反应液5小时后，将反应罐中的反应液排出至第二号缓冲罐，并维持第二缓冲罐的反应条件(pH、溶氧量等)与第一缓冲罐相同。
e.当第一缓冲罐内葡萄糖含量低于5g/L时，排出反应液至储料罐。从反应罐向第二缓冲罐排出反应液5小时后，将反应罐中的反应液排出至第一号缓冲罐，以此类推，两个缓冲罐交替使用。
f.储料罐内料液纯化处理：将储料罐内的料液在80℃下加热处理30min灭酶，活性炭脱色，过滤后在110℃下浓缩至质量含量70％以上，冷却结晶；将结晶分离干燥后，得葡萄糖酸钠成品。
按上述步骤，连续反应600小时，得到葡萄糖酸钠成品，纯度为99.5％，收率为96.9％，葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的添加量均节约14％(单批双酶法中的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的原始添加量都为3.5kg/T干物)，生产每吨葡萄糖酸钠的能耗相比于单批双酶法下降了15％，葡萄糖酸钠的产量相比于单批双酶法提高85％。
实施例4
本实施例提供一种葡萄糖酸钠的连续生产方法，其采用如实施例1所示的连续生产装置100，该方法包括：
a.在200m3的反应罐中加入130m3的葡萄糖(浓度为400g/L)、10kg的消泡剂、53kg的葡萄糖氧化酶(酶活为750万U/ml)、54kg的过氧化氢酶(酶活为36万U/ml)，开始反应，流加33wt％的氢氧化钠控制反应液的PH维持在5.0，罐压控制在0.14MPa，控制转速和风量维持罐内溶氧50％。
b.当反应罐内葡萄糖氧化酶的酶活下降到3500U/mL时，开始流加质量比为1：1.5的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶，控制流加速率维持反应罐内葡萄糖氧化酶的酶活为3100U/mL。
c.反应进行12.5小时后，即反应罐内的葡萄糖含量为90g/L，开始向反应罐内流加350g/L的葡萄糖，控制流加速率维持反应罐内葡萄糖的含量为90g/L，同时排出反应液至第一缓冲罐，维持反应罐中反应液体积为160m3。
d.向第一缓冲罐流加33wt％的氢氧化钠，控制第一缓冲罐中反应液的pH为5.0，罐压控制0.1MPa，控制转速和风量维持罐内溶氧50％。从反应罐向第一缓冲罐排出反应液5小时后，将反应罐中的反应液排出至第二号缓冲罐，并维持第二缓冲罐的反应条件(pH、溶氧量等)与第一缓冲罐相同。
e.当第一缓冲罐内葡萄糖含量低于5g/L时，排出反应液至储料罐。从反应罐向第二缓冲罐排出反应液5小时后，将反应罐中的反应液排出至第一号缓冲罐，以此类推，两个缓冲罐交替使用。
f.储料罐内料液纯化处理：将储料罐内的料液在80℃下加热处理30min灭酶，活性炭脱色，过滤后在105℃下浓缩至质量含量70％以上，冷却结晶；将结晶分离干燥后，得葡萄糖酸钠成品。
按上述步骤，连续反应800小时，得到葡萄糖酸钠成品，纯度为99.7％，收率为96.5％，葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的添加量均节约16％(单批双酶法中的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的原始添加量都为3.5kg/T干物)，生产每吨葡萄糖酸钠的能耗相比于单批双酶法下降了17％，葡萄糖酸钠的产量相比于单批双酶法提高89％。
综上所述，本发明实施例提供的这种葡萄糖酸钠的连续生产方法，通过在酶促反应过程中，以流加氢氧化钠溶液的方式，控制反应液的pH始终维持在适宜的程度，同时，在酶促反应进行了一段时间后，当反应罐中葡萄糖氧化酶和/或过氧化氢酶的活性降低到一定程度后，以流加的方式持续补充葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和葡萄糖，提高反应液中的酶活和反应物的浓度，进而提高反应效率。这种生产方法可以使产生葡萄糖酸钠的酶促反应连续进行，提高生产效率、节省葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的添加量、降低生产成本。通过本发明实施例提供这种葡萄糖酸钠的连续生产装置，能够实现葡萄糖酸钠的连续生产，提高生产效率。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。