微反应器内细胞催化丙烯腈水合反应的应用基础研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21878169
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0805.过程强化与化工装备
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Polyacrylamide as flocculant and displacement agent of excellent performance is widely used in the petroleum industry, paper industry, metallurgical industry, sewage treatment and other fields. Acrylamide is mainly produced by bio-catalytic hydration of acrylonitrile in industry. The biocatalytic hydration system of acrylonitrile is a liquid-liquid-cell system. The progress of reaction is mainly influenced by such factors as the dispersion and mass transfer of the acrylonitrile droplets, the double inhibitory effect on cells and the lipophilic adsorption of cells. The project aims to use the micro-reactor to strengthen the mass transfer, heat transfer, process safety and controllable advantages to solve the problems, namely, low production efficiency, high energy consumption and low cell utilization, in the existing traditional process, and develop a new process for the preparation of acrylamide by hydration of acrylonitrile catalyzed by free cells (R. ruber TH3) in micro-reactor. The new process in the micro-reactor has been preliminarily verified feasible. In order to realize the industrial application of micro-chemical system in the bio-catalytic hydration of acrylonitrile, the key scientific issues that need to be addressed in this project are: (1) Using micro-channels to visually investigate the law of dispersion and mass transfer in the liquid - liquid - cell system; (2) Establishment of hydration reaction kinetics model for the liquid - liquid - cell system based on micro-reactor; (3) Application and optimization of membrane dispersion micro-reactor in free cell catalytic process.
聚丙烯酰胺(PAM)作为一种优良的絮凝剂、驱油剂广泛应用于石油工业、造纸工业、冶金工业及污水处理等领域,其单体丙烯酰胺在工业上主要由丙烯腈进行生物催化水合反应来制备。丙烯腈生物催化水合反应体系为液-液-细胞体系,反应进程主要受到丙烯腈液滴的分散传质、细胞受到的双抑制作用和细胞亲油吸附效应等因素的影响。本项目拟利用微反应器强化传质传热、过程安全可控的优势来解决现存工艺中存在的生产效率低、能耗高、细胞利用率低等问题,提出微反应器内游离细胞(R.ruber TH3型红球菌)催化丙烯腈水合反应制备丙烯酰胺的新工艺,并已初步证明可行性。为了实现微化工系统内丙烯腈生物水合反应的工业化应用,本项目拟解决的关键科学问题是:(1)利用微通道及在线显微观测技术研究液-液-细胞体系的分散传质规律;(2)基于微反应器建立液-液-细胞体系的水合反应动力学模型;(3)膜分散微反应器在细胞催化过程中的应用研究和优化。

结项摘要

该项目以发展丙烯腈生物催化反应新技术为目标,致力于通过微化工技术实现丙烯腈水合反应过程强化,开发了新型微结构设备实现丙烯腈微液滴群的高效生成,建立了微液滴群非稳态传质模型,测量了微尺度下含有抑制作用的反应动力学,揭示了反应体系中的耦合作用和调控机制,为实现丙烯酰胺的绿色高效制备提供了基础。该工作的创新性成果主要有:(1)开发了新型微喷嘴阵列膜结构,微喷嘴阵列膜可有效阻隔液滴在膜表面的铺展,膜通量在较低跨膜压差下达到10^5 L/(m2·h)量级,可在较宽操作范围内实现小尺寸(<40 μm)丙烯腈微液滴群的高效生成;(2)利用膜分散微反应器考察了两相流量和膜分散结构尺寸对丙烯腈微液滴群分散过程的影响,研究了体积传质系数随Re数、两相流量比和丙烯酰胺浓度的变化规律。针对丙烯腈微液滴群在微尺度受限空间内的传质过程,结合数值模拟方法,建立了包含边界限制作用和对流作用的微液滴群非稳态传质Sh数模型;(3)搭建了用于测量丙烯腈生物催化反应动力学的微化工系统,建立了包含产物抑制作用的反应动力学和失活动力学模型。通过数值模拟方法对传质和反应过程进行耦合计算,实现了对微化工系统内相间传质和反应进程的准确预测。发展了制备高浓度丙烯酰胺的微化工新工艺,通过优化操作条件,在600 U/mL的初始酶活条件下,丙烯酰胺浓度在30 min内达到40 wt%,生产效率为3.2×10^-5 g/(min·U),为工业化应用奠定了基础。

项目成果

期刊论文数量(35)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Correlation of adsorbent cavity structure with adsorption behavior and interaction of long-chain α-olefin/paraffin on microporous adsorbents
吸附剂空腔结构与微孔吸附剂上长链α-烯烃/石蜡的吸附行为和相互作用的相关性
  • DOI:
    10.1007/s12274-022-5231-4
  • 发表时间:
    2022-11
  • 期刊:
    Nano Research
  • 影响因子:
    9.9
  • 作者:
    Ruihan Yang;Fangyu Zhao;Shafqat Ullah;Xiao Chen;Junxiang Ma;Yuan Gao;Yujun Wang;Guangsheng Luo
  • 通讯作者:
    Guangsheng Luo
Direct imaging and mechanism study of C6 α-olefin adsorption on faujasite and Linde Type A zeolites
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  • DOI:
    10.1007/s12274-022-4108-x
  • 发表时间:
    2022-03
  • 期刊:
    Nano Research
  • 影响因子:
    9.9
  • 作者:
    Ruihan Yang;Xiao Chen;Junxiang Ma;Yuan Gao;Yujun Wang;Guangsheng Luo
  • 通讯作者:
    Guangsheng Luo
Scaling up microreactors for kilogram‐scale synthesis of piperacillin: Experiments and computational fluid dynamics simulations
扩大微反应器的公斤级合成哌拉西林:实验和计算流体动力学模拟
  • DOI:
    10.1002/aic.17231
  • 发表时间:
    2021-02
  • 期刊:
    Aiche Journal
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Yu Xie;Qiang Chen;Guoming Huang;Yujun Wang;Hu Weiguo;Zhengren Yan;Xin Wang;Juan Huang;Mingtang Gao;Weiyang Fei;Guangsheng Luo
  • 通讯作者:
    Guangsheng Luo
Orderly cascade of immobilized-enzyme catalysis and photocatalysis for continuous-microflow production of 2-phenylbenzothiazole
固定化酶催化和光催化的有序级联连续微流程生产2-苯基苯并噻唑
  • DOI:
    10.1039/d1gc01887f
  • 发表时间:
    2021-08-11
  • 期刊:
    GREEN CHEMISTRY
  • 影响因子:
    9.8
  • 作者:
    Chen, Qiang;Luo, Guang-Sheng;Wang, Yu-Jun
  • 通讯作者:
    Wang, Yu-Jun
Selective adsorption of liquid long-chain α-olefin/paraffin on Mg-MOF-74: Adsorption behavior and interaction mechanism
Mg-MOF-74 上液体长链α-烯烃/石蜡的选择性吸附:吸附行为和相互作用机制
  • DOI:
    10.1007/s12274-022-4796-2
  • 发表时间:
    2022-09
  • 期刊:
    Nano Research
  • 影响因子:
    9.9
  • 作者:
    Ruihan Yang;Shafqat Ullah;Xiao Chen;Junxiang Ma;Yuan Gao;Yujun Wang;Guangsheng Luo
  • 通讯作者:
    Guangsheng Luo

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其他文献

Preparation of ZnO nanoparticles using the direct precipitation method in a membrane dispersion micro-structured reactor
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • 发表时间:
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    --
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  • DOI:
    --
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    王玉军
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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    --
  • 作者:
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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其他文献

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王玉军的其他基金

光酶级联催化微反应系统内连续合成手性苯乙醇的应用基础研究
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常温醇环境中离子交换原位还原制备Pd-核壳型玻璃微珠催化剂
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相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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