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1. WO2016145669 - INDUCTION-TYPE MAGNETOELECTRIC BIOCHEMICAL REACTION SYSTEM AND USE THEREOF

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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130   0131   0132   0133   0134   0135   0136   0137   0138   0139   0140   0141   0142  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20  

附图

0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011  

说明书

发明名称 : 感应式磁电生化反应系统及其应用

技术领域

[0001]
本发明特别涉及一种多维度控制的感应式磁电生化反应系统及其应用,例如在如下领域的应用,包括:天然高分子原料的辅助酸、酶水解和改性;天然产物的辅助萃取,诱导影响生化反应。

背景技术

[0002]
生化反应器是一种能为化学和生物反应提供适宜反应条件,并且在某一操作参数下可将原料转化成特定产品的系统装备,应用于化工、生物等轻工业部门。目前的液相反应器包括釜式反应器、水热合成反应器、真空反应器、光催化反应器、微波化学反应器、电化学反应器等。上述这些反应器的可控操作条件包括温度、压力、真空度、搅拌速率、光源种类、光源功率、微波功率、电极形态、电极面积、电压强度等。然则,这些反应器的控制参数较为单一,无法有效的将磁场、电场、温度有机的结合以实现对反应体系的多维度控制。
[0003]
发明内容
[0004]
本发明的主要目的在于提供一种感应式磁电生化反应系统,其操作参数丰富。
[0005]
本发明的另一目的在于提供所述感应式磁电生化反应系统的应用。
[0006]
本发明的又一目的在于提供一种生化反应方法。
[0007]
为实现前述发明目的,本发明采用的技术方案包括:
[0008]
一种感应式磁电生化反应系统,包括:
[0009]
反应单元,包括:
[0010]
反应腔体,所述反应腔体包括反应物容器,且所述反应腔体被置于一可旋转的径向磁场内,
[0011]
初级线圈,绕制于一闭合铁芯一侧,并与一控制单元连接,
[0012]
次级线圈,绕制于所述闭合铁芯另一侧,所述次级线圈包括可供作为导体的反应溶液流通的绝缘管路,且所述绝缘管路的两端与所述反应物容器连通;
[0013]
旋转磁场单元,用于产生所述可旋转的径向磁场;
[0014]
以及,控制单元,至少用以调整施加在所述初级线圈上的激励电压及信号种类。
[0015]
在一实施方案之中,所述控制单元包括函数信号发生器,所述函数信号发生器输出端与功率放大器输入端相连,功率放大器输出端与所述初级线圈连接。
[0016]
在一实施方案之中,所述函数信号发生器能够发出频率范围在50~200Hz、电压幅宽范围为10~20Vp-p的交流信号,所述交流信号包括正弦波、三角波、锯齿波、单向方波、双向方波或自定义函数信号。
[0017]
在一实施方案之中,所述功率放大器的功率为80~200VA,输出交流电压幅宽范围为200~400Vp-p,全功率频宽为50~200Hz。
[0018]
在一实施方案之中,所述旋转磁场单元包括:
[0019]
呈环形固定设置、且异极相对放置的两块瓦型永磁体,其中任一瓦型永磁体的弧度均小于180°;
[0020]
以及,用以驱使该两块瓦型永磁体转动的驱动机构。
[0021]
优选的,所述瓦型永磁体的中心磁感应强度为2000~3000Gs。
[0022]
进一步的,所述瓦型永磁体包括钕铁硼磁钢,但不限于此。
[0023]
在一实施方案之中,所述瓦型永磁体的弧度为170°。
[0024]
进一步的,所述旋转磁场单元还包括可拆解的铁轭圆筒,所述两块瓦型永磁体呈环形固定在所述铁轭圆筒内壁上,且所述铁轭圆筒与驱动机构传动连接。
[0025]
在一实施方案之中,所述驱动机构包括由伺服电机控制器控制的伺服电机,所述伺服电机与所述铁轭圆筒连接。
[0026]
较为优选的,所述反应单元还包括:
[0027]
温控单元,用以将所述反应物容器内部的温度控制于-20~100℃。
[0028]
在一实施方案之中,所述温控单元包括恒温循环水浴,所述恒温循环水浴与所述反应腔体上的夹套层的进水口和出水口接通。
[0029]
在一实施方案之中,所述初级线圈为单股铜制线圈,且直径为6~8mm,匝数为20~26匝。
[0030]
在一实施方案之中,所述次级线圈包括玻璃弹簧支撑体,所述玻璃弹簧的内径为2~3mm,匝数为10~13,总长为700~900mm。
[0031]
在一实施方案之中,所述闭合铁芯优选采用但不限于硅钢材料,且工作频率范围为50~200Hz。
[0032]
在一实施方案之中,所述次级线圈采用玻璃弹簧作为反应溶液导体的支撑物并与所述反应物容器的两端相连接并形成联通状态,同时所述反应物容器上端设有主进料口,一侧设有与所述玻璃弹簧垂直相连通的次进料口,以及,所述反应腔体上还设有可供不同温度的循环液体流动的玻璃夹套。
[0033]
一种生化反应方法,其包括:
[0034]
提供前述的任一种感应式磁电生化反应系统;
[0035]
将反应溶液置入所述反应单元,并以所述控制单元向所述初级线圈施加频率为50~200Hz,电压幅宽范围为200~400Vp-p和功率为80~200VA的各类交流激励信号,以及,使所述可旋转的径向磁场以0.1~50Hz的频率旋转,且所述可旋转的径向磁场的中心磁感应强度为2000~3000Gs。
[0036]
优选的,所述生化反应方法还包括:在反应开始前或反应过程中,调整所述反应物容器的温度至反应所需温度。
[0037]
进一步的,所述生化反应方法还包括:采用函数信号发生器发出频率为50~200Hz、电压幅宽为10~20Vp-p的正弦波、三角波、锯齿波、单向方波、双向方波或自定义函数信号,然后使用功率为80~200VA、全功率频宽为50~200Hz的功率放大器将所述信号放大并使输出的交流信号电压幅宽为200~400Vp-p且以此激励所述初级线圈。
[0038]
前述感应式磁电生化反应系统或前述生化反应方法于天然高分子原料的辅助酸水解、酶水解和改性,天然产物辅助萃取,诱导影响生化反应的应用。
[0039]
与现有技术相比,本发明的优点包括:
[0040]
(1)本发明中的感应式磁电生化反应系统操作条件更为丰富,包括信号种类、信号电压幅值、信号频率、旋转磁场强度、旋转磁场频率和温度等;
[0041]
(2)利用电磁感应原理,通过产生感应电压而驱动反应溶液体系中的带电离子、带电化合物、带电粒子、带电蛋白质或酶类等,并形成不同的传导效果,再结合旋转磁场的作用,还可影响这些物质在反应体系中的扩散速率,并对生化反应进行有效的影响和诱导;
[0042]
(3)重要的是,因为反应溶液中的交变电场来源于感应电压,故无需采用通电的极板或电极,可避免溶液体系中的电化学反应的发生。

附图说明

[0043]
图1是本发明一实施例中一种感应式磁电生化反应系统的结构示意图;
[0044]
图2是本发明一实施例中一种反应腔体的剖视图;
[0045]
图3a-图3c是本发明一实施例中相对的两块瓦型钕铁硼磁钢的主视图、侧视图和立体图;
[0046]
图4是本发明一实施例中一种旋转磁场单元的分解结构示意图;
[0047]
图5是本发明一实施例中辅助制备羟丙基糯米淀粉所采用的单向方波的波形图;
[0048]
图6是本发明一实施例中辅助制备酶解改性玉米淀粉所采用的自定义波的波形图;
[0049]
图7是本发明一实施例中辅助酸解纤维素所采用的自定义波的波形图;
[0050]
图8是本发明一实施例中辅助提取苹果渣中果胶处理所采用的三角形波的波形图;
[0051]
图9是本发明一实施例中乙醇-乳酸酯化反应所采用的自定义波的波形图;
[0052]
附图标记说明:反应系统装置链100、信号发生器101、功率放大器102、恒温循环水浴103、初级线圈104、闭合铁芯105、反应单元200、次进料口201、反应腔体202、玻璃弹簧203、反应物容器204、主进料口205、玻璃夹套206、夹套进水口207、夹套出水口208、旋转磁场单元300、异极相对的2块170°钕铁硼磁瓦301、圆筒铁轭302、铁轭圆筒齿轮303、电机齿轮304、伺服电机305、伺服电机控制器306。

具体实施方式

[0053]
如前文所述,本发明的一个方面提供了一种感应式磁电生化反应系统,旨在提供一种新型的生化反应系统并且能够实现对反应体系加工参数的多维度控制,包括信号种类、信号强度、信号频率、旋转磁场强度、旋转磁场频率和温度等。
[0054]
在本发明的一实施方案之中,所述感应式磁电生化反应系统可以包括闭合铁芯、初级线圈、以玻璃弹簧作为次级线圈中反应溶液导体的支撑物、反应腔体、控制单元、旋转磁场单元等。
[0055]
而该反应系统的工作原理是基于变压器的感应方法:闭合铁芯的次级线圈受到不同波形、频率以及不同幅值的电压激励,在闭合铁芯中产生相应的交变磁通,并在以反应溶液作为次级线圈的导体中生产交变感应电压,其中反应物容器两端与次级线圈溶液连通。同时,反应腔体中的生化物质还受腔体外侧的旋转磁场影响,于是反应体系中的带电离子、带电粒子、带电有机化合物和带电的蛋白质、带电酶类即受交变感应电压和交变磁场共同影响,造成溶液反应体系传导效应增强,改变了带电离子、带电粒子、带电有机物、带电蛋白质和酶类的扩散速率,也诱导性的影响了生化反应速率。
[0056]
具体而言,就变压器的工作过程而言,若对单相变压器的初级线圈(N p)施加交变的激励电压U p,则会在铁芯中生产相应变化规律的磁通,其数值正比于线圈匝数,由式(1)可知:
[0057]
[数0001]


[0058]
式中:U p=激励电压,N p=初级线圈匝数,dφ=磁通量微分,dt=时间微分
[0059]
该电磁感应原理来源于安培环路定律,即在磁场区域中,对选定的磁场H的任意闭合线积分等于穿过闭合路径所界定面的传导电流的代数和,由式(2)和式(3)表征:
[0060]


[0061]
[数0002]


[0062]
式中:H=磁场强度,l=闭合磁路长度,i=闭合回路中的电流,N=线圈匝数
[0063]
铁芯磁路中的变化磁通,会在次级线圈(N s)中生产同样变化规律的感应电压E s
[0064]
[数0003]


[0065]
式中:E s=感应电压,N s=次级线圈匝数,dφ=磁通量微分,dt=时间微分
[0066]
由式(1)、(4)可得
[0067]
E p/E s=U p/U s=N p/N s (5)
[0068]
由式(5)可知,E,U分别为感应电压和终端电压,N为线圈匝数。在激励电压及初、次级线圈匝数比固定的情况下,感应电压为定值。
[0069]
在本发明的反应系统中,由于次级线圈中存在内部阻抗,次级电路中的感应电压E s由外部载荷和线圈阻抗两部分共同承担。若以电导性溶液为次级线圈导体,受交变磁通的影响,根据安培环路定律,同样可得到感应电压。
[0070]
而在含有生化溶液的反应体系中都含有一定量的带电离子、带电化合物、带电粒子以及表面带电的蛋白质和酶类,这些带电离子、带电化合物、带电粒子、带电蛋白质和酶类在电场下会受到电场力(F E)的影响而发生运动,电场力的数值等于它们所带净电荷量(q)与电场强度(E)的乘积,即F E=qE。运动的带电离子、带电化合物、带电粒子、带电蛋白质和酶类会受垂直磁场的影响,受洛伦兹力(F M)作用造成其运动轨迹发生偏移,洛伦兹力大小为F M=qvB,其中v为它们的运动速率;q为它们所带静电荷量;B为垂直磁场分量。另外交变磁场可以在导电性溶液中生产微小的感应电流,打破液态中水分子的缔合结构,使较大的缔合水分子团变为较小的缔合水分子团,甚至是单个水分子,这样也降低了溶液的粘度。这是因为水分子间通过氢键缔合,结合程度不如化学键那样牢靠,所以它们之间处于一种不停断开、结合的动态平衡中,如式6:
[0071]
(H 2O) n=xH 2O+(H 2O) n-x (6)
[0072]
在一定条件下,这样的动态平衡所需的能量由水分子的热运动所提供。交变磁场必然会给反应体系中的水分子热运动提供能量,有利于动态平衡向水分子团打开的方向进行,导致部分水分子间的氢键破裂,溶液中的水分子活性增强即生化反应体系中可利用的有效水分子增多。
[0073]
通常溶液体系中的化学反应速率与活化能密切相关,温度升高则活化能降低,活化能越低反应速率越快。未施加交变电场和交变磁场时,溶液体系中的带电溶质和水分子做无规则的运动,当同时施加交变电场和交变磁场后,且电场和磁场方向相互垂直,则其中的带电离子、带电化合物、带电粒子、带电蛋白质和酶类会受到周期性的交变电场力和交变磁场力作用,发生大规模的取向运动。
[0074]
因而,施加交变电场和交变磁场后可使生化反应溶液中的水分子活性提高并且使带电溶质发生取向运动,最终影响生化反应体系中的带电溶质的扩散和迁移行为,并影响其生化反应。
[0075]
综述之,在本发明中,基于对变压器方法的应用,通过不同种类的信号来激励初级线圈并以此产生交变磁通来进一步的影响溶液反应体系,并结合上旋转磁场的作用以造成体系中自由离子、带电粒子或带电有机物的取向性运动。因这些生化物质具有不同的核质比,故在不同种类、不同频率、不同幅值的信号、以及不同磁感应强度和不同频率的旋转磁场影响下会产生特异性的生化反应效果。这样的生化反应器操作参数更为丰富。
[0076]
基于前述的原理,在本发明的一实施方案之中,在一感应式磁电生化反应系统之中,以反应溶液作为次级线圈导体且以玻璃弹簧等绝缘物作为次级线圈中反应溶液导体的支撑物。函数信号发生器发出的任意函数信号经过功率放大器放大后激励初级线圈,则会在闭合铁芯中生产相应变化规律的交变磁通,并在次级线圈即反应溶液中得到交变感应电压。同时,反应腔体的外侧有可旋转的径向磁场,而反应腔体也具有夹套结构可以通过恒温循环水浴接入不同温度的循环液体,从而达到控制反应体系温度的作用。
[0077]
该生化反应系统的详细工作可以包括:使用函数信号发生器发出频率范围在50~200Hz的正弦波、三角波、锯齿波、单向方波、双向方波或自定义函数信号,上述交流信号的电压幅宽范围10~20Vp-p;然后使用功率为80~200VA,全功率频宽50~200Hz的功率放大器,将信号放大后使其输出的交流电压幅宽范围200~400Vp-p;放大后的信号激励初级线圈;同时初级线圈绕组缠绕在闭合铁芯一侧,该闭合铁芯的工作频率范围50~200Hz;以反应体系中的溶液作为次级线圈导体并与反应物容器连通;此时可在作为次级线圈导体的反应溶液中得到不同变化规律的感应电压;反应腔体的外侧是旋转径向磁场,其中磁感应强度为2000~3000Gs,旋转频率为0.1~50Hz;对反应系统的温度可控制为-20~100℃。
[0078]
在一实施例中,作为次级线圈中反应溶液导体的支撑物是采用绝缘玻璃材料制作,这样目的在于可减少次级线圈的功率损耗。
[0079]
在一实施例中,初级线圈可以为单股铜线,直径6~8mm,匝数20~26匝
[0080]
在一实施例中,次级线圈反应溶液导体的支撑物为玻璃弹簧,其内径2~3mm,匝数为10~13,玻璃弹簧总长700~900mm
[0081]
在一实施例中,反应腔体中的反应物容器内径为20~25mm,长度130mm,反应物容器的上端有主进料口,而反应物容器一侧有一条和玻璃弹簧垂直相连通的次进料口,且反应物容器外部有玻璃夹套用于通入不同温度的循环液体达到对反应控温的作用,反应腔体且包含主进料口的整体高度不超过60mm。
[0082]
在一实施例中,对反应系统的温度控制采用恒温循环水浴并与反应腔体上的夹套的出水口和进水口接通。
[0083]
在一实施例中,旋转径向磁场由2块170°的瓦型钕铁硼磁钢异极相对放置而形成,即一块磁瓦的N极对另一块磁瓦的S极,瓦型钕铁硼磁钢长度130mm,外径80mm,内径65mm,厚度15mm,中心磁感应强度为2000~3000Gs,2块瓦型钕铁硼磁钢靠外侧的铁轭圆筒固定,铁轭圆筒可拆卸,并由伺服电机带动齿轮驱动其匀速旋转,伺服电机由伺服电机控制器控制。
[0084]
显然,本领域技术人员也可依据本说明书,并结合本领域之常识及实际应用的需求而调整前述任一组件的尺寸、结构等。
[0085]
本发明的另一个方面提供利用所述感应式磁电生化反应系统进行生化反应的方法。例如:
[0086]
提供所述的感应式磁电生化反应系统;
[0087]
将反应溶液置入所述反应单元,并以所述控制单元向所述初级线圈施加频率为50~200Hz,电压幅宽范围为200~400Vp-p的各类交流激励信号,以及,使所述可旋转的径向磁场以0.1~50Hz的频率旋转,且所述可旋转的径向磁场的中心磁感应强度为2000~3000Gs。
[0088]
本发明的又一个方面提供了所述感应式磁电生化反应系统的用途,可进行如下领域的应用,包括:天然高分子原料的辅助酸水解、酶水解和改性;天然产物辅助萃取;诱导影响生化反应研究;且不限于此。
[0089]
本发明中的感应式磁电生化反应系统操作条件更为丰富,包括信号种类、信号幅值、信号频率、旋转磁场强度、旋转磁场频率和温度。并且,信号种类除了包括正弦波、锯齿波、三角波、单相方波、双向方波外,还包括自定义的非对称周期信号。
[0090]
其中,若采用非对称的周期波形来激励初级线圈则也会在闭合铁芯中生产相应变化规律的交变磁通,导致以反应溶液为次级线圈导体的溶液体系中产生非对称波形的感应电压,进而对带电离子、带电化合物、带电粒子、带电蛋白质和酶类具有特异性的驱动效果。这是因为根据电场中带电离子、带电化合物、带电粒子、带电蛋白质和酶类的运动规律,推动它们的电场力(F E,单位为N)等于它们所带净电荷量(q,单位为Q)与电场强度(E,单位为V/m)的乘积,即F E=qE。周期性的非对称波形感应电压会造成它们受到的电场力大小,方向和持续时间有差异。
[0091]
概言之,不论是通过常规的周期信号波形如正弦波、锯齿波、三角波、单向方波、双向方波,还是靠自定义的非对称周期信号来激励初级线圈并得到感应电压来驱动溶液体系中的带电离子、带电化合物、带电粒子、带电蛋白质或酶类都会造成特异性的传导效果,结合上旋转磁场的作用,进而影响它们在反应体系中的扩散速率,以及诱导和影响生化反应的进行。
[0092]
另外,重要的是,因为反应溶液中的交变电场来源于感应电压,故装置不采用通电的极 板或电极,这样就避免了溶液体系中的电化学反应。
[0093]
以下结合若干实施例及附图对本发明的技术方案作更为具体的解释说明。
[0094]
实施例1
[0095]
下面以碱法制备糯米羟丙基淀粉为例,进一步说明感应式磁电生化反应系统在天然高分子原料的辅助改性中的应用。
[0096]
如图1~图4所示,在此实施例中,本发明提供了一种感应式磁电生化反应系统,其包括了反应系统装置链100,反应单元200,旋转磁场单元300。
[0097]
其中,参考图1,反应系统装置链100包括信号发生器101,功率放大器102,恒温循环水浴103,反应单元200,反应单元200所含的次进料口201,反应腔体202,反应腔体所含的玻璃弹簧203,旋转磁场单元300,异极相对的2块170°钕铁硼磁瓦301,用于支撑磁瓦的圆筒铁轭302,铁轭圆筒齿轮303,电机齿轮304,伺服电机305,伺服电机控制器306,初级线圈104,闭合铁芯105。其中信号发生器101的输出端与功率放大器102的输入端接通,功率放大器102的输出端连接到初级线圈104上,所使用的函数信号发生器101可发出频率为50~200Hz的正弦波、三角波、锯齿波、单向方波、双向方波或自定义函数信号,信号的电压幅宽范围10~20Vp-p;而使用的功率放大器102的输出功率范围为80~200VA,全功率频宽50~200Hz,将信号放大20倍后使其输出的交流电压幅宽范围为200~400Vp-p;初级线圈104为单股铜线,直径6mm,匝数26匝;同时,初级线圈104缠绕在闭合铁芯105一侧,闭合铁芯105采用硅钢材料,工作频率范围50~200Hz,闭合的中心周长520mm,高度15mm;闭合铁芯105的另一侧有缠绕好的反应腔体202上的玻璃弹簧203,玻璃弹簧203的内径3mm,匝数为13匝,玻璃弹簧203总长856mm;反应单元200的主体剖视示意图见图2,反应物容器204与玻璃弹簧203是两端相连接并形成联通的状态的,反应腔体202中的反应物容器204内径为25mm,长度130mm,反应物容器204的上端有主进料口205,主进料口205的直径为25mm,而反应物容器204的一侧有一条和玻璃弹簧203垂直相连通的次进料口201,且反应物容器204外部有玻璃夹套206用于通入不同温度的循环液体达到对反应系统控温的作用,其中夹套进水口207,夹套出水口208,反应腔体202含主进料口205的整体高度不超过60mm;反应腔体202并含主进料口205的外侧是旋转径向磁场,其径向磁场由2块170°的瓦型钕铁硼磁钢301异极相对放置而形成,即一块磁瓦的N极对另一块磁瓦的S极,瓦型钕铁硼磁钢长度130mm,外径80mm,内径65mm,厚度15mm,见图3,中心磁感应强度为2200Gs,2块瓦型钕铁硼磁钢靠外侧的铁轭圆筒302固定,铁轭圆筒302可拆卸,并由伺服电机305驱动电机齿轮304和铁轭圆筒齿轮303,最终带动铁轭圆筒302匀速旋转,伺服电机305由伺服电机控制器306控制,旋转频率可达0.1~50Hz,旋转磁场单元见图4所示;对反应系统的 温度控制采用恒温循环水浴103并与反应腔体202的循环水夹套206上的进水口207和出水口208接通,其温度范围为-20~100℃。
[0098]
利用该反应系统进行糯米淀粉的改性而制备羟丙基糯米淀粉,其包括如下步骤:
[0099]
步骤一:取糯米淀粉13g于烧杯中,加入蒸馏水40g,混合摇匀得到淀粉乳液,于40℃环境下搅拌15min,同时缓慢加入0.95g无水硫酸钠,再搅拌5min,再加入浓度1mol/L的NaOH溶液5mL,搅拌3min;
[0100]
步骤二:取上述的淀粉乳液从次进料口201灌入,并充满玻璃弹簧203,然后进入反应物容器204中,再将0.8g环氧丙烷,从主进料口205投加到反应物容器204中,搅匀;
[0101]
步骤三:开启信号发生器101选择单向方波并设定电压和周期如图5所示,其中t 0=0s,t 1=0.005s,t 2=0.01s,信号周期为0.01s,即频率为100Hz,v 1=10V,信号电压幅值V p-p=10V,开启功率放大器102将单向方波信号放大20倍后,激励闭合铁芯105上的初级线圈104,此时在反应物容器204的溶液中产生感应电压。同时,调节伺服电机控制器306使其伺服电机305的转速为20Hz,此时旋转磁场产生即异极相对的2块170°钕铁硼磁瓦301转动;
[0102]
步骤四:开启恒温循环水浴103使45℃的循环水从玻璃夹套206的进水口207进入,再从出水口208流出;
[0103]
步骤五:上述状态保持16h后关闭信号发生器101,功率放大器102,伺服电机控制器306和恒温循环水浴103,排出反应物容器204中的混合溶液倒入烧杯中,立即加入质量分数为1%的HCl溶液,使其混合溶液的pH=6.5,终止反应,然后将反应物进行过滤、洗涤、于55℃烘箱中干燥6h,再粉碎过120目筛,得到羟丙基糯米淀粉。
[0104]
经检测,通过此感应式磁电系统处理并得到的改性羟丙基糯米淀粉的取代度为0.12。与此相比,若其他反应条件均相同,但不施加感应电压和旋转磁场,即只将上述反应溶液置于反应物容器204中,保持45℃的温度16h,最终得到的羟丙基糯米淀粉的取代度只为0.05。
[0105]
实施例2:
[0106]
利用实施例1所述的感应式磁电生化反应系统,以辅助酶解天然高分子原料为例,进一步说明该系统的使用方法。
[0107]
利用该系统对玉米淀粉进行辅助酶法水解制备吸油玉米淀粉,其包括如下步骤:
[0108]
步骤一:取玉米淀粉15g于烧瓶中,加入蒸馏水50g,混合摇匀得到淀粉乳液,加入1mol/L的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液,调节淀粉乳液的pH值为4.0,于40℃预热搅拌15min;
[0109]
步骤二:取上述pH=4的淀粉乳液从次进料口201灌入并充满玻璃弹簧203,然后料液进入到反应物容器204中,再取0.3g淀粉糖化酶粉,酶活10万单位,从主进料口205投加到反应物容器204中;
[0110]
步骤三:开启信号发生器101选择自定义波形并设定电压和周期如图6所示,其中t 0=0s,t 1=0.002s,t 2=0.004s,t 3=0.006s,t 4=0.008s,t 5=0.01s,信号周期为0.01s,即频率为100Hz,v 1=5V,v 2=10V,信号电压幅值V p-p=10V,开启功率放大器102将自定义信号放大20倍后,激励闭合铁芯105上的初级线圈104,此时在反应物腔体204的溶液中产生感应电压。同时,调节伺服电机控制器306使其伺服电机305的转速为10Hz,此时旋转磁场产生即异极相对的2块170°钕铁硼磁瓦301转动;
[0111]
步骤四:开启恒温循环水浴103使62℃的循环水从玻璃夹套206的进水口207进入,再从出水口208流出;
[0112]
步骤五:上述状态保持4h后关闭信号发生器101,功率放大器102,伺服电机控制器306和恒温循环水浴103,排出反应物容器204中的混合溶液倒入烧杯中,立即加入质量分数为4%的NaOH溶液5mL,使其混合溶液的pH=7,终止酶反应,然后将淀粉乳于3000r/min条件下离心15min并沉淀,沉淀物于55℃烘箱中干燥3h,再粉碎过200目筛,得到改性的吸油玉米淀粉。
[0113]
经检测,通过此感应式磁电系统处理后的酶法水解玉米淀粉的吸油率为142%。与此相比,未经任何处理的原玉米淀粉吸油率为24%,若只将上述调节pH值和预热的玉米淀粉乳液置于反应物容器204中,同样保持62℃的温度4h,即不施加感应电压和旋转磁场,最终得到的酶法水解玉米淀粉的吸油率只为85%。
[0114]
实施例3:
[0115]
利用实施例1所述的感应式磁电生化反应系统,以辅助酸水解天然高分子原料为例,进一步说明该系统的使用方法。
[0116]
利用该系统对纤维素进行辅助盐酸水解制备还原糖,其包括如下步骤:
[0117]
步骤一:取纤维素粉末0.5g于烧杯中,加入蒸馏水50g,混合摇匀,加入质量分数36%的盐酸溶液8mL,搅拌均匀;
[0118]
步骤二:将上述反应物从次进料口201灌入,并充满玻璃弹簧203,然后进入反应物容器204中;
[0119]
步骤三:开启信号发生器101选择自定义波形并设定电压和周期如图7所示,其中t 0=0s,t 1=0.003s,t 2=0.006s,t 3=0.009s,t 4=0.011s,t 5=0.014s,t 6=0.018s,t 7=0.02s,信号周期为0.02s,即频率为50Hz,v 1=-10V,v 2=5V,v 3=10V,信号电压幅值V p-p=20V,开启功率放大器102将此自定义信号放大20倍后,激励闭合铁芯105上的初级线圈104,此时反应物容器204的溶液中产生感应电压。同时,调节伺服电机控制器306使其伺服电机305的转速为10Hz,此时旋转磁场产生即异极相对的2块170°钕铁硼磁瓦301转动;
[0120]
步骤四:开启恒温循环水浴103使80℃的循环水从玻璃夹套206的进水口207进入,再从出水口208流出;
[0121]
步骤五:上述状态保持12h后关闭信号发生器101,功率放大器102,伺服电机控制器306和恒温循环水浴103,排出反应物容器204中的混合溶液倒入烧杯中,立即加入质量分数为1%的NaOH溶液调节混合溶液的pH=7,然后将混合溶液抽滤,得到含有还原糖的滤液。
[0122]
经检测,通过此感应式磁电系统处理后的酸法水解纤维素滤液中的还原糖含量为58.4mg/g。与此相比,若其他反应条件均相同,在不施加感应电压和旋转磁场的情况下,即只将此纤维素-盐酸混合液置于反应物容器204中,保持80℃的温度12h,最终得到的酸法水解纤维素滤液的还原糖含量为12.5mg/g。
[0123]
实施例4:
[0124]
利用实施例1所述的感应式磁电生化反应系统,以辅助萃取天然产物为例,进一步说明该系统的使用方法。
[0125]
利用该系统对苹果渣中的果胶即半乳糖醛酸进行辅助提取,其包括如下步骤:
[0126]
步骤一:称取18g水分含量为40%的苹果渣,采用35℃的蒸馏水200mL将苹果渣进行清洗并抽滤,以脱去可溶性糖类物质和色素,然后将抽滤后的苹果渣,由主进料口205装入到反应物容器204中;
[0127]
步骤二:室温下,将蒸馏水50g从次进料口201灌入,并充满玻璃弹簧203,直到浸没掉反应物容器204中的苹果渣,采用1mol/L的HCl从主进料口205中添加到反应物容器204中,将反应体系中的pH值调节到3;
[0128]
步骤三:开启信号发生器101选择三角波信号并设定电压和周期如图8所示,其中t 0=0s,t 1=0.005s,t 2=0.01s,信号周期为0.01s,即频率为100Hz,v 1=-5V,v 2=5V,信号电压幅值V p-p=10V,开启功率放大器102将三角波信号放大20倍后,激励闭合铁芯105上的初级线圈104,此时反应物容器204中产生感应电压。同时,调节伺服电机控制器306使其伺服电机305的转速为10Hz,此时旋转磁场产生即异极相对的2块170°钕铁硼磁瓦301转动;
[0129]
步骤四:开启恒温循环水浴103使50℃的循环水从玻璃夹套206的进水口207进入,再从出水口208流出;
[0130]
步骤五:上述状态保持60min后关闭信号发生器101,功率放大器102,伺服电机控制器306和恒温循环水浴103,排出反应物容器204中的苹果渣料液,再将其进行5000r/min的离心处理5min,将苹果渣沉淀物分离,最后得到上清液。
[0131]
经检测,通过此感应式磁电系统处理的苹果渣并得到的上清液中的半乳糖醛酸含量为13.6wt%。与此相比,若只将苹果渣按上述料液比例和pH值进行浸泡并置于反应物容器204 中,保持50℃的温度浸泡60min,即不施加感应电压和旋转磁场,则再将此苹果渣料液进行沉淀后得到的上清液进行测定,它的半乳糖醛酸含量只为7.4wt%。
[0132]
实施例5:
[0133]
利用实施例1所述的感应式磁电生化反应系统,以诱导影响化学反应为例,进一步说明该系统的使用方法。
[0134]
利用该系统对乳酸和乙醇进行辅助合成制备乳酸乙酯,其包括如下步骤:
[0135]
步骤一:取乳酸180g于容量瓶中,加入蒸馏水50.8g,混合摇匀得到10mol/L的乳酸水溶液;取无水乙醇92g于容量瓶中,加入蒸馏水83.5g,混合摇匀得到10mol/L的乙醇水溶液;
[0136]
步骤二:取10mol/L的乳酸水溶液32mL和10mol/L的乙醇水溶液32ml混合后从次进料口201灌入,并充满玻璃弹簧203,然后进入反应物容器204中;
[0137]
步骤三:开启信号发生器101选择自定义波形并设定电压和周期如图9所示,其中t 0=0s,t 1=0.01s,t 2=0.02s,信号周期为0.02s,即频率为50Hz,v 1=-3V,v 2=7V,信号电压幅值V p-p=10V,开启功率放大器102将自定义信号放大20倍后,激励闭合铁芯105上的初级线圈104,此时反应物容器204中产生感应电压产生。同时,调节伺服电机控制器306使其伺服电机305的转速为5Hz,此时旋转磁场产生即异极相对的2块170°钕铁硼磁瓦301转动;
[0138]
步骤四:开启恒温循环水浴103使40℃的循环水从玻璃夹套206的进水口207进入,再从出水口208流出;
[0139]
步骤五:上述状态保持10h后关闭信号发生器101,功率放大器102,伺服电机控制器306和恒温循环水浴103,排出反应物容器204中的混合溶液。
[0140]
经检测,通过此感应式磁电系统处理后的混合溶液中的乳酸乙酯含量为0.19mol/L。与此相比,若只将10mol/L的乳酸水溶液32mL和10mol/L的乙醇水溶液32ml混合后置于反应物容器204中,同样保持30℃的温度10h,即不施加感应电压和旋转磁场,则此时的混合溶液中的乳酸乙酯含量为0.07mol/L。
[0141]
需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0142]
以上所述仅是本发明的具体实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

权利要求书

[权利要求 1]
一种感应式磁电生化反应系统,其特征在于包括: 反应单元,包括: 反应腔体,所述反应腔体包括反应物容器,且所述反应腔体被置于一可旋转的径向磁场内, 初级线圈,绕制于一闭合铁芯一侧,并与一控制单元连接, 次级线圈,绕制于所述闭合铁芯另一侧,所述次级线圈包括可供作为导体的反应溶液流通的绝缘管路,且所述绝缘管路的两端与所述反应物容器连通; 旋转磁场单元,用于产生所述可旋转的径向磁场; 以及,控制单元,至少用以调整施加在所述初级线圈上的激励电压及信号种类。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述控制单元包括函数信号发生器,所述函数信号发生器输出端与功率放大器输入端连接,所述功率放大器输出端再与所述初级线圈连接。
[权利要求 3]
根据权利要求2所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述函数信号发生器能够发出频率范围为50~200Hz、电压幅宽范围为10~20Vp-p的交流信号,所述交流信号包括正弦波、三角波、锯齿波、单向方波、双向方波或自定义函数信号。
[权利要求 4]
根据权利要求2所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述功率放大器的功率为80~200VA,输出交流电压幅宽为200~400Vp-p,全功率频宽为50~200Hz。
[权利要求 5]
根据权利要求1所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述旋转磁场单元包括:呈环形固定设置、且异极相对放置的两块瓦型永磁体,其中任一瓦型永磁体的弧度均小于180°;以及,用以驱使该两块瓦型永磁体转动的驱动机构。
[权利要求 6]
根据权利要求5所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述瓦型永磁体的中心磁感应强度为2000~3000Gs。
[权利要求 7]
根据权利要求5或6所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述瓦型永磁体包括钕铁硼磁钢。
[权利要求 8]
根据权利要求5或6所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述瓦型永磁体的弧度为170°。
[权利要求 9]
根据权利要求5所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述旋转磁场单元还包括可拆解的铁轭圆筒,所述两块瓦型永磁体呈环形固定在所述铁轭圆筒内壁上,且所述铁轭圆筒与驱动机构传动连接。
[权利要求 10]
根据权利要求9所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述驱动机构包括由伺服电机控制器控制的伺服电机,所述伺服电机与所述铁轭圆筒连接。
[权利要求 11]
根据权利要求1所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述反应单元还包括温控单元,用以将所述反应物容器内部的温度控制于-20~100℃。
[权利要求 12]
根据权利要求11所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述温控单元包括恒温循环水浴,所述恒温循环水浴与所述反应腔体上的夹套层的进水口和出水口接通。
[权利要求 13]
根据权利要求1所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述初级线圈为单股铜制线圈,且直径为6~8mm,匝数为20~26匝。
[权利要求 14]
根据权利要求1所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述次级线圈包括玻璃弹簧,所述玻璃弹簧的内径为2~3mm,匝数为10~13,总长为700~900mm。
[权利要求 15]
根据权利要求1所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于所述闭合铁芯采用硅钢材料,且工作频率范围为50~200Hz。
[权利要求 16]
根据权利要求1或14所述的感应式磁电生化反应系统,其特征在于作为所述次级线圈采用玻璃弹簧作为反应溶液导体的支撑物并与所述反应物容器的两端相连接并形成联通状态,同时所述反应物容器上端设有主进料口,一侧设有与所述玻璃弹簧垂直相连通的次进料口,以及,所述反应腔体上还设有可供不同温度的循环液体流动的玻璃夹套。
[权利要求 17]
一种生化反应方法,其特征在于包括: 提供权利要求1-16中任一项所述的感应式磁电生化反应系统; 将反应溶液置入所述反应单元,并以所述控制单元向所述初级线圈施加频率为50~200Hz,电压幅宽范围为200~400Vp-p以及功率为80~200VA的交流激励信号,以及,使所述可旋转的径向磁场以0.1~50Hz的频率旋转,且所述可旋转的径向磁场的中心磁感应强度为2000~3000Gs。
[权利要求 18]
根据权利要求17所述的生化反应方法,其特征在于还包括:在反应开始前或反应过程中,调整所述反应物容器的温度至反应所需温度。
[权利要求 19]
根据权利要求17所述的生化反应方法,其特征在于包括:采用函数信号发生器发出频率为50~200Hz、电压幅宽为10~20Vp-p的正弦波、三角波、锯齿波、单向方波、双向方波或自定义函数信号,然后使用功率为80~200VA、全功率频宽为50~200Hz的功率放大器将所述信号放大并使输出的交流信号电压幅宽为200~400Vp-p且以此激励所述初级线圈。
[权利要求 20]
权利要求1-16中任一项所述的感应式磁电生化反应系统或权利要求17-19中任一项所述方法于天然高分子原料的辅助酸水解、酶水解和改性,天然产物辅助萃取,诱导影响生化反应的应用。

附图

[ 图 0001]  

[ 图 0002]  

[ 图 0003]  

[ 图 0004]  

[ 图 0005]  

[ 图 0006]  

[ 图 0007]  

[ 图 0008]  

[ 图 0009]  

[ 图 0010]  

[ 图 0011]