CN101306355A

CN101306355A - 直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法

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Publication number: CN101306355A
Application number: CNA2008100626240A
Authority: CN
Inventors: 林东强; 王志远; 姚善泾; 夏海锋; 杜悦娴
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: CN101306355B

Abstract

本发明公开了一种直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法。步骤如下：1)制备纤维素/NMMO/H₂O溶液。在低速搅拌、加热蒸发、加抗氧化剂和氮气保护条件下，将纤维素溶解于NMMO的水溶液中。2)配制复合水相。3)程序降温反相悬浮成球。加入油相和表面活性剂，通过反相悬浮程序降温，固化成球。4)洗涤。5)去除淀粉。用沸水洗涤分离后微球，冷却后加入α－淀粉酶溶液，摇床反应，水洗涤，得到大孔型纤维素复合微球。6)筛分和扩张床浮选，得到大孔扩张床基质。本发明所开发的制备过程环境污染小、安全无毒，制备的纤维素复合微球具有大孔结构和合适的粒径分布，亲水性好，球形度高，耐酸碱，密度可以调节，可以用作扩张床吸附的基质。

Description

直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法

技术领域

本发明涉及一种直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法。

背景技术

扩张床吸附(Expanded Bed Adsorption，EBA)技术是上世纪九十年代发展起来的一种新型蛋白质分离纯化技术，能直接从发酵液或细胞匀浆中捕获目标产物，集固液分离、浓缩和初步纯化于一个操作单元之中，减少了操作单元数，缩短了操作时间，节约了生产成本，被誉为近些年来出现的第一个新的单元操作。扩张床是流化床的一个特例，基于扩张床中吸附剂的稳定分级行为，其理论塔板数远远大于普通的流化床，接近于固定床。扩张床吸附的关键在于吸附剂必须特殊设计，要求基质有较大的密度和一定的粒径分布。

纤维素是自然界蕴含丰富的天然高分子。球形的纤维素微球具有高度的亲水性、极低的非特异性和较高的机械强度，作为层析基质被广泛运用于生物工程产品的下游分离过程。纤维素微球的制备主要有两种方法：喷射法和反相悬浮法。前者对设备的要求高，得到的微球粒径比较均一。后者工艺比较复杂，得到的粒径分布较宽(高分子通报，(2)：100-104，1996)。扩张床吸附剂基质需要一定的粒径分布，因此适合于采用反相悬浮法制备，并且需要添加一定量的惰性增重剂，如钛白粉、不锈钢粉、碳化钨粉等，以提高基质的湿密度。

反相悬浮法制备纤维素微球的关键在于纤维素黏胶的制备。一般以纤维素黄原酸酯黏胶液为原料，采用“反相悬浮热再生法”，可以制备出球形度好、具有一定内部孔道、容易衍生的纤维素微球，并可以在黏胶中添加一些惰性颗粒(如钛白粉或不锈钢粉等)形成具有特殊功能的扩张床吸附介质，相关发明已经授权专利(ZL02111928.7和ZL03142163.6)。但是，纤维素黄原酸酯黏胶的制备过程复杂，会产生一定量的废碱液和具有神经毒性的气体CS₂，并且黏胶性质不易控制，受环境因素影响大，一定程度上制约了球形纤维素吸附剂的发展与应用。

如果可以用溶剂直接溶解纤维素，并制备纤维素黏胶，就可以简化工艺。目前用于溶解纤维素的溶剂主要有N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)、铜氨络合溶剂、镉乙二胺络合溶剂、多聚甲醛/二甲基亚砜、四氧化二氮/二甲基甲酰胺、氨/硫氰酸铵、氢氧化钠/尿素/水等溶剂(生物质化学工程，40(3)，54～58，2006)。除了NMMO外，其它溶剂均处于实验阶段，应用还不多。NMMO直接溶解纤维素，已经成功用于纺织工业。应用NMMO溶解法制备纤维素微球鲜有报道。刘明华等人(纤维素科学与技术，14(3)：13～18，2006)以NMMO和马尾松漂白硫酸盐浆为原料，制备纤维素/NMMO/H₂O溶液，采用程序降温制备球形纤维素珠体。但是，内部孔道偏小，且基质密度和粒径分布没有优化，难以用于扩张床吸附过程。

本发明针对扩张床吸附剂的特殊要求，以NMMO直接溶解纤维素制备纤维素黏胶，添加惰性增重剂提高基质的密度，采用反相悬浮法，通过程序降温法制备纤维素复合微球。同时，在纤维素黏胶中添加糊化淀粉，固化成球后再用淀粉酶水解去除淀粉，得到具有大孔结构的纤维素微球，可以强化微球内部的孔内传质，提高分离过程的效率。NMMO直接溶解法制备纤维素黏胶，黏胶性质稳定且易于控制，纤维素微球制备工艺简单，生产过程无毒，溶剂无毒，可以回收重复利用，是一种环境友好的工艺。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法。

它包括如下步骤：

1)将质量百分比为99.5％～95％的N-甲基吗啉-N-氧化物溶液、质量百分比为0.5％～5％的焦性没食子酸抗氧化剂加入反应器中，再加入纤维素，搅拌，充入氮气，反应器温度为80～120℃，搅拌转速为30～200rpm，得到纤维素粘胶；

2)在80～100℃下，在纤维素粘胶中加入惰性增重剂和质量百分比浓度为3～8％的糊化淀粉溶液均匀混合，100～500rpm转速下搅拌30～45分钟，惰性增重剂的质量为纤维素粘胶质量的0.04～1.2倍，糊化淀粉的质量为纤维素粘胶质量的0.04～0.4倍，得到复合水相；

3)在78～100℃下，在复合水相中加入油类分散相和表面活性剂进行反相悬浮，油类分散相与复合水相的体积比为1∶1～20∶1，油类分散相与表面活性剂的质量比为200∶1～1000∶1，在500～1500rpm转速下搅拌15～20分钟，形成反相悬浮体系，以每10分钟降5摄氏度的速率降温至10～30℃，以每10分钟降50～100rpm的速率将搅拌速度降至500～600rpm，固化成微球；

4)将微球用1～2倍体积的有机溶液洗涤3～5次，过滤，得到复合微球；

5)将复合微球用1～2倍体积的沸水洗涤3～6次，冷却后加入1～2倍微球体积的质量浓度为2～3％的α-淀粉酶溶液，摇床反应1～2小时，用1～2倍体积的去离子水洗涤3～5次，得到扩孔后的复合微球；

6)先将扩孔后的复合微球湿态粗筛分至50～250μm，然后置于扩张床中扩张，控制扩张高度为起始沉降高度的2.5～3.5倍，稳定30～40min，除去最上部0.5～1.0cm高度的微球，收集床内复合微球，复合微球中纤维素的质量百分含量为2％～8％，湿真密度为1.1～2.4g/cm³，粒径尺寸范围为50～250μm，即为所需的扩张床基质。

所述的纤维素为纸浆、脱脂棉、精制棉、棉短绒或微晶纤维素。纤维素粘胶中水的质量百分含量为7％～17％。惰性增重剂为不锈钢粉、钛白粉、碳化钨粉、镍粉以及它们的混合物，惰性增重剂的粒径为0.1～20μm。淀粉为玉米淀粉、小麦淀粉、烹调淀粉、木薯淀粉或糯米淀粉，糊化淀粉的质量百分浓度为3～8％。油类分散相为泵油与氯苯的混合物、变压器油或花生油，其中泵油与氯苯的质量比为3∶1～6∶1。表面活性剂为Tween 20、Tween 40、Tween 60、Tween 80、Span 20、Span 40、Span 60、Span 80、油酸钾或其混合物。有机溶剂为异丙醇的水溶液或异丙醇与叔丁醇的混合溶液。

本发明所制备的纤维素复合微球，具有合适的密度和粒径分布，以及明显的大孔结构，可以用作扩张床吸附剂的基质材料，进一步化学衍生可制得具有多种功能基团的扩张床吸附剂。本发明的优点在于：1)利用NMMO溶液作为溶剂直接溶解纤维素，通过反相悬浮和程序降温制备纤维素微球。NMMO是一种叔胺类物质，当NMMO溶液中的水含量低于17％，便具有高温下直接溶解纤维素的能力。NMMO是一类“绿色溶剂”，低毒，对环境污染小，且可以重新回收利用。相比较常用的纤维素黄原酸酯黏胶法，制备过成更加环保经济。2)NMMO直接溶解纤维素黏胶中添加惰性增重剂，制备复合纤维素微球，惰性组分内嵌入纤维素网状结构，结合紧密，未见泄漏。添加惰性增重剂后，纤维素微球的密度显著提高，机械强度有所增强，适合于扩张床吸附的高流速和大处理量要求。3)NMMO直接溶解纤维素黏胶中添加糊化淀粉，作为扩孔剂，固化成球后用淀粉酶水解去除淀粉，得到具有大孔结构的纤维素微球，加快微球内部的孔内传质，适合于扩张床吸附分离过程的要求。4)NMMO凝固后质地较脆。在反相悬浮过程中，在凝固温度下，采用降低转速的搅拌方式使得微球不易破碎，球形度好。

附图说明

图1是本发明制备的纤维素复合扩张床基质的显微镜照片；

图2是本发明制备的纤维素复合扩张床基质的粒径分布图；

图3是本发明制备的纤维素复合扩张床基质的表面扫描电镜照片。

具体实施方式

直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法包括如下步骤：

以下通过实施例对本发明作进一步的描述：

实施例1

于500mL烧瓶内加入60％NMMO溶液60.0克，加入纤维素分子量为19万道顿的棉短绒1.6克，加入焦性没食子酸0.5克。在通氮气的条件下，于105℃下低速搅拌5个小时至总重为40.0克，形成纤维素/NMMO/H₂O黏胶，含水量为10.3％。加入碳化钨20.0克，搅拌均匀。移至83℃水浴，加入1.5g质量浓度为5％的糊化烹调淀粉，继续搅拌20min，混合均匀。加入200mL真空泵油和4mL span80，调节转速到900rpm，维持搅拌20min后，开始降温。一小时内将温度降至15℃，搅拌速度降至500rpm，保温15min，固化得到纤维素/碳化钨微球。将微球从油相中过滤出来，用200mL70％异丙醇水溶液洗涤三次。将微球从有机相中过滤出来，沸水洗涤5遍，冷却后加入1倍微球体积的2％α-淀粉酶溶液，摇床反应1小时后取出。湿态筛分，水洗涤，得到粒径在50～250μm的复合微球12.4mL，密度为2.01g/cm³，比表面积为56.2m²/cm³，平均孔半径为43.7nm，最大孔半径可达

左右。

实施例2

于500mL烧瓶内加入60％NMMO溶液60.0克，加入纤维素分子量为19万道顿的棉短绒1.6克，加入焦性没食子酸0.6克。在通氮气的条件下，于110℃下低速搅拌4.5个小时至总重为40.0克，形成纤维素/NMMO/H₂O黏胶，含水量为10.3％。加入碳化钨28.0克，搅拌均匀。移至83℃水浴，加入6.0g质量浓度为5％的糊化烹调淀粉，继续搅拌20min，混合均匀。加入240mL真空泵油和4mL tween80。调节转速到1000rpm，维持搅拌15min后，将温度降到75℃，继续搅拌15min，开始降温。一小时内将终温度降至15℃，搅拌速度降至550rpm，保温15min，固化得到纤维素/碳化钨微球。用70％异丙醇水溶液洗涤三次。将微球从有机相中过滤出来，沸水洗涤5遍，冷却后加入1倍微球体积的2％α-淀粉酶溶液，摇床反应2小时后取出。湿态筛分，水洗涤，得到粒径在50～250μm的复合微球11.7mL，密度为2.15g/cm³，比表面积为43.2m²/cm³，平均孔半径为53.7nm，最大孔半径可达

左右。

实施例3

于500mL烧瓶内加入60％NMMO溶液60.0克，加入棉短绒1.6克，加入焦性没食子酸0.6克。在通氮气的条件下，于110℃下低速搅拌4.5个小时至总重为40.0克。加入16.0克金红石型钛白粉，搅拌均匀。移至80℃水浴，加入5.5g质量浓度为5％的糊化木薯淀粉，继续搅拌20min，混合均匀。加入200mL真空泵油和4mL tween20。调节转速到1000rpm，维持搅拌15min后，将温度降到75℃，继续搅拌15min，开始降温。一小时内将终温度降至20℃，搅拌速度降至550rpm，保温15min，固化得到纤维素/钛白粉微球。用异丙醇与叔丁醇按50/50比例混合的混合醇溶液洗涤三次。将微球从有机相中过滤出来，沸水洗涤5遍，冷却后加入1倍微球体积的3％α-淀粉酶溶液，摇床反应2小时后取出。湿态筛分，水洗涤，得到粒径在50～250μm的复合微球13.1mL，密度为1.32g/cm³，比表面积为40.2m²/cm³，平均孔半径为56.7nm，最大孔半径可达

左右。

实施例4

于500mL烧瓶内加入60％NMMO溶液60.0克，加入棉短绒2.0克，加入焦性没食子酸0.7克。在通氮气的条件下，于100℃下低速搅拌5.5个小时至总重为42.0克。加入10.5克不锈钢粉，搅拌均匀后，移至80℃水浴。加入3.0g质量浓度为5％的糊化小麦淀粉，继续搅拌20min，混合均匀。加入200mL真空泵油和2mL tween40。调节转速到1000rpm，维持搅拌15min后，将温度降到75℃，继续搅拌15min，开始降温。一小时内将终温度降至14℃，搅拌速度降至530rpm，保温15min，固化得到纤维素/不锈钢粉微球。用异丙醇与叔丁醇按50/50比例混合的混合醇溶液洗涤三次。将微球从有机相中过滤出来，沸水洗涤5遍，冷却后加入1倍微球体积的2％α-淀粉酶溶液，摇床反应2小时去取出。湿态筛分，水洗涤，得到粒径在50～250μm的复合微球11.0mL，密度为1.38g/cm³，比表面积为50.6m²/cm³，平均孔半径为50.5nm，最大孔半径可达左右。

实施例5

于500mL烧瓶内加入50％NMMO溶液60.0克，加入脱脂棉1.2克，加入焦性没食子酸0.6克。在通氮气的条件下，于105℃下低速搅拌5个小时至总重为38.0克。加入20.0克镍粉，搅拌均匀后，移至84℃水浴。加入4.0g质量浓度为6％的糊化玉米淀粉，继续搅拌20min，混合均匀。加入240mL真空泵油和3mLspan20。调节转速到1000rpm，维持搅拌15min后，将温度降到75℃，继续搅拌15min，开始降温。一小时内将终温度降至20℃，搅拌速度降至560rpm，保温20min，固化得到纤维素/镍粉微球。用异丙醇与叔丁醇按50/50比例混合的混合醇溶液洗涤三次。将微球从有机相中过滤出来，沸水洗涤5遍，冷却后加入1倍微球体积的2％α-淀粉酶溶液，摇床反应2小时去取出。湿态筛分，水洗涤，得到粒径在50～250μm的复合微球13.5mL，密度为1.55g/cm³，比表面积为48.2m²/cm³，平均孔半径为51.3nm，最大孔半径可达

左右。

实施例6

于500mL烧瓶内加入60％NMMO溶液60.0克，加入棉短绒1.6克，加入焦性没食子酸0.6克。在通氮气的条件下，于110℃下低速搅拌4.5个小时至总重为40.0克，，形成纤维素/NMMO/H₂O黏胶，含水量为10.3％。加入碳化钨16.0克，搅拌均匀后，移至82℃水浴，加入5.0g质量浓度为8％的糊化糯米淀粉，继续搅拌，混合均匀。加入240mL真空泵油和4mL tween60。调节转速到1000rpm，维持搅拌15min后，将温度降到75℃，继续搅拌15min，开始降温。一小时内将终温度降至15℃，搅拌速度降至520rpm，保温20min，固化得到纤维素/碳化钨微球。用异丙醇与叔丁醇按50/50比例混合的混合醇溶液洗涤三次。将微球从有机相中过滤出来，沸水洗涤5遍，冷却后加入2倍微球体积的3％α-淀粉酶溶液，摇床反应2小时去取出。湿态筛分，水洗涤，得到粒径在50～250μm的复合微球11.2mL，密度为1.73g/cm³，比表面积为42.1m²/cm³，平均孔半径为54.7nm，最大孔半径可达

左右。

实施例7

于1000mL烧瓶内加入60％NMMO溶液120.0克，加入精制棉3.6克，加入焦性没食子酸1.5克。在通氮气的条件下，于110℃下低速搅拌5.5个小时至总重为80.0克。加入24.0克碳化钨粉，搅拌均匀后，移至80℃水浴，加入10g质量浓度为6％的糊化木薯淀粉调节，继续搅拌20min，混合均匀。加入400mL真空泵油和6mL span60。调节转速到1200rpm，维持搅拌15min后，将温度降到75℃，继续搅拌15min，开始降温。一小时内将终温度降至20℃，搅拌速度降至600rpm，保温20min，固化得到纤维素/碳化钨微球。用70％异丙醇水溶液洗涤三次。将微球从有机相中过滤出来，沸水洗涤5遍，冷却后加入1倍微球体积的3％α-淀粉酶溶液，摇床反应2小时去取出。湿态筛分，水洗涤，得到粒径在50～250μm的复合微球25.2mL，密度为1.62g/cm³，比表面积为44.3m²/cm³，平均孔半径为52.7nm，最大孔半径可达

左右。

实施例8

于1000mL烧瓶内加入50％NMMO溶液120.0克，加入精制棉4.0克，加入焦性没食子酸1.8克。在通氮气的条件下，于110℃下低速搅拌6.0个小时至总重为70.0克。加入28.0克金红石型钛白粉，搅拌均匀后，移至80℃水浴，加入8g质量浓度为6％的糊化烹调淀粉调节，继续搅拌20min，混合均匀。加入400mL真空泵油和8mL span40。调节转速到950rpm，维持搅拌15min后，将温度降到75℃，继续搅拌15min，开始降温。一小时内将终温度降至20℃，搅拌速度降至500rpm，保温20min，固化得到纤维素/钛白粉微球。用70％异丙醇水溶液洗涤三次。将微球从有机相中过滤出来，沸水洗涤5遍，冷却后加入2倍微球体积的2％α-淀粉酶溶液，摇床反应2小时去取出。湿态筛分，水洗涤，得到粒径在50～250μm的复合微球23.7mL，密度为1.35g/cm³，比表面积为46.3m²/cm³，平均孔半径为54.6nm，最大孔半径可达

左右。

实施例9

于1000mL烧瓶内加入60％NMMO溶液120.0克，加入微晶纤维素3.2克，加入焦性没食子酸1.6克。在通氮气的条件下，于110℃下低速搅拌6.0个小时至总重为80.0克。加入24.0克不锈钢粉，搅拌均匀后，移至80℃水浴，加入7g质量浓度为4％的糊化糯米淀粉调节，继续搅拌20min，混合均匀。加入500mL真空泵油和8mL质量浓度为2％的油酸钾溶液。调节转速到950rpm，维持搅拌15min后，将温度降到75℃，继续搅拌15min，开始降温。一小时内将终温度降至20℃，搅拌速度降至550rpm，保温20min，固化得到纤维素/不锈钢粉微球。用异丙醇与叔丁醇按50/50比例混合的混合醇溶液洗涤三次。将微球从有机相中过滤出来，沸水洗涤5遍，冷却后加入1倍微球体积的3％α-淀粉酶溶液，摇床反应1小时去取出。湿态筛分，水洗涤，得到粒径在50～250μm的复合微球22.7mL，密度为1.41g/cm³，比表面积为48.8m²/cm³，平均孔半径为51.6nm，最大孔半径可达

左右。

实施例10

于1000mL烧瓶内加入60％NMMO溶液120.0克，加入微晶纤维素3.2克，加入焦性没食子酸1.6克。在通氮气的条件下，于110℃下低速搅拌6.0个小时至总重为80.0克。加入10.0克碳化钨粉和10.0克不锈钢粉的混合物，搅拌均匀后，移至80℃水浴，加入12g质量浓度为5％的糊化玉米淀粉调节，继续搅拌20min，混合均匀。加入500mL真空泵油和4mLtween80和4mLtween20的混合物。调节转速到1050rpm，维持搅拌15min后，将温度降到75℃，继续搅拌15min，开始降温。一小时内将终温度降至20℃，搅拌速度降至520rpm，保温20min，固化得到纤维素/碳化钨微球。用异丙醇与叔丁醇按50/50比例混合的混合醇溶液洗涤三次。将微球从有机相中过滤出来，沸水洗涤5遍，冷却后加入2倍微球体积的3％α-淀粉酶溶液，摇床反应2小时去取出。湿态筛分，水洗涤，得到粒径在50～250μm的复合微球25.7mL，密度为1.95g/cm³，比表面积为44.8m²/cm³，平均孔半径为56.6nm，最大孔半径可达左右。

Claims

1.一种直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法，其特征在于所述的纤维素为纸浆、脱脂棉、精制棉、棉短绒或微晶纤维素。

3.根据权利要求1所述的一种直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法，其特征在于所述的纤维素粘胶中水的质量百分含量为7％～17％。

4.根据权利要求1所述的一种直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法，其特征在于所述的惰性增重剂为不锈钢粉、钛白粉、碳化钨粉、镍粉以及它们的混合物，惰性增重剂的粒径为0.1～20μm。

5.根据权利要求1所述的一种直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法，其特征在于所述的淀粉为玉米淀粉、小麦淀粉、烹调淀粉、木薯淀粉或糯米淀粉，糊化淀粉的质量百分浓度为3～8％。

6.根据权利要求1所述的一种直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法，其特征在于所述的油类分散相为泵油与氯苯的混合物、变压器油或花生油，其中泵油与氯苯的质量比为3∶1～6∶1。

7.根据权利要求1所述的一种直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法，其特征在于所述的表面活性剂为Tween 20、Tween 40、Tween 60、Tween 80、Span 20、Span 40、Span 60、Span 80、油酸钾或其混合物。

8.根据权利要求1所述的一种直接溶解法制备大孔型纤维素复合扩张床基质的方法，其特征在于所述的有机溶剂为异丙醇的水溶液或异丙醇与叔丁醇的混合溶液。