CN101948823A - 具有纳米复合结构的包埋微生物载体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有纳米复合结构的包埋微生物载体及其制备方法。该微生物载体是通过聚合反应制备的一种内部包埋有活性微生物的水凝胶，具有纳米复合结构。其制备方法主要包括下列步骤：1、将粘土粒子充分分散于水中；2、加入酰胺类单体充分搅拌；3、加入微生物制剂和自由基聚合引发剂搅拌均匀；4、在常温、常压、密封容器中进行自由基聚合得到水凝胶，即为具有纳米复合包埋微生物载体。本发明实施例的纳米复合微生物载体的压缩比可以达到97％。使用该方法制备包埋微生物载体工艺简便易行，所得载体质量稳定，力学性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及固定化生物领域，特别是涉及一种具有纳米复合结构的包埋微生物载体及其制备方法。
背景技术
固定化生物技术(Immobilized Biotechnology)是从20世纪60年代开始迅速发展起来的一项新技术，它是通过化学或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，使游离细胞或酶保持活性并可反复利用。固定化生物技术中，所用的微生物在外可每个凝胶珠都可以看成是一个小的生物反应器，由于缩短了扩散距离，转化率明显提高，反应结束后细胞还可以回收并重复使用。
在环保领域中，固定化生物技术具有微生物密度高、反应迅速、微生物流失少、产物易分离、反应过程易控制的优点，是一种高效低耗、运转管理容易和十分有前途的废水处理技术。
固定化生物技术的作用方法大致有吸附法、共价结合法、交联法和包埋法四大类。其中化学交联的高分子凝胶包埋固定法不存在固定不牢导致的脱落和抗冲击性差等问题，对于底物和产物是小分子的体系十分适合。然而凝胶的化学合成过程中往往存在多种有毒有害物质，且制备条件一般较为剧烈，特别是对于温度和压力敏感的微生物来说，经常造成微生物的大批死亡。如何降低有害物质和聚合过程对微生物的影响，是微生物固定化领域需要解决的难题之一。
另一方面，普通的高分子凝胶力学性能较差，当作为微生物载体长期应用于有较强冲击外力的环境中时，如曝气，搅拌等，容易发生碎裂，使用寿命低。如何获得有优良力学性能的包埋微生物载体，是其能否实现工业化应用的关键之一。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种具有纳米复合结构的包埋微生物载体及其制备方法，可解决现有普通的高分子凝胶力学性能较差，制得的微生物载体不能长期在较强冲击外力的环境中应用。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明实施例提供一种具有纳米复合结构的包埋微生物载体，该微生物载体是以水溶性自由基聚合单体、粘土、自由基聚合引发剂、交联剂、水和活性微生物和/或酶为原料，通过聚合反应制备成具有纳米复合结构且内部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水凝胶。
本发明实施例还提供一种具有纳米复合结构的包埋微生物载体的制备方法，包括：
按下述的配比取制备微生物载体的各原料：
水溶性自由基聚合单体 5～20wt％
粘土 0.05～10wt％
自由基聚合引发剂 0.01～1wt％
交联剂 0.01～2wt％
微生物和/或酶 0.02～5wt％
水 62～94.91wt％；
将粘土粒子充分分散于水中，然后加入水溶性自由基聚合单体和交联剂充分搅拌，之后加入微生物和/或酶，和自由基聚合引发剂混合均匀得到凝胶液，把凝胶液在常温、常压、密封容器中放置进行自由基聚合直至凝胶化，凝胶化后得到具有纳米复合结构且其内部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水凝胶即为具有纳米复合包埋微生物载体。
从上述本发明的技术方案中可以看出，本发明实施例中通过水溶性自由基聚合单体、粘土、自由基聚合引发剂、交联剂、水和活性微生物和/或酶为原料，聚合反应制备成具有纳米复合结构且其内部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水凝胶作为微生物载体。聚合过程中采用单体对粘土进行插层或剥离的方法，并通过工艺条件的控制，一方面获得了剥离的片状的纳米复合结构，另一方面将对微生物活性影响最大的单体插层到粘土中，降低了单体与微生物的直接接触，对微生物起到了保护作用；并且采用的常温常压快速成型的工艺条件，也显著减少有害物质与微生物的接触时间，并避免了剧烈的反应条件对微生物活性的破坏。该微生物载体具有纳米复合结构，力学性能优良，不容易发生碎裂，更加适合在有较强冲击力的环境中应用。
具体实施方式
本发明实施例提供一种具有纳米复合结构的包埋微生物载体，该微生物载体是以水溶性可自由基聚合聚合单体5～20wt％、粘土0.05～10wt％、自由基聚合引发剂0.01～1wt％、交联剂0.01～2wt％、微生物和/或酶0.02～5wt％和水62～94.91wt％为原料，通过聚合反应制备成具有纳米复合结构且内部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水凝胶。
该微生物载体的具体制备方法为：按上述配方取各原料，将粘土粒子充分分散于水中，然后加入单体和交联剂充分搅拌，之后加入微生物制剂和氧化还原引发剂混合均匀得到凝胶液，把凝胶液在常温、常压、密封容器中进行自由基聚合直至凝胶化，即得到具有纳米复合结构且包埋微生物的微生物载体材料。使用时，将聚合形成的水凝胶材料从容器中取出，切成近立方体状，即得到微生物载体。把聚合形成的凝胶从容器中取出，切成近立方体状，即得到微生物载体。
上述微生物载体配方中的水溶性自由基聚合单体为含有双键的能自由基聚合的单体，如可以是水溶性的酰胺类，水溶性丙烯酸类或水溶性丙烯酸酯单体中的任一种或任意几种。如可以是丙烯酰胺，丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸羟乙酯，甲基丙烯酸-β-羟乙酯等中的任一种或任意几种的组合物，优选采用丙烯酰胺，丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯酸-β-羟乙酯，可以单独使用一种，也可以将两种或两种以上组合使用。
上述微生物载体原料中的引发剂采用氧化还原引发剂。
上述微生物载体配方中还可以加入促进剂，促进剂可采用亚硫酸盐，亚硫酸氢盐，四甲基亚乙基二胺，二甲胺基丙腈，亚铁盐等中的任一种或任意几种，促进剂的用量为0.001～1.2wt％。
上述微生物载体配方中的交联剂为能参与自由基聚合的具有双官能度和多官能度的水溶性单体，该交联剂可采用N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，聚乙二醇二丙烯酸酯，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，双键封端的大分子单体中的任一种或任意几种的混合物。
上述微生物载体配方中的微生物和/或酶，可以采用粉体或水分散体，若采用粉体，使用时先用水将微生物和/或酶粉体制成微生物和/或酶水分散体；也可以直接使用微生物和/或酶的水分散体，只要保证其内按固定计的微生物和/或酶含量符合上述配方中的用量即可。并且，当使用微生物和/或酶的水分散体时，上述配方中水的用量中包含微生物和/或酶的水分散体中所含水的量。该微生物和/或酶中的微生物可以是厌氧微生物、兼性微生物或在无氧条件下可以休眠超过2h或可以存活超过2h的微生物中的一种或多种。本发明实施例制得的微生物载体对于具有芽孢的硝化菌也具有很好的活性保持作用。
本发明实施例制备的具有纳米复合结构的包埋微生物载体的结构均匀，制造方法简便易行，其压缩比普遍超过70％，最高可达97％，有优异的弹性。能够作为微生物载体材料或微生物酶载体材料使用，适合于在10～45℃可以生存的微生物或微生物酶。
实施例1
本实施例提供一种微生物载体，是一种纳米复合结构的包埋微生物载体，该微生物载体按下述配比取各原料，包括：
原料 用量
丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性单体) 8wt％
粘土 0.8wt％
过硫酸铵和亚硫酸氢钠(引发剂) 0.05wt％
N，N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂) 0.10wt％
细菌粉体(微生物和/或酶) 0.25wt％
无菌水 90.8wt％；
该微生物载体的制备方法为：先将粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺和N，N-亚甲基双丙烯酰胺充分搅拌，之后加入细菌粉体和过硫酸铵和亚硫酸氢钠混合均匀得到凝胶液，把凝胶液在常压、密封容器中，30℃保温放置1h，即得到具有纳米复合结构且包埋微生物的微生物载体材料，把聚合形成的水凝胶材料从容器中取出，切成近立方体状，即得到微生物载体。该微生物载体70％变形率时应力为255kPa，压缩比(变形率)达到95％。
实施例2
本实施例提供一种微生物载体，是一种纳米复合结构的包埋微生物载体，该微生物载体按下述配比取各原料，包括：
原料 用量
丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性单体) 10wt％
粘土 1wt％
过硫酸钾和亚硫酸氢钠(引发剂) 0.3wt％
N，N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂1) 0.16wt％
聚乙二醇400二丙烯酸酯(交联剂2) 0.02wt％
细菌粉体(微生物和/或酶) 2.5wt％
无菌水 86.02wt％；
该微生物载体的制备方法为：先将粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺和N，N-亚甲基双丙烯酰胺充分搅拌，之后加入微生物制剂和过硫酸钾和亚硫酸氢钠混合均匀得到凝胶液，把凝胶液在常压、密封容器中，25℃保温放置0.5h进行自由基聚合，聚合反应后即得到具有纳米复合结构且包埋微生物的微生物载体材料，将聚合形成的水凝胶材料从容器中取出，切成近立方体状，即得到微生物载体。该微生物载体70％变形率时应力为435kPa，压缩比(变形率)达到92％。
实施例3
本实施例提供一种微生物载体，是一种纳米复合结构的包埋微生物载体，该微生物载体按下述配比取各原料，包括：
原料 用量
丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性单体1) 6wt％
甲基丙烯酸羟乙酯(能自由基聚合的水溶性单体2) 8wt％
粘土 8wt％
过硫酸铵和亚硫酸氢钠(引发剂) 0.6wt％
N，N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂1) 0.1wt％
聚乙二醇(400)甲基丙烯酸酯(交联剂2) 0.15wt％
硝化菌水分散体(微生物和/或酶的水分散体，其中按固体计微生物和/或酶的含量为1wt％，其余29wt％为水) 30wt％
水 47.15wt％；
该微生物载体的制备方法为：先将粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇400二丙烯酸酯和过硫酸铵充分搅拌，之后加入硝化菌水分散体和亚硫酸氢钠混合均匀得到凝胶液，将凝胶液置于常压、密封容器中，通氮气10min，于28℃保温放置20min进行自由基聚合，聚合反应后即得到具有纳米复合结构且包埋微生物的微生物载体材料，将聚合形成的水凝胶材料从容器中取出，切成近立方体状，即得到微生物载体。该微生物载体材料的压缩比(变形率)达到78％。
实施例4
本实施例提供一种微生物载体，是一种纳米复合结构的包埋微生物载体，该微生物载体按下述配比取各原料，包括：
原料 用量
丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性单体1) 8wt％
乙烯吡咯烷酮(能自由基聚合的水溶性单体2) 4wt％
粘土 0.3wt％
过氧化苯甲酰和四甲基亚乙基二胺(引发剂) 0.12wt％
聚乙二醇(200)二丙烯酸酯(交联剂) 0.2wt％
微生物和/或酶水分散体(其中按固体计微生物和/或酶的含量为1.8wt％，其余25wt％为水) 30wt％
水 57.38wt％；
该微生物载体的制备方法为：将粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺、乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇(200)丙烯酸酯和过氧化苯甲酰充分搅拌至完全溶解后，加入四甲基亚乙基二胺混合均匀后，再加入细菌水分散体得到凝胶液，将凝胶液置于常压、密封容器中，通氮气10min，于40℃保温放置1.5h进行自由基聚合，聚合反应后即得到具有纳米复合结构且包埋微生物的微生物载体材料，将聚合形成的水凝胶材料从容器中取出，切成近立方体状，即得到微生物载体。该微生物载体70％变形率时应力为185kPa。
实施例5
本实施例提供一种微生物载体，是一种纳米复合结构的包埋微生物载体，该微生物载体按下述配比取各原料，包括：
原料 用量
丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性单体) 8wt％
粘土 1.6wt％
过硫酸氨和亚硫酸氢钠(引发剂) 0.3wt％
N，N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂1) 0.08wt％
微生物和/或酶的水分散体(其中，按固体计的微生物和/或酶含量为0.2wt％，其余18.8wt％的成份为水) 20wt％
水 70.02wt％；
该微生物载体的制备方法为：先将粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺N，N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵充分搅拌，之后加入硝化菌水分散体和亚硫酸氢钠，混合均匀得到凝胶液，将凝胶液置于常压、密封容器中，于25℃保温放置40min进行自由基聚合，聚合反应后即得到具有纳米复合结构且包埋微生物的微生物载体材料，将聚合形成的水凝胶材料从容器中取出，切成近立方体状，即得到微生物载体。该微生物载体70％变形率时应力为354kPa，压缩比(变形率)达到97％。
实施例6
本实施例提供一种微生物载体，是一种纳米复合结构的包埋微生物载体，该微生物载体按下述配比取各原料，包括：
原料 用量
丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性单体) 6wt％
粘土 0.3wt％
过硫酸氨和亚硫酸氢钠(引发剂) 0.1wt％
N，N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂1) 0.15wt％
微生物和/或酶的水分散体(其中，按固体计的微生物和/或酶含量为0.3wt％，其余38.85wt％的成份为水) 40wt％
水 53.45wt％；
该微生物载体的制备方法为：先将粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺N，N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵充分搅拌，之后加入硝化菌水分散体和亚硫酸氢钠，混合均匀得到凝胶液，将凝胶液置于常压、密封容器中，于25℃保温放置40min进行自由基聚合，聚合反应后即得到具有纳米复合结构且包埋微生物的微生物载体材料，将聚合形成的水凝胶材料从容器中取出，切成近立方体状，即得到微生物载体。该微生物载体70％变形率时应力为235kPa，压缩比(变形率)达到94％。
实施例7
本实施例提供一种微生物载体，是一种纳米复合结构的包埋微生物载体，该微生物载体按下述配比取各原料，包括：
原料 用量
丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性单体) 12wt％；
粘土 4wt％
过硫酸氨和亚硫酸氢钠(引发剂) 0.3wt％
N，N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂1) 0.3wt％
细菌粉体(微生物和/或酶) 0.6wt％
水 82.8wt％
该微生物载体的制备方法为：先将粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺N，N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵充分搅拌，之后加入硝化菌水分散体和亚硫酸氢钠，混合均匀得到凝胶液，将凝胶液置于常压、密封容器中，于30℃保温放置15min进行自由基聚合，聚合反应后即得到具有纳米复合结构且包埋微生物的微生物载体材料，将聚合形成的水凝胶材料从容器中取出，切成近立方体状，即得到微生物载体。该微生物载体70％变形率时应力为635kPa，压缩比(变形率)达到90％以上。
综上所述，本发明实施例的具有纳米复合结构的包埋微生物载体，其压缩比普遍超过75％，部分可以达到97％，70％形变时的应力达到635kPa。对照目前商品化的微生物载体的压缩比普遍为55～70％，说明该具有纳米复合结构的微生物载体具有良好的力学性能。使用该方法制备包埋微生物载体简便易行，所得产品质量稳定，力学性能优良。
实际中，还可以通过调节单体、交联剂的种类和用量来调控载体性能，并可通过调节自由基聚合引发剂的用量和比例来调整反应温度和反应时间以获得更高的包埋物活性，还可以通过调整微生物和/或酶的加入方式和用量来形成包埋不同的微生物和/或酶的微生物载体。该微生物载体在水处理、微生物和/或酶固定化等领域具有潜在的应用价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种具有纳米复合结构的包埋微生物载体，其特征在于，该微生物载体是以水溶性自由基聚合单体、粘土、自由基聚合引发剂、交联剂、水和活性微生物和/或酶为原料，通过聚合反应制备成具有纳米复合结构且内部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水凝胶。
2.如权利要求1所述的具有纳米复合结构的包埋微生物载体，其特征在于，所述制备微生物载体各原料用量为：
水溶性自由基聚合单体 5～20wt％
粘土 0.05～10wt％
自由基聚合引发剂 0.01～1wt％
交联剂 0.01～2wt％
活性微生物和/或酶 0.02～5wt％
水 62～94.91wt％。
3.如权利要求1或2所述的具有纳米复合结构的包埋微生物载体，其特征在于，所述水溶性自由基聚合单体包括：水溶性酰胺类单体、乙烯吡咯烷酮、水溶性丙烯酸类单体、水溶性丙烯酸酯单体等中的任一种或任意几种。
4.如权利要求1或2所述的具有纳米复合结构的包埋微生物载体，其特征在于，所述水溶性自由基聚合单体包括：
丙烯酰胺、乙烯吡咯烷酮、甲基丙烯酸-β-羟乙酯中的任一种或任意几种。
5.如权利要求1或2所述的具有纳米复合结构的包埋微生物载体，其特征在于，所述
自由基聚合引发剂采用氧化还原引发剂。
6.如权利要求1或2所述的具有纳米复合结构的包埋微生物载体，其特征在于，所述制备微生物载体的原料中还包括促进剂，促进剂采用亚硫酸盐，亚硫酸氢盐，四甲基亚乙基二胺，二甲胺基丙腈，亚铁盐等中的任一种或任意几种；促进剂的用量为0.001～1.2wt％。
7.如权利要求1或2所述的具有纳米复合结构的包埋微生物载体，其特征在于，所述交联剂采用能参与自由基聚合的具有双官能度和多官能度的水溶性单体。
8.如权利要求7所述的具有纳米复合结构的包埋微生物载体，其特征在于，所述交联剂采用N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，聚乙二醇二丙烯酸酯，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的任一种或任意几种。
9.如权利要求1或2所述的具有纳米复合结构的包埋微生物载体，其特征在于，所述活性微生物和/或酶中的微生物采用厌氧微生物、兼性微生物或在无氧条件下能休眠超过2小时或存活超过2小时的微生物中的任一种或任意几种。
10.一种具有纳米复合结构的包埋微生物载体的制备方法，其特征在于，包括：
按下述的配比取制备微生物载体的各原料：
水溶性自由基聚合单体 5～20wt％
粘土 0.05～10wt％
自由基聚合引发剂 0.01～1wt％
交联剂 0.01～2wt％
微生物和/或酶 0.02～5wt％
水 62～94.91wt％；
将粘土粒子充分分散于水中，然后加入水溶性自由基聚合单体和交联剂充分搅拌，之后加入微生物和/或酶，和自由基聚合引发剂混合均匀得到凝胶液，把凝胶液在常温、常压、密封容器中放置进行自由基聚合直至凝胶化，凝胶化后得到具有纳米复合结构且其内部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水凝胶即为具有纳米复合结构的包埋微生物载体。
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