CN103691372A

CN103691372A - 一种介孔材料的制备方法

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Publication number: CN103691372A
Application number: CN201310718890.5A
Authority: CN
Inventors: 廖文强; 张翼冠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-23
Also published as: CN103691372B

Abstract

本发明涉及材料领域，公开一种介孔材料的制备方法，包含以下步骤：搅拌下向前驱体中加入酸或碱溶液，经水解得到透明溶液，将透明溶液冷却，回收乙醇；在搅拌下向透明溶液加入模板溶液，用碱性或酸性溶液调节pH值为中性成胶；将成胶得到的湿胶粉碎，水洗除去模板，水洗后的混合液进行抽滤得到白色的凝胶，将凝胶进行干燥，粉碎过筛即得。本发明所述制备介孔材料的方法在制备过程的反应体系中加入酶等生物活性物质可获得固定化酶，实验显示本发明所获得的介孔材料固定化酶反复使用多次后，酶活力几乎保持不变。

Description

一种介孔材料的制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，特别涉及一种介孔材料的制备方法。

背景技术

我国原油需求的增加和环境污染的双重压力下，发展可再生清洁能源，对降低对原油的依赖和减轻“雾霾”等环境的压力都具有重要意义。近年来以生物质为原料制取生物液体燃料取得重大进展。目前技术与工艺已经可以将人类不可直接食用的含有纤维素的生物质如秸秆、蔗渣等为原料制备纤维素乙醇。

从生物质制备乙醇一般包括以下几个步骤：

（一）生物质原料的收集和运输；

（二）生物质的预处理；

（三）用纤维素酶将纤维素分解、转化为可人类可消化食用的糖类如葡萄糖；

（四）糖发酵得到液体燃料即乙醇。

上述第三步过程中使用纤维素酶不能回收、不能重复使用、酶成本太高，导致目前的生物液体燃料尤其是纤维素乙醇无法商业化大规模生产，生物液体燃料尤其是纤维素乙醇的价格以燃烧值为单位远高于从化石原料所得到的燃料油。

纤维素乙醇因用酶成本高而不能商业化生产，目前针对这一问题的解决方案是从纤维素酶本身入手，通过优化制备纤维素酶的菌株，改良制备工艺等实现制备高活性的纤维素酶。丹麦诺维信高活性纤维素酶产品名诺纤力赛力(CTec3)，美国杰能科（Genecore）高活性纤维素酶产品名Accellerase TRIO。但不论如何改进工艺、优选菌株，都不能无限制的提高酶活力。另外，因自由酶本身存在局限性，如稳定性差、不易储存、不能回收反复使用等，因此从纤维素酶本身入手解决纤维素乙醇生产时酶成本过高的瓶颈的方案受到限制。

另一可选的解决方案是采用介孔材料固定化纤维素酶。介孔材料是指孔径介于2～50纳米的新型多孔材料，其具有巨大比表面积和三维孔道结构。介孔材料的高比表面积，可控的孔径分布和较大的孔体积使其在催化、吸附脱附、传感器、药物控释和新型介孔材料等方面都有许多潜在的应用价值。介孔材料固定化酶具有较好的耐温性、pH适应性和重复利用性。

未经介孔材料固定化的酶即自由酶在实际使用中存在以下缺点：（1）不能回收，不可重复使用；（2）稳定性差，在一些环境中酶活性降低甚至失去活性；（3）酶催化效率低。采用介孔材料固定化酶可克服上述缺点。

目前介孔材料的制备方法不利于工业化生产，如需要高温或者高压;或者需要表面活性剂戊二醛、聚乙二醇、聚乙烯醇、span80等做模板；或者需要在反应体系中加入乙醇或者甲醇等醇类物质；或者需要氮气等惰性气体的制备环境；或者制备时间长；另外这些方法制备获得的介孔材料孔径范围狭窄，孔径调节范围小，这些导致制备介孔材料过程复杂、生物不相容、环境不友好、生产成本高、不能工业化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物相容的非表面活性剂为模板制备介孔材料的方法，所述方法制备介孔材料可通过模板浓度调节孔径大小。

本发明提供的一种介孔材料的制备方法，包含以下步骤：

一种介孔材料的制备方法，包含以下步骤：

步骤1：搅拌下向前驱体中加入酸或碱溶液，经过水解得到透明溶液，将透明溶液冷却，充分移除并回收反应副产物乙醇；

步骤2：在搅拌下向透明溶液加入模板溶液，用碱性溶液调节pH值为中性成胶，模板质量百分比为15%-65%；

步骤3：将成胶得到的湿胶粉碎，水洗除去模板，获得白色的凝胶，将凝胶进行干燥，粉碎过筛即得本发明所述介孔材料。

作为优选，正硅酸乙酯与HCl的质量比为500-1200:1。

更优选地，正硅酸乙酯与HCl的质量比为750:1。

步骤1中，充分移除并回收乙醇，乙醇移除率不低于95%，最佳移除率不要低于99%，使反应体系中乙醇残留率小于1%。

步骤1中，反应副产物乙醇回收，可作为商业产品。

所述模板选自D-葡萄糖、果糖、蔗糖、尿素、甘油、寡肽、海藻糖。

步骤1述酸溶液选自HCl、H₂SO₄或者HNO₃溶液，所述碱溶液为NaOH溶液。

正硅酸乙酯与HCl的质量比为500-1200:1。

正硅酸乙酯与HCl的质量比为750:1。

作为优选，步骤2中D-葡萄糖与正硅酸乙酯的质量比为1：3-16。

更优选地，步骤2中D-葡萄糖与正硅酸乙酯的质量比为1：8。

作为优选，步骤2所述碱性溶液选自NaOH、KOH或氨水溶液。

更优选地，步骤3所述过筛为过40目筛。步骤3水洗去除的模板可回收重复使用，降低本发明所述介孔材料的生产成本。

本发明还提供所述制备方法制备的介孔材料，其孔径为20-50纳米。

本发明所述制备方法具有以下特点：

（1）制备简单，常温常压下制备，生产反应条件温和；

（2）生物相容；

（3）廉价；

（4）孔道各向同性、均匀；

（5）可通过模板浓度调节孔径大小；

（6）原料-过程-产物完全“绿色”无污染等特性。

本发明所述介孔材料可用于生物活性物质（如酶、多肽药物、细胞因子等），细胞和药物等物质的固定，固定化后可以明显改善以及增强被固定材料或物质的特性。例如通过本发明将酶固定化制备获得的介孔固定化酶可以重复回收使用，且适合工业化生产。介孔材料固定化酶克服了自由酶的不足，具有明显的优势：（1）介孔固定化酶可回收，可多次高效重复使用；（2）介孔固定化酶稳定性明显提高，易于保存；（3）介孔固定化酶催化效率明显提高。

本发明所述生产介孔材料的方法，可通过模板的浓度来调节介孔材料孔径，孔径与模板含量成“正相关”。模板质量百分比在15%-65%，制备获得的介孔材料孔径随着模板比例增加而增加，孔径范围在20-55纳米之间。本发明制备的介质材料能够彼此相连接构成三维网孔状结构，其通道孔径20-55nm或者更大；材料比表面积大，大于1200m²/g，孔体积大，大于0.5cm³/g。

本发明所述方法制备的介孔材料，明显改善以及增强原非固化材料或物质的特性。本发明所述介孔材料用于固定纤维素酶，酶稳定性和催化活性明显提高，可以重复使用，至少反复使用12次，酶活性保持85%以上，大大降低了纤维素酶的使用成本，解决了纤维素乙醇生产酶成本高的问题。

本发明提供一种生物相容的非表面活性剂模板法合成介孔材料的方法，通过该方法制备的介孔材料固定化纤维素酶，可以反复回收高效使用，除将秸秆、蔗渣等人类不可食用生物质转化为纤维素乙醇外，还可将含生物质的生活垃圾转化为燃料乙醇，变废为宝，不仅实现了低成本商业化生产纤维素乙醇等生物液体燃料，还解决了环境污染问题，对从生物质制备可食用的糖类和燃料醇等方面有深远的意义。

附图说明

图1为本发明所述介孔材料固定纤维素酶中纤维二糖酶与无模板固定化纤维素酶中纤维二糖酶酶活性比较。

具体实施方式

本发明公开了一种介孔材料的制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：介孔材料制备

表2.生产400kg介孔材料所需要的原料

制备过程如下：

正硅酸乙酯、水、盐酸，在常温下按比例搅拌混合进行溶胶-凝胶反应，反应时间15分钟左右，获得均相无色透明的溶胶，用水冷却降温，充分移除并回收反应产生的副产物乙醇，形成预水解凝胶，然后在搅拌状态下加入D-葡萄糖或果糖水溶液，最后加入氢氧化钠溶液调节体系的pH值到中性附近，然后低温放置生成凝胶，约48小时凝胶化完成之后，把凝胶粉碎，再用水进行洗涤2-3次不等以除去凝胶体系中的葡萄糖模板，过滤获得的介孔材料干燥2-3天，进一步粉碎成40目左右粉末，最终得到本发明所述介孔材料。

正硅酸乙酯在酸或碱催化下的水解反应方程式为：

Si(OC₂H₅)₄+2H₂O→SiO₂+4C₂H₅OH

上述反应体系中，使用不同质量的葡萄糖模板，使得模板比例分别为15%、20%、27%、35%、45%、56%、65%，制备获得的介孔材料孔径随着模板比例增加而增加，孔径范围在21.1到52.5纳米之间。因此，本发明可以很方便地通过使用不同模板剂的量来调节介孔材料的孔径。

实施例2：制备本发明所述介孔固定化酶

以制备介孔固定化纤维素酶为例见表3。

表3

制备介孔固定化纤维素酶时，介孔材料和酶的质量比例为4:2。

一步法制备介孔固定化酶：

参照实施例1，制备介孔材料形成预水解凝胶的步骤，在搅拌状态下加入D-葡萄糖水溶液后，即可在搅拌状态下按比例加入纤维素酶缓冲液，最后加入氢氧化钠溶液调节体系的pH值到中性附近，然后放置低温环境下形成凝胶，约48小时当凝胶化完成之后，把得到的湿胶研磨粉碎，用水进行洗涤2次除去凝胶体系中的葡萄糖模板，过滤，干燥2-3天，研磨粉碎过筛，即得到介孔固定化纤维素酶。

实施例3：固定化酶稳定性和催化效力提高

用制备的介孔材料固定化纤维素酶后，热稳定性良好，50%的果糖为模版热稳定性最高，明显优于无模版的固定化酶和自由酶，自由纤维素酶中纤维二糖酶的活性在256IU左右(37℃)，如表4及表5所示：

表4固定化纤维素酶具有很好的热稳定性

注：（1）纤维素酶是复合酶，由C1酶、Cx酶和β葡糖苷酶（即纤维二糖酶）三种酶组合。

（2）表4中酶的活性曲线分别以每种酶在37℃时的酶活性作为1。37℃时，测得的酶活性：0%果糖模板介孔固定化纤维素酶中纤维二糖酶活性105±8IU，50%果糖模版纳米纤维素酶中纤维二糖酶活性256±13IU，自由纤维素酶中二糖酶活性302±21IU。

表5各实验组37℃时的纤维二糖酶的比活力

由表5可知，37℃时，50%果糖模板组的二糖酶活力明显高于无模板组，二者均低于自由纤维素酶组。

实施例4：纤维二糖酶活力测定

纤维二糖酶活力(cellobiase activity,CBA)按照IUPAC推荐的标准方法测定，以国际单位IU表示。取1.0mL纤维二糖底物(15mmol/L、pH=4.8)于试管中，加入1mL适当稀释的酶液，在50℃下恒温反应30min。用葡萄糖氧化酶法测定生成的葡萄糖，并扣除空白试验测定值。一个纤维二糖酶活力国际单位(CBIU)等于标准酶促反应条件下每分钟生成2.0μmol葡萄糖的酶量。则有：

介孔固定纤维素酶应用于秸秆制备纤维素乙醇，反复回收使用12次后，介孔材料固定的纤维素酶（50%的果糖为模板）酶活性保持在85%以上，明显优于无模板固定化酶，自由纤维素酶中二糖酶的活性在300IU左右(37℃)，见图1所示，说明本发明固定化酶反复回收使用数次后酶活力保持率高，和传统制备纤维素乙醇时酶不可回收使用比较，可显著降低酶的使用成本，可实现低成本规模化生产纤维素乙醇。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。

Claims

1.一种介孔材料的制备方法，包含以下步骤：

步骤2：在搅拌下向透明溶液加入模板溶液，用碱性溶液调节pH值为中性成胶，模板质量百分浓度为15%-65%；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体选自正硅酸乙酯、壳聚糖、四氧化三铁或海藻酸钠。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述酸溶液选自HCl、H₂SO₄或者HNO₃溶液，所述碱溶液为NaOH溶液。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，正硅酸乙酯与HCl的质量比为500-1200:1。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，正硅酸乙酯与HCl的质量比为750：1。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述模板选自D-葡萄糖、果糖、蔗糖、尿素、甘油、寡肽、海藻糖。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2中D-葡萄糖与正硅酸乙酯的质量比为1：3-16。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2中D-葡萄糖与正硅酸乙酯的质量比为1：8。

9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤2所述碱性溶液选自NaOH、KOH或氨水溶液。

10.根据权利要求1-9任一项制备方法制备的介孔材料，其特征在于，孔径为20-55nm。