CN109735528A - 用于染料降解的整体型生物反应器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于染料降解的整体型生物反应器的制备方法，对堇青石进行酸洗预处理后，在堇青石蜂窝陶瓷表面组装LPEI，得到具有纳米纤维结构表面的整体柱。利用带正电荷的LPEI纳米纤维吸附带负电荷的HRP，进而诱导硅酸钠缩聚在其表面形成硅层，得到硅/HRP@LPEI/PSS/堇青石整体柱即为用于染料降解的整体型生物反应器。本发明利用线性聚乙烯亚胺结晶驱动自组装的特性在堇青石表面形成纳米纤维结构，显著提高了整体柱的酶负载量，通过聚乙烯亚胺诱导仿生矿化在催化剂表面形成硅层，提高了生物催化剂的稳定性，进而成功构建了稳定的高负载生物反应器。该方法制备过程简便，条件温和，适用于其他的酶生物反应器的构建。
Description
技术领域
本发明涉及用于染料降解的整体型生物反应器的制备方法，属于固定化酶制备技术。
背景技术
近年来，连续式流动反应越来越受到重视，而其中最主要的部分就是用于填充的催化剂载体的设计，堇青石蜂窝陶瓷(cordierite ceramics)化学稳定性以及机械稳定性较好，且内部有大量空隙结构，压降低，廉价易得，易加工为不同尺寸，是一种常用的工业材料。LPEI是一种线性高分子，利用LPEI对堇青石表面进行修饰能够在堇青石表面形成交错的纤维结构，提供更多的酶结合位点。仿生硅化能够在多种材料表面形成涂层，并且能够实现结构、尺寸的调控。
辣根过氧化物酶(EC 1.11.1.7；HRP)。HRP是一类血红素过氧化物酶，在染料降解，酚醛类废水降解方面都有应用。
以线性聚乙烯亚胺修饰的堇青石蜂窝陶瓷为载体固定化HRP，并利用LPEI诱导硅酸钠在表面缩聚，形成硅纳米涂层，构建生物反应器。线性聚乙烯亚胺能够大大增强堇青石比表面积，提供更多的酶结合位点，提升反应器负载率。
发明内容
本发明的目的在于提供用于染料降解的整体型生物反应器的制备方法。本发明制备原料廉价、易得，制备工艺简单易行。
本发明提出的一种用于染料降解的整体型生物反应器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将堇青石以体积比为1:8置于摩尔体积浓度为2.5mol mL-1盐酸中，在80℃下超声处理3h，将堇青石取出并用去离子水冲洗直至堇青石表面为中性，随后将堇青石在80℃真空干燥箱中干燥3h，备用；
步骤二、将经过步骤一预处理后的堇青石以体积比为1:3置于质量体积浓度为2mgmL-1的聚苯乙烯磺酸钠溶液中，于150r min-1摇床反应30min，得到聚苯乙烯磺酸钠/堇青石，取出后用去离子水冲洗3次；
步骤三、将步骤二得到的聚苯乙烯磺酸钠/堇青石置于80℃质量百分比为6wt％的线性聚乙烯亚胺溶液中，确保其表面完全浸润后取出；在室温下放置5min；得到线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石；
步骤四、将步骤三得到的线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石以体积比1:8置于质量体积浓度为0.1mg mL-1辣根过氧化物酶的醋酸/醋酸钠缓冲液中，以150r min-1摇床反应5min；并用pH 5.0的醋酸/醋酸钠缓冲溶液清洗3次；得到辣根过氧化物酶/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石；
步骤五、将步骤四得到的辣根过氧化物酶/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石以体积比为1:8置于摩尔体积浓度为30mmol mL-1的硅酸钠的醋酸/醋酸钠缓冲液中，以150r min-1摇床30min，取出用醋酸/醋酸钠缓冲液清洗3次，最终得到的硅/辣根过氧化物酶/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石即为整体型生物反应器。
与现有技术相比，本发明提出的用于染料降解的整体型生物反应器的制备方法，制备条件温和，工艺简单。较现有技术制备的整体型固定化酶相比，本申请中所制备的固定化酶负载率显著提升。
附图说明
图1为堇青石的光学照片；
图2为对比例1制备的支状聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石的SEM照片；
图3为实施例1中制得的硅/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石的SEM照片；
图4为对比例2中制得的硅/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石的SEM照片。
具体实施方式
本发明的设计思路是：利用盐酸溶液，聚苯乙烯磺酸钠溶液，线性聚乙烯亚胺溶液，硅酸钠溶液对堇青石进行预处理和表面修饰。其中，盐酸能够与堇青石中的氧化铝、氧化镁、氧化硅等反应，去除堇青石中杂质组分；线性聚乙烯亚胺带正电能够通过静电作用修饰在PSS/堇青石表面，同时利用其高分子结晶驱动自组装特性能够形成纤维状的粗糙表面且固定化辣根过氧化物酶后，利用线性聚乙烯亚胺诱导硅酸钠缩聚，能够在表面形成硅层，最终获得硅/辣根过氧化物酶/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石(硅/HRP/LPEI/PSS/堇青石)。
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
对比例1：支状聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石的制备，步骤如下：
将1500mg堇青石(图1是该堇青石的光学照片)置于50mL摩尔体积浓度为2.5molL-1盐酸中，在80℃的温度下超声处理3h后将堇青石取出并用去离子水冲洗直至堇青石表面为中性，随后将堇青石在80℃真空干燥箱中真空干燥3h。将这1500mg经过盐酸预处理后的堇青石置于18.75mL质量体积浓度为2mg mL-1的聚苯乙烯磺酸钠溶液中以150r min-1摇床反应30min，而后取出用去离子水冲洗3次，再将此1500mg堇青石全部置于15mL质量浓度为3wt％的支状聚乙烯亚胺溶液中以150r min-1摇床反应30min，再置于50mL质量体积浓度为0.1mg mL-1的辣根过氧化物酶的醋酸/醋酸钠缓冲液中，于150r min-1摇床反应30min并用pH 5.0的醋酸/醋酸钠缓冲溶液清洗3次，最终得到辣根过氧化物酶/支状聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石。图2是支状聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石的SEM照片。
实施例1：一种整体型生物反应器，具体为高负载的固定化酶整体柱的制备，步骤如下：
步骤一、堇青石的盐酸预处理以及聚苯乙烯磺酸钠修饰，与对比例1的制备过程相同；
步骤二、将步骤一得到的聚苯乙烯磺酸钠/堇青石置于80℃质量浓度为6wt％的线性聚乙烯亚胺溶液中，确保其表面完全浸润后取出；在室温下放置5min；得到线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石；
步骤三、取1500mg步骤二得到的线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石置于50mL质量体积浓度为0.1mg mL-1的辣根过氧化物酶的醋酸/醋酸钠缓冲液中以150r min-1摇床反应5min，并用pH 5.0的醋酸/醋酸钠缓冲溶液清洗3次；得到辣根过氧化物酶/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石。
步骤四、将步骤三得到的辣根过氧化物酶/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石全部置于50mL摩尔体积浓度为30mmol mL-1的硅酸钠的醋酸/醋酸钠缓冲液中，摇床30min，取出用醋酸/醋酸钠缓冲液清洗3次，最终得到的硅/辣根过氧化物酶/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石即为整体型生物反应器，图3为制得的硅/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石的SEM照片，其负载率高达83.75％，固定化酶后酶活回收率为55.33％，以甲基橙为例，降解效率为53.26％。
对比例2：一种整体型生物反应器，具体为高负载的固定化酶整体柱的制备，本实施例2与实施例1步骤基本相同，与其不同仅为：步骤二中将线性聚乙烯亚胺(LPEI)溶液的浓度改变为3wt％。图4为对比例2制备得到的硅/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石的SEM照片。当LPEI浓度降低时，堇青石表面纤维结构也有所减少。
综上，通过上述实施例与对比例及其对应的SEM图发现，以堇青石为模板，在其表面形成一层LPEI，即利用线性聚乙烯亚胺结晶驱动自组装的特性在堇青石蜂窝陶瓷表面组装线性聚乙烯亚胺(LPEI)，得到具有纳米纤维结构表面的整体柱，增加了堇青石的表面粗糙度，大大提升了酶的负载量，而后利用带正电荷的LPEI纳米纤维吸附带负电荷的辣根过氧化物酶(HRP)，进而通过聚乙烯亚胺诱导仿生矿化在催化剂表面形成硅层，提高了生物催化剂的稳定性，成功构建了稳定的高负载生物反应器(硅/辣根过氧化物酶/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石整体柱)，是一种用于染料降解的整体型生物反应器。通过SEM验证了高负载固定化酶整体柱的成功合成。本发明利用线性聚乙烯亚胺熔融结晶过程以及聚乙烯亚胺诱导仿生矿化过程，制备过程简便，条件温和，通过改变LPEI浓度可调节堇青石表面粗糙程度，特别是，LPEI浓度越高时，堇青石表面粗糙程度增加，单位固定化酶载体的酶负载量增大，最终获得的整体型生物反应器的染料降解效果增强。本发明制备方法同样适用于其他的酶生物反应器的构建。
Claims (1)
1.一种用于染料降解的整体型生物反应器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将堇青石以体积比为1:8置于摩尔体积浓度为2.5mol mL-1盐酸中，在80℃下超声处理3h，将堇青石取出并用去离子水冲洗直至堇青石表面为中性，随后将堇青石在80℃真空干燥箱中干燥3h，备用；
步骤二、将经过步骤一预处理后的堇青石以体积比为1:3置于质量体积浓度为2mg mL-1的聚苯乙烯磺酸钠溶液中，于150r min-1摇床反应30min，得到聚苯乙烯磺酸钠/堇青石，取出后用去离子水冲洗3次；
步骤三、将步骤二得到的聚苯乙烯磺酸钠/堇青石置于80℃质量百分比6wt％线性聚乙烯亚胺溶液中，待聚苯乙烯磺酸钠/堇青石表面完全浸润后取出，在室温下放置5min；得到线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石；
步骤四、将步骤三得到的线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石以体积比1:8置于质量体积浓度为0.1mg mL-1的辣根过氧化物酶的醋酸/醋酸钠缓冲液中，以150r min-1摇床反应5min；并用pH 5.0的醋酸/醋酸钠缓冲溶液清洗3次；得到辣根过氧化物酶/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石；
步骤五、将步骤四得到的辣根过氧化物酶/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石以体积比为1:8置于摩尔体积浓度为30mmol mL-1的硅酸钠的醋酸/醋酸钠缓冲液中，以150rmin-1摇床30min，取出用醋酸/醋酸钠缓冲液清洗3次，最终得到的硅/辣根过氧化物酶/线性聚乙烯亚胺/聚苯乙烯磺酸钠/堇青石即为整体型生物反应器。
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| CN1925912A (zh) * | 2004-02-27 | 2007-03-07 | 陶氏环球技术公司 | 从液体反应剂形成产物的改进的催化方法 |
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