CN110144343B - 介孔硅基材料固定碳酸酐酶及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介孔硅基材料固定碳酸酐酶及其制备方法与应用：所述固定化碳酸酐酶按如下方法制备：将4‑10mg/mL碳酸酐酶水溶液加入到6‑8mg/mL介孔硅基材料悬浮液中，在25‑30℃下搅拌1h，反应结束后，得到反应混合液经离心、洗涤，得到介孔硅基材料固定碳酸酐酶。本发明利用固定化碳酸酐酶颗粒强化促进二氧化碳在碳酸钾溶液中的吸收速率，从而可应用于强化集成真空碳酸盐吸收工艺来捕集烟气中的二氧化碳，在同等条件下提高了二氧化碳吸收速率，吸收速率较纯2wt％碳酸钾溶液提高了1.57倍，显著地提升了经济效益和社会效益。
Description
(一)技术领域
本发明属于酶固定及应用领域，涉及一种介孔硅基材料固定碳酸酐酶，及其用于提高碳酸钾溶液吸收二氧化碳的速率。
(二)背景技术
二氧化碳释放到大气中是全球气候变化的主要原因。为了减少二氧化碳的排放，人们研究了一大批工艺用于二氧化碳的捕集。目前，基于乙醇胺(MEA)的吸收工艺是最为成熟和有效的技术，它用于捕获燃烧后废气中的二氧化碳。然而，该工艺有以下缺点：花费高；对设备有腐蚀性；再生需要消耗大量能量。
为了克服MEA工艺耗能大的缺点，美国研究者提出了一个新的热钾法工艺，称为集成真空碳酸盐吸收工艺(IVCAP)(美国专利号：US 8,062,408 B2)。该方法使用了一种碳酸钾的水溶液作为二氧化碳的吸收剂。二氧化碳和碳酸钾溶液的弱亲和力使得二氧化碳在低温(50-70℃)和低压(2-8psia)条件下能够从富二氧化碳的溶液中解析出来。从而，来自电厂低压汽轮机的劣质蒸汽能够为解析过程提供能量。因此，IVCAP是一个技术可行的工艺，而且它比MEA工艺更经济，但是碳酸钾溶液吸收二氧化碳能力较弱，吸收速率很低。
由于碳酸钾溶液吸收二氧化碳能力较弱，吸收速率很低，因此引入碳酸酐酶作为催化剂，来提升二氧化碳的吸收速率。碳酸酐酶是一种催化速率最快的锌基金属酶，它能够在气相中快速转移二氧化碳，其周转率高达106s-1。游离碳酸酐酶在高温、强酸、强碱和化学杂质存在的条件下容易失活。
(三)发明内容
本发明所解决的技术问题是IVCAP工艺所利用的碳酸钾是弱CO2吸收剂并且吸收速率慢，固定化酶具有一定的形状和机械强度，可以提高酶的稳定性，便于在反应器中使用，并为更广泛的工业应用建立竞争优势。因此本发明提供一种介孔硅基材料固定碳酸酐酶，提高酶稳定性。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案是：
一种介孔硅基材料固定化碳酸酐酶，所述固定化碳酸酐酶按如下方法制备：
将4-10mg/mL碳酸酐酶水溶液加入到6-8mg/mL介孔硅基材料悬浮液中，在25-30℃下搅拌1h，反应结束后，得到反应混合液经离心，得到沉淀用去离子水洗涤2-3次(优选3次)，得到介孔硅基材料固定碳酸酐酶；所述碳酸酐酶水溶液是将碳酸酐酶溶于去离子水中制成；所述介孔硅基材料悬浮液是将介孔硅基材料均匀悬浮于去离子水中制成；所述的介孔硅基材料悬浮液中介孔硅基材料与碳酸酐酶的质量之比为1：0.2-0.6(优选为1:0.4)。
进一步，所述的介孔硅基材料为MCM-41、SBA-15或KIT-6(优选SBA-15)。
进一步，所述离心过程的转速为12000rpm，时间为6-7min。
本发明所述的介孔硅基材料固定碳酸酐酶应用于制备二氧化碳吸收剂来捕集烟气中的二氧化碳。
进一步，所述的应用为：将介孔硅基材料固定碳酸酐酶与碳酸钾和水混合均匀即得二氧化碳吸收剂；所述的吸收剂中，所述碳酸钾的质量浓度为2％或20％(优选2％)，所述介孔硅基材料固定碳酸酐酶的质量浓度为1mg/mL。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明所述的介孔硅基材料固定碳酸酐酶碳酸钾溶液与碳酸钾溶液混合制备的二氧化碳吸收剂与纯2wt％碳酸钾溶液的二氧化碳吸收速率相比，强化集成真空碳酸盐吸收工艺(IVCAP)来捕集烟气中的二氧化碳，在同等条件下提高了二氧化碳吸收速率，有效提高了1.57倍的二氧化碳吸收速率；并且介孔硅基材料固定化碳酸酐酶较游离酶相比，提高了稳定性。
附图说明
图1为介孔硅基材料固定化碳酸酐酶颗粒XRD图谱。
图2为介孔硅基材料固定化碳酸酐酶颗粒扫描电镜图。
图3为2wt％碳酸钾溶液，2wt％碳酸钾溶液+固定化碳酸酐酶和2wt％碳酸钾溶液+游离酶的吸收速率图。
图4为游离酶和固定化碳酸酐酶在40℃下保存15天活性变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例所述的碳酸酐酶购自Sigma-Aldrich公司，酶活3500W-Aunits/mg，二氧化碳气体购自杭州今工特种气体有限公司，介孔硅基材料购自南京先丰纳米材料科技有限公司。
实施例1介孔硅基材料固定化碳酸酐酶制备
将0.4mL、10mg/mL碳酸酐酶水溶液加至1.6mL、6.25mg/mL介孔硅基材料(SBA-15)悬浮液中，以200rpm的转速搅拌1h。反应结束后，以12000rpm离心6min，沉淀用去离子水洗涤三次，得到固定化碳酸酐酶0.015g，碳酸酐酶的质量负载率为6％，其XRD图谱与扫描电镜图见图1与图2。如图所示，SBA-15的XRD图谱中的峰符合实际报道中SBA-15出峰情况；由扫描电镜图可直接观察到SBA-15呈绳状六角形杆。
实施例2介孔硅基材料固定化碳酸酐酶用于促进2wt％的碳酸钾溶液吸收二氧化碳
将0.015g实施例1制备的固定化碳酸酐酶加入到15mL 2wt％的碳酸钾溶液中，以200rpm的转速使固定化碳酸酐酶均匀分散在溶液中，使用搅拌釜反应器以测压法的形式测定二氧化碳的吸收速率，反应温度控制在40℃。在每次CO2吸收反应之前，使用真空泵(Fujiwara，2PCV-2M)将反应器顶部空间中的气体抽取出来并达到平衡状态。从气瓶向反应器供应纯CO2气体使之分压为15kPa，并且通过真空压力传感器(Omega，PX409-015AUSBH)测量吸收期间的压力并通过计算机记录。测试期间CO2压力变化的曲线根据以下等式估计CO2进入吸收剂溶液的瞬时吸收率，
其中
是CO2通量，mol/(m2·s)；
是CO2分压，kPa；t是时间，s；Vg是反应器中的气体体积，m3；R是通用气体常数，Pa·m3/(mol·K)；T是温度，K；和AGL是气液界面区域，m2。
由上述计算可得到，纯2wt％的碳酸钾溶液的吸收速率为2.8×10-4mol/(m2·s)；加入0.015g固定化碳酸酐酶后，反应溶液的吸收速率为7.2×10-4mol/(m2·s)，吸收速率提高了1.57倍；若加入相同量的游离碳酸酐酶，则反应液的吸收速率为7.6×10-4mol/(m2·s)，如图3所示。
实施例3介孔硅基材料固定化碳酸酐酶用于促进20wt％的碳酸钾溶液吸收二氧化碳
将0.015g固定化碳酸酐酶加入到15mL 20wt％的碳酸钾溶液中，以200rpm的转速使固定化碳酸酐酶均匀分散在溶液中，使用搅拌釜反应器以测压法的形式测定二氧化碳的吸收速率，反应温度控制在40℃。在每次CO2吸收反应之前，使用真空泵(Fujiwara，2PCV-2M)将反应器顶部空间中的气体抽取出来并达到平衡状态。从气瓶向反应器供应纯CO2气体使之分压为15kPa，并且通过真空压力传感器(Omega，PX409-015AUSBH)测量吸收期间的压力并通过计算机记录。测试期间CO2压力变化的曲线根据以下等式估计CO2进入吸收剂溶液的瞬时吸收率，
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是CO2分压，kPa；t是时间，s；Vg是反应器中的气体体积，m3；R是通用气体常数，Pa·m3/(mol·K)；T是温度，K；和AGL是气液界面区域，m2。
由上述计算可得到，纯20wt％的碳酸钾溶液的吸收速率为2.5×10-4mol/(m2·s)；加入0.015g固定化碳酸酐酶后，反应溶液的吸收速率为3.7×10-4mol/(m2·s)，吸收速率提高了0.48倍；若加入相同量的游离碳酸酐酶，则反应液的吸收速率为6.2×10-4mol/(m2·s)。
实例4介孔硅基材料固定化碳酸酐酶的热稳定性优于游离酶
将实例1中制备得到固定化碳酸酐酶加入到2wt％碳酸钾溶液中，于40℃下保存15天，每隔3天测定0.015g固定化碳酸酐酶在15mL2wt％碳酸钾溶液中的吸收速率。15天后，保存的0.015g碳酸酐酶在15mL 2wt％碳酸钾溶液中的吸收速率为5.3×10-4mol/(m2·s)。而相同条件下，相同质量的游离酶在2wt％碳酸钾溶液中的吸收速率为4.8×10-4mol/(m2·s)。15天后，介孔硅基材料固定化碳酸酐酶保留了56％的初始活性，而相同量的游离碳酸酐酶仅保留了42％的初始活性，如图4所示。说明介孔硅基材料固定化碳酸酐酶的热稳定性优于游离酶。
Claims (4)
1.一种介孔硅基材料固定化碳酸酐酶在制备二氧化碳吸收剂来捕集烟气中的二氧化碳中的应用，其特征在于：所述固定化碳酸酐酶按如下方法制备：
将4-10mg/mL碳酸酐酶水溶液加入到6-8mg/mL介孔硅基材料悬浮液中，在25-30℃下搅拌1h，反应结束后，得到反应混合液经离心，得到沉淀用去离子水洗涤2-3次，得到介孔硅基材料固定碳酸酐酶；所述碳酸酐酶水溶液是将碳酸酐酶溶于去离子水中制成；所述介孔硅基材料悬浮液是将介孔硅基材料均匀悬浮于去离子水中制成；所述的介孔硅基材料悬浮液中介孔硅基材料与碳酸酐酶的质量之比为1：0.2-0.6；
所述的应用为：将介孔硅基材料固定碳酸酐酶与碳酸钾和水混合均匀即得二氧化碳吸收剂，所述的二氧化碳吸收剂来捕集烟气中的二氧化碳；所述的吸收剂中，所述碳酸钾的质量浓度为2％，所述介孔硅基材料固定碳酸酐酶的质量浓度为1mg/mL；
所述的介孔硅基材料为MCM-41、SBA-15或KIT-6。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述的介孔硅基材料为SBA-15。
3.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述的介孔硅基材料悬浮液中介孔硅基材料与碳酸酐酶的质量之比为1：0.4。
4.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述离心过程的转速为12000rpm，时间为6-7min。
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| Immobilization of Human Carbonic Anhydrase on Gold Nanoparticles Assembled onto Amine/Thiol-Functionalized Mesoporous SBA-15 for Biomimetic Sequestration of CO2;Vinoba Mari等;《LANGMUIR》;20110317;第27卷(第10期);第6227-6234页 * |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110144343A (zh) | 2019-08-20 |
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