CN112028079B - 一种载酶氧化硅毫米球及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于催化材料制备领域，具体涉及一种载酶氧化硅毫米球及其制备方法和应用。所述载酶氧化硅毫米球的粒径为0.90～5.0mm，机械强度高达3.0～25N，酶含量为4.8～80mg/g，其主要制备过程是将亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒分散到去离子水中再加入酶溶液形成混合液，然后将混合液连续滴落在平铺超疏水氧化硅的粉末上，缓慢滚动形成具有氧化硅外壳的液滴毫米球；最后收集液滴毫米球缓慢干燥，获得高强度载酶氧化硅毫米球。该方法制备的载酶氧化硅毫米球可直接装填到固定床反应器中进行酶催化反应，连续反应30～60天，酶催化活性基本保持不变。
Description
技术领域
本发明属于催化材料制备领域，具体涉及一种载酶氧化硅毫米球及其制备方法和应用。
背景技术
固定化酶由于具有易控制、催化效率高、便于回收和再利用等优点，被广泛应用于制药、食品、废水处理、日化工业等领域。目前固定化酶的主要方法有物理法(吸附和包埋)和化学法(共价和交联)。采用物理法固定酶的优点是条件温和，酶的结构和活性能够最大程度保留；缺点是酶与载体结合力弱，酶分子易于脱落；采用化学法固定酶的优点是酶与载体结合牢固，稳定性能好；缺点是条件较为激烈，会引起酶蛋白结构变化，导致酶活性降低甚至失活。因此，寻求一种条件温和、酶与载体结合牢固且不损害酶活性的方法成为酶固定化领域研究的重要内容。
利用固定床反应器进行酶催化反应速率快、催化剂不易磨损，可实现连续化操作。但传统载酶催化剂通常是粒径较小、机械强度较低的微纳米颗粒，如果将这些材料直接填充到反应器中容易导致流体阻力增大，设备堵塞等不利因素。
发明内容
本发明针对现有技术中载酶催化材料机械强度低、粒径较小、填充到反应器中容易导致流体阻力增大，设备堵塞、在反应过程中酶流失或失活的缺点，提供一种可直接装填到固定床反应器进行酶催化反应的高强度载酶氧化硅毫米球催化材料及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种载酶氧化硅毫米球，所述载酶氧化硅毫米球的粒径为0.90～5.0mm，机械强度高达3.0～25N，酶含量为4.8～80mg/g。
一种载酶氧化硅毫米球的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，称取亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒，超声分散于去离子水，然后加入酶溶液，以600～1200rpm的转速磁力搅拌5～10min后，将转速调整为100～500rpm，继续搅拌30～60min，制得载酶氧化硅混合液；
步骤2，将载酶氧化硅混合液加入到注射器中，通过注射泵将载酶氧化硅混合液连续滴落在平铺于玻璃板表面的超疏水氧化硅的粉末上，液滴在摇床作用下缓慢滚动，形成具有氧化硅疏水壳液滴毫米球；
步骤3，将上述液滴毫米球平铺于干洁的玻璃培养皿中，然后放入摇床中，使其在滚动过程中缓慢干燥，在干燥过程中，液滴内发生非共价作用，缓慢蒸发内部水分，液滴逐渐收缩，机械性能不断增强，然后用丙酮淋洗，进一步干燥后得到高强度载酶氧化硅毫米球。
通过酶与亲水性介孔氧化硅非共价作用，不但增强了毫米球机械强度，而且在制备过程中不破坏酶的活性。表面疏水性氧化硅壳层能够有效降低亲水性物质与酶的接触，从而可减少酶流失。
进一步，所述步骤1中亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒：去离子水：酶溶液＝0.1～0.5g：1.0～3.0mL：0.3～1.0mL，所述酶溶液的浓度为8mg/mL。
进一步，所述步骤1中酶溶液中的酶为南极假丝酵母脂肪酶A、南极假丝酵母脂肪酶B、沙门柏干酪青霉脂肪酶、褶皱假丝酵母脂肪酶、洋葱伯克霍尔德菌脂肪酶中的一种。
进一步，所述步骤2中注射器的针头内径为0.05～0.20mm，流速为0.05～1.00mL/min。
进一步，所述步骤2中超疏水氧化硅粉末为亲水性介孔氧化硅经疏水性硅烷嫁接修饰后获得；所述超疏水氧化硅粉末的厚度为1.0～3.0mm。
进一步，所述步骤3中缓慢干燥的温度为30～50℃，时间为8～24小时。
一种载酶氧化硅毫米球的应用，其特征在于，作为直接装填到固定床反应器中进行酶催化反应的催化材料，连续反应30～60天，酶催化活性基本保持不变。
进一步，所述酶催化反应为1-苯乙醇与乙酸乙烯酯手性拆分酯交换反应、1-苯乙醇酯水解反应、α-苯乙胺与甲氧基乙酸乙酯手性拆分酰化反应、L-抗坏血酸与棕榈酸反应制备L-抗坏血酸棕榈酸酯中的一种。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1.本发明氧化硅颗粒与酶通过非共价作用紧密结合，增强了毫米球骨架结构稳定性，从而制得机械强度高达3.0～25N的毫米球；
2.本发明制备的载酶氧化硅毫米球粒径为毫米级，不需要后处理就可直接填充到固定床反应器进行酶催化反应；
3.本发明制备的载酶氧化硅毫米球的方法简单，条件温和，制备过程中不破坏酶的活性。
4.本发明制备的载酶氧化硅毫米球表面疏水性氧化硅壳层能够有效降低亲水性物质与酶的接触，不但可减少酶流失，而且有利于维持酶的活性。
5.通过超疏水氧化硅外壳包裹，获得表面疏水性载酶毫米球材料，在有机合成反应过程中，有利于底物在酶周围环境的分配及产物的扩散，提高酶的活性；
6.本发明制备的载酶氧化硅毫米球直接装填到固定床反应器中进行酶催化反应，连续反应30～60天，酶催化活性基本保不变。
附图说明
图1为本发明实施例1中载酶氧化硅毫米球的结构示意图；
图2为本发明实施例1中载酶氧化硅毫米球的粒径图；
图3为本发明实施例2中载酶氧化硅毫米球的粒径图；
图4为本发明实施例3中载酶氧化硅毫米球的粒径图；
图5为本发明实施例4中载酶氧化硅毫米球的粒径图；
图6为本发明实施例5中载酶氧化硅毫米球的粒径图；
图7为本发明实施例7中载酶氧化硅毫米球的粒径图；
图8为本发明实施例1中载酶氧化硅毫米球剖面及整体形貌的扫描电镜图；
图9为本发明实施例2中载酶氧化硅毫米球剖面扫描电镜图；
图10为本发明实施例3中载酶氧化硅毫米球剖面扫描电镜图；
图11为本发明实施例4中载酶氧化硅毫米球剖面扫描电镜图；
图12为本发明实施例5中载酶氧化硅毫米球剖面扫描电镜图；
图13为本发明实施例6中载酶氧化硅毫米球剖面扫描电镜图；
图14为本发明实施例8中载酶氧化硅毫米球应用于1-苯乙醇与乙酸乙烯酯手性拆分酯交换流动反应，1-苯乙醇对映体过量、1-苯乙醇乙酸酯对映体过量随流动时间变化曲线；
图15为本发明实施例8中载酶氧化硅毫米球应用于1-苯乙醇与乙酸乙烯酯手性拆分酯交换流动反应，1-苯乙醇转化率随流动时间变化曲线。
具体实施方式
实施例1
一种载酶氧化硅毫米球的制备方法，包括以下步骤：
称取0.1g亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒，超声分散于1.0mL去离子水；然后加入0.3mL浓度为8mg/mL的南极假丝酵母脂肪酶A溶液，以1200rpm的转速磁力搅拌5min后，将转速调整为500rpm，继续搅拌30min，制得载酶氧化硅混合液。
将载酶氧化硅混合液加入到针头内径为0.1mm的注射器中，通过注射泵将混合液以0.5mL/min的流速，连续滴落在平铺于玻璃板表面的厚度为1.0mm的超疏水氧化硅的粉末上，液滴在摇床作用下缓慢滚动，形成具有超疏水氧化硅外壳的液滴毫米球。
将液滴毫米球平铺于干洁的玻璃培养皿中，然后放入摇床中，使其在滚动过程中缓慢干燥，干燥温度控制在30℃；在干燥过程中，液滴内发生非共价作用，缓慢蒸发内部水分，液滴逐渐收缩，机械性能不断增强；8小时后用丙酮淋洗，进一步干燥后得到粒径为1.8mm，机械强度为6.0N的载酶氧化硅毫米球。
实施例2
一种载酶氧化硅毫米球的制备方法，包括以下步骤：
称取0.2g亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒，超声分散于1.5mL去离子水；然后加入0.5mL浓度为8mg/mL的南极假丝酵母脂肪酶B溶液，以1000rpm的转速磁力搅拌8min后，将转速调整为400rpm，继续搅拌40min，制得载酶氧化硅混合液。
将载酶氧化硅混合液加入到针头内径为0.05mm的注射器中，通过注射泵将混合液以0.3mL/min的流速，连续滴落在平铺于玻璃板表面的厚度为2.0mm的超疏水氧化硅的粉末上，液滴在摇床作用下缓慢滚动，形成具有超疏水氧化硅外壳的液滴毫米球。
将液滴毫米球平铺于干洁的玻璃培养皿中，然后放入摇床中，使其在滚动过程中缓慢干燥，干燥温度控制在35℃；在干燥过程中，液滴内发生非共价作用，缓慢蒸发内部水分，液滴逐渐收缩，机械性能不断增强；12小时后用丙酮淋洗，进一步干燥后得到粒径为1.5mm，机械强度为7.0N的载酶氧化硅毫米球。
实施例3
一种载酶氧化硅毫米球的制备方法，包括以下步骤：
称取0.2g亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒，超声分散于2.5mL去离子水；然后加入0.5mL浓度为8mg/mL的南极假丝酵母脂肪酶B溶液，以600rpm的转速磁力搅拌10min后，将转速调整为100rpm，继续搅拌50min，制得载酶氧化硅混合液。
将载酶氧化硅混合液加入到针头内径为0.15mm的注射器中，通过注射泵将混合液以0.05mL/min的流速，连续滴落在平铺于玻璃板表面厚度为1.0mm的超疏水氧化硅的粉末上，液滴在摇床作用下缓慢滚动，形成具有超疏水氧化硅外壳的液滴毫米球。
将液滴毫米球平铺于干洁的玻璃培养皿中，然后放入摇床中，使其在滚动过程中缓慢干燥，干燥温度控制在35℃；在干燥过程中，液滴内发生非共价作用，缓慢蒸发内部水分，液滴逐渐收缩，机械性能不断增强；18小时后用丙酮淋洗，进一步干燥后得到粒径为0.9mm，机械强度为3.0N的载酶氧化硅毫米球。
实施例4
一种载酶氧化硅毫米球的制备方法，包括以下步骤：
称取0.4g亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒，超声分散于2.0mL去离子水；然后加入1.0mL浓度为8mg/mL的南极假丝酵母脂肪酶A溶液，以900rpm的转速磁力搅拌5min后，将转速调整为300rpm，继续搅拌50min，制得载酶氧化硅混合液。
将载酶氧化硅混合液加入到针头内径为0.20mm的注射器中，通过注射泵将混合液以0.8mL/min的流速，连续滴落在平铺于玻璃板表面的厚度为2.0mm的超疏水氧化硅的粉末上，液滴在摇床作用下缓慢滚动，形成具有超疏水氧化硅外壳的液滴毫米球。
将液滴毫米球平铺于干洁的玻璃培养皿中，然后放入摇床中，使其在滚动过程中缓慢干燥，干燥温度控制在40℃；在干燥过程中，液滴内发生非共价作用，缓慢蒸发内部水分，液滴逐渐收缩，机械性能不断增强；8小时后用丙酮淋洗，进一步干燥后得到粒径为2.2mm，机械强度为9.0N的载酶氧化硅毫米球。
实施例5
一种载酶氧化硅毫米球的制备方法，包括以下步骤：
称取0.5g亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒，超声分散于2.5mL去离子水；然后加入1.0mL浓度为8mg/mL的南极假丝酵母脂肪酶A溶液，以700rpm的转速磁力搅拌9min后，将转速调整为200rpm，继续搅拌60min，制得载酶氧化硅混合液。
将载酶氧化硅混合液加入到针头内径为0.15mm的注射器中，通过注射泵将混合液以0.7mL/min的流速，连续滴落在平铺于玻璃板表面的厚度为2.0mm的超疏水氧化硅的粉末上，液滴在摇床作用下缓慢滚动，形成具有超疏水氧化硅外壳的液滴毫米球。
将液滴毫米球平铺于干洁的玻璃培养皿中，然后放入摇床中，使其在滚动过程中缓慢干燥，干燥温度控制在45℃；在干燥过程中，液滴内发生非共价作用，缓慢蒸发内部水分，液滴逐渐收缩，机械性能不断增强；10小时后用丙酮淋洗，进一步干燥后得到粒径为2.1mm，机械强度为10.0N的载酶氧化硅毫米球。
实施例6
一种载酶氧化硅毫米球的制备方法，包括以下步骤：
称取0.3g亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒，超声分散于1.0mL去离子水；然后加入0.3mL浓度为8mg/mL的洋葱伯克霍尔德菌脂肪酶溶液，以1000rpm的转速磁力搅拌5min后，将转速调整为100rpm，继续搅拌30min，制得载酶氧化硅混合液。
将载酶氧化硅混合液加入到针头内径为0.20mm的注射器中，通过注射泵将混合液以1mL/min的流速，连续滴落在平铺于玻璃板表面的厚度为3.0mm的超疏水氧化硅的粉末上，液滴在摇床作用下缓慢滚动，形成具有超疏水氧化硅外壳的液滴毫米球。
将液滴毫米球平铺于干洁的玻璃培养皿中，然后放入摇床中，使其在滚动过程中缓慢干燥，干燥温度控制在50℃；在干燥过程中，液滴内发生非共价作用，缓慢蒸发内部水分，液滴逐渐收缩，机械性能不断增强；24小时后用丙酮淋洗，进一步干燥后得到粒径为2.5mm，机械强度为12.0N的载酶氧化硅毫米球。
实施例7
一种载酶氧化硅毫米球的制备方法，包括以下步骤：
称取0.3g亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒，超声分散于3.0mL去离子水；然后加入0.9mL浓度为8mg/mL的洋葱伯克霍尔德菌脂肪酶溶液，以1000rpm的转速磁力搅拌5min后，将转速调整为100rpm，继续搅拌30min，制得载酶氧化硅混合液。
将载酶氧化硅混合液加入到针头内径为0.05mm的注射器中，通过注射泵将混合液以0.2mL/min的流速，连续滴落在平铺于玻璃板表面的厚度为3.0mm的超疏水氧化硅的粉末上，液滴在摇床作用下缓慢滚动，形成具有超疏水氧化硅外壳的液滴毫米球。
将液滴毫米球平铺于干洁的玻璃培养皿中，然后放入摇床中，使其在滚动过程中缓慢干燥，干燥温度控制在30℃；在干燥过程中，液滴内发生非共价作用，缓慢蒸发内部水分，液滴逐渐收缩，机械性能不断增强；24小时后用丙酮淋洗，进一步干燥后得到粒径为1.1mm，机械强度为4.5N的载酶氧化硅毫米球。
实施例8
将实施例2制备的载酶氧化硅毫米球直接装填到内径为2.0cm固定床反应器中，设定反应器温度为45℃，以1.5mL/h的流速将含有0.1mol/L的1-苯乙醇和0.4mol/L乙酸乙烯酯的辛烷混合液连续通入反应器，进行酶催化酯交换手性拆分反应。实验运行400小时后，转化率高达45％以上，并维持恒定不变，如图15所示；生成的手性醇ee值大于85％、手性酯ee值维持在99％，如图14所示，连续运行40天后，酶催化活性基本保不变。
Claims (5)
1.一种载酶氧化硅毫米球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，称取亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒，超声分散于去离子水，然后加入酶溶液，以600～1200rpm的转速磁力搅拌5～10min后，将转速调整为100～500rpm，继续搅拌30～60min，制得载酶氧化硅混合液，亲水性介孔氧化硅固体纳米颗粒：去离子水：酶溶液＝0.1～0.5g：1.0～3.0mL：0.3～1.0mL，所述酶溶液的浓度为8mg/mL；
步骤2，将载酶氧化硅混合液加入到注射器中，通过注射泵将载酶氧化硅混合液连续滴落在平铺于玻璃板表面的超疏水氧化硅的粉末上，液滴在摇床作用下缓慢滚动，形成具有氧化硅疏水壳液滴毫米球，注射器的针头内径为0.05～0.20mm，流速为0.05～1.00mL/min，超疏水氧化硅粉末为亲水性介孔氧化硅经疏水性硅烷嫁接修饰后获得；所述超疏水氧化硅粉末的厚度为1.0～3.0mm；
步骤3，将上述液滴毫米球平铺于干洁的玻璃培养皿中，然后放入摇床中，使其在滚动过程中缓慢干燥，然后用丙酮淋洗，进一步干燥后得到高强度载酶氧化硅毫米球，缓慢干燥的温度为30～50℃，时间为8～24小时。
2.根据权利要求1所述的一种载酶氧化硅毫米球的制备方法，其特征在于，所述步骤1中酶溶液中的酶为南极假丝酵母脂肪酶A、南极假丝酵母脂肪酶B、沙门柏干酪青霉脂肪酶、褶皱假丝酵母脂肪酶、洋葱伯克霍尔德菌脂肪酶中的一种。
3.一种权利要求1或2所述的载酶氧化硅毫米球的制备方法得到的载酶氧化硅毫米球，其特征在于，所述载酶氧化硅毫米球的粒径为0.90～2.5mm，机械强度高达3.0～12.0N，酶含量为4.8～80mg/g。
4.一种权利要求1或2所述的载酶氧化硅毫米球的制备方法得到的载酶氧化硅毫米球的应用，其特征在于，直接装填到固定床反应器中进行酶催化反应的催化材料。
5.根据权利要求4所述的一种载酶氧化硅毫米球的应用，其特征在于，所述酶催化反应为1-苯乙醇与乙酸乙烯酯手性拆分酯交换反应、1-苯乙醇酯水解反应、α-苯乙胺与甲氧基乙酸乙酯手性拆分酰化反应、L-抗坏血酸与棕榈酸反应制备L-抗坏血酸棕榈酸酯中的一种。
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