CN112458075A - 一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，由多乙烯基聚乙二醇和巯基化的海藻酸钠两种高分子为成分形成水凝胶体系，在通过油包水乳化分散法合成水凝胶微球的基础上，二次交联制备具有双交联结构的颗粒凝胶填充柱固定具有催化活性的微生物，用于生物催化反应，实现微生物固定和催化过程强化。该方法采用双交联结构的凝胶微球，将离散微球连接起来，双交联结构包封微生物不易逃逸出来，抑制杂菌的进入，形成了多级孔隙、增大了比表面积和传质速率。填充柱具有良好的生物相容性、减少了微生物的逃逸、增强了微生物对底物的耐受性，方便产物的分离。
Description
技术领域
本发明涉及生物催化方法，特别涉及一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法。
背景技术
随着能源环境问题的日益突出，生物催化技术的地位也越来越重要，近些年来也取得了迅猛发展。由于具有温和、高效、高选择性等特点，采用生物催化方式来制备大宗化学品和精细化学品，降低对石油的依赖，是绿色发展过程中代替和拓展传统溶剂合成的重要方法。
微生物固定化技术是通过化学或者物理的方法将微生物或微生物产生的游离酶固定在与之对应的载体上，填充到生物反应器中以催化生化反应、微生物数量的增殖等。与游离微生物发酵相比，固定化微生物催化能够为微生物的生长提供充足的空间，保持催化活性，简化产物分离、纯化等优点。由于微生物被载体固定，不会产生流失现象，连续反应的稀释率大大提高。但是固定化微生物技术还需要解决固定化方式、寻找耐受性强的包埋材料、提高产物产量等。目前常用的固定化方法主要有吸附法、包埋法、共价结合法、交联法等。包埋法是应用较广泛的一种方法，有较好的综合性能，催化活性保留和存活力都比较高，且应用灵活。因此，包埋法成为整个固定化生物催化剂技术中应用最广泛的固定化方法；但是包埋法的扩散阻力较大，使微生物的催化活性受到限制，较适合于小分子底物与产物的反应。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法。
技术方案：本发明提供一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，由多乙烯基聚乙二醇和巯基化的海藻酸钠两种高分子为成分形成水凝胶体系，在通过油包水乳化分散法合成水凝胶微球的基础上，二次交联制备具有双交联结构的颗粒凝胶填充柱固定具有催化活性的微生物，用于生物催化反应，实现微生物固定和催化过程强化。
进一步地，包括如下步骤：
(1)制备多乙烯基聚乙二醇高分子、巯基化的海藻酸钠和微生物的前体溶液；
(2)制备包封微生物的水凝胶微球，通过油包水乳化分散法制备微球并固化；
(3)制备双交联结构的颗粒凝胶填充柱用于生物催化反应，实现微生物催化过程的强化。
进一步地，所述步骤(1)的制备方法如下：将巯基化海藻酸钠溶于去离子水中，记为分散相P2；将多乙烯基聚乙二醇、微生物液，溶于去离子水中，记为分散相P3，即得各前体溶液。
进一步地，所述步骤(2)制备方法如下：将表面活性剂溶于氟油、硅油、矿物油、硬脂酸、动物油或植物油中，配制成连续相P1(油相)，两相分散相(P2∶P3)混合后加入到油相中，通过乳化分散法形成乳液并静置固化，洗涤后得到微球，滴加氯化钙溶液到微球表面，固化后得到双交联微球结构。
进一步地，所述乳化分散法是机械搅拌法、机械与手动震荡法、电喷射法、悬浮分散、微流控法、膜乳化法。
进一步地，所述多乙烯基聚乙二醇高分子分为线性聚乙二醇、多臂聚乙二醇、树形聚乙二醇、超支化聚乙二醇。
进一步地，所述线性聚乙二醇为琥珀酰亚胺碳酸酯-聚乙二醇(SC-PEG-SC)，二马来酰亚胺聚乙二醇(MAL-PEG-MAL)、二丙烯酸酯聚乙二醇(DA-PEG-DA)、二甲基丙烯酸酯聚乙二醇(MA-PEG-MA)；
所述多臂聚乙二醇为二臂聚乙二醇((Allyl-PEG)2-OH、(Propargyl-PEG)2-Allyl)、三臂聚乙二醇(3Arm(PEG-Allyl3)、四臂聚乙二醇(4Arm(PEG-Allyl)4)、六臂聚乙二醇(6Arm-PEG-DA))，八臂聚乙二醇马来酰亚胺(8Arm-PEG-MAL)；
所述树形聚乙二醇为(mPEG)4-(PEG)2-MAL；
所述超支化聚乙二醇为超支化聚乙二醇二丙烯酸酯(HB-PEGDA)。
进一步地，所述的微生物包括酵母菌微生物、青霉菌微生物、大肠杆菌、木醋杆菌、小球菌、假单胞菌、蓝藻、霉菌、放线菌。
进一步地，所述双交联结构的颗粒凝胶是采用海藻酸钠的羧基与二价阳离子(除镁离子)的离子交联作用。
进一步地，所述巯基化的海藻酸钠是通过化学方法将巯基接枝到海藻酸钠分子链上的功能性高分子材料，巯基取代度为10％～40％，分子量在4kDa～185kDa，作为固定化材料。
上述技术方案中：
双交联结构的水凝胶是由两种具有高度非对称聚合物网络形成的高强度互穿网络结构水凝胶，具备较高的力学性能、结构稳定性及精细的内部结构，且能方便地调节其三维结构，以适应各种生物工程应用。采用两步聚合法，巯基与双键通过化学交联形成第一交联网络，之后海藻酸钠的羧基与阳离子通过离子配位结合形成双交联网络，将微球之间连接起来，形成多级孔隙，改善水凝胶微球的性能，方便物质的运输和传递，减少微生物的泄露。将双交联微球填充到反应器中形成的填料柱，孔隙率高、比表面积大，生物相容性好，易于分离和重复使用。本发明采用双交联颗粒凝胶填充柱，增强了催化效率，为进一步研究固定化技术的应用提供了新思路。
采用具有双交联网络结构的颗粒凝胶固定具有催化活性的微生物，并制成填充柱结构，通过流动化学的方法强化其生物催化过程。本发明先采用聚合反应使多乙烯基聚乙二醇高分子和巯基化海藻酸钠进行交联形成具有水凝胶网络的高分子微球，进一步的通过离子与海藻酸钠作用可以将离散的水凝胶微球交联成多级孔结构的颗粒凝胶填充柱。该填充柱具有良好的生物相容性、减少了微生物的逃逸、增强了微生物对底物的耐受性，同时，多级孔结构增强了反应物和的代谢产物的传质行为，有利于微生物的收集和产物分离，具有可循环利用的特点。
有益效果：本发明具有如下优势：
1、在本发明中，制备具有双交联结构的凝胶微球，将离散微球连接起来，双交联结构酵母菌不易逃逸出来，抑制杂菌的进入，形成了多级孔隙、比表面大，增加了传质速率。
2、在本发明中，固定化微生物应用到生物催化过程，减少提取、分离过程、增加了传质速率和重复利用性，提高了催化效果。
3、在本发明中，选用的固定化材料性能稳定，具有良好的生物相容性，固定化微生物活性高，机械性能较好。
4、本发明的填充柱具有良好的生物相容性、减少了微生物的逃逸、增强了微生物对底物的耐受性，同时，多级孔结构增强了反应物和的代谢产物的传质行为，有利于微生物的收集和产物分离，具有可循环利用的特点。
附图说明
图1生物催化过程示意图；
图2微球示意图；
图3为实施例1不同时间的乙醇产量图。
具体实施方式
实施例1
(1)制备包菌微球
安琪活性干酵母加入种子培养基活化、离心备用；将表面活性剂(FE-surf)溶于氟油中配制成质量分数为3％，记为连续相P1(油相)；将20mg巯基化海藻酸钠溶于1mL去离子水中，配制成2％(w/v)，记为分散相P2；将100mg HB-PEGDA、10μL酵母菌液、溶于去离子水中，配制成10％(w/v)，记为分散相P3。取油相1.5mL，将两相分散相按2∶1(P2∶P3)混合成500μL前体溶液加入到油相中，通过手动震荡形成乳液并静置固化3h，再经过洗涤得到1～5000μm范围的微球。
(2)制备双交联的微球
将微球洗出后置于滤布上，过滤吸去水分，多次滴加少量3mol/L氯化钙溶液到微球表面，固化1h制备双交联微球结构。
(3)生物催化应用
将负载酵母菌的固定化微球1mL填充到反应器中，加入3mL的培养基，通过蠕动泵循环发酵液，循环速度为100μL/min。0-24h内取发酵液，离心后采用气相色谱法测定产物含量。
实施例2
(1)制备包菌微球
将大肠杆菌加入种子培养基活化、离心备用；将表面活性剂(FE-surf)溶于氟油中配制成质量分数为3％，记为连续相P1(油相)；将20mg巯基化海藻酸钠溶于1mL去离子水中，配制成2％(w/v)，记为分散相P2；将100mg HB-PEGDA、10μL大肠杆菌液、溶于去离子水中，配制成10％(w/v)，记为分散相P3。取油相1.5mL，将两相分散相按2∶1(P2∶P3)混合成500μL前体溶液加入到油相中，通过手动震荡形成乳液并静置固化，再经过洗涤再经过洗涤得到1～5000μm范围的微球。
(2)制备双交联的微球
将微球洗出后置于滤布上，过滤吸去水分，多次滴加少量3mol/L氯化钙溶液到微球表面，固化1h制备双交联微球结构。
(3)生物催化应用
将负载大肠杆菌的固定化微球1mL填充到反应器中，加入3mL的培养基，通过蠕动泵循环发酵液，循环速度为150μL/min。0-24h内取发酵液，离心后测定产物含量。
实施例3
(1)制备包菌微球
安琪活性干酵母加入种子培养基活化、离心备用；将表面活性剂(FE-surf)溶于氟油中配制成质量分数为1％，记为连续相P1(油相)；将20mg巯基化海藻酸钠溶于1mL去离子水中，配制成2％(w/v)，记为分散相P2；将100mg HB-PEGDA、10μL酵母菌液、溶于去离子水中，配制成10％(w/v)，记为分散相P3。取油相8mL，将两相分散相按2∶1(P2∶P3)混合成2mL共混溶液加入到油相中，通过机械搅拌形成乳液并静置固化，再经过洗涤再经过洗涤得到1～5000μm范围的微球。
(2)制备双交联的微球
将微球洗出后置于滤布上，过滤吸去水分，多次滴加少量3mol/L氯化锌溶液到微球表面，固化1h制备双交联微球结构。
(3)生物催化应用
将负载酵母菌的固定化微球1mL填充到反应器中，加入3mL的培养基，通过蠕动泵循环发酵液，循环速度为100μL/min。0-24h内取发酵液，离心后采用气相色谱法测定产物含量。
实施例4
(1)制备包菌微球
将大肠杆菌加入种子培养基活化、离心备用；将表面活性剂(span-80)溶于矿物油中配制成质量分数为3％，记为连续相P1(油相)；将20mg巯基化海藻酸钠溶于1mL去离子水中，配制成2％(w/v)，记为分散相P2；将100mg HB-PEGDA、10μL大肠杆菌液、溶于去离子水中，配制成10％(w/v)，记为分散相P3。取油相1.5mL，将两相分散相按2∶1(P2∶P3)混合成500μL前体溶液加入到油相中，通过手动震荡形成乳液并静置固化，再经过洗涤得到1～5000μm范围的微球。
(2)制备双交联微球
将微球洗出后置于滤布上，过滤吸去水分，多次滴加少量3mol/L氯化钙溶液到微球表面，固化1h制备双交联微球结构。
(3)生物催化应用
将负载大肠杆菌的固定化微球1mL填充到反应器中，加入3mL的培养基，通过蠕动泵循环发酵液，循环速度为150μL/min。0-24h内取发酵液，离心后测定产物含量。
实施例5
(1)制备包菌微球
安琪活性干酵母加入种子培养基活化、离心备用；将表面活性剂(Tween 60)溶于氟油中配制成质量分数为3％，记为连续相P1(油相)；将20mg巯基化海藻酸钠溶于1mL去离子水中，配制成2％(w/v)，记为分散相P2；将50mg 4Arm(PEG-Allyl)4、10μL大肠杆菌液、溶于去离子水中，配制成5％(w/v)，记为分散相P3。将上面制备的溶液通过管道与微流控芯片连接起来；调节流速油相为12μL/min，P2流速为2μL/min，P3流速为2μL/min，制备出尺寸120μm左右的单分散包裹酵母菌的微球，洗出微球。
(2)制备双交联微球
将微球洗出后置于滤布上，过滤吸去水分，多次滴加少量3mol/L氯化钙溶液到微球表面，固化1h制备双交联微球结构。
(3)生物催化应用
将负载酵母菌的固定化微球1mL填充到反应器中，加入3mL的培养基，通过蠕动泵循环发酵液，循环速度为100μL/min。0-24h内取发酵液，离心后采用气相色谱法测定产物含量。
实施例6
(1)制备包菌微球
将青霉菌加入种子培养基活化、离心备用；将表面活性剂(Span-80)溶于矿物油配制成质量分数为3％，记为连续相P1(油相)；将20mg巯基化海藻酸钠溶于1mL去离子水中，配制成2％(w/v)，记为分散相P2；将20mg HB-PEGDA、20μL青霉菌液溶于去离子水中，配制成2％(w/v)，加入青霉菌混匀，记为分散相P3。将上面制备的溶液通过管道与微流控芯片连接起来；调节流速油相为20μL/min，P2流速为2μL/min，P3流速为2μL/min，制备出尺寸100μm左右的单分散包裹青霉菌的微球。
(2)制备双交联微球
将微球洗出后置于滤布上，过滤吸去水分，多次滴加少量3mol/L氯化钙溶液到微球表面，固化1h制备双交联微球结构。
(3)生物催化应用
将负载青霉菌的固定化微球1mL填充到反应器中，加入2mL的培养基，通过蠕动泵循环发酵液，循环速度为100μL/min。0-24h内取发酵液，离心后测定产物含量。
实施例7
(1)制备包菌微球
将青霉菌加入种子培养基活化、离心备用；将表面活性剂(FE-surf)溶于氟油中配制成质量分数为3％，记为连续相P1(油相)；将20mg巯基化海藻酸钠溶于1mL去离子水中，配制成2％(w/v)，记为分散相P2；将20mg HB-PEGDA、20μL青霉菌液溶于去离子水中，配制成2％(w/v)，加入青霉菌混匀，记为分散相P3。将上面制备的溶液通过管道与微流控芯片连接起来；调节流速油相为12μL/min，P2流速为2μL/min，P3流速为2μL/min，制备尺寸120μm的单分散包裹青霉菌的微球。
(2)制备双交联微球
将微球洗出后通过离心吸去水分，多次滴加少量3mol/L氯化钙溶液到微球表面，固化1h制备双交联微球结构。
(3)生物催化应用
将负载青霉菌的固定化微球1mL填充到反应器中，加入2mL的培养基，通过蠕动泵循环发酵液，循环速度为100μL/min。0-24h内取发酵液，离心后测定产物含量。
以上实施例中可根据实际需求选择使用相关的技术手段：
乳化分散法可以是机械搅拌法、机械与手动震荡法、电喷射法、悬浮分散、微流控法、膜乳化法。所述的离子交联作用，将所述的交联剂溶液滴加到微球表面，通过移液枪、离心、过滤等手段吸去水分，固化0.1～24h。
生物催化反应，由生物反应器和循环装置实现，装置包括反应器、填料、蠕动泵、循环管路。反应器，按几何构型可以为管式、釜式的形状。材质可以为塑料、金属、玻璃。反应器内置有过滤滤网装置，所述反应器设有出口和进口，两口之间设置有蠕动泵，通过循环管路连接形成循环回路，在蠕动泵的驱动下，液相从底部循环回顶部。
Claims (10)
1.一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：由多乙烯基聚乙二醇和巯基化的海藻酸钠两种高分子为成分形成水凝胶体系，在通过油包水乳化分散法合成水凝胶微球的基础上，二次交联制备具有双交联结构的颗粒凝胶填充柱固定具有催化活性的微生物，用于生物催化反应，实现微生物固定和催化过程强化。
2.根据权利要求1所述的利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备多乙烯基聚乙二醇高分子、巯基化的海藻酸钠和微生物的前体溶液；
(2)制备包封微生物的水凝胶微球，通过油包水乳化分散法制备微球并固化；
(3)制备双交联结构的颗粒凝胶填充柱用于生物催化反应，实现微生物催化过程的强化。
3.根据权利要求2所述的利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：所述步骤(1)的制备方法如下：将巯基化海藻酸钠溶于去离子水中，记为分散相P2；将多乙烯基聚乙二醇、微生物液，溶于去离子水中，记为分散相P3，即得各前体溶液。
4.根据权利要求2或3利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：所述步骤(2)制备方法如下：将表面活性剂溶于氟油、硅油、矿物油、硬脂酸、动物油或植物油中，配制成连续相P1(油相)，两相分散相(P2：P3)混合后加入到油相中，通过乳化分散法形成乳液并静置固化，洗涤后得到微球，滴加氯化钙溶液到微球表面，固化后得到双交联微球结构。
5.根据权利要求4利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：所述乳化分散法是机械搅拌法、机械与手动震荡法、电喷射法、悬浮分散、微流控法、膜乳化法。
6.根据权利要求2所述的利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：所述多乙烯基聚乙二醇高分子分为线性聚乙二醇、多臂聚乙二醇、树形聚乙二醇、超支化聚乙二醇。
7.根据权利要求6所述的利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：
所述线性聚乙二醇为琥珀酰亚胺碳酸酯-聚乙二醇(SC-PEG-SC)，二马来酰亚胺聚乙二醇(MAL-PEG-MAL)、二丙烯酸酯聚乙二醇(DA-PEG-DA)、二甲基丙烯酸酯聚乙二醇(MA-PEG-MA)；
所述多臂聚乙二醇为二臂聚乙二醇((Allyl-PEG)2-OH、(Propargyl-PEG)2-Allyl)、三臂聚乙二醇(3Arm(PEG-Allyl3)、四臂聚乙二醇(4Arm(PEG-Allyl)4)、六臂聚乙二醇(6Arm-PEG-DA))，八臂聚乙二醇马来酰亚胺(8Arm-PEG-MAL)；
所述树形聚乙二醇为(mPEG)4-(PEG)2-MAL；
所述超支化聚乙二醇为超支化聚乙二醇二丙烯酸酯(HB-PEGDA)。
8.根据权利要求1所述的利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：所述的微生物包括酵母菌微生物、青霉菌微生物、大肠杆菌、木醋杆菌、小球菌、假单胞菌、蓝藻、霉菌、放线菌。
9.根据权利要求1所述的利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：所述双交联结构的颗粒凝胶是采用海藻酸钠的羧基与二价阳离子(除镁离子)的离子交联作用。
10.根据权利要求1所述的利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：所述巯基化的海藻酸钠是通过化学方法将巯基接枝到海藻酸钠分子链上的功能性高分子材料，巯基取代度为10％～40％，分子量在4kDa～185kDa，作为固定化材料。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103131665A (zh) * | 2013-02-25 | 2013-06-05 | 东南大学 | 一种复合结构编码微载体及其制备方法和应用 |
| CN111058124A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-04-24 | 东华大学 | 一种杂化交联透明离子导电有机水凝胶纤维的制备方法 |
| CN113058511A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-07-02 | 南京工业大学 | 一种寡聚核苷酸载体微球的制备方法 |
| CN113559328A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-10-29 | 南京工业大学 | 一种生物墨水及其制备方法 |
| CN113679884A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-23 | 华南理工大学 | 促进细胞迁移的组织工程水凝胶支架及其制备方法、3d打印浆料及其制备方法 |
| CN115505160A (zh) * | 2022-09-01 | 2022-12-23 | 南京工业大学 | 一种水凝胶微球载体的制备方法及其所得产品与应用 |
-
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- 2020-11-24 CN CN202011333004.3A patent/CN112458075B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103131665A (zh) * | 2013-02-25 | 2013-06-05 | 东南大学 | 一种复合结构编码微载体及其制备方法和应用 |
| CN111058124A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-04-24 | 东华大学 | 一种杂化交联透明离子导电有机水凝胶纤维的制备方法 |
| CN113058511A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-07-02 | 南京工业大学 | 一种寡聚核苷酸载体微球的制备方法 |
| CN113679884A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-23 | 华南理工大学 | 促进细胞迁移的组织工程水凝胶支架及其制备方法、3d打印浆料及其制备方法 |
| CN113559328A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-10-29 | 南京工业大学 | 一种生物墨水及其制备方法 |
| CN115505160A (zh) * | 2022-09-01 | 2022-12-23 | 南京工业大学 | 一种水凝胶微球载体的制备方法及其所得产品与应用 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| ANA FILIPA CRISTOVÃO ET AL: "Customized tracheal design using 3D printing of a polymer hydrogel: influence of UV laser cross-linking on mechanical properties" * |
| CHA C, K. ET AL.: "Decoupled control of stiffness and permeability with a cell-encapsulating poly(ethylene glycol) dimethacrylate hydrogel." * |
| GRECO I, ER AL: "Printability of Double Network Alginate-Based Hydrogel for 3D Bio-Printed Complex Structures" * |
| ZHOU W, ET AL.: "Sodium alginate-polyethylene glycol diacrylate based double network fiber: Rheological properties of fiber forming solution with semi-interpenetrating network structure" * |
| 吴昊旻;杜建科;林婷婷;: "PEGDA/SA复合水凝胶的制备及性能研究" * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN112458075B (zh) | 2023-07-25 |
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