CN113980154B - 一种高强度壳聚糖配体交换树脂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于树脂材料技术领域，具体公开了一种高强度壳聚糖配体交换树脂及其制备方法。本发明将壳聚糖溶于醋酸水溶液中作为水相；将二氯乙烷、乙酸丁酯和司班80混合得到油相；将水相加入到油相中，在机械搅拌作用下，将水相加入到油相中，在一定温度下进行悬浮分散，得到粒径合适的油滴，靠减缓分子链堆叠的速度，得到高结晶度且晶区分布均匀的球形壳聚糖树脂，将壳聚糖树脂加入硫酸盐水溶液中，在一定温度下吸附一定时间，得到配体交换树脂。本发明提供方法制备得到的配体交换树脂，磨后圆球率大于89％，氨基交换量为5.2～6.8mmol/g，可螯合的Ni2+含量为3.4mmol/g。

Description

一种高强度壳聚糖配体交换树脂及其制备方法
技术领域
本发明涉及树脂材料技术领域，尤其涉及一种高强度壳聚糖配体交换树脂及其制备方法。
背景技术
配体交换树脂的研究始于上世纪50年代初，利用配体交换的方法，可以实现可形成配合物且配位能力有差别的物质的分离。配体交换树脂可应用于手性氨基酸分离、亲和层析介质等领域，常用的螯合金属离子为Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+等。以Ni2+离子为例，其配位数为6，与二氨基三乙酸的作用为五个位点，镍的配体交换能力较差；与氨基二乙酸的作用为三个位点，配体交换能力增强，但离子的固定性较差；与三氨基乙酸作用为四个位点，螯合的稳定性较好，同时具备较好的配体交换能力(Ni–NTA–Gold Clusters Target His-TaggedProteins)。为此要求树脂必须具有较强的固定金属离子的能力，同时要留有离子的配位位点与目标物作用。现有的配体交换树脂，以基质划分，主要可分为聚苯乙烯型、聚丙烯酸酯型、硅基型和琼脂糖型等，以上述基质修饰上氨基后再进一步功能基化，再与金属离子配位，以制备配体交换树脂固定相。壳聚糖作为天然碱性多糖，不需要通过进一步的化学修饰上氨基，壳聚糖可以通过羟基和氨基与金属离子作用，作为螯合剂，壳聚糖的分子链可与Ni2+形成6配位，因此壳聚糖作为配体交换树脂，具有大量可以使用的功能基，不需要经过复杂的功能基化。而作为球形吸附剂，限制壳聚糖使用的核心问题是，无法大规模制备出兼具功能基和骨架强度的树脂基质。为了将无定形的壳聚糖加工为吸附剂，用化学交联的方法制备会损失大量的功能基，而不使用化学交联剂，使用NaOH/EtOH的方法制备的吸附剂，表面为球壳，内部为溶胶，强度较差。
因此，如何提供一种高强度壳聚糖配体交换树脂及其制备方法，增强配体交换树脂作为球形吸附剂时的骨架强度，同时保留功能基，实现高强度壳聚糖配体交换树脂的大规模制备是本领域亟待解决的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高强度壳聚糖配体交换树脂及其制备方法，解决现有壳聚糖难以成球、无法兼具功能基和树脂强度，同时商品化配体交换树脂的合成过程复杂、功能基含量受限等问题，实现了高强度壳聚糖配体交换树脂的大规模制备。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法，包括以下步骤：
1)将壳聚糖溶于醋酸水溶液中得到水相；将二氯乙烷、乙酸丁酯和司班80混合，得到油相；
2)将水相与油相混合，加温，加入饱和NaCl水溶液，然后分次滴加NaOH溶液，反应，制备得到壳聚糖树脂；
3)将步骤2)得到的壳聚糖树脂加入到硫酸盐水溶液中，吸附得到配体交换树脂。
优选的，所述步骤1)中水相中醋酸的质量浓度为2～5％；壳聚糖的质量浓度为4～5％。
优选的，所述步骤1)中二氯乙烷、乙酸丁酯和司班80的质量比依次为1:1:0.002～1:2:0.02。
优选的，所述步骤2)中水相和油相的体积比为2～5:1，所述加温的温度为25～30℃。
优选的，所述步骤2)水相与油相混合所得混合液中油相为粒径200～400μm的油滴。
优选的，添加的饱和NaCl水溶液、NaOH溶液与水相和油相的总质量比依次为1：14～16：280～320。
优选的，所述NaOH溶液分10～15次添加。
优选的，所述NaOH溶液的质量浓度为20％～50％。
优选的，所述步骤2)中的反应时间为5～14h，反应温度为25～30℃。
优选的，所述步骤3)中壳聚糖树脂与硫酸盐水溶液的比例为1～5g：50ml；
优选的，所述硫酸盐为CuSO4、NiSO4、ZnSO4、CdSO4中的一种或多种。
优选的，硫酸盐水溶液的浓度为0.2～3.0g/L。
优选的，所述步骤3)中吸附温度为24～28℃；吸附时间为22～26h。
本发明的另一目的是提供一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法制备得到的高强度壳聚糖配体交换树脂。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的方法合成的树脂载体具备高结晶度，以XRD测定的结晶度为20～50％，高度的结晶区提供了树脂骨架强度，同时非晶区提供了大量胺基，保证了金属与载体之间的吸附位点，保证了配体交换树脂功能基含量。通过对结晶过程中结晶速率的控制，制备了高结晶度的树脂；以结晶作为物理交联，通过避免交联剂的使用，减少了功能基氨基的损失。实施例结果表明，本发明提供的方法制备得到的树脂载体氨基含量为5.2～6.2mmol/g，配体交换树脂外观为球形，粒径优选为200～400μm，络合的Ni2+为3.4mmol/g。
本发明制备的球形吸附剂吸附效果好，可用于氨基酸的分离，在不同pH条件下显示对不同氨基酸不同的吸附量；还能实现蛋白纯化，作为亲和层析介质分离被标记的蛋白质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的壳聚糖树脂的SEM图；
图2为本发明实施例1制备的壳聚糖树脂表面孔道结构SEM图；
图3为本发明实施例1制备的壳聚糖树脂内部结构SEM图；
图4为本发明实施例1壳聚糖树脂的合成过程XRD图；
图5为本发明实施例1制备的壳聚糖树脂颗粒。
具体实施方式
本发明提供了一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法，具体操作步骤如下：
1)将壳聚糖溶于醋酸水溶液中得到水相；将二氯乙烷、乙酸丁酯和司班80混合，得到油相；
2)将水相与油相混合，加温，加入饱和NaCl水溶液，然后分次滴加NaOH溶液，反应，制备得到壳聚糖树脂；
3)将步骤2)得到的壳聚糖树脂加入到硫酸盐水溶液中，吸附得到配体交换树脂。
在本发明中，所述步骤1)中水相中醋酸的质量浓度为2～5％，优选为3～5％，进一步优选为5％；壳聚糖的质量浓度为4～5％，优选为4.5～5％，进一步优选为4.8％。
在本发明中，所述步骤1)中二氯乙烷、乙酸丁酯和司班80的质量比依次为1:1:0.002～1:2:0.02，优选为1:1:0.02。
在本发明中，所述步骤2)中水相和油相的体积比为2～5:1，优选为3:1；所述加温的温度为25～30℃，优选为26～28℃，进一步优选为27℃。
在本发明中，所述步骤2)水相与油相混合所得混合液中油相为粒径200～400μm的油滴，油滴的粒径优选为250～350μm，进一步优选为280～320μm。
在本发明中，添加的饱和NaCl水溶液、NaOH溶液与水相和油相的总质量比依次为1：14～16：280～320；优选为1:15:300。
在本发明中，所述NaOH溶液分10～15次添加，优选为分12次添加。
在本发明中，所述NaOH溶液的质量浓度为20％～50％。
在本发明中，所述步骤2)中的反应时间为5～14h，优选为12h；反应温度为25～30℃，优选为26～28℃，进一步优选为27℃。
在本发明中，所述步骤3)中壳聚糖树脂与硫酸盐水溶液的比例为1～5g：50ml，优选为3～5g：50ml，进一步优选为5g：50ml。
在本发明中，所述硫酸盐为CuSO4、NiSO4、ZnSO4、CdSO4中的一种或多种，优选为NiSO4。
在本发明中，所述硫酸盐水溶液的质量浓度为0.2～3.0g/L，优选为2g/L。
在本发明中，所述步骤3)中吸附温度为24～28℃，优选为26℃；吸附时间为22～26h，优选为24h。
本发明还提供了一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法制备得到的高强度壳聚糖配体交换树脂。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
在1L三口瓶中，将250g(1,2)-二氯乙烷和250g乙酸丁酯混合，加入5g司班80，搅拌，得到油相，分别称取壳聚糖(脱乙酰度≥95％，粘度100～200MPa.s)5g，H2O 120g，冰醋酸5g，混合均匀得到水相。将制备的油相分散均匀后加入水相并搅拌，在27℃条件下调节转速，以获得粒径在200～400μm之间的油滴，加入2g饱和NaCl水溶液，再分12次滴加30gNaOH溶液(质量浓度为30％)，在27℃下反应12h。反应结束后过滤、清洗即得壳聚糖树脂。
将得到的壳聚糖树脂用水冲洗，取5g冲洗好的壳聚糖树脂，加入50ml NiSO4水溶液(浓度为2g/L)，吸附24h，即得到高强度的壳聚糖配体交换树脂。
本实施例得到的树脂的外观特征和参数为：壳聚糖树脂外观为淡黄色球形，壳聚糖树脂的SEM图如图1所示，其表面孔道结构SEM图如图2所示，其内部结构SEM图如图3所示。由图1～3可知，本发明制备的壳聚糖树脂具有多孔道结构，多孔的电镜图说明具有传质的通道，大尺寸孔径，高的比表面；内部纤维束结构证明了树脂是氢键作用自组装形成了骨架支撑，所有具备高结晶度的特点。壳聚糖树脂的合成过程XRD图如图4所示，壳聚糖树脂颗粒如图5所示。经分析，壳聚糖树脂的粒径为200～400μm，含水量为63.3wt％，氨基含量为6.5mmol/g，依据GB/T12598-2001检测得磨后圆球率89.5％，说明制备的壳聚糖树脂骨架强度高；高强度的壳聚糖配体交换树脂外观为淡绿色球形，含水量为49.5wt％，Ni2+含量为3.2mmol/g。
实施例2
在1L三口瓶中，将250g(1,2)-二氯乙烷和250g乙酸丁酯混合，加入5g司班80，搅拌，得到油相，分别称取壳聚糖(脱乙酰度≥95％，粘度50～200MPa.s)5g，H2O 110g，冰醋酸5g，混合均匀得到水相。将制备的油相分散均匀后加入水相并搅拌，在28℃条件下调节转速，以获得粒径在200～400μm之间的油滴，加入2g饱和NaCl水溶液，再分10次滴加31gNaOH溶液(浓度为40％)，在28℃下反应10h。反应结束后过滤、清洗即得壳聚糖树脂。
将得到的壳聚糖树脂用水冲洗，取5g冲洗好的壳聚糖树脂，加入50ml NiSO4水溶液(浓度为0.5g/L)，吸附24h，即得到高强度的壳聚糖配体交换树脂。
本实施例得到的树脂的外观特征和参数为：壳聚糖树脂外观为淡黄色球形，粒径为200～400μm，含水量为70.7wt％，氨基含量为5.3mmol/g，磨后圆球率89.2％；高强度的壳聚糖配体交换树脂外观为淡绿色球形，含水量为56.5wt％，Ni2+含量为2.3mmol/g。
实施例3
在1L三口瓶中，将170g(1,2)-二氯乙烷和330g乙酸丁酯混合，加入0.5g司班80，搅拌，得到油相，分别称取壳聚糖(脱乙酰度≥85％，粘度200～800MPa.s)5.2g，H2O 130g，冰醋酸5g，混合均匀得到水相。将制备的油相分散均匀后加入水相并搅拌，在25℃条件下调节转速，以获得粒径在200～400μm之间的油滴，加入2.3g饱和NaCl水溶液，再分15次滴加34.5gNaOH溶液(浓度为20％)，在30℃下反应8h。反应结束后过滤、清洗即得壳聚糖树脂。
将得到的壳聚糖树脂用水冲洗，取3g冲洗好的壳聚糖树脂，加入50ml NiSO4水溶液(浓度为3g/L)，吸附26h，即得到高强度的壳聚糖配体交换树脂。
本实施例得到的树脂的外观特征和参数为：壳聚糖树脂外观为淡黄色球形，粒径为200～400μm，含水量为73.0wt％，氨基含量为5.6mmol/g，磨后圆球率89.4％；高强度的壳聚糖配体交换树脂外观为淡绿色球形，含水量为53.7wt％，Ni2+含量为2.5mmol/g。
实施例4
在1L三口瓶中，将250g(1,2)-二氯乙烷和250g乙酸丁酯混合，加入5g司班80，搅拌，得到油相，分别称取壳聚糖(脱乙酰度≥80％，粘度50～500MPa.s)5g，H2O 120g，冰醋酸2.5g，混合均匀得到水相。将制备的油相分散均匀后加入水相并搅拌，在30℃条件下调节转速，以获得粒径在200～400μm之间的油滴，加入2g饱和NaCl水溶液，再分15次滴加32gNaOH溶液(浓度为50％)，在30℃下反应5h。反应结束后过滤、清洗即得壳聚糖树脂。
将得到的壳聚糖树脂用水冲洗，取1g冲洗好的壳聚糖树脂，加入50ml ZnSO4水溶液(浓度为1.5g/L)，吸附22h，即得到高强度的壳聚糖配体交换树脂。
本实施例得到的树脂的外观特征和参数为：壳聚糖树脂外观为淡黄色球形，粒径为200～400μm，含水量为72.0wt％，氨基含量为5.2mmol/g，磨后圆球率89.4％；高强度的壳聚糖配体交换树脂外观为淡绿色球形，含水量为58.9wt％，Zn2+含量为2.2mmol/g。
实施例5
在2L三口瓶中，将500g(1,2)-二氯乙烷和500g乙酸丁酯混合，加入10g司班80，搅拌，得到油相，分别称取壳聚糖(脱乙酰度≥95％，粘度100～200MPa.s)12g，H2O 240g，冰醋酸10g，混合均匀得到水相。将制备的油相分散均匀后加入水相并搅拌，在27℃条件下调节转速，以获得粒径在200～400μm之间的油滴，加入4g饱和NaCl水溶液，再分12次滴加60gNaOH溶液(浓度为28％)，在27℃下反应12h。反应结束后过滤、清洗即得壳聚糖树脂。
将得到的壳聚糖树脂用水冲洗，取10g冲洗好的壳聚糖树脂，加入100ml NiSO4水溶液(浓度为2.2g/L)，吸附24h，即得到高强度的壳聚糖配体交换树脂。
本实施例得到的树脂的外观特征和参数为：壳聚糖树脂外观为淡黄色球形，粒径为200～400μm，含水量为69.0wt％，氨基含量为6.8mmol/g，磨后圆球率89.5％；高强度的壳聚糖配体交换树脂外观为淡绿色球形，含水量为49.0wt％，Ni2+含量为3.2mmol/g。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将壳聚糖溶于醋酸水溶液中得到水相；将二氯乙烷、乙酸丁酯和司班80混合，得到油相；
2)将水相与油相混合，加温，加入饱和NaCl水溶液，然后分次滴加NaOH溶液，反应，制备得到壳聚糖树脂；
3)将步骤2)得到的壳聚糖树脂加入到硫酸盐水溶液中，吸附得到配体交换树脂；
所述硫酸盐为CuSO4、NiSO4、ZnSO4、CdSO4中的一种或多种；
所述步骤2)水相与油相混合所得混合液中油相为粒径200～400μm的油滴；
添加的饱和NaCl水溶液、NaOH溶液与水相和油相的总质量比依次为1：14～16：280～320；
所述NaOH溶液分10～15次添加；
所述NaOH溶液的质量浓度为20～50％。
2.根据权利要求1所述的一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中水相中醋酸的质量浓度为2～5％；壳聚糖的质量浓度为4～5％。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中二氯乙烷、乙酸丁酯和司班80的质量比依次为1:1:0.002～1:2:0.02。
4.根据权利要求3所述的一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中水相和油相的体积比为2～5:1，所述加温的温度为25～30℃。
5.根据权利要求4所述的一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的反应时间为5～14h，反应温度为25～30℃。
6.根据权利要求5所述的一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中壳聚糖树脂与硫酸盐水溶液的比例为1～5g：50ml；
所述硫酸盐水溶液的浓度为0.2～3.0g/L。
7.根据权利要求6所述的一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中吸附温度为24～28℃；吸附时间为22～26h。
8.权利要求1～7任一项所述的一种高强度壳聚糖配体交换树脂的制备方法制备得到的高强度壳聚糖配体交换树脂。
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