CN113980341B - 一种海藻酸钙凝胶球的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，属于天然载体制备领域。针对现有海藻酸钙凝胶球制备效率慢且效果差的问题，本发明提供了一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，包括以下步骤：分别制备海藻酸钠溶液和氯化钙溶液；将制备好的海藻酸钠溶液倒入模具中，将模具进行冷冻，随后得到海藻酸钠冰球；将海藻酸钠冰球放入至氯化钙溶液中，进行浸泡搅拌，随后得到海藻酸钙凝胶球。本发明通过对海藻酸钠溶液进行冷冻处理，溶液中的水分会转化为冰晶，获得的海藻酸钠冰球比表面积增大，间隙增大，与氯化钙溶液进行交联反应形成了更多的孔隙结构，增大海藻酸钙凝胶球比表面积和孔容，使其作为微生物固定化载体，增加了微生物附着的面积，效率高且后续效果强。

Description

一种海藻酸钙凝胶球的制备方法

技术领域

本发明属于天然载体制备领域，更具体地说，涉及一种海藻酸钙凝胶球的制备方法。

背景技术

海藻酸钠具有来源丰富、成本低、可生物降解和良好生物相容性等优点，并含有大量基团，使其能够通过静电吸引作用或者络合作用完成吸附效果。海藻酸钠与钙离子通过离子移变作用发生交联作用，形成海藻酸钙包被层或胶囊，而得到稳定长效的薄膜、微囊结构，在载体类型上属于天然载体。载体可重复利用，易于分离纯化，能维持生物反应器的稳定性。海藻酸钠制备的微胶囊作为生物固定化载体应用于生物发酵，能达到与酵母细胞游离培养相当的产醇量，在浓度差的推动下代谢产物能扩散至胶囊外，减轻了产物积累对酵母细胞的抑制作用。在医药研制、缓释肥施用方面，可以实现药物和肥料的控释、缓释。尿素与海藻酸钙凝胶混合后，由于缓释材料与土壤环境存在浓度梯度，氮素释放在10d后达到稳定状态，而直接施肥的氮素利用率较低，通常被分解为氮气，在几小时内损失掉。海藻酸钙也可作为保水剂，应用于农业水肥调节、土壤改良中，利用自身吸水、保水和释水作用提高土壤持水能力，减少农业灌溉用水消耗。施用4％保水剂时，土壤持水率可达到70％。良好的海藻酸钙凝胶材料除了物理化学性质，还需具有优良的扩散性能，丰富的孔隙、较大的比表面积能够为植物种子萌发、微生物固定培养和污染物吸附提供优质的环境基础。目前，海藻酸钙凝胶的制备主要通过注射器、蠕动泵将海藻酸钠溶液滴注到氯化钙溶液中成形。但是滴注法常出现粘连现象，导致海藻酸钙凝胶的制备并不顺利，效果并不理想。

针对上述问题也进行了相应的改进，如中国专利申请号CN201510174751.X，公开日为2015年8月12日，该专利公开了一种球形海藻酸钙凝胶微粒的制备方法，包括以下步骤：(1)将可溶性钙盐的乙醇溶液和含表面活性剂连续相基质均匀混合，挥发法去溶剂制得油相；(2)以海藻酸钠溶液为分散相，以所述油相为连续相，在微流控芯片中发生预交联反应，形成预交联的液滴；将所述液滴收集于含钙离子的收集液中，进行交联反应，洗涤分离后得到所述球形海藻酸钙凝胶微粒。该专利的不足之处在于：无法保证海藻酸钙凝胶的质量。

又如中国专利申请号CN202011073895.3，公开日为2021年1月8日，该专利公开了一种海藻酸钠吸附支架及其制备方法及应用，涉及吸附材料领域。一种海藻酸钠吸附支架的制备方法以海藻酸钠为溶质，水为溶剂，配制质量分数为2～13％的海藻酸钠溶液，再将所述海藻酸钠溶液倒入培养板中，静置去除气泡后，先在-35～-25℃中冷冻8～12h，再在-60～-50℃中二次冷冻3～5h，然后置入真空冷冻干燥机内冷冻干燥36～60h，得到海藻酸钠冻干块，将得到的海藻酸钠冻干块浸泡入乙醇溶液中，再取出海藻酸钠，清除表面附着的乙醇，然后将海藻酸钠放入氯化钙溶液中进行交联反应，反应后取出海藻酸钠产物，清除表面的氯化钙，得到所述海藻酸钠吸附支架。该专利的不足之处在于：两次冷冻耗费时间过长，成本较高。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有海藻酸钙凝胶球制备效率慢且效果差的问题，本发明提供了一种海藻酸钙凝胶球的制备方法。本发明通过对海藻酸钠溶液进行冷冻处理，溶液中的水分会转化为冰晶，获得的海藻酸钠冰球比表面积增大，间隙增大，与氯化钙溶液进行交联反应形成了更多的孔隙结构，增大海藻酸钙凝胶球比表面积和孔容，使其作为微生物固定化载体，增加了微生物附着的面积，继而提高处理效果，整个方法操作简便，易于控制，且成本低，效率高。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，包括以下步骤：

S1：分别制备海藻酸钠溶液和氯化钙溶液；

S2：将制备好的海藻酸钠溶液倒入模具中，将模具进行冷冻，随后得到海藻酸钠冰球；

S3：将海藻酸钠冰球放入至氯化钙溶液中，进行浸泡搅拌，随后得到海藻酸钙凝胶球。

更进一步的，所述步骤S1中制备的海藻酸钠溶液的浓度为1％～3％(w/v)；氯化钙溶液的浓度为3％～5％(w/v)。

更进一步的，采用蒸馏水分别进行海藻酸钠溶液和氯化钙溶液的制备。

更进一步的，所述步骤S2中模具包括上盖和下盖，上下盖上均设有呈半球形的凹槽，且上下盖中的凹槽位置一一对应，通过上下盖对应的凹槽对海藻酸钠溶液进行冷冻形成海藻酸钙凝胶球。

更进一步的，上盖的顶部设置有若干个沥液孔。

更进一步的，下盖中设有若干个不同尺寸凹槽的区域，每个区域内等间距设置有若干个相同尺寸的凹槽。

更进一步的，步骤S2中冷冻温度为-20～-40℃，冷冻时间为10～30min；解冻温度为20～24℃，解冻时间为5～10min。

更进一步的，所述步骤S3中浸泡搅拌的时间为1～4h。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过对海藻酸钠溶液进行冷冻处理，溶液中的水分会转化为冰晶，获得的海藻酸钠冰球比表面积增大，间隙增大，与氯化钙溶液进行交联反应形成了更多的孔隙结构，增大了海藻酸钙凝胶球比表面积和孔容，使其作为微生物固定化载体，增加了微生物附着的面积。作为污水处理吸附材料，提高了对污染物的吸附能力；并且避免了以往使用滴注法进行交联反应容易出现粘连的现象，保证制备的海藻酸钙凝胶形状规整，整个方法操作简便，易于控制，且成本低；

(2)本发明通过对制备的海藻酸钠溶液和氯化钙溶液进行一定程度的浓度控制，避免海藻酸钠溶液浓度过高产生拖尾现象，导致后续制备的海藻酸钙凝胶球形状不规则和大小不一致的情况出现，以及避免氯化钙溶液浓度过低不利用充分进行交联反应；同时制备过程中采用蒸馏水，纯度高，避免引入杂质，进一步减小整个过程的杂质介入，保证后续制备的海藻酸钙凝胶球纯度高；

(3)本发明中的模具采用上下盖密封，完成对海藻酸钠溶液的冷冻过程，上下盖之间的密封有效保证了在冷冻过程中内部的海藻酸钠溶液不会受到外界环境的干扰，提高后续海藻酸钙凝胶球的纯度，避免杂质的介入；且采用白色树脂为原料，无毒环保，且模具可重复利用，极大的节约了企业制备成本；更是通过在模具上设置不同尺寸的凹槽得到不同尺寸的海藻酸钠冰球，实现了最终海藻酸钙凝胶球的尺寸可控，适用于不同场景；

(4)本发明通过对海藻酸钠冰球与氯化钙溶液进行的交联反应时间进行控制，避免时间过长凝胶内网格结构过于致密，不利于负载的营养物质扩散到环境中，也导致了微生物的反应产物在凝胶内积累，从而降低反应效率，甚至导致材料破裂；时间过短凝胶外部已形成海藻酸钙外壳，但内部仍为液态环境，机械强度低，施加外力易破碎。

附图说明

图1为本发明中模具的结构立体图；

图2为本发明中模具的不同凹槽结构示意图；

图3为本发明实施例产物的SEM图；

图4为本发明对比例产物的SEM图；

图5为本发明实施例的FTIR图；

图6为本发明对比例的FTIR图。

图中：1、上盖；101、上盖凹槽I；102、上盖凹槽II；103、上盖凹槽III；2、下盖；201、下盖凹槽I；202、下盖凹槽II；203、下盖凹槽III。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，包括以下步骤：

S1：分别制备海藻酸钠溶液和氯化钙溶液；具体的，在该步骤中，分别取一定量的海藻酸钠和氯化钙，各自放入水中进行溶解得到海藻酸钠溶液和氯化钙溶液；为了避免在溶解过程中引入杂质，采用蒸馏水分别进行海藻酸钠溶液和氯化钙溶液的制备，提高溶液配制的纯度；同时设置制备的海藻酸钠溶液的浓度为1％～3％(w/v)，避免海藻酸钠溶液浓度过高时会出现拖尾现象，导致后续凝胶形状不规则，大小不一致；海藻酸钠浓度过低不利于后续交联反应的进行，无法充分与氯化钙进行反应得到藻酸钙凝胶球。氯化钙溶液的浓度为3％～5％(w/v)，避免氯化钙溶液的浓度过低导致与海藻酸钠的交联效果不佳，获得产物机械强度、粘弹性较差；随着钙离子浓度增加，交联产生的产物抗压性能具有上升趋势，但过高的钙离子浓度导致资源的浪费，增加成本。

S2：将制备好的海藻酸钠溶液倒入模具中，将模具进行冷冻，随后得到海藻酸钠冰球；具体的，在该步骤中，模具包括上盖1和下盖2，上下盖上均设有呈半球形的凹槽，且上下盖中的凹槽位置一一对应，一一对应的两个凹槽刚好在上下盖密封时行程一个球形，通过上下盖对应的凹槽对海藻酸钠溶液进行冷冻形成海藻酸钙凝胶球；在进行冷冻前，先将海藻酸钠溶液倒入下盖2中的凹槽内，然后上盖1对下盖2进行密封，随后再将其放入至冰箱或其他冷冻设备中进行冷冻；该模具的设置有效保证了整体的密封性能，保证了在冷冻过程中内部的海藻酸钠溶液不会受到外界环境的干扰，提高后续海藻酸钙凝胶球的纯度，避免杂质的介入。同时模具采用白色树脂的材质，环保无污染，且该模具可重复利用，极大的降低了生产成本。更具体的，在上盖1的顶部设置有若干个沥液孔，使得在进行上下盖密封时，多余的海藻酸钠溶液能够从沥液孔中流出。且在下盖中设有若干个不同尺寸凹槽的区域，每个区域内等间距设置有若干个相同尺寸的凹槽，上盖按照下盖呈对应设置，通过在模具上设置不同尺寸的凹槽得到不同尺寸的海藻酸钠冰球，实现了最终海藻酸钙凝胶球的尺寸可控，适用于不同场景。在本申请中，将上下盖分为三个区域，第一个区域内上盖设置上盖凹槽I101，下盖设置有下盖凹槽I201，该凹槽的直径为4mm；第二区域内上盖设置上盖凹槽II 102，下盖设置有下盖凹槽II 202，该凹槽的直径为6mm；第三个区域内上盖设置上盖凹槽III103，下盖设置有下盖凹槽III203，该凹槽的直径为8mm。

更进一步的，在该步骤中，控制冷冻温度为-20～-40℃，冷冻时间为10～30min；解冻温度为20～24℃，解冻时间为5～10min；在这里进行说明的是，此处的解冻是指能够将冷冻的模具进行拆开，拿出海藻酸钙凝胶球即可。冷冻时间过长会破坏海藻酸钠凝胶内微孔结构，交联反应后只能保留大孔结构；时间过短内部仍为液态环境，孔隙结构不规则。冷冻温度低于-40℃时，海藻酸钠急速冷冻，硬度大幅度上升，弹性下降，得到的产物凝胶球易破碎；-20℃冷冻的凝胶中自由水较少，更多的水分以结合水的形态存在于凝胶中，有利于海藻酸钠形成高性能的网络结构。解冻时间影响水分的挥发和形状的保持，融化时自由水挥发，影响凝胶球的含水率，解冻时间过长冰球融化直径减小，获得的产物不规则。解冻温度一般选用室温，实验室温度环境常年保持在20～24℃。

S3：将海藻酸钠冰球放入至氯化钙溶液中，进行浸泡搅拌，随后得到海藻酸钙凝胶球，该步骤中控制浸泡搅拌的时间为1～4h，即海藻酸钠冰球与氯化钙进行交联反应的时间保持在1～4h，交联反应的时间尤为重要，对后续海藻酸钙凝胶球内部孔隙结构形成产生较大影响。主要缺陷在于，反应时间过短，海藻酸钙凝胶球外部已形成海藻酸钙外壳，但内部仍为液态环境，机械强度低，施加外力易破碎。反应时间过长，海藻酸钙凝胶球内网格结构过于致密，不利于后续使用过程中负载的营养物质扩散到环境中，也导致了微生物的反应产物在海藻酸钙凝胶球内积累，从而降低反应效率，甚至导致材料破裂。

本发明通过对海藻酸钠溶液进行冷冻处理，溶液中的水分会转化为冰晶，获得的海藻酸钠冰球比表面积增大，间隙增大，与氯化钙溶液进行交联反应形成了更多的孔隙结构，增大了海藻酸钙凝胶球比表面积和孔容，使其作为微生物固定化载体，增加了微生物附着的面积，增加海藻酸钙凝胶球后续处理作用。作为污水处理吸附材料，提高了对污染物的吸附能力；并且避免了以往使用滴注法进行交联反应容易出现粘连的现象，保证制备的海藻酸钙凝胶形状规整，整个方法操作简便，易于控制，原料来源广泛且价格低廉，使其整体制备成本低。

实施例1

一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，包括以下步骤：

S1：取1g海藻酸钠于100ml蒸馏水中，浸泡1h，超声溶解，获得浓度为1％的海藻酸钠溶液；取3g氯化钙溶解于100ml蒸馏水中，获得浓度为3％的氯化钙溶液；

S2：将制备好的海藻酸钠溶液倒入模具下盖2中，随后用上盖1进行密封，上盖1上的沥液孔将多余的海藻酸钠溶液排出，放入-40℃冰箱冷冻10min后取出，在24℃环境下解冻5min，随后得到海藻酸钠冰球；

S3：将海藻酸钠冰球放入浓度为3％氯化钙溶液中浸泡搅拌，反应4h后取出用蒸馏水冲洗3次，获得海藻酸钙凝胶球。

该实施例海藻酸钠浓度较低，解冻过程中融化较快，氯化钙浓度也较低，交联效果差，海藻酸钙凝胶易失水干瘪，表面粗糙，硬度较差。

实施例2

一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，包括以下步骤：

S1：取3g海藻酸钠于100ml蒸馏水中，浸泡1h，超声溶解，获得浓度为3％的海藻酸钠溶液；取4g氯化钙溶解于100ml蒸馏水中，获得浓度为4％的氯化钙溶液；

S2：将制备好的海藻酸钠溶液倒入模具下盖2中，随后用上盖1进行密封，上盖1上的沥液孔将多余的海藻酸钠溶液排出，放入-30℃冰箱冷冻20min后取出，在20℃环境下解冻10min，随后得到海藻酸钠冰球；

S3：将海藻酸钠冰球放入浓度为4％氯化钙溶液中浸泡搅拌，反应2h后取出用蒸馏水冲洗3次，获得海藻酸钙凝胶球。

该实施例海藻酸钠浓度较高，溶解后溶液粘稠，不易操作。冷冻后不易从模具中取出。但是进行交联后凝胶球硬度较好，浸泡在水中置于摇床进行振荡，不易破碎。

实施例3

一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，包括以下步骤：

S1：取2g海藻酸钠于100ml蒸馏水中，浸泡1h，超声溶解，获得浓度为2％的海藻酸钠溶液；取5g氯化钙溶解于100ml蒸馏水中，获得浓度为5％的氯化钙溶液；

S2：将制备好的海藻酸钠溶液倒入模具下盖2中，随后用上盖1进行密封，上盖1上的沥液孔将多余的海藻酸钠溶液排出，放入-20℃冰箱冷冻30min后取出，在24℃环境下解冻7min，随后得到海藻酸钠冰球；

S3：将海藻酸钠冰球放入浓度为5％氯化钙溶液中浸泡搅拌，反应1h后取出用蒸馏水冲洗3次，获得海藻酸钙凝胶球。

该实施例海藻酸钠溶液较粘稠，倒入模具仍可以流动，交联后产物硬度适中，外形规则，不易失水。

对比例1

一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，包括以下步骤：

S1：取2g海藻酸钠于100ml蒸馏水中，浸泡1h，超声溶解，获得浓度为2％的海藻酸钠溶液；取5g氯化钙溶解于100ml蒸馏水中，获得浓度为5％的氯化钙溶液；

S2：巴氏吸管吸取浓度为2％海藻酸钠溶液滴入浓度为5％氯化钙溶液中浸泡搅拌，反应1h后取出用蒸馏水冲洗3次，获得海藻酸钙凝胶球。

随后将实施例3与对比例1获得的产物经过SCIENTZ-12N钟罩式冷冻干燥机冷冻干燥48h。SEM、BET、FTIR检测实施例3和对比例1获得的产物，结果如下：产物通过TescanS8000扫描电子显微镜检测，如图3和图4所示。实施例3的产物即图3中的(B)较对比例1即图4中的(D)海藻酸钠与氯化钙交联反应下，均出现线状凝胶单元，钙离子与海藻酸盐分子链的吸引作用呈径向运动，聚集成线状胶束。实施例3的产物即图3中的(B)由冷冻法获得，冷冻处理使溶液中的水转化为冰晶，获得的海藻酸钠冰球比表面积增大，孔隙增大，孔隙结构由平面状即图4中的(D)变为立体状。实施例3的产物即图3中的(A)较对比例1即图4中(C)表面更加粗糙，气泡更小，出现大量的沟壑结构，这说明海藻酸钠冷冻处理后有利于孔隙结构的形成。

实施例3与对比例1获得的产物通过Autosorb IQ全自动比表面和孔径分布分析仪检测比表面积和孔径分布，比表面积测定选择BET模型，孔径分析采用BJH模型。由表1可以看出实施例具有丰富的孔隙结构，比表面积增加54.9％、总孔容增加36.3％，平均孔径减小。

表1实施例与对比例产物比表面积分析

产物通过Thermo Is 10红外光谱仪检测，如图5和图6所示。1034～1037cm^-1对应C-O-C的伸缩振动峰，1430cm^-1处是-COO-的伸缩振动峰，1620～1627cm^-1对应-COOH振动峰，2172～2186cm^-1处是C＝O的振动峰，3432～3438cm^-1处是-OH伸缩振动峰。实施例3产物的吸收峰强度更大，所含化学键极性更大。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：分别制备海藻酸钠溶液和氯化钙溶液；

S2：将制备好的海藻酸钠溶液倒入模具中，将模具进行冷冻，随后得到海藻酸钠冰球；冷冻温度为-20～-40℃，冷冻时间为10～30min；解冻温度为20～24℃，解冻时间为5～10min；

S3：将海藻酸钠冰球放入至氯化钙溶液中，进行浸泡搅拌，随后得到海藻酸钙凝胶球。

2.根据权利要求1所述的一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中制备的海藻酸钠溶液的浓度为1％～3％(w/v)；氯化钙溶液的浓度为3％～5％(w/v)。

3.根据权利要求2所述的一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，其特征在于：采用蒸馏水分别进行海藻酸钠溶液和氯化钙溶液的制备。

4.根据权利要求1所述的一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中模具包括上盖(1)和下盖(2)，上下盖上均设有呈半球形的凹槽，且上下盖中的凹槽位置一一对应，通过上下盖对应的凹槽对海藻酸钠溶液进行冷冻形成海藻酸钙凝胶球。

5.根据权利要求4所述的一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，其特征在于：上盖(1)的顶部设置有若干个沥液孔。

6.根据权利要求4或5所述的一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，其特征在于：下盖中设有若干个不同尺寸凹槽的区域，每个区域内等间距设置有若干个相同尺寸的凹槽。

7.根据权利要求1所述的一种海藻酸钙凝胶球的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中浸泡搅拌的时间为1～4h。

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