CN1485130A - 核壳型纤维素/不锈钢粉复合微球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核壳型纤维素/不锈钢粉复合微球及其制造方法。将超细不锈钢粉颗粒与工业纤维素黄原酸酯粘胶混匀，悬浮分散于油相之中，形成油包水型悬浮液，升温后固化成球，过滤得到微球。步骤如下：1)配制复合水相，将不锈钢粉和工业用纤维素黄原酸酯粘胶混匀。2)加热固化成球，加入油相和表面活性剂，组成反相悬浮分散体系，升温后固化成球。3)再生得到微球，将微球用有机溶剂洗涤、酸再生，得到核壳型复合微球。4)筛分和扩张床浮选，将再生微球湿态筛分后于扩张床中浮选至一定的粒径分布。本发明所开发的上述复合微球基质，具有亲水性、球形度好、孔度高、耐酸碱、成本低、密度较高且可以调节的优点，扩张性能测试实验表明可以用作为扩张附吸附过程的基质。
Description
技术领域
本发明涉及一种核壳型纤维素/不锈钢粉复合微球及其制备方法。
背景技术
扩张床吸附(Expanded Bed Adsorption，EBA)技术是上世纪九十年代发展起来的一种新型蛋白质分离纯化技术，能直接从发酵液或细胞匀浆中捕获目标产物，集固液分离、浓缩和初期纯化于一个操作单元之中，可以减少操作单元数，缩短操作时间，节约生产成本，被誉为近几十年来出现的第一个新的单元操作，在生物工程下游加工过程中很快得到了广泛的应用。扩张床是流化床的一种特例，基于扩张床中吸附剂的稳定分级行为，其理论塔板数要远远高于普通的流化床，接近于固定床。扩张床吸附过程首先要求吸附剂的基质具有较大的密度和一定的粒径分布，较大的密度可以使基质颗粒在较大的流速下悬浮起来，以满足较大处理量的要求；合适的粒径分布则使基质颗粒因其不同的流化速度在床中形成稳定的分级，均匀地分布于床层之中，使得床内的液相流动接近平推流，轴向返混程度维持在较低的水平上。
依据结构的不同，扩张床基质大致分为两类：均质型和核壳型。均质型基质一般为起增重作用的细小颗粒分散于高分子骨架的网络结构之中，或者在多孔的无机材料表面通过改性复合一层高分子聚合物。核壳型基质则为一个或多个较大的增重颗粒相对集中地分布于高分子骨架的中心，具有明显的核壳结构，视制备方法与工艺的不同，壳层的厚度可以改变，进而调节基质的密度和壳层传质距离。
众所周知，纤维素是最廉价、最丰富的天然高分子之一。大孔纤维素微球的成功开发，使得球形纤维素基质以其高度的亲水性、极低的非特异性吸附和较高的机械强度，作为层析基质被广泛应用于生物工程产品的下游加工过程。纤维素微球的制备方法主要有两种：喷射法和反相悬浮法，前者对喷射设备的要求比较高，得到的微球粒径比较一致，后者工艺比较复杂，分散、洗涤和再生时需要消耗大量的化学品，得到的微球粒径分布较宽。但对扩张床基质而言，并不要求基质颗粒的尺寸一致性。2003年，雷引林等以钛白粉作增重剂，制备出一种均质型的纤维素/钛白粉复合扩张床基质(参见Chinese Journal ofChemical Engineering，11(2)：141-145，2003)。然而，鉴于钛白粉的密度不高，所制备基质的密度不高(约1.2g/ml)。为了提高EBA的处理能力，开发高密度、大孔、高吸附容量的扩张床吸附剂是必然趋势。
纤维素和不锈钢粉都是十分易得的工业原料，迄今为止，还没有将两者结合起来开发出球形扩张床吸附基质的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种核壳型纤维素/不锈钢粉复合微球及其制备方法。
复合微球具有无机颗粒与高分子聚合物的核壳复合结构，即起增重作用的不锈钢粉超细颗粒被紧密包埋于再生纤维素骨架的网络结构之中，微球的湿真密度为1.2～2.0g/cm3，粒径尺寸范围为60～300μm。
制备方法的步骤如下：
1)配制复合水相
将不锈钢粉超细颗粒和工业用纤维素黄原酸酯粘胶混匀；
2)加热固化成球
加入油相和表面活性剂，组成反相悬浮分散体系，升温后固化成球；
3)再生得到微球
将微球用有机溶剂洗涤、酸再生，得到核壳型复合微球；
4)筛分和扩张床浮选
将再生微球湿态筛分后于扩张床中浮选至一定的粒径分布。
本发明在制备工艺上采取“反相悬浮热再生法”，通过再生纤维素骨架的网络结构将不锈钢粉超细颗粒紧密包埋其中，防止了不锈钢粉的泄漏，起到了增加基质密度的目的，且保留了纤维素骨架的大孔、亲水特征和反应活性。因此，所开发的复合微球可以应用作为扩张床吸附剂的基质。本发明的优点在于：1)制备的核壳型复合微球形状规则，有利于扩张床操作的稳定；2)微球密度较大，可以适应扩张床吸附高处理量的要求；3)微球的密度和粒径大小可以调节，可以满足不同应用环境的需要；4)所制备的微球耐酸碱，化学性质稳定，能够满足扩张床操作在位清洗的需要；5)制备工艺简单，易于控制和放大；6)成本低廉，所使用的原料可以回收再利用，环境污染小。
附图说明
图1是本发明球形复合基质在扩张床中的扩张曲线图；
图2是本发明球形复合基质的粒径尺寸分布图；
图3是本发明球形复合基质的外观显微镜照片。
具体实施方式
核壳型纤维素/不锈钢粉复合微球的制备方法的步骤如下：
1)配制复合水相
在室温下将不锈钢粉超细颗粒和工业用纤维素黄原酸酯粘胶按照质量百分比为5％～40％混合，搅拌均匀，升温至25～35℃，继续搅拌30～45分钟；
2)悬浮加热固化成球
停止搅拌，加入油类分散相和表面活性剂，然后开动搅拌，25～35℃下悬浮分散30～60分钟，升温至90～95℃，保温1.5～2小时，粘胶固化得到微球；
3)再生出均质型微球
将固化后的微球从油相中过滤出来，用1～2倍体积的苯洗涤去除油层，再分别使用2～3倍体积的甲醇、含30％乙酸的乙醇溶液或10％硫酸溶液再生，最后用自来水洗涤，得到核壳型复合微球。微球外形为规则的球形，密度和孔结构可随不锈钢粉和纤维素的含量而改变，粒径及其分布则可通过改变制备工艺条件予以调节；
4)筛分和扩张床浮选
先在湿态下筛分至60～300μm，然后将粗筛过的微球置于扩张床中扩张浮选，控制扩张高度为起始沉降高度的2.5～3.5倍，稳定30～45分钟，除去最上部0.5～1cm高度的微球，收集床内微球，即为所需的扩张床基质。
上述被包埋的钛白粉超细颗粒的粒径为1～20μm，湿球中钛白粉的质量百分含量为5％～40％。
纤维素骨架为工业纤维素黄原酸酯粘胶再生物，微球中纤维素的质量百分含量为6.5％～9％，水百分含量为50％～80％。
油类分散相包括泵油与氯苯的混合物、变压器油和花生油。其中，泵油与氯苯的质量比为3∶1～6∶1，油相与水相的体积比控制在4∶1～6∶1之间；变压器油和花生油作油相时，油相与水相的体积比均控制在4∶1～6∶1之间。
表面活性剂为油酸和Span 80，其中，当油相为泵油与氯苯的混合物时，使用油酸作分散剂，用量为占油相的质量百分比0.1～0.5％之间；当油相为变压器油和花生油时，使用Span 80作分散剂，用量为占油相的质量百分比0.5～1.0％之间。
以下通过实施例对本发明作进一步的描述：
1、复合微球的制备
实施例1
于1升三口烧瓶中加入100g工业粘胶(含纤维素8.2g，CS23g，NaOH6.2g，粘度为6800cSt)和20g不锈钢粉，升温至30℃搅拌半小时；停止搅拌，加入600mL由泵油和氯苯配制的混合油相(泵油∶氯苯＝4∶1，质量比)，调节搅拌转速至650rpm，维持转速不变，30℃下悬浮分散45分钟，15分钟内升温至90℃，保温1.5小时，固化得到黄白色微球；将微球从油相中过滤出来，依次用150mL苯洗涤1小时、200mL甲醇再生1小时、200mL含30％乙酸的乙醇溶液再生1小时，用自来水洗涤三次，湿态筛分，得到粒径在60～200μm之间的白球42mL，密度为1.2g/cm3。
实施例2
于1升三口烧瓶中加入100g上述工业粘胶(组成与实例1相同)和20g不锈钢粉，升温至35℃搅拌半小时；加入450mL由泵油和氯苯配制的混合油相(泵油∶氯苯＝6∶1，质量比)和0.9g油酸，调节搅拌转速至600rpm，35℃下悬浮分散1小时，15分钟内升温至90℃，保温1.5小时，固化得到黄白色微球；将微球从油相中过滤出来，依次用200mL苯洗涤1小时、200mL甲醇再生1小时、200mL 10％硫酸溶液再生1小时，用自来水洗涤三次，湿态筛分，得到粒径在60～300μm之间的白球48mL，密度为1.2g/cm3。
实施例3
于1升三口烧瓶中加入100g上述工业粘胶(组成与实例1相同)和25g不锈钢粉，按照实施例1中的方法混匀、加入油相、悬浮分散、升温固化、洗涤和再生，湿态筛分后得到粒径在60～300μm之间的白球40mL，密度为1.4g/cm3。
实施例4
于1升三口烧瓶中加入100g上述工业粘胶(组成与实例1相同)和33g不锈钢粉，按照实施例2中的方法混匀、加入油相、悬浮分散、升温固化、洗涤和再生，湿态筛分后得到粒径在60～300μm之间的白球44mL，密度为1.6g/cm3。
实施例5
于1升三口烧瓶中加入100g上述工业粘胶(组成与实例1相同)和40g不锈钢粉，升温至30℃搅拌半小时；停止搅拌，加入500mL变压器油和2.5g Span80，调节搅拌转速至650rpm，按照实施例1中的方法悬浮分散、升温固化、洗涤和再生，湿态筛分后得到粒径在60～300μm之间的白球43mL，密度为1.8g/cm3。
实施例6
于1升三口烧瓶中加入100g上述工业粘胶(组成与实例1相同)和40g不锈钢粉，升温至30℃搅拌半小时；停止搅拌，加入600mL花生油和3g Span 80，调节搅拌转速至700rpm，按照实施例1中的方法悬浮分散、升温固化、洗涤和再生，湿态筛分后得到粒径在60～300μm之间的白球37mL，密度为1.8g/cm3。
实施例7
于1升三口烧瓶中加入100g工业粘胶(含纤维素6.5g，CS2 2.6g，NaOH 6.2g，粘度为4700 cSt)和45g不锈钢粉，按照实施例1中的方法混匀、加入油相、悬浮分散、升温固化、洗涤和再生，湿态筛分后得到粒径在60～300μm之间的白球46mL，密度为2.0g/cm3。
2、扩张床操作
实施例8
按照实施例3中方法和配比，制备两批复合微球，合并，湿态筛分后得到粒径在60～300μm之间的白球85mL，密度为1.4g/cm3。将微球全部注入扩张床中(Streamline 25型扩张床，瑞典Amersham Pharmacia Biotech公司)，起始沉降高度为17.3cm，使用去离子水作流动相，在流速为1000cm/h下扩张45分钟，吸走床层高度为53cm以上的液固混合物，继续扩张30分钟，再吸取一次。停止扩张，收集得到扩张床基质82mL。
实施例9
使用去离子水作流动相，测量实施例8中得到的基质在扩张床中的扩张性能。定义扩张因子E为扩张高度与起始沉降高度的比值，以E值对线性流速作图，得到基质在扩张床中的扩张曲线(见附图1)，表明基质能够在扩张床中稳定扩张，且适用于较高的流速范围。使用激光粒径分析仪(Mastersizer2000型，英国Malvern公司)分析实施例8中所得到的基质的粒径尺寸分布(见附图2)，表明基质的粒径尺寸范围基本上符合高斯正态分布；并用倒置式生物显微镜(37XAZ型，上海光学仪器厂)观察基质的外观形态(见附图3)，表明基质具有良好的球形度和明显的核壳结构。
Claims (5)
1.一种核壳型纤维素/不锈钢粉复合微球，其特征在于它具有无机颗粒与高分子聚合物的核壳复合结构，即起增重作用的不锈钢粉超细颗粒被紧密包埋于再生纤维素骨架的网络结构之中，微球的湿真密度为1.2～2.0g/cm3，粒径尺寸范围为60～300μm。
2.根据权利要求1所述的一种核壳型纤维素/不锈钢粉复合微球，其特征在于所说的被包埋的不锈钢超细颗粒的粒径为1～20μm，湿球中不锈钢粉的质量百分含量为5％～40％。
3.根据权利要求1所述的一种核壳型纤维素/不锈钢粉复合微球，其特征在于所说的纤维素骨架为工业纤维素黄原酸酯粘胶再生物，微球中纤维素的质量百分含量为6.5％～9％，水百分含量为50％～80％。
4.一种核壳型纤维素/不锈钢粉复合微球的制备方法，其特征在于方法的步骤如下：
1)配制复合水相
将不锈钢粉超细颗粒和工业用纤维素黄原酸酯粘胶混匀；
2)加热固化成球
加入油相和表面活性剂，组成反相悬浮分散体系，升温后固化成球；
3)再生得到微球
将微球用有机溶剂洗涤、酸再生，得到核壳型复合微球；
4)筛分和扩张床浮选
将再生微球湿态筛分后于扩张床中浮选至一定的粒径分布。
5.根据权利要求4所述的一种核壳型纤维素/不锈钢粉复合微球的制备方法，其特征在于方法的步骤如下：
1)配制复合水相
在室温下将不锈钢超细颗粒和工业用纤维素黄原酸酯粘胶按照质量百分比为5％～40％混合，搅拌均匀，升温至25～35℃，继续搅拌30～45分钟；
2)悬浮加热固化成球
停止搅拌，加入油类分散相和表面活性剂，然后开动搅拌，25～35℃下悬浮分散30～60分钟，升温至90～95℃，保温1.5～2小时，粘胶固化得到微球；
3)再生出均质型微球
将固化后的微球从油相中过滤出来，用1～2倍体积的苯洗涤去除油层，再分别使用2～3倍体积的甲醇、含30％乙酸的乙醇溶液或10％硫酸溶液再生，最后用自来水洗涤，得到核壳型复合微球；
4)筛分和扩张床浮选
先在湿态下筛分至60～300μm，然后将粗筛过的微球置于扩张床中进行扩张筛选，控制扩张高度为起始沉降高度的2.5～3.5倍，稳定30～45分钟，除去最上部0.5～1cm高度的微球，收集床内微球，即为所需的扩张床基质。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN100462140C (zh) * | 2007-02-09 | 2009-02-18 | 浙江大学 | 一种纤维素球形分离基质的孔道扩增方法 |
| CN102504285A (zh) * | 2011-11-03 | 2012-06-20 | 中国科技开发院广西分院 | 一种再生纤维素微球及其制备方法 |
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