CN1981924A

CN1981924A - 一种超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法

Info

Publication number: CN1981924A
Application number: CN 200610025204
Authority: CN
Inventors: 寇正福; 刘坐镇; 江邦和; 王玉恒; 陈玲
Original assignee: SHANGHAI HUAZHEN SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd; East China University of Science and Technology
Current assignee: SHANGHAI HUAZHEN SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd; East China University of Science and Technology
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: CN100542668C

Abstract

本发明公开了一种超大孔耐中压的球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法：以普通棉花为原料，经碱化老化和黄化制得纤维素黄酸粘胶，与混合致孔剂混合均匀后分散到油相中，采用“热溶胶转相”法制备球形的纤维素黄酸酯颗粒所得颗粒经过酸再生，碱脱硫，交联等过程得到了不同粒径的超大孔耐中压的球形纤维素颗粒制得的纤维素颗粒，孔径50nm－30μm，可耐中压5－7bar，最高流速为465cm/h。超大孔耐中压球形纤维素颗粒，经过碱活化，分别与卤代烷盐类、卤代烷、配基反应，分别得到相应的各种离子型疏水型和亲和型超大孔耐中压的球形纤维素吸附剂，可以用于蛋白质、酶、核酸、多糖等生物大分子的分离和纯化过程。

Description

一种超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法

技术领域

本发明属于功能高分子材料领域，特别涉及一种超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法。

背景技术

纤维素和纤维素吸附剂已经被广泛用作色谱载体。在色谱学中，既可以用于分析色谱又可以用于制备色谱；在凝胶色谱、离子色谱、疏水色谱、亲和色谱等主要的几种色谱技术中都有广泛应用。

纤维素颗粒及其吸附剂的制备和应用早在五十年代初就已经开始，当时由于制备手段的有限性，商品纤维素颗粒及其吸附剂大多数存在两个主要缺陷：1.外观多为粉状，纤维状或无定形的微粒状，装柱后水力学特性不好，易造成床层流速减慢，柱压增高的缺陷；2.没有大孔结构，造成溶液传质速度慢，大分子物质难向孔内扩散的弊病。

为了克服第一个缺陷，许多国家的学者用多种方法制备球形纤维素。这些方法基本上可以分为两大类：一种与悬浮聚合相似，即将纤维素及其衍生物的溶液分散在与之不混溶的介质中，形成“水包油”或者“油包水”体系，然后再固化成型和再生；另一种方法可称为“喷射法”，即由一种带有合适孔径喷嘴的设备喷射入凝固浴而成型，这种方法需要特殊的设备才能得到均一的球形纤维素颗粒。而且这两种方法制备的球形纤维素颗粒只能耐低压(1-3bar)，不能耐中压(5-7bar)。为了克服第二个缺陷，一些国家的学者采用不同的致孔剂来获得较大孔径的纤维素颗粒。已经报道的致孔方法有：碳酸钙(JP 04057836、JP 03259934、JP 03231942、JP 03170501)、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾(CN1456593A)等无机粉末作为致孔剂和发泡剂，用酸除去无机粉末就可以获得较大孔径的纤维素颗粒。但是这些球形纤维素颗粒外表面或者内部常带有裂缝，而且孔径的分布很宽，不适合工业色谱操作。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的缺点，提供一种具有球形度高、粒径分布窄、具有超大孔和大孔结构、机械性能优异、中压(5-7bar)下保持高流速等特点的超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法。

为达到上述目的本发明采用的技术方案是：以普通棉花为原料制得纤维素黄酸粘胶，采用混合致孔剂，用“热溶胶转相”法制备超大孔耐中压球形纤维素颗粒和功能基化制备吸附剂的方法，具体包括四个步骤：粘胶的制备、“热溶胶转相”法制球、后处理、和功能基化(见图1)。

(1)粘胶制备：

以质量份计，称取普通棉花1份，加入18％氢氧化钠水溶液20份，浸渍2h，将棉花捞出挤干，老化3天，放入密闭容器中，然后加入CS₂0.5份，室温下震荡3小时，冰水浴，用10份5.5％氢氧化钠水溶液搅拌7小时，调成纤维素黄酸粘胶液。

(2)“热溶胶转相”法制球：

以质量份计，将油相：非极性有机溶剂2-5份与分散剂0.02-0.25份的混合物混合均匀，将水相：所述纤维素黄酸粘胶液1份与混合致孔剂0.1-4份的混合物混合均匀后加入到油相中，搅拌半小时，快速加热到70℃，保温半小时，倾析出油相，得到含致孔剂的球形纤维素黄酸酯颗粒。

所述非极性有机溶剂是变压器油、真空泵油、氯苯或者其中两者的混合物。所述分散剂是碳酸钙、非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的混合物，它们的质量配比为10∶(1-10)∶(0.5-5)。所述的非离子表面活性剂是span20、span40、span60、span80和span85中的一种。所述的阴离子表面活性剂是油酸钾和油酸钠中的一种。

步骤(2)中混合致孔剂是指线性高分子、小分子物质和表面活性剂的混合物，它们的质量配比为100∶(0.5-10)∶(0.5-10)。所述线性高分子是指聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氧乙烯、聚乙二醇中的一种。所述小分子物质指苯，或者低分子量醇：甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇，或者胺类化合物：脂肪胺、环状脂肪胺、多胺化合物、乙醇胺中的一种。所述表面活性剂指toween60、toween65、toween80、toween85、聚氧乙烯蓖麻油中的一种。

(3)后处理：

向所述含致孔剂的球形纤维素黄酸酯颗粒中加入1M硫酸，搅拌1小时，大量水洗，过滤，将纤维素颗粒置于0.1M氢氧化钠水溶液中浸泡，大量水洗，过滤后，得到球形纤维素颗粒；

取1份经上述处理的纤维素颗粒，用2-5份7％氢氧化钠水溶液活化，0.1-5份环氧氯丙烷作为交联剂，60℃反应3h，抽滤，用丙酮和去离子水洗净，得到超大孔耐中压的球形纤维素颗粒。

(4)功能基化

超大孔耐中压的球形纤维素颗粒，经过碱活化，分别与卤代烷盐类、卤代烷、配基反应，可分别得到相应的各种离子型、疏水型和亲和型纤维素吸附剂：

A强碱型纤维素吸附剂的制备：1份超大孔耐中压的球形纤维素颗粒，经过0.5-5份5M氢氧化钠水溶液活化，与0.25-5份3-卤丙基-三乙基铵盐反应，可以得到强碱型超大孔耐中压球形纤维素吸附剂。

B弱碱型纤维素吸附剂的制备：1份超大孔耐中压的球形纤维素颗粒，经过0.5-5份5M氢氧化钠水溶液活化，与0.25-5份2-卤乙基-二乙基胺盐反应，可以得到弱碱型超大孔耐中压球形纤维素吸附剂。

C强酸型纤维素吸附剂的制备：1份超大孔耐中压的球形纤维素颗粒，加入0.5-10份7％氢氧化钠溶液，冰水浴，搅拌充分溶胀，再加入0.25-5份30％3-卤丙基磺酸钠溶液，60℃反应1h。过滤，水洗，得到强酸型超大孔耐中压球形纤维素吸附剂。

D弱酸型纤维素吸附剂的制备：1份超大孔耐中压的球形纤维素颗粒，经过0.5-10份5M氢氧化钠水溶液活化，与0.25-5份卤代乙酸钠反应可以得到弱酸型超大孔耐中压球形纤维素吸附剂。

E烷基疏水型纤维素吸附剂的制备：1份超大孔耐中压的球形纤维素颗粒，经过0.5-10份5M氢氧化钠水溶液活化，与0.5-10份卤代烷反应，可以得到烷基疏水型超大孔耐中压球形纤维素吸附剂。

F亲和型纤维素吸附剂的制备：1份超大孔耐中压的球形纤维素颗粒，加入0.5-10份1.6％氢氧化钠溶液(含0.01-0.05份NaBH₄)和0.5-10份二醇缩水甘油醚，60℃反应3h，抽滤，用丙酮和去离子水洗净，得到环氧基超大孔耐中压的球形纤维素吸附剂，与含羟基、氨基和巯基的配基反应，可以得到相应的亲和型超大孔耐中压球形纤维素吸附剂。

本发明的有益效果是：本发明所述的超大孔耐中压球形纤维素颗粒为再生纤维素，制备方法简单，外观为球形或椭球形，粒径分布范围为40-75μm、75-150μm、150-300μm、300-600μm、600-1000μm；具有超大孔和大孔结构，孔径为50nm-30μm，可以耐5-7bar操作压力，流速最高可以达到465cm/h。功能基化后，可制得离子型、疏水型或亲和型超大孔耐中压球形纤维素吸附剂，用于蛋白质、酶、核酸、多糖等生物大分子的分离和纯化过程。

附图说明

图1：超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法工艺示意图；

图2：超大孔耐中压球形纤维素颗粒的扫描电镜照片。

具体实施方案

本发明的制备方法工艺步骤示于图1，超大孔耐中压球形纤维素颗粒的扫描电镜照片示于图2，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

(1)粘胶的制备

将500g普通棉花，浸渍在10kg 18％氢氧化钠水溶液中2h后将棉花捞出挤干，老化3天。放入密闭容器中，然后加入250g CS₂，室温下震荡3h，冰水浴，加入5kg 5.5％氢氧化钠水溶液，搅拌7小时制得纤维素黄酸粘胶液。

(2)“热溶胶转相”法制球

将油相1500mL氯苯与分散剂37g(30g碳酸钙、2g油酸钾和5g span85)、水相500g纤维素黄酸粘胶液和混合致孔剂235g(20g苯、200g平均分子量10,000聚苯乙烯、15g Tween80)分别混合均匀，再将水相加入到油相中，200rpm搅拌半小时，快速加热到70℃，保温半小时。倾析出油相，得到含致孔剂的球形纤维素黄酸酯颗粒。

(3)后处理

含致孔剂的球形纤维素黄酸酯颗粒中加入1M硫酸，搅拌1小时，大量水洗，过滤。将纤维素颗粒置于0.1M氢氧化钠水溶液中浸泡过夜，再大量水洗，过滤。

取60g经上述处理的纤维素颗粒，用1L 7％氢氧化钠水溶液活化，20g环氧氯丙烷作为交联剂，60℃反应3h，抽滤，用丙酮和去离子水洗净，得到超大孔耐中压的球形纤维素颗粒。

经测定，这种方法制得的超大孔耐中压球形纤维素颗粒，外观为球形或者椭球形，粒径300-600μm占60％，粒径600-1000μm占30％。平均孔径5.7μm，可耐压5.3bar，最高流速为450cm/h。

实施例2

(1)粘胶的制备

按与实施例1相同操作步骤操作。

(2)“热溶胶转相”法制球

将油相1500mL真空泵油与分散剂47g(30g碳酸钙、2g油酸钾和15g span85)混合均匀，再将水相500g纤维素黄酸粘胶液和和混合致孔剂275g(20g异丙醇、250g平均分子量为10,000的聚乙烯醇、5g Tween60)混合均匀后加入到油相中，200rpm搅拌半小时，快速加热到70℃，保温半小时。倾析出油相，得到含致孔剂的球形纤维素黄酸酯颗粒。

(3)后处理

按与实施例1相同操作步骤操作。

经测定，这种方法制得的超大孔耐中压球形纤维素颗粒，外观为球形或者椭球形，粒径300-600μm占75％，粒径600-1000μm占12％。平均孔径2.4μm，可耐压5.8bar，最高流速为460cm/h。

实施例3

(1)粘胶的制备

按与实施例1相同操作步骤操作。

(2)“热溶胶转相”法制球

将油相1500mL变压器油与分散剂62g(30g碳酸钙、2g油酸钾和30g span85)混合均匀，再将水相500g纤维素黄酸粘胶液和混合致孔剂258g(3g环己胺、250g平均分子量为10,000的聚氧乙烯、5g聚氧乙烯蓖麻油)混合均匀后加入到油相中，200rpm搅拌半小时，快速加热到70℃，保温半小时。倾析出油相，得到含致孔剂的球形纤维素黄酸酯颗粒。

(3)后处理

按与实施例1相同操作步骤操作。

经测定，这种方法制得的超大孔耐中压球形纤维素颗粒，外观为球形或者椭球形，粒径300-600μm占68％，粒径600-1000μm占21％。平均孔径1.5μm，可耐压6.2 bar，最高流速为460cm/h。

实施例4

(1)粘胶的制备

按与实施例1相同操作步骤操作。

(2)“热溶胶转相”法制球

将油相1250mL真空泵油和250mL变压器油与分散剂44g(30g碳酸钙、4g油酸钾和10g span60)混合均匀，再将水相500g纤维素黄酸粘胶液和混合致孔剂258g(3g环己胺、250g平均分子量为20,000的聚乙二醇、5g tween80)混合均匀后加入到油相中，200rpm搅拌半小时，快速加热到70℃，保温半小时。倾析出油相，得到含致孔剂的球形纤维素黄酸酯颗粒。

(3)后处理

按与实施例1相同操作步骤操作。

经测定，这种方法制得的超大孔耐中压球形纤维素颗粒，外观为球形或者椭球形，粒径150-300μm占60％，粒径300-600μm占28％。平均孔径750nm，可耐压7.0bar，最高流速为465cm/h。

实施例5

200g实施例1中制备的超大孔耐中压球形纤维素颗粒，加入300g 5M氢氧化钠溶液，充分溶胀，再加入150g 50％3-氯丙基-三乙基铵盐溶液，70℃反应1h。过滤，水洗，得到强碱超大孔耐中压的球形纤维素吸附剂，其强碱基团的密度为0.20mmol/mL，蛋白吸附量为130mg HSA/mL。

实施例6

200g实施例1中制备的超大孔耐中压球形纤维素颗粒，加入300g 5M氢氧化钠溶液，充分溶胀，再加入150g 50％2-氯乙基-二乙基胺盐溶液，70℃反应1h。过滤，水洗，得到弱碱超大孔耐中压球形纤维素吸附剂，其弱碱基团的密度为0.12mmol/mL，蛋白吸附量为65mg BSA/mL。

实施例7

200g实施例1中制备的超大孔耐中压球形纤维素颗粒，加入600g 5M氢氧化钠溶液，冰水浴，搅拌充分溶胀，再加入300g 30％3-氯丙基磺酸钠溶液，60℃反应1h。过滤，水洗，得到强酸超大孔耐中压球形纤维素颗粒，其强酸基团的密度为0.17mmol/mL，蛋白吸附量为80mg核糖核酸酶A/mL。

实施例8

200g实施例1中制备的超大孔耐中压球形纤维素颗粒，加入300g 5M氢氧化钠溶液，充分溶胀，再加入100g 60％氯乙酸钠溶液，70℃反应1h。过滤，水洗，得到弱酸超大孔耐中压的球形纤维素颗粒，其弱酸基团的密度为0.25mmol/mL，蛋白吸附量为160mg溶菌酶/mL。

实施例9

200g实施例1中制备的超大孔耐中压球形纤维素颗粒，加入300g 5M氢氧化钠溶液，充分溶胀，再加入100g氯丁烷，70℃反应1h。过滤，水洗，得到正丁烷基型超大孔耐中压的球形纤维素颗粒，其正丁烷基密度为20μmol/mL，蛋白吸附量为20mg HSA/mL。

实施例10

200g实施例1中制备的超大孔耐中压的球形纤维素颗粒，加入200g 1.6％的氢氧化钠溶液(含2g NaBH₄)，600g 1，4丁二醇二缩水甘油醚，25℃下恒温振荡反应8小时。过滤，分别用丙酮、大量去离子水洗涤，得到环氧活化纤维素。加入1000g的5％单宁酸水溶液，氮气保护下40℃恒温搅拌反应12小时。反应结束后过滤收集颗粒，依次用大量去离子水、丙酮和大量去离子水洗涤，即得单宁配基纤维素。单宁配基密度为50μmol/mL，吸附量为45mg胃蛋白酶/mL。

实施例10中采用单宁配基，当然也可以采用其他含羟基的配基，用类似的方法合成亲和型超大孔耐中压的球形纤维素吸附剂。

实施例11

20g实施例1中制备的超大孔耐中压的球形纤维素颗粒，得到按照实施例10方法制备的环氧活化纤维素颗粒，加入30ml磷酸盐缓冲液(pH为10，含300mg蛋白A)室温下搅拌反应24小时。用1.0M NaCl和去离子水充分洗涤。将环氧活化纤维素颗粒悬浮在30mL pH9.0，含1.0M NaCl的乙醇胺溶液中，并在室温搅拌6小时。再用1.0M NaCl和去离子水充分洗涤。即得蛋白A配基纤维素，蛋白A配基密度为6mg蛋白A/mL，吸附量为50mg IgG/mL。

实施例11中采用蛋白A配基，此外，也可以采用其他含氨基的配基，用类似的方法合成亲和型超大孔耐中压的球形纤维素吸附剂。

实施例12

20g实施例1中制备的超大孔耐中压球形纤维素颗粒，得到按照实施例10方法制备的环氧活化纤维素，预先用冷磷酸盐缓冲液(pH为7.2，0.1M磷酸钠，0.15M NaCl)洗涤，再加入30ml冷磷酸盐缓冲液(pH为7.2，0.1M磷酸钠，0.15M NaCl，含350μmol谷光甘肽)迅速混合，4℃下搅拌反应4小时。用冷磷酸盐缓冲液(pH为7.2，0.1M磷酸钠，0.15M NaCl)、1.0M NaCl和去离子水充分洗涤。即得谷光甘肽配基纤维素，谷光甘肽配基密度为7μmol谷光甘肽/mL，吸附量为8mg谷光甘肽S-转移酶/mL。

实施例12中采用谷光甘肽配基，此外，也可以采用其他含巯基的多肽或者蛋白配基，用类似的方法合成亲和型超大孔耐中压的球形纤维素吸附剂。

Claims

1.一种超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，依次包括如下步骤：

(1)粘胶制备：

以质量份计，称取普通棉花1份，加入18％氢氧化钠水溶液20份，浸渍2h，将棉花捞出挤干，老化3天，放入密闭容器中，然后加入CS₂0.5份，室温下震荡3小时，冰水浴，用10份5.5％氢氧化钠水溶液搅拌7小时，调成纤维素黄酸粘胶液；

(2)“热溶胶转相”法制球：

以质量份计，将油相：非极性有机溶剂2-5份与分散剂0.02-0.25份的混合物混合均匀，将水相：所述纤维素黄酸粘胶液1份与混合致孔剂0.1-4份的混合物混合均匀后加入到油相中，搅拌半小时，快速加热到70℃，保温半小时，倾析出油相，得到含致孔剂的球形纤维素黄酸酯颗粒；

(3)后处理：

向所述含致孔剂的球形纤维素黄酸酯颗粒中加入1M硫酸，搅拌1小时，大量水洗，过滤，将纤维素颗粒置于0.1M氢氧化钠水溶液中浸泡，大量水洗，交联后，得到超大孔耐中压球形纤维素颗粒；

(4)功能基化：

所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒经过碱活化，分别与卤代烷盐类、卤代烷、配基反应，分别得到相应的各种离子型、疏水型和亲和型超大孔耐中压球形纤维素吸附剂。

2.根据权利要求1所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，其特征在于步骤(2)所述非极性有机溶剂是变压器油、真空泵油、氯苯中的一种或者其中二种的混合物。

3.根据权利要求1所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述分散剂是碳酸钙、非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的混合物，它们的质量配比为10∶(1-10)∶(0.5-5)。

4.根据权利要求3所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，其特征在于所述的非离子表面活性剂是span20、span40、span60、span80和span85中的一种。

5.根据权利要求3所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，其特征在于所述的阴离子表面活性剂是油酸钾和油酸钠中的一种。

6.根据权利要求1所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，其特征在于步骤(2)中混合致孔剂是指线性高分子、小分子物质和表面活性剂的混合物，它们的质量配比为100∶(0.5-10)∶(0.5-10)。

7.根据权利要求6所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，其特征在于所述线性高分子是指聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氧乙烯、聚乙二醇中的一种。

8.根据权利要求6所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，其特征在于所述小分子物质指苯，或者低分子量醇：甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇，或者胺类化合物：脂肪胺、环状脂肪胺、多胺化合物、乙醇胺中的一种。

9.根据权利要求6所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，其特征在于所述表面活性剂指toween60、toween65、toween80、toween85、聚氧乙烯蓖麻油中的一种。

10.根据权利要求1所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，其特征在于步骤(4)所述的超大孔耐中压球形纤维素颗粒，经过碱活化，与卤代烷盐类反应，得到各种离子型超大孔耐中压球形纤维素吸附剂。

11.根据权利要求1所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，其特征在于步骤(4)所述的超大孔耐中压球形纤维素颗粒1份，经过0.5-10份5M氢氧化钠水溶液活化，与0.5-10份卤代烷反应，可以得到烷基疏水型超大孔耐中压球形纤维素吸附剂。

12.根据权利要求1所述超大孔耐中压球形纤维素颗粒和吸附剂的制备方法，其特征在于步骤(4)所述的超大孔耐中压球形纤维素颗粒1份，加入0.5-10份1.6％氢氧化钠溶液(含0.01-0.05份NaBH₄)和0.5-10份二醇缩水甘油醚，60℃反应3h，抽滤，用丙酮和去离子水洗净，得到环氧基超大孔耐中压球形纤维素吸附剂，与含羟基、氨基和巯基的配基反应，可以得到相应的亲和型超大孔耐中压球形纤维素吸附剂。