一種超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法
2023-05-29 05:11:01 2
專利名稱：一種超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法
技術領域：
本發明屬於功能高分子材料領域，特別涉及一種超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法。
背景技術：
纖維素和纖維素吸附劑已經被廣泛用作色譜載體。在色譜學中，既可以用於分析色譜又可以用於製備色譜；在凝膠色譜、離子色譜、疏水色譜、親和色譜等主要的幾種色譜技術中都有廣泛應用。
纖維素顆粒及其吸附劑的製備和應用早在五十年代初就已經開始，當時由於製備手段的有限性，商品纖維素顆粒及其吸附劑大多數存在兩個主要缺陷1.外觀多為粉狀，纖維狀或無定形的微粒狀，裝柱後水力學特性不好，易造成床層流速減慢，柱壓增高的缺陷；2.沒有大孔結構，造成溶液傳質速度慢，大分子物質難向孔內擴散的弊病。
為了克服第一個缺陷，許多國家的學者用多種方法製備球形纖維素。這些方法基本上可以分為兩大類一種與懸浮聚合相似，即將纖維素及其衍生物的溶液分散在與之不混溶的介質中，形成「水包油」或者「油包水」體系，然後再固化成型和再生；另一種方法可稱為「噴射法」，即由一種帶有合適孔徑噴嘴的設備噴射入凝固浴而成型，這種方法需要特殊的設備才能得到均一的球形纖維素顆粒。而且這兩種方法製備的球形纖維素顆粒只能耐低壓(1-3bar)，不能耐中壓(5-7bar)。為了克服第二個缺陷，一些國家的學者採用不同的致孔劑來獲得較大孔徑的纖維素顆粒。已經報導的致孔方法有碳酸鈣(JP 04057836、JP 03259934、JP 03231942、JP 03170501)、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鉀(CN1456593A)等無機粉末作為致孔劑和發泡劑，用酸除去無機粉末就可以獲得較大孔徑的纖維素顆粒。但是這些球形纖維素顆粒外表面或者內部常帶有裂縫，而且孔徑的分布很寬，不適合工業色譜操作。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的缺點，提供一種具有球形度高、粒徑分布窄、具有超大孔和大孔結構、機械性能優異、中壓(5-7bar)下保持高流速等特點的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法。
為達到上述目的本發明採用的技術方案是以普通棉花為原料製得纖維素黃酸粘膠，採用混合致孔劑，用「熱溶膠轉相」法製備超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和功能基化製備吸附劑的方法，具體包括四個步驟粘膠的製備、「熱溶膠轉相」法制球、後處理、和功能基化(見圖1)。
(1)粘膠製備以質量份計，稱取普通棉花1份，加入18％氫氧化鈉水溶液20份，浸漬2h，將棉花撈出擠幹，老化3天，放入密閉容器中，然後加入CS20.5份，室溫下震蕩3小時，冰水浴，用10份5.5％氫氧化鈉水溶液攪拌7小時，調成纖維素黃酸粘膠液。
(2)「熱溶膠轉相」法制球以質量份計，將油相非極性有機溶劑2-5份與分散劑0.02-0.25份的混合物混合均勻，將水相所述纖維素黃酸粘膠液1份與混合致孔劑0.1-4份的混合物混合均勻後加入到油相中，攪拌半小時，快速加熱到70℃，保溫半小時，傾析出油相，得到含致孔劑的球形纖維素黃酸酯顆粒。
所述非極性有機溶劑是變壓器油、真空泵油、氯苯或者其中兩者的混合物。所述分散劑是碳酸鈣、非離子表面活性劑與陰離子表面活性劑的混合物，它們的質量配比為10∶(1-10)∶(0.5-5)。所述的非離子表面活性劑是span20、span40、span60、span80和span85中的一種。所述的陰離子表面活性劑是油酸鉀和油酸鈉中的一種。
步驟(2)中混合致孔劑是指線性高分子、小分子物質和表面活性劑的混合物，它們的質量配比為100∶(0.5-10)∶(0.5-10)。所述線性高分子是指聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氧乙烯、聚乙二醇中的一種。所述小分子物質指苯，或者低分子量醇甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇，或者胺類化合物脂肪胺、環狀脂肪胺、多胺化合物、乙醇胺中的一種。所述表面活性劑指toween60、toween65、toween80、toween85、聚氧乙烯蓖麻油中的一種。
(3)後處理向所述含致孔劑的球形纖維素黃酸酯顆粒中加入1M硫酸，攪拌1小時，大量水洗，過濾，將纖維素顆粒置於0.1M氫氧化鈉水溶液中浸泡，大量水洗，過濾後，得到球形纖維素顆粒；取1份經上述處理的纖維素顆粒，用2-5份7％氫氧化鈉水溶液活化，0.1-5份環氧氯丙烷作為交聯劑，60℃反應3h，抽濾，用丙酮和去離子水洗淨，得到超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒。
(4)功能基化超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒，經過鹼活化，分別與滷代烷鹽類、滷代烷、配基反應，可分別得到相應的各種離子型、疏水型和親和型纖維素吸附劑A強鹼型纖維素吸附劑的製備1份超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒，經過0.5-5份5M氫氧化鈉水溶液活化，與0.25-5份3-滷丙基-三乙基銨鹽反應，可以得到強鹼型超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑。
B弱鹼型纖維素吸附劑的製備1份超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒，經過0.5-5份5M氫氧化鈉水溶液活化，與0.25-5份2-滷乙基-二乙基胺鹽反應，可以得到弱鹼型超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑。
C強酸型纖維素吸附劑的製備1份超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒，加入0.5-10份7％氫氧化鈉溶液，冰水浴，攪拌充分溶脹，再加入0.25-5份30％3-滷丙基磺酸鈉溶液，60℃反應1h。過濾，水洗，得到強酸型超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑。
D弱酸型纖維素吸附劑的製備1份超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒，經過0.5-10份5M氫氧化鈉水溶液活化，與0.25-5份滷代乙酸鈉反應可以得到弱酸型超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑。
E烷基疏水型纖維素吸附劑的製備1份超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒，經過0.5-10份5M氫氧化鈉水溶液活化，與0.5-10份滷代烷反應，可以得到烷基疏水型超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑。
F親和型纖維素吸附劑的製備1份超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒，加入0.5-10份1.6％氫氧化鈉溶液(含0.01-0.05份NaBH4)和0.5-10份二醇縮水甘油醚，60℃反應3h，抽濾，用丙酮和去離子水洗淨，得到環氧基超大孔耐中壓的球形纖維素吸附劑，與含羥基、氨基和巰基的配基反應，可以得到相應的親和型超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑。
本發明的有益效果是本發明所述的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒為再生纖維素，製備方法簡單，外觀為球形或橢球形，粒徑分布範圍為40-75μm、75-150μm、150-300μm、300-600μm、600-1000μm；具有超大孔和大孔結構，孔徑為50nm-30μm，可以耐5-7bar操作壓力，流速最高可以達到465cm/h。功能基化後，可製得離子型、疏水型或親和型超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑，用於蛋白質、酶、核酸、多糖等生物大分子的分離和純化過程。
圖1超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法工藝示意圖；圖2超大孔耐中壓球形纖維素顆粒的掃描電鏡照片。
具體實施方案本發明的製備方法工藝步驟示於圖1，超大孔耐中壓球形纖維素顆粒的掃描電鏡照片示於圖2，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
實施例1(1)粘膠的製備將500g普通棉花，浸漬在10kg 18％氫氧化鈉水溶液中2h後將棉花撈出擠幹，老化3天。放入密閉容器中，然後加入250g CS2，室溫下震蕩3h，冰水浴，加入5kg 5.5％氫氧化鈉水溶液，攪拌7小時製得纖維素黃酸粘膠液。
(2)「熱溶膠轉相」法制球將油相1500mL氯苯與分散劑37g(30g碳酸鈣、2g油酸鉀和5g span85)、水相500g纖維素黃酸粘膠液和混合致孔劑235g(20g苯、200g平均分子量10,000聚苯乙烯、15g Tween80)分別混合均勻，再將水相加入到油相中，200rpm攪拌半小時，快速加熱到70℃，保溫半小時。傾析出油相，得到含致孔劑的球形纖維素黃酸酯顆粒。
(3)後處理含致孔劑的球形纖維素黃酸酯顆粒中加入1M硫酸，攪拌1小時，大量水洗，過濾。將纖維素顆粒置於0.1M氫氧化鈉水溶液中浸泡過夜，再大量水洗，過濾。
取60g經上述處理的纖維素顆粒，用1L 7％氫氧化鈉水溶液活化，20g環氧氯丙烷作為交聯劑，60℃反應3h，抽濾，用丙酮和去離子水洗淨，得到超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒。
經測定，這種方法製得的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，外觀為球形或者橢球形，粒徑300-600μm佔60％，粒徑600-1000μm佔30％。平均孔徑5.7μm，可耐壓5.3bar，最高流速為450cm/h。
實施例2(1)粘膠的製備按與實施例1相同操作步驟操作。
(2)「熱溶膠轉相」法制球將油相1500mL真空泵油與分散劑47g(30g碳酸鈣、2g油酸鉀和15g span85)混合均勻，再將水相500g纖維素黃酸粘膠液和和混合致孔劑275g(20g異丙醇、250g平均分子量為10,000的聚乙烯醇、5g Tween60)混合均勻後加入到油相中，200rpm攪拌半小時，快速加熱到70℃，保溫半小時。傾析出油相，得到含致孔劑的球形纖維素黃酸酯顆粒。
(3)後處理按與實施例1相同操作步驟操作。
經測定，這種方法製得的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，外觀為球形或者橢球形，粒徑300-600μm佔75％，粒徑600-1000μm佔12％。平均孔徑2.4μm，可耐壓5.8bar，最高流速為460cm/h。
實施例3(1)粘膠的製備按與實施例1相同操作步驟操作。
(2)「熱溶膠轉相」法制球將油相1500mL變壓器油與分散劑62g(30g碳酸鈣、2g油酸鉀和30g span85)混合均勻，再將水相500g纖維素黃酸粘膠液和混合致孔劑258g(3g環己胺、250g平均分子量為10,000的聚氧乙烯、5g聚氧乙烯蓖麻油)混合均勻後加入到油相中，200rpm攪拌半小時，快速加熱到70℃，保溫半小時。傾析出油相，得到含致孔劑的球形纖維素黃酸酯顆粒。
(3)後處理按與實施例1相同操作步驟操作。
經測定，這種方法製得的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，外觀為球形或者橢球形，粒徑300-600μm佔68％，粒徑600-1000μm佔21％。平均孔徑1.5μm，可耐壓6.2 bar，最高流速為460cm/h。
實施例4(1)粘膠的製備按與實施例1相同操作步驟操作。
(2)「熱溶膠轉相」法制球將油相1250mL真空泵油和250mL變壓器油與分散劑44g(30g碳酸鈣、4g油酸鉀和10g span60)混合均勻，再將水相500g纖維素黃酸粘膠液和混合致孔劑258g(3g環己胺、250g平均分子量為20,000的聚乙二醇、5g tween80)混合均勻後加入到油相中，200rpm攪拌半小時，快速加熱到70℃，保溫半小時。傾析出油相，得到含致孔劑的球形纖維素黃酸酯顆粒。
(3)後處理按與實施例1相同操作步驟操作。
經測定，這種方法製得的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，外觀為球形或者橢球形，粒徑150-300μm佔60％，粒徑300-600μm佔28％。平均孔徑750nm，可耐壓7.0bar，最高流速為465cm/h。
實施例5200g實施例1中製備的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，加入300g 5M氫氧化鈉溶液，充分溶脹，再加入150g 50％3-氯丙基-三乙基銨鹽溶液，70℃反應1h。過濾，水洗，得到強鹼超大孔耐中壓的球形纖維素吸附劑，其強鹼基團的密度為0.20mmol/mL，蛋白吸附量為130mg HSA/mL。
實施例6200g實施例1中製備的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，加入300g 5M氫氧化鈉溶液，充分溶脹，再加入150g 50％2-氯乙基-二乙基胺鹽溶液，70℃反應1h。過濾，水洗，得到弱鹼超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑，其弱鹼基團的密度為0.12mmol/mL，蛋白吸附量為65mg BSA/mL。
實施例7200g實施例1中製備的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，加入600g 5M氫氧化鈉溶液，冰水浴，攪拌充分溶脹，再加入300g 30％3-氯丙基磺酸鈉溶液，60℃反應1h。過濾，水洗，得到強酸超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，其強酸基團的密度為0.17mmol/mL，蛋白吸附量為80mg核糖核酸酶A/mL。
實施例8200g實施例1中製備的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，加入300g 5M氫氧化鈉溶液，充分溶脹，再加入100g 60％氯乙酸鈉溶液，70℃反應1h。過濾，水洗，得到弱酸超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒，其弱酸基團的密度為0.25mmol/mL，蛋白吸附量為160mg溶菌酶/mL。
實施例9200g實施例1中製備的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，加入300g 5M氫氧化鈉溶液，充分溶脹，再加入100g氯丁烷，70℃反應1h。過濾，水洗，得到正丁烷基型超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒，其正丁烷基密度為20μmol/mL，蛋白吸附量為20mg HSA/mL。
實施例10200g實施例1中製備的超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒，加入200g 1.6％的氫氧化鈉溶液(含2g NaBH4)，600g 1，4丁二醇二縮水甘油醚，25℃下恆溫振蕩反應8小時。過濾，分別用丙酮、大量去離子水洗滌，得到環氧活化纖維素。加入1000g的5％單寧酸水溶液，氮氣保護下40℃恆溫攪拌反應12小時。反應結束後過濾收集顆粒，依次用大量去離子水、丙酮和大量去離子水洗滌，即得單寧配基纖維素。單寧配基密度為50μmol/mL，吸附量為45mg胃蛋白酶/mL。
實施例10中採用單寧配基，當然也可以採用其他含羥基的配基，用類似的方法合成親和型超大孔耐中壓的球形纖維素吸附劑。
實施例1120g實施例1中製備的超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒，得到按照實施例10方法製備的環氧活化纖維素顆粒，加入30ml磷酸鹽緩衝液(pH為10，含300mg蛋白A)室溫下攪拌反應24小時。用1.0M NaCl和去離子水充分洗滌。將環氧活化纖維素顆粒懸浮在30mL pH9.0，含1.0M NaCl的乙醇胺溶液中，並在室溫攪拌6小時。再用1.0M NaCl和去離子水充分洗滌。即得蛋白A配基纖維素，蛋白A配基密度為6mg蛋白A/mL，吸附量為50mg IgG/mL。
實施例11中採用蛋白A配基，此外，也可以採用其他含氨基的配基，用類似的方法合成親和型超大孔耐中壓的球形纖維素吸附劑。
實施例1220g實施例1中製備的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，得到按照實施例10方法製備的環氧活化纖維素，預先用冷磷酸鹽緩衝液(pH為7.2，0.1M磷酸鈉，0.15M NaCl)洗滌，再加入30ml冷磷酸鹽緩衝液(pH為7.2，0.1M磷酸鈉，0.15M NaCl，含350μmol谷光甘肽)迅速混合，4℃下攪拌反應4小時。用冷磷酸鹽緩衝液(pH為7.2，0.1M磷酸鈉，0.15M NaCl)、1.0M NaCl和去離子水充分洗滌。即得谷光甘肽配基纖維素，谷光甘肽配基密度為7μmol谷光甘肽/mL，吸附量為8mg谷光甘肽S-轉移酶/mL。
實施例12中採用谷光甘肽配基，此外，也可以採用其他含巰基的多肽或者蛋白配基，用類似的方法合成親和型超大孔耐中壓的球形纖維素吸附劑。
權利要求
1.一種超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，依次包括如下步驟(1)粘膠製備以質量份計，稱取普通棉花1份，加入18％氫氧化鈉水溶液20份，浸漬2h，將棉花撈出擠幹，老化3天，放入密閉容器中，然後加入CS20.5份，室溫下震蕩3小時，冰水浴，用10份5.5％氫氧化鈉水溶液攪拌7小時，調成纖維素黃酸粘膠液；(2)「熱溶膠轉相」法制球以質量份計，將油相非極性有機溶劑2-5份與分散劑0.02-0.25份的混合物混合均勻，將水相所述纖維素黃酸粘膠液1份與混合致孔劑0.1-4份的混合物混合均勻後加入到油相中，攪拌半小時，快速加熱到70℃，保溫半小時，傾析出油相，得到含致孔劑的球形纖維素黃酸酯顆粒；(3)後處理向所述含致孔劑的球形纖維素黃酸酯顆粒中加入1M硫酸，攪拌1小時，大量水洗，過濾，將纖維素顆粒置於0.1M氫氧化鈉水溶液中浸泡，大量水洗，交聯後，得到超大孔耐中壓球形纖維素顆粒；(4)功能基化所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒經過鹼活化，分別與滷代烷鹽類、滷代烷、配基反應，分別得到相應的各種離子型、疏水型和親和型超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑。
2.根據權利要求1所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，其特徵在於步驟(2)所述非極性有機溶劑是變壓器油、真空泵油、氯苯中的一種或者其中二種的混合物。
3.根據權利要求1所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，其特徵在於步驟(2)中所述分散劑是碳酸鈣、非離子表面活性劑與陰離子表面活性劑的混合物，它們的質量配比為10∶(1-10)∶(0.5-5)。
4.根據權利要求3所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，其特徵在於所述的非離子表面活性劑是span20、span40、span60、span80和span85中的一種。
5.根據權利要求3所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，其特徵在於所述的陰離子表面活性劑是油酸鉀和油酸鈉中的一種。
6.根據權利要求1所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，其特徵在於步驟(2)中混合致孔劑是指線性高分子、小分子物質和表面活性劑的混合物，它們的質量配比為100∶(0.5-10)∶(0.5-10)。
7.根據權利要求6所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，其特徵在於所述線性高分子是指聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氧乙烯、聚乙二醇中的一種。
8.根據權利要求6所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，其特徵在於所述小分子物質指苯，或者低分子量醇甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇，或者胺類化合物脂肪胺、環狀脂肪胺、多胺化合物、乙醇胺中的一種。
9.根據權利要求6所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，其特徵在於所述表面活性劑指toween60、toween65、toween80、toween85、聚氧乙烯蓖麻油中的一種。
10.根據權利要求1所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，其特徵在於步驟(4)所述的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，經過鹼活化，與滷代烷鹽類反應，得到各種離子型超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑。
11.根據權利要求1所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，其特徵在於步驟(4)所述的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒1份，經過0.5-10份5M氫氧化鈉水溶液活化，與0.5-10份滷代烷反應，可以得到烷基疏水型超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑。
12.根據權利要求1所述超大孔耐中壓球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法，其特徵在於步驟(4)所述的超大孔耐中壓球形纖維素顆粒1份，加入0.5-10份1.6％氫氧化鈉溶液(含0.01-0.05份NaBH4)和0.5-10份二醇縮水甘油醚，60℃反應3h，抽濾，用丙酮和去離子水洗淨，得到環氧基超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑，與含羥基、氨基和巰基的配基反應，可以得到相應的親和型超大孔耐中壓球形纖維素吸附劑。
全文摘要
本發明公開了一種超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒和吸附劑的製備方法以普通棉花為原料，經鹼化老化和黃化製得纖維素黃酸粘膠，與混合致孔劑混合均勻後分散到油相中，採用「熱溶膠轉相」法製備球形的纖維素黃酸酯顆粒所得顆粒經過酸再生，鹼脫硫，交聯等過程得到了不同粒徑的超大孔耐中壓的球形纖維素顆粒製得的纖維素顆粒，孔徑50nm－30μm，可耐中壓5－7bar，最高流速為465cm/h。超大孔耐中壓球形纖維素顆粒，經過鹼活化，分別與滷代烷鹽類、滷代烷、配基反應，分別得到相應的各種離子型疏水型和親和型超大孔耐中壓的球形纖維素吸附劑，可以用於蛋白質、酶、核酸、多糖等生物大分子的分離和純化過程。
文檔編號B01J20/30GK1981924SQ20061002520
公開日2007年6月20日 申請日期2006年3月29日 優先權日2006年3月29日
發明者寇正福, 劉坐鎮, 江邦和, 王玉恆, 陳玲 申請人:華東理工大學, 上海華震科技有限公司