大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體及其製備的製作方法
2023-05-25 07:10:16
專利名稱：：大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體及其製備的製作方法
技術領域：
：本發明屬於生物工程
技術領域：
，涉及一種生物載體的製備，尤其涉及一種大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體及其製備。這種載體主要用於固定酶及微生物構成各種床型生物反應器。
背景技術：
：我國聚乙烯醇(PVA)工業生產原料路線齊全(擁有電石乙炔、天然氣乙炔和石油乙烯路線)、生產裝置能力和年產量均居世界首位。由於PVA材料對生物活性物質無毒，價廉易得等一系列優點。又因為聚乙烯醇具有優異的親水性以及良好的反應性，經過化學交聯或硬化改性處理後，它的機械強度及化學穩定性會顯著提高、抗生物降解性能增強，所以PVA是一種可應用於發酵工業、醫藥工業、食品工業、化學工業、環境保護等眾多領域且具有發展潛力的生物載體材料。近年來國內外對PVA載體固定生物活性物質進行了大量的研究，其製備方法主要有PVA-硼酸法和冷凍解凍法及其相應的改進方法。例如，由於聚乙烯醇載體的多羥基結構賦予其水溶膨脹性的特點，其遇水膨脹體積增大，使得機械強度大大降低。李花子等人(李花子，王建龍，文湘華，施漢昌.聚乙烯醇-硼酸固定化方法的改進.環境科學研究2002,15(5).25-27)採用延時包埋法與加入化學藥劑法對PVA-硼酸法進行了改進。ChoongJeon等人(C.Jeon,J.Y.Park,Y.J.Yoo.Novelimmobilizationofalginicacidforheavymetalremoval-BiochemicalEngineeringJournal2002,11，159-166.)用戊二醛加入硼酸溶液中使PVA交聯包埋褐藻酸，解決了PVA-硼酸法製得的載體易被水解的問題。Okazaki等人(M.Okazaki,T.Hamada，H.Fujii，A.Mizobe,S.Matsuzawa.DevelopmentofPoly(VinylAlcohol)HydrogelforWaste-WaterCleaning.1.StudyofPoly(VinylAlcohol)GelasaCarrierforImmobilizingMicroorganisms.JournalofAppliedPolymerScience1995,58(12)，2235-2241.)通過在PVA水溶液中加入海藻酸鈉，混合溶液滴入氯化鈣溶液中成型後，再將載體小球循環冷凍，最終制出物理交聯的PVA小球。然而,上述固定化微生物的固載方法大多局限在包埋法，包埋法具有操作簡單易行、固定化條件溫和、對微生物細胞的活性影響較小的特點，但固定化的微生物因網絡結構的阻礙而不利於傳質，且水凝膠類高分子材料的耐衝擊性能不佳，所得固定化微生物的使用壽命短，從而限制了其在廢水處理領域的廣泛應用。載體結合法通過物理吸附或化學鍵合作用將微生物固定在載體上，具有操作簡單、條件溫和、對微生物活性影響較小的特點，所得固定化微生物會因載體的組成、結構及形態的不同而具有不同的特性，是一類頗具發展前景的微生物固定化方法。本發明的大孔網狀PVA泡沬載體是一種集大孔性、反應性和親水性於一體的微生物固定化載體，有利於所固定微生物的代謝增殖，通過載體結合法所得固定化微生物耐衝擊及傳質性能好、微生物負載量大，可流動性好，廢水處理效率優異。另外，本發明的大孔網狀PVA泡沬載體經過化學交聯後有優異的抗生物分解能力，且對微生物無毒性。
發明內容本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種無毒性、親水性、穩定性好，生物代謝增值性、基質的傳質性、負載性、可流動性都較好的大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體。本發明的另一目的是提供一種大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體的製備方法。一、大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體的製備本發明大孔網狀聚乙烯醇載體的製備方法，是將聚乙烯醇、石灰石與水按(15~20):(10~15):(95-100)的質量比份混合，攪拌使聚乙烯醇充分溶解混勻；在攪拌下加入質量濃度為15~20%的稀鹽酸酸化，使混合物發泡致孔後，採用冷凍-解凍、再冷凍-再解凍的循環，生成的大孔網狀聚乙烯醇凝膠泡沫；然後將聚乙烯醇凝膠泡沫剪切成塊，置於質量濃度為0.5~1%的稀鹽酸中浸泡至無氣泡生成；再通過化學交聯反應使聚乙烯醇形成更穩定的交聯結構；然後用水浸泡、清洗至中性，得到白色大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體。為了使聚乙烯醇更快的溶解並與石灰石更好的混合於水中，將聚乙烯醇、石灰石和水混合後，在沸水水浴下攪拌使其充分溶解混勻；待PVA完全溶解且體系混合均勻後停止加熱，在攪拌下冷卻至室溫。所述冷凍-解凍、再冷凍-再解凍的循環工藝為於-2(TC溫度條件下冷凍10~12h、再在室溫條件下自然解凍23h，再於-20。C條件下冷凍10~12h、然後室溫條件下自然解凍23h,如此循環冷凍3次。所述化學交聯反應為將聚乙烯醇凝膠泡沫浸泡在飽和的硼酸溶液中，於室溫交聯反應20~30h;所述化學交聯反應也可以為將聚乙烯醇凝膠泡沫置於質量濃度為0.1~0.25%的戊二醛水溶液中，並調節pH值至12，在攪拌下於3035'C使其發生交聯反應。所述化學交聯反應還可以為將聚乙烯醇凝膠泡沫置於濃度為2~6mol/L的NaOH溶液中，在攪拌下加入環氧氯丙烷，於406(TC，反應3~6h;環氧氯丙烷的加入量為每10g聚乙烯醇中加入環氧氯丙烷0.10.3mL。二、大孔網狀PVA泡沫載體的結構本發明製備的大孔網狀PVA泡沫載體的掃描電鏡照片(SEM)見圖1。SEM照片顯示出載體內部的孔是相互貫通的，這種相互貫通的孔形成了載體的孔網狀結構，這種結構將非常有利於微生物固定化、馴化、代謝增殖及其生物反應過程中的傳質要求。按統計分析法從泡沫PVA載體的SEM照片計算，得到其平均孔度為84.61%和平均孔半徑197.28pm，屬特大孔網狀結構，比較適合固定化微生物及其生化反應的要求。三、大孔網狀PVA泡沫載體的物理性能本發明製備的大孔網狀PVA泡沫載體的物理性能測試結果見表1。表l泡沫大孔網狀PVA載體的物理性能tableseeoriginaldocumentpage5由表1可以看出，泡沫大孔網狀PVA載體的幹視密度與溼視密度小於水的相對密度，載體內部附著微生物後可以使其密度增大，此性質可以使PVA載體在水處理過程中，能夠長時間懸浮於水中，提高了固定化微生物與處理水中汙染物的接觸機率進而增強了水處理效率。較高的持水量與持水倍率說明PVA載體有良好的親水性，有利於固定化微生物的代謝增殖、特別是優勢微生物菌群的形成。由於PVA是水溶性聚合物，故作為水處理所用的微生物固定化材料必須經過交聯以增強其耐水溶性，85.3%的交聯率將賦予所得PVA載體良好的耐水性。此外，179.7Q/。的平均膨脹率則是PVA載體良好親水性的又一佐證。四、大孔網狀PVA泡沬載體的生物穩定性將大孔網狀PVA泡沫載體分別置於美國BIO-SYSTEM公司生產的高效廢水處理工程菌B350(含28種專用微生物及纖維酶、澱粉酶、脂肪酶和水解酶，堆密度為0.6~0.8g/cm3,微生物數量為30-50億個/克)，B500(含14種專用微生物，能在好氧和厭氧條件下降解包括蛋白質，脂肪，碳水化合物的有機物質)，B570(含高效微生物能產生纖維素酶，半纖維素酶，澱粉酶和脂肪酶)三種微生物菌群存在的好氧條件下檢測其3個月的重量損失曲線。結果表明，PVA泡沫載體在B500體系中的降解幅度不大，載體剩餘質量均大於95%。在B350和B570體系中的降解率則隨微生物濃度的增加而改變，但PVA載體剩餘質量均在88~92%左右。PVA載體在厭氧條件下的降解率有所增大，載體剩餘質量在82~87%左右。這是因為在厭氧條件下三種微生物菌群中的厭氧菌會大量繁殖而使大分子鏈降解的緣故。因此，大孔網狀PVA泡沫載體適用於好氧條件的廢水處理工藝，如沸騰床等，應避免厭氧特別是長期的厭氧反應條件。五、大孔網狀PVA泡沫載體固定化微生物處理廢水本發明製備的大孔網狀PVA泡沫載體固定化高效微生物B500，置於底部設有曝氣系統水槽中構成生物反應器，並應用到實際化工廢水(蘭州石化公司化工廢水)處理中。經過3個月馴化養生後，圖3為PVA載體固定化微生物去除高濃度化工廢水中NH4、N和COD的動力學曲線。從圖3中的曲線可知，在處理起始COD為4298mg/L，NH4+-N為498mg/L的高濃度化工廢水過程中，當處理時間為12h時的COD與NH/-N去除率分別為90.4%和73.2%;當處理時間達24h時，COD濃度降至203mg/L、NHZ-N濃度降至13mg/L、相應的去除率分別達到95.2%和97.4%。可見PVA泡沬載體固定化微生物處理化工廢水有較好的處理效果。本發明於現有技術相比具有以下優點1、本發明製備的大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體，經掃描電鏡(SEM)照片顯示，聚乙烯醇載體內部的孔是相互貫通的，這種相互貫通的孔形成了載體的孔網狀結構，這種結構將非常有利於微生物固定化、馴化、代謝增殖及其生物反應過程中的傳質要求，為微生物的生長提供足夠的空間。2、本發明製備的大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體，可以應用載體吸附結合法固定生物活性物質，從而消除載體製備過程中對生物活性物質的毒性。3、本發明製備的大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體，具有良好的親水性，有利於固定化微生物的代謝增殖、特別是優勢微生物菌群的形成。由於PVA是水溶性聚合物，故作為水處理所用的微生物固定化材料必須經過交聯以增強其耐水溶性，因此，本發明製備的大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體同時具有良好的耐水性。4、本發明製備的大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體，適用於好氧條件的廢水處理工藝，如浮動床等、應避免厭氧特別是長期的厭氧反應條件。實驗證明，本發明製備的泡沫載體，應用於浮動床反應器處理化工廢水效果明顯。體現了大孔網狀PVA泡沫載體在處理化工廢水上的優勢。圖1為本發明製備的大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體的SEM圖圖2為本發明製備的大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體在B350，B500，B570三種微生物菌群存在的好氧條件下檢測其3個月的重量損失曲線圖3為PVA泡沫載體固定化微生物處理實際化工廢水的COD與NH/-N的去除動力學曲線具體實施例方式下面通過具體實施例對本發明大孔網狀聚乙烯醇泡沬載體的製備作進一步的說明。實施例一將PVA、石灰石與水按18:10:100的質量比置於三口瓶中進行混合，加熱，攪拌，使混合物在沸水水浴下充分溶解混勻。待PVA完全溶解且體系混合均勻後停止加熱，在攪拌下冷卻至室溫。此時，體系為白色溶膠狀，有較大粘度。將上述溶膠在劇烈攪拌下加入質量濃度為15%的鹽酸溶液34ml，混合物開始發泡，當體積膨脹為原體積的3倍時開始冷凍。冷凍方法為在-20'C下冷凍12h,再在室溫下自然解凍3h，如此循環冷凍-解凍三次，生成的大孔網狀PVA凝膠泡沫；將凝膠泡沫剪成2X2X2cm的小塊，繼續在質量濃度為1%的鹽酸中浸泡至無氣泡生成。將清洗後的PVA凝膠泡沫放入三口瓶中，加入燒瓶容積2/3的6mol/LNaOH溶液，緩慢攪拌，在水浴溫度為45。C時，緩慢滴加環氧氯丙垸(lml環氧氯丙烷10gPVA)，滴加完後，在水浴溫度為45'C下反應36h。交聯後的載體用水反覆清洗，即得到泡沫大孔網狀PVA載體。實施例二將PVA、石灰石與水按18:10:100的質量比置於三口瓶中進行混合，加熱，攪拌，使混合物在沸水水浴下充分溶解混勻。待PVA完全溶解且體系混合均勻後停止加熱，在攪拌下冷卻至室溫。此時，體系為白色溶膠狀，有較大粘度。將上述溶膠在劇烈攪拌下加入質量濃度為15%的鹽酸溶液34ml，混合物開始發泡，當體積膨脹為原體積的3倍時開始冷凍。冷凍方法為在-20'C下冷凍12h，再在室溫下自然解凍3h，如此循環冷凍-解凍三次，生成的大孔網狀PVA凝膠泡沫；將凝膠泡沫剪成2X2X2cm的小塊，繼續在質量濃度為1%的鹽酸中浸泡至無氣泡生成。將凝膠泡沫用蒸餾水浸泡，清洗至中性後，放入質量濃度為0.25%的戊二醛水溶液中，調節pH值至l，在攪拌下，於35"C水浴中交聯2.5h，冷至室溫後用蒸餾水浸泡、清洗至中性，即得到泡沫大孔網狀PVA載體。實施例三將PVA、石灰石與水按18:10:100的質量比置於三口瓶中進行混合，加熱，攪拌，使混合物在沸水水浴下充分溶解混勻。待PVA完全溶解且體系混合均勻後停止加熱，在攪拌下冷卻至室溫。此時，體系為白色溶膠狀，有較大粘度。將上述溶膠在劇烈攪拌下加入質量濃度為15%的鹽酸溶液34ml，混合物開始發泡，當體積膨脹為原體積的3倍時開始冷凍。冷凍方法為在-2(TC下冷凍12h，再在室溫下自然解凍3h，如此循環冷凍-解凍三次，生成的大孔網狀PVA凝膠泡沫；將凝膠泡沫剪成2X2X2cm的小塊，繼續在質量濃度為1%的鹽酸中浸泡至無氣泡生成。將凝膠泡沫用蒸餾水浸泡，清洗至中性後，浸泡在飽和的硼酸溶液中，於室溫交聯反應30h;交聯後的載體用水反覆清洗，即得到泡沫大孔網狀PVA載體。權利要求1、一種大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體的製備方法，其特徵在於將聚乙烯醇、石灰石與水按(15～20):(10～15):(95～100)的質量比份混合，攪拌使其充分溶解；在攪拌下加入質量濃度為15～20％的鹽酸溶液酸化，使混合物發泡致孔後，採用冷凍-解凍、再冷凍-再解凍的循環，生成大孔網狀聚乙烯醇凝膠泡沫；然後將聚乙烯醇凝膠泡沫剪切成塊，置於質量濃度為0.5～1％的稀鹽酸中浸泡至無氣泡生成；再通過化學交聯反應使聚乙烯醇形成更穩定的交聯結構；然後用水浸泡、清洗至中性，得到白色大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體。2、如權利要求1所述大孔網狀聚乙烯醇載體的製備方法，其特徵在於所述聚乙烯醇、石灰石與水的混合溶解是在沸水水浴下充分攪拌溶解。3、如權利要求1所述大孔網狀聚乙烯醇載體的製備方法，其特徵在於所述冷凍-解凍、再冷凍-再解凍的循環工藝為於-20'C溫度條件下冷凍1012h、再在室溫條件下自然解凍23h，再於-2(TC條件下冷凍10~12h、然後室溫條件下自然解凍2~3h，如此循環冷凍3次。4、如權利要求1所述大孔網狀聚乙烯醇載體的製備方法，其特徵在於所述化學交聯反應為將聚乙烯醇凝膠泡沫浸泡在飽和的硼酸溶液中，於室溫交聯反應20~30h;5、如權利要求1所述大孔網狀聚乙烯醇載體的製備方法，其特徵在於所述化學交聯反應為將聚乙烯醇凝膠泡沫置於質量濃度為0.10.25%的戊二醛水溶液中，並調節pH值至12，在攪拌下於3035'C使其發生交聯反應。6、如權利要求1所述大孔網狀聚乙烯醇載體的製備方法，其特徵在於所述化學交聯反應為將聚乙烯醇凝膠泡沫置於濃度為26mol/L的NaOH溶液中，在攪拌下加入環氧氯丙烷，於406(TC，反應3~6h;環氧氯丙烷的加入量為每10g聚乙烯醇中加入環氧氯丙烷0.10.3mL。全文摘要本發明提供了一種大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體的製備方法，是將聚乙烯醇、石灰石與水混合，攪拌使聚乙烯醇充分溶解混勻；加入稀鹽酸酸化並使混合物發泡致孔後，採用冷凍-解凍、再冷凍-再解凍的循環，生成大孔網狀聚乙烯醇凝膠泡沫；然後將聚乙烯醇凝膠泡沫剪切成塊，置於質量濃度為0.5～1％的稀鹽酸中浸泡至無氣泡生成；再通過化學交聯反應使聚乙烯醇形成更穩定的交聯結構；然後用水浸泡、清洗至中性，得到白色大孔網狀聚乙烯醇泡沫載體。本發明製備大孔網狀聚乙烯醇載體具有穩定大孔網狀結構，呈現良好的親水性、物理化學穩定性和抗生物降解性，適用於固定化酶及微生物以構成多種床型的生物反應器，用於汙水處理等現代生物工程領域。文檔編號C08J9/36GK101363021SQ20081015083公開日2009年2月11日申請日期2008年8月30日優先權日2008年8月30日發明者李彥鋒,楊柳青,雪白,門學虎申請人:蘭州大學