一種用於生物酶載體的塊狀多孔材料的製備方法
2023-05-21 08:35:41 2
專利名稱：一種用於生物酶載體的塊狀多孔材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種以金屬醇鹽和有機聚合物等為主要原料，運用溶膠—凝膠法製備SiO2和SiO2-TiO2塊狀多孔材料作為生物固定化酶載體的方法。
背景技術：
酶是由生物體所合成的蛋白質，它幾乎已成為所有生物體內化學反應的催化劑。以往酶的反應只能在水溶液中進行，以分批方式一次一次地將酶和底物混合，待反應結束，從產物中將酶分離出來，但要在回收時保持其活性免受損失是很困難的。實際上，在每次分離反應過程中，都要浪費掉一部分酶。把酶製成不溶水型而成為固定化酶，可使酶反應更換成連續過程，酶就可以反覆使用並實現了反應過程的連續自動化，過程也可精密控制了。六十年代初，katchallski-Katzir等人首先將一些蛋白水解酶固定於不溶性的載體上或包裹於在人工膜中，製成固定化酶，如文獻1Annu.Rev.Biochem.35，773-908，1966。1967年日本Tanake Seiyaku公司Chibata等人首次成功地將固定化酶技術用於工業生產，如文獻2Biotechnol.Bioeng.9，603-615，1967中描述的。利用固定化酶進行工業生產，不僅使酶可以回收，重複使用，降低了催化劑成本，還提高了酶的穩定性，避免了酶蛋白對產物的汙染，簡化了後處理，此方面的研究發展迅速。製備有效的多孔載體一直是此領域的一個研究重點。
目前廣泛使用的固定化酶的多孔載體有纖維素、其它高分子物質和多孔玻璃。化學穩定性差的有機質多孔材料並非理想的酶載體。與有機質多孔材料相比，無機質多孔材料有以下優點①熱穩定性高，使用溫度一般可達400℃以上；②化學穩定性好，耐酸鹼；③抗壓強度大，適用高壓條件；④無機物的組成一般無毒，不會產生二次汙染，清洗和再生容易；⑤一般不與微生物發生生物化學反應，耐微生物的降解作用，耐有機溶劑的溶解作用；⑥材料的疲勞老化極其緩慢，使用壽命長；⑦孔分布窄。如生物反應器在較高的溫度下長時間運轉要達數個月，這就給細菌增殖提供了可能性。但在無機物的穩定微孔中，大於100nm的細菌均不能入內，因而能保持孔徑穩定，而有機質多孔體則會被細菌侵蝕。
利用熔融再分相的方法可製造出二氧化矽多孔玻璃，如文獻3矽酸鹽學報，1984，12(2)，193-202。但分相法需通過1500℃高溫熔制玻璃，又需在500℃～600℃下再加熱，然後還要進行長時間的酸處理，製造工藝複雜難控制，而且製品價格昂貴。此外，該方法要用HF或濃硫酸進行酸處理成孔會對環境有汙染；成品率低。
在陶瓷配料中引入造孔劑，通過燒成使造孔劑揮發，從而製成多孔陶瓷的方法是一類傳統的方法。造孔劑有無機和有機兩類，無機造孔劑有碳酸銨、碳酸氫銨、氯化銨以及煤粉、碳粉等；有機造孔劑主要有天然纖維、高分子聚合物、有機酸等，多孔陶瓷的成型方法與普通陶瓷成型方法相同。該工藝可製成形狀複雜及各種氣孔結構的陶瓷製品，但缺點是氣孔分布性差、氣孔率低和氣孔孔徑大，如文獻4粉末冶金技術，2002，20(6)，365-368。
溶膠-凝膠法合成有序多孔材料是一種近年來發展起來的新方法。這種方法基本過程是將金屬醇鹽溶於低級醇中，緩慢地滴入水進行水解反應，得到相應金屬氧化物的溶膠，調節該溶膠的pH值，納米尺度的金屬氧化物微粒就會發生聚集，形成凝膠。將凝膠乾燥、熱處理，就可以得到金屬氧化物材料(一般是陶瓷)。由於在製備過程中有機物分解或無機物溶解，不同階段產物的孔徑是不同的。溶膠-凝膠法和其他手段相結合是製備高規整度、亞微米尺度多孔材料的方法，如文獻5無機材料學報，2002，17(3)，407-414。從《SCIENCE》和《NATURE》的最近報導來看，多孔性材料製備的最新方法主要有①以均一半徑的粒子為模板並結合溶膠-凝膠法，②以表面活性劑為模板並結合溶膠-凝膠法，③以特殊結構的化合物為模板並結合溶膠-凝膠法，如文獻6化工新型材料，2001，29(1)，22-25。以這些方法製備多孔膜和粉體材料的報導居多，有關合成適合於作為酶載體的塊狀多孔材料的研究較少。而且像MSM-41這類的多孔粉末在熱溶液體系中長期應用的話會坍陷，孔徑也小於10nm，不適合此類商業用途。
發明內容
為了克服上述固定化酶載體的缺點，本發明提供了一種製備用於生物酶載體的塊狀多孔材料的方法，以解決多孔塊材難以合成的問題，提高了載體的化學穩定性，並提高酶活性。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的製備用於生物酶載體的塊狀多孔材料的方法包括下列步驟(1)溶膠、凝膠的合成配料比例如下A正矽酸乙酯0-80重量份；B鈦酸正丁酯0-50重量份；C有機聚合物0.5-50重量份；D化學添加劑0.5-20重量份E化學乾燥控制劑0.5-20重量份；F催化劑0.1-10重量份；其中成份A與B的份數不能同時為0；有機聚合物為聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯醯胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚氧乙烷中的一種或多種；化學添加劑為γ-氨丙基三乙氧基矽烷；化學乾燥控制劑為乙醯丙酮、N，N-二甲基甲醯胺和二甲基甲醯胺中的一種或多種；催化劑為醋酸、鹽酸、硝酸和氨水中的一種或多種；將A、B、C、D、E、F充分混合進行，在含有水和乙醇的體系中進行水解、縮聚反應，反應溫度為20-80℃，聚合30分鐘-5小時，再固化0.5-10小時，得到溼凝膠。
(2)成塊和熱處理溼凝膠在50-250℃下真空乾燥箱中烘乾，然後將幹凝膠在瑪瑙研缽中搗碎、研磨、過40-500目篩，再在模具中壓製成型，成型壓力為5-50MPa。通過乾燥，成型的塊體再升溫至400-1000℃下熱處理1-5小時後，除去有機物，即得到白色輕質的多孔塊材。
有益效果本發明製備的固定化酶載體直徑為10-50mm、高為2-10mm，密度為0.3-1.2g/cm3，適合於反應器操作；製備方法成品率高、製備周期較短，適合於批量化生產；製品的化學穩定性好，孔徑分布窄。
下面結合實施例對本發明進行詳細說明。
實施例1(1)室溫下將正矽酸乙酯50g、鈦酸正丁酯20g、聚乙二醇30g、乙醇100ml和水5ml充分混合，再加入氨水5ml、乙醯丙酮10ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應。升溫至80℃下聚合30分鐘，50℃下固化7小時，得到幹凝膠。
(2)幹凝膠在250℃下真空乾燥箱中烘乾，然後過篩，將粉末再在模具中壓製成型，成型壓力為5MPa。成型的塊體以4℃/min的速率升溫至800℃下熱處理2小時後，除去有機物，即得到白色輕質的多孔塊材。
實施例2製備過程同實施例1，室溫下將正矽酸乙酯50g、鈦酸正丁酯20g、聚乙烯醇30g、乙醇100ml和水20ml充分混合，再加入氨水5ml、乙醯丙酮10ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應，升溫至20℃下聚合5小時，50℃下固化0.5小時，得到幹凝膠。
(2)幹凝膠在80℃下真空乾燥箱中烘乾，然後過篩，將粉末再在模具中壓製成型，成型壓力為30MPa。成型的塊體升溫至400℃下熱處理1小時後，除去有機物，即得到白色輕質的多孔塊材。
實施例3製備過程同實施例1，室溫下將正矽酸乙酯50g、鈦酸正丁酯20g、聚丙烯醯胺30g、乙醇100ml和水15ml充分混合，再加入氨水5ml、乙醯丙酮10ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應，升溫至50℃下聚合3小時，50℃下固化10小時，得到幹凝膠。
(2)幹凝膠在165℃下真空乾燥箱中烘乾，然後過篩，將粉末再在模具中壓製成型，成型壓力為25MPa。成型的塊體以4℃/min的速率升溫至700℃下熱處理5小時後，除去有機物，即得到白色輕質的多孔塊材。
實施例4製備過程同實施例1，室溫下將正矽酸乙酯50g、聚丙烯酸30g、乙醇100ml和水15ml充分混合，再加入氨水5ml、乙醯丙酮10ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應，其它不變。
實施例5製備過程同實施例2，室溫下將鈦酸正丁酯40g、聚甲基丙烯酸30g、乙醇100ml和水15ml充分混合，再加入氨水5ml、乙醯丙酮10ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應，其它不變。
實施例6製備過程同實施例3，室溫下將正矽酸乙酯50g、鈦酸正丁酯20g、聚氧乙烷30g、乙醇100ml和水15ml充分混合，再加入氨水5ml、乙醯丙酮10ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應，其它不變。
實施例7製備過程同實施例1，室溫下將正矽酸乙酯50g、鈦酸正丁酯20g、聚乙二醇30g、乙醇100ml和水15ml充分混合，再加入氨水5ml、N，N-二甲基甲醯胺20ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應，其它不變。
實施例8製備過程同實施例1，室溫下將正矽酸乙酯50g、鈦酸正丁酯20g、聚乙二醇30g、乙醇100ml和水15ml充分混合，再加入氨水5ml、二甲基甲醯胺25ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應，其它不變。
實施例9製備過程同實施例1，室溫下將正矽酸乙酯50g、鈦酸正丁酯20g、聚乙二醇30g、乙醇100ml和水15ml充分混合，再加入醋酸10ml、乙醯丙酮10ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應，其它不變。
實施例10製備過程同實施例1，室溫下將正矽酸乙酯50g、鈦酸正丁酯20g、聚乙二醇30g、乙醇100ml和水15ml充分混合，再加入鹽酸6ml、乙醯丙酮10ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應，其它不變。
實施例11製備過程同實施例1，室溫下將正矽酸乙酯50g、鈦酸正丁酯20g、聚乙二醇30g、乙醇100ml和水15ml充分混合，再加入硝酸8ml、乙醯丙酮10ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應，其它不變。
實施例12製備過程同實施例1，室溫下將正矽酸乙酯60g、聚乙二醇30g、乙醇80ml和水15ml充分混合，再加入氨水5ml、乙醯丙酮10ml、γ-氨丙基三乙氧基矽烷5ml，進行攪拌、反應，其它不變。
實施例13(1)配料成分同實施例1，得到幹凝膠後，在50℃下真空乾燥箱中烘乾，然後過篩，其它不變。
實施例14(1)配料成分同實施例1，得到幹凝膠後，在250℃下真空乾燥箱中烘乾，然後過篩，將粉末再在模具中壓製成型，成型壓力為50MPa。成型的塊體以4℃/min的速率升溫至1000℃下熱處理1小時後，除去有機物，即得到白色輕質的多孔塊材。
權利要求
1.用於生物酶載體的塊狀多孔材料的製備方法，其特徵在於，包括下列步驟(1)溶膠、凝膠的合成配料比例如下A正矽酸乙酯0-80重量份；B鈦酸正丁酯0-50重量份；C有機聚合物0.5-50重量份；D化學添加劑0.5-20重量份E化學乾燥控制劑0.5-20重量份；F催化劑0.1-10重量份；其中成份A與B的份數不能同時為0；有機聚合物為聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯醯胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚氧乙烷中的一種或多種；化學添加劑為γ-氨丙基三乙氧基矽烷；化學乾燥控制劑為乙醯丙酮、N，N-二甲基甲醯胺和二甲基甲醯胺中的一種或多種；催化劑為醋酸、鹽酸、硝酸和氨水中的一種或多種；將A、B、C、D、E、F充分混合進行，在含有水和乙醇的體系中進行水解、縮聚反應，反應溫度為20-80℃，聚合30分鐘-5小時，再固化0.5-10小時，得到溼凝膠；(2)成塊和熱處理溼凝膠在50-250℃下真空乾燥箱中烘乾，然後將幹凝膠在瑪瑙研缽中搗碎、研磨、過40-500目篩，再在模具中壓製成型，成型壓力為5-50MPa，通過乾燥，成型的塊體再升溫至400-1000℃下熱處理1-5小時後，除去有機物，即得到白色輕質的多孔塊材。
2.如取利要求1所述的製備方法，其特徵在於，步驟(1)中的固化溫度為50℃。
3.如取利要求1所述的製備方法，其特徵在於，步驟(2)中成型塊體熱處理的升溫速率為4℃/min。
4.如取利要求1所述的製備方法，其特徵在於，在步驟(2)中幹凝膠搗碎、研磨後過60-300目篩。
全文摘要
本發明提供了一種製備用於生物酶載體的塊狀多孔材料的方法，以金屬醇鹽和有機聚合物等為主要原料，運用溶膠—凝膠法製備SiO
文檔編號C12N11/08GK1796552SQ20041009920
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月29日 優先權日2004年12月29日
發明者陳奇, 汪秀全 申請人:華東理工大學