一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，由多乙烯基聚乙二醇和巯基化的海藻酸钠两种高分子为成分形成水凝胶体系，在通过油包水乳化分散法合成水凝胶微球的基础上，二次交联制备具有双交联结构的颗粒凝胶填充柱固定具有催化活性的微生物，用于生物催化反应，实现微生物固定和催化过程强化。该方法采用双交联结构的凝胶微球，将离散微球连接起来，双交联结构包封微生物不易逃逸出来，抑制杂菌的进入，形成了多级孔隙、增大了比表面积和传质速率。填充柱具有良好的生物相容性、减少了微生物的逃逸、增强了微生物对底物的耐受性，方便产物的分离。方便产物的分离。方便产物的分离。

【技术实现步骤摘要】
一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法


[0001]本专利技术涉及生物催化方法，特别涉及一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法。

技术介绍

[0002]随着能源环境问题的日益突出，生物催化技术的地位也越来越重要，近些年来也取得了迅猛发展。由于具有温和、高效、高选择性等特点，采用生物催化方式来制备大宗化学品和精细化学品，降低对石油的依赖，是绿色发展过程中代替和拓展传统溶剂合成的重要方法。
[0003]微生物固定化技术是通过化学或者物理的方法将微生物或微生物产生的游离酶固定在与之对应的载体上，填充到生物反应器中以催化生化反应、微生物数量的增殖等。与游离微生物发酵相比，固定化微生物催化能够为微生物的生长提供充足的空间，保持催化活性，简化产物分离、纯化等优点。由于微生物被载体固定，不会产生流失现象，连续反应的稀释率大大提高。但是固定化微生物技术还需要解决固定化方式、寻找耐受性强的包埋材料、提高产物产量等。目前常用的固定化方法主要有吸附法、包埋法、共价结合法、交联法等。包埋法是应用较广泛的一种方法，有较好的综合性能，催化活性保留和存活力都比较高，且应用灵活。因此，包埋法成为整个固定化生物催化剂技术中应用最广泛的固定化方法；但是包埋法的扩散阻力较大，使微生物的催化活性受到限制，较适合于小分子底物与产物的反应。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术目的是提供一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法。
[0005]技术方案：本专利技术提供一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，由多乙烯基聚乙二醇和巯基化的海藻酸钠两种高分子为成分形成水凝胶体系，在通过油包水乳化分散法合成水凝胶微球的基础上，二次交联制备具有双交联结构的颗粒凝胶填充柱固定具有催化活性的微生物，用于生物催化反应，实现微生物固定和催化过程强化。
[0006]进一步地，包括如下步骤：
[0007](1)制备多乙烯基聚乙二醇高分子、巯基化的海藻酸钠和微生物的前体溶液；
[0008](2)制备包封微生物的水凝胶微球，通过油包水乳化分散法制备微球并固化；
[0009](3)制备双交联结构的颗粒凝胶填充柱用于生物催化反应，实现微生物催化过程的强化。
[0010]进一步地，所述步骤(1)的制备方法如下：将巯基化海藻酸钠溶于去离子水中，记为分散相P2；将多乙烯基聚乙二醇、微生物液，溶于去离子水中，记为分散相P3，即得各前体
溶液。
[0011]进一步地，所述步骤(2)制备方法如下：将表面活性剂溶于氟油、硅油、矿物油、硬脂酸、动物油或植物油中，配制成连续相P1(油相)，两相分散相(P2∶P3)混合后加入到油相中，通过乳化分散法形成乳液并静置固化，洗涤后得到微球，滴加氯化钙溶液到微球表面，固化后得到双交联微球结构。
[0012]进一步地，所述乳化分散法是机械搅拌法、机械与手动震荡法、电喷射法、悬浮分散、微流控法、膜乳化法。
[0013]进一步地，所述多乙烯基聚乙二醇高分子分为线性聚乙二醇、多臂聚乙二醇、树形聚乙二醇、超支化聚乙二醇。
[0014]进一步地，所述线性聚乙二醇为琥珀酰亚胺碳酸酯-聚乙二醇(SC-PEG-SC)，二马来酰亚胺聚乙二醇(MAL-PEG-MAL)、二丙烯酸酯聚乙二醇(DA-PEG-DA)、二甲基丙烯酸酯聚乙二醇(MA-PEG-MA)；
[0015]所述多臂聚乙二醇为二臂聚乙二醇((Allyl-PEG)2-OH、(Propargyl-PEG)2-Allyl)、三臂聚乙二醇(3Arm(PEG-Allyl3)、四臂聚乙二醇(4Arm(PEG-Allyl)4)、六臂聚乙二醇(6Arm-PEG-DA))，八臂聚乙二醇马来酰亚胺(8Arm-PEG-MAL)；
[0016]所述树形聚乙二醇为(mPEG)4-(PEG)2-MAL；
[0017]所述超支化聚乙二醇为超支化聚乙二醇二丙烯酸酯(HB-PEGDA)。
[0018]进一步地，所述的微生物包括酵母菌微生物、青霉菌微生物、大肠杆菌、木醋杆菌、小球菌、假单胞菌、蓝藻、霉菌、放线菌。
[0019]进一步地，所述双交联结构的颗粒凝胶是采用海藻酸钠的羧基与二价阳离子(除镁离子)的离子交联作用。
[0020]进一步地，所述巯基化的海藻酸钠是通过化学方法将巯基接枝到海藻酸钠分子链上的功能性高分子材料，巯基取代度为10％～40％，分子量在4kDa～185kDa，作为固定化材料。
[0021]上述技术方案中：
[0022]双交联结构的水凝胶是由两种具有高度非对称聚合物网络形成的高强度互穿网络结构水凝胶，具备较高的力学性能、结构稳定性及精细的内部结构，且能方便地调节其三维结构，以适应各种生物工程应用。采用两步聚合法，巯基与双键通过化学交联形成第一交联网络，之后海藻酸钠的羧基与阳离子通过离子配位结合形成双交联网络，将微球之间连接起来，形成多级孔隙，改善水凝胶微球的性能，方便物质的运输和传递，减少微生物的泄露。将双交联微球填充到反应器中形成的填料柱，孔隙率高、比表面积大，生物相容性好，易于分离和重复使用。本专利技术采用双交联颗粒凝胶填充柱，增强了催化效率，为进一步研究固定化技术的应用提供了新思路。
[0023]采用具有双交联网络结构的颗粒凝胶固定具有催化活性的微生物，并制成填充柱结构，通过流动化学的方法强化其生物催化过程。本专利技术先采用聚合反应使多乙烯基聚乙二醇高分子和巯基化海藻酸钠进行交联形成具有水凝胶网络的高分子微球，进一步的通过离子与海藻酸钠作用可以将离散的水凝胶微球交联成多级孔结构的颗粒凝胶填充柱。该填充柱具有良好的生物相容性、减少了微生物的逃逸、增强了微生物对底物的耐受性，同时，多级孔结构增强了反应物和的代谢产物的传质行为，有利于微生物的收集和产物分离，具
有可循环利用的特点。
[0024]有益效果：本专利技术具有如下优势：
[0025]1、在本专利技术中，制备具有双交联结构的凝胶微球，将离散微球连接起来，双交联结构酵母菌不易逃逸出来，抑制杂菌的进入，形成了多级孔隙、比表面大，增加了传质速率。
[0026]2、在本专利技术中，固定化微生物应用到生物催化过程，减少提取、分离过程、增加了传质速率和重复利用性，提高了催化效果。
[0027]3、在本专利技术中，选用的固定化材料性能稳定，具有良好的生物相容性，固定化微生物活性高，机械性能较好。
[0028]4、本专利技术的填充柱具有良好的生物相容性、减少了微生物的逃逸、增强了微生物对底物的耐受性，同时，多级孔结构增强了反应物和的代谢产物的传质行为，有利于微生物的收集和产物分离，具有可循环利用的特点。
附图说明
[0029]图1生物催化过程示意图；
[0030]图2微球示意图；
[0031]图3为实施例1不同时间的乙醇产量图。
具体实施方式
[0032]实施例1
[0033](1)制备包菌微球
[0034本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：由多乙烯基聚乙二醇和巯基化的海藻酸钠两种高分子为成分形成水凝胶体系，在通过油包水乳化分散法合成水凝胶微球的基础上，二次交联制备具有双交联结构的颗粒凝胶填充柱固定具有催化活性的微生物，用于生物催化反应，实现微生物固定和催化过程强化。2.根据权利要求1所述的利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)制备多乙烯基聚乙二醇高分子、巯基化的海藻酸钠和微生物的前体溶液；(2)制备包封微生物的水凝胶微球，通过油包水乳化分散法制备微球并固化；(3)制备双交联结构的颗粒凝胶填充柱用于生物催化反应，实现微生物催化过程的强化。3.根据权利要求2所述的利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：所述步骤(1)的制备方法如下：将巯基化海藻酸钠溶于去离子水中，记为分散相P2；将多乙烯基聚乙二醇、微生物液，溶于去离子水中，记为分散相P3，即得各前体溶液。4.根据权利要求2或3利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：所述步骤(2)制备方法如下：将表面活性剂溶于氟油、硅油、矿物油、硬脂酸、动物油或植物油中，配制成连续相P1(油相)，两相分散相(P2：P3)混合后加入到油相中，通过乳化分散法形成乳液并静置固化，洗涤后得到微球，滴加氯化钙溶液到微球表面，固化后得到双交联微球结构。5.根据权利要求4利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方法，其特征在于：所述乳化分散法是机械搅拌法、机械与手动震荡法、电喷射法、悬浮分散、微流控法、膜乳化法。6.根据权利要求2所述的利用双交联颗粒凝胶填充柱实现微生物催化过程强化的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：余子夷，李园，文慧琳，张静，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：