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一種碳纖維改性方法制備固定化載體材料與流程

文檔序號(hào):11127197閱讀:1812來源:國(guó)知局
一種碳纖維改性方法制備固定化載體材料與制造工藝

本發(fā)明涉及碳材料技術(shù)領(lǐng)域,及其在固定化上應(yīng)用。



背景技術(shù):

碳纖維是指經(jīng)高溫碳化,含碳量超過85%以上的纖維材料,包括碳素纖維和石墨纖維。碳素纖維是有機(jī)纖維經(jīng)1000~2300℃處理后,含碳量為85~95%的纖維;石墨纖維是有機(jī)纖維經(jīng)2300℃以上處理,含碳量在98%以上的纖維。

碳纖維是一種高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料,具有生物相容性好、化學(xué)性能穩(wěn)定,高比表面積等優(yōu)良性能,這些特點(diǎn)決定碳纖維及活性炭纖維具備成為良好的固定化載體的特點(diǎn)。但是碳纖維出廠時(shí)表而一般涂有一層有機(jī)膠,其使碳纖維表面惰性增大、表面能變低,并缺乏有化學(xué)活性的官能團(tuán),從而導(dǎo)致碳纖維表面反應(yīng)活性低,與基體的粘結(jié)性差,直接影響了碳纖維材料在固定化方向上的應(yīng)用。因此需要對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性處理,以提高其對(duì)基體的親和性和粘結(jié)性。傳統(tǒng)的碳纖維表面改性多采用強(qiáng)酸,強(qiáng)堿或者高溫來對(duì)碳纖維表面進(jìn)行表面改性,不僅耗時(shí)較長(zhǎng),操作復(fù)雜,而且還易導(dǎo)致環(huán)境污染,本發(fā)明欲提供一種新型的碳纖維表面改性方法來表面改性碳纖維,不僅耗時(shí)短,操作簡(jiǎn)單,而且對(duì)環(huán)境污染較小。這對(duì)碳纖維應(yīng)用在固定化細(xì)胞領(lǐng)域有十分重要的意義。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供了一種新型改性碳纖維表面的方法,來制備固定化載體材料,具有操作簡(jiǎn)單,制備污染小,耗時(shí)短,反應(yīng)效率高,易于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)固定化載體材料在固定化木聚糖酶重復(fù)使用6次后,測(cè)得反應(yīng)酶活仍保持在60~80%左右;在固定化黑曲霉時(shí),改性碳纖維制備的固定化載體材料的固定化細(xì)胞效率為90~100%,且其固定化細(xì)胞可連續(xù)使用6~8次,且降解AFB1效率可達(dá)到85~95%。

實(shí)驗(yàn)改性碳纖維反應(yīng)機(jī)理大致為:

Fe2++H2O2==Fe3++OH-+HO·

Fe3++H2O2+OH-==Fe2++H2O+HO·

Fe3++H2O2==Fe2++H+ +HO2

HO2+H2O2==H2O+O2↑+HO·

HO·使這個(gè)體系具有強(qiáng)氧化能力,可以氧化一些難以被一般氧化劑氧化的物質(zhì),實(shí)驗(yàn)用其氧化能力來刻蝕碳纖維表面從而制備固定化材料。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:

發(fā)明之碳纖維改性制備固定化材料,可采用以下方法制成,包括以下步驟:

a. 碳纖維預(yù)處理:將碳纖維切成長(zhǎng)度為0.5~1cm短切碳纖維

b.改性碳纖維:

1)在室溫條件下取適量的碳纖維加入到一定體積的30%過氧化氫中,加入量大致為1g:(50~100ml)

2)在室溫條件下,分批次少量加入含F(xiàn)e2+的金屬鹽,加入量為:摩爾濃度Fe2+:H2O2=1:(1~10)

3)待其反應(yīng)結(jié)束后再向其分批次多次加入30%過氧化氫10~50ml,反應(yīng)40~60min后停止加入過氧化氫。

4)將以上溶液離心分離,用5%的鹽酸和蒸餾水分別洗滌碳纖維3次,得到改性后的碳纖維。

5)干燥后,作為固定化載體進(jìn)一步用于固定化。

6)以上過程中加入方式在攪拌轉(zhuǎn)速180~250rpm,室溫條件下進(jìn)行。

進(jìn)一步,所述制備方法的步驟(b)中,在室溫條件下,加入30%過氧化氫中,加入量大致為1g:100ml。

進(jìn)一步,所述制備方法的步驟(b)中,在室溫條件下,分批次少量加入含F(xiàn)e2+試劑,總加入量為:摩爾濃度Fe2+:H2O2=1:3。

進(jìn)一步,所述制備方法的步驟(b)中,在室溫條件下,分批次少量加入的含F(xiàn)e2+試劑一般為FeSO4和FeCl2。

進(jìn)一步,所述制備方法的步驟(b)中,待其反應(yīng)結(jié)束后再向其分10次加入30%過氧化氫30ml,用時(shí)40min后停止加入過氧化氫。

有益效果

]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是利用碳纖維表面可修飾的特性,通過對(duì)碳纖維表面進(jìn)一步氧化處理,很大程度上增加其表面的親水性、粗糙度等來增加其固定化細(xì)胞或酶的能力。實(shí)驗(yàn)制備改性碳纖維固定化載體具有操作簡(jiǎn)單,用時(shí)較短,對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

采用本發(fā)明制備方法獲得的碳纖維具有比表面積高、表面粗糙度大、親水性好等特點(diǎn),比表面積高、表面粗糙度大能夠?yàn)榧?xì)胞或酶提供更多的吸附位點(diǎn),親水性增加,進(jìn)一步增強(qiáng)了碳纖維表面與細(xì)胞或酶之間的吸引力。

碳纖維材料,無論是活性炭纖維還是改性后的碳纖維,其在固定化應(yīng)用中所使用的固定方法多通過自身物理吸附性對(duì)細(xì)胞或酶進(jìn)行固定。其優(yōu)勢(shì)在于,可通過改性碳纖維表面特征,來調(diào)節(jié)其固定化效率。

附圖說明

圖1為改性碳纖維固定化細(xì)胞SEM圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的具體的實(shí)施方式進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例是用來進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容,而不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。對(duì)于本發(fā)明所涉及的相關(guān)內(nèi)容及所做的修改,均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。

實(shí)施例1改性碳纖維固定化載體的制備:

將碳纖維切成長(zhǎng)度為1cm短切碳纖維。

]在室溫條件下取2g的碳纖維加入到200ml的30%過氧化氫中。

在室溫條件下,分批次少量加入硫酸亞鐵91.2g。

待其反應(yīng)結(jié)束后再向其10次加入30%過氧化氫30ml用時(shí)40min后停止加入過氧化氫。

將以上溶液離心分離,用5%的鹽酸和蒸餾水分別洗滌處理后碳纖維3次,得到改性后的碳纖維,

干燥后,作為固定化載體進(jìn)一步用于固定化。

以上過程中加入方式在攪拌轉(zhuǎn)速220rpm,室溫條件下進(jìn)行。

實(shí)施例2

]本實(shí)施方式與實(shí)施例1不同的是:在室溫條件下,分批次少量加入氯化亞鐵76.2g。其他與具體實(shí)施方式1相同。

實(shí)施例3

改性碳纖維固定化載體用于固定化酶

取上述干燥后的碳纖維1g投入到100mlpH5.0的磷酸緩沖液所配制的10g/l的木聚糖酶溶液中,室溫下?lián)u床180rpm搖動(dòng)24h,之后用無水乙醇和純凈水洗去游離酶,即可得到固定化木聚糖酶。

固定化酶活力的測(cè)定

酶活定義:1g酶在55℃、pH5.0條件下,每分鐘催化分解木聚糖產(chǎn)生1mg木糖的量為一個(gè)酶活力單位,以IU/mg表示。

固定化酶活力的測(cè)定:將50ml木聚糖溶液加入至250ml錐形瓶中并水浴加熱至55℃,之后加入0.5g固定化酶,準(zhǔn)確反應(yīng)20min.

木糖含量的測(cè)定:配制0.2、0.4、0.6、0.8、1.0g/L的木糖標(biāo)準(zhǔn)溶液,采用DNS法測(cè)定其木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。

酶活計(jì)算:將所測(cè)得的吸光度值帶入木糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程中得到木糖含量。

酶活力=(木糖含量*5)*1000

固定化酶多批次酶活力測(cè)定

將固定化酶投入到催化反應(yīng)中,第一批發(fā)酵結(jié)束后測(cè)定其固定化酶活力,每批催化反應(yīng)后將固定化酶從反應(yīng)液取出,用pH5.0的磷酸緩沖液沖洗后重新加入到新的反應(yīng)液中,重新檢測(cè)酶活,在重復(fù)使用6次后,反應(yīng)酶活仍保持在60~80%左右。

實(shí)施例4

改性碳纖維固定化載體用于固定化黑曲霉

(1)固定化細(xì)胞的制備

種子培養(yǎng)基:馬鈴薯300g、葡萄糖20g、蒸餾水1L、自然pH、121℃高壓滅菌15min。

種子培養(yǎng):將0.3g改性后碳纖維投入到種子培養(yǎng)基,裝液量為50/250m1,pH 6.5,115℃滅菌30min。冷卻后接種斜面種子,160rpm,30℃培養(yǎng)48h。

發(fā)酵液:將種子液(接種量3%體積比)接入250ml三角瓶中,裝液量:50/250m1。160rpm,30℃下震蕩培養(yǎng)48小時(shí),得發(fā)酵液。

(2)固定化細(xì)胞的應(yīng)用

每批次發(fā)酵結(jié)束后,將種子培養(yǎng)基中的菌懸液倒出(大約40ml),只保留碳纖維,補(bǔ)加新發(fā)酵液40ml發(fā)酵液并加入AFB1(0.05ppm),24h后對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行AFB1提取與測(cè)定。依次類推,進(jìn)行多批次發(fā)酵降解實(shí)驗(yàn)。

每次所得產(chǎn)物的固定化效果及降解率通過以下方法測(cè)定:

1)固定化效率=吸附細(xì)胞重量/總細(xì)胞重量

2)AFB1的提取與測(cè)定

吸取1mL發(fā)酵液,用3 倍體積的氯仿提取濾液中AFB1,靜置分層,收集氯仿層,氮?dú)獯蹈桑尤?00μL 正己烷,混勻后于40℃避光反應(yīng)15 min,再次氮?dú)獯蹈桑?mL 流動(dòng)相(乙腈:水=20:80)溶解AFB1 的衍生物,0.22μm 膜過濾,保存于棕色瓶。

液相采用柱前衍生 HPLC 熒光檢測(cè)方法對(duì)發(fā)酵液中 AFB1的含量進(jìn)行測(cè)定,色譜柱: C18柱,size:New Column 25*4.6mm, 流動(dòng)相:乙腈:水=20:80(v/v);柱溫:30℃;流速:1mL/min;激發(fā)波長(zhǎng):360nm;發(fā)射波長(zhǎng):440nm;進(jìn)樣量:20μL

3)通過AFB1標(biāo)準(zhǔn)品的標(biāo)準(zhǔn)曲線算出其未降解AFB1的含量,從而計(jì)算其降解率。

本實(shí)施例中測(cè)得連續(xù)發(fā)酵降解過程中,改性碳纖維固定化載體的固定化細(xì)胞效率為90~100%,且其固定化細(xì)胞可連續(xù)使用6~8次,且降解率可達(dá)到85~95%。

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