專利名稱：具有納米復合結構的包埋微生物載體及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及固定化生物領域，特別是涉及一種具有納米復合結構的包埋微生物載 體及其制備方法。
背景技術：
固定化生物技術(Immobilized Biotechnology)是從20世紀60年代開始迅速發(fā) 展起來的一項新技術，它是通過化學或物理的手段將游離細胞或酶定位于限定的空間區(qū)域 內(nèi)，使游離細胞或酶保持活性并可反復利用。固定化生物技術中，所用的微生物在外可每個 凝膠珠都可以看成是一個小的生物反應器，由于縮短了擴散距離，轉化率明顯提高，反應結 束后細胞還可以回收并重復使用。在環(huán)保領域中，固定化生物技術具有微生物密度高、反應迅速、微生物流失少、產(chǎn) 物易分離、反應過程易控制的優(yōu)點，是一種高效低耗、運轉管理容易和十分有前途的廢水處 理技術。固定化生物技術的作用方法大致有吸附法、共價結合法、交聯(lián)法和包埋法四大類。 其中化學交聯(lián)的高分子凝膠包埋固定法不存在固定不牢導致的脫落和抗沖擊性差等問題， 對于底物和產(chǎn)物是小分子的體系十分適合。然而凝膠的化學合成過程中往往存在多種有毒 有害物質(zhì)，且制備條件一般較為劇烈，特別是對于溫度和壓力敏感的微生物來說，經(jīng)常造成 微生物的大批死亡。如何降低有害物質(zhì)和聚合過程對微生物的影響，是微生物固定化領域 需要解決的難題之一。另一方面，普通的高分子凝膠力學性能較差，當作為微生物載體長期應用于有較 強沖擊外力的環(huán)境中時，如曝氣，攪拌等，容易發(fā)生碎裂，使用壽命低。如何獲得有優(yōu)良力學 性能的包埋微生物載體，是其能否實現(xiàn)工業(yè)化應用的關鍵之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例的目的在于提供一種具有納米復合結構的包埋微生物載體及其制 備方法，可解決現(xiàn)有普通的高分子凝膠力學性能較差，制得的微生物載體不能長期在較強 沖擊外力的環(huán)境中應用。本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的本發(fā)明實施例提供一種具有納米復合結構的包埋微生物載體，該微生物載體是以 水溶性自由基聚合單體、粘土、自由基聚合引發(fā)劑、交聯(lián)劑、水和活性微生物和/或酶為原 料，通過聚合反應制備成具有納米復合結構且內(nèi)部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水 凝膠。本發(fā)明實施例還提供一種具有納米復合結構的包埋微生物載體的制備方法，包 括按下述的配比取制備微生物載體的各原料水溶性自由基聚合單體 5 20wt%
粘土0. 05 ‘ IOwt %
自由基聚合引發(fā)劑0. 01 ‘ Iwt %
交聯(lián)劑0. 01 ‘ 2wt%
微生物和/或酶0. 02 5wt%
水62 94. 91wt% ；
將粘土粒子充分分散于水中，然后加入水溶性自由基聚合單體和交聯(lián)劑充分攪拌，之后加入微生物和/或酶，和自由基聚合引發(fā)劑混合均勻得到凝膠液，把凝膠液在常
溫、常壓、密封容器中放置進行自由基聚合直至凝膠化，凝膠化后得到具有納米復合結構且 其內(nèi)部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水凝膠即為具有納米復合包埋微生物載體。從上述本發(fā)明的技術方案中可以看出，本發(fā)明實施例中通過水溶性自由基聚合單 體、粘土、自由基聚合引發(fā)劑、交聯(lián)劑、水和活性微生物和/或酶為原料，聚合反應制備成具 有納米復合結構且其內(nèi)部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水凝膠作為微生物載體。聚 合過程中采用單體對粘土進行插層或剝離的方法，并通過工藝條件的控制，一方面獲得了 剝離的片狀的納米復合結構，另一方面將對微生物活性影響最大的單體插層到粘土中，降 低了單體與微生物的直接接觸，對微生物起到了保護作用；并且采用的常溫常壓快速成型 的工藝條件，也顯著減少有害物質(zhì)與微生物的接觸時間，并避免了劇烈的反應條件對微生 物活性的破壞。該微生物載體具有納米復合結構，力學性能優(yōu)良，不容易發(fā)生碎裂，更加適 合在有較強沖擊力的環(huán)境中應用。
具體實施例方式本發(fā)明實施例提供一種具有納米復合結構的包埋微生物載體，該微生物載體是以 水溶性可自由基聚合聚合單體5 20wt %、粘土 0. 05 IOwt %、自由基聚合弓丨發(fā)劑0. 01 Iwt %、交聯(lián)劑0. 01 2wt %、微生物和/或酶0. 02 5wt %和水62 94. 9 Iwt %為原料， 通過聚合反應制備成具有納米復合結構且內(nèi)部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水凝 膠。該微生物載體的具體制備方法為按上述配方取各原料，將粘土粒子充分分散于 水中，然后加入單體和交聯(lián)劑充分攪拌，之后加入微生物制劑和氧化還原引發(fā)劑混合均勻 得到凝膠液，把凝膠液在常溫、常壓、密封容器中進行自由基聚合直至凝膠化，即得到具有 納米復合結構且包埋微生物的微生物載體材料。使用時，將聚合形成的水凝膠材料從容器 中取出，切成近立方體狀，即得到微生物載體。把聚合形成的凝膠從容器中取出，切成近立 方體狀，即得到微生物載體。上述微生物載體配方中的水溶性自由基聚合單體為含有雙鍵的能自由基聚合的 單體，如可以是水溶性的酰胺類，水溶性丙烯酸類或水溶性丙烯酸酯單體中的任一種或 任意幾種。如可以是丙烯酰胺，丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸羥乙酯，甲基丙烯酸-β-羥 乙酯等中的任一種或任意幾種的組合物，優(yōu)選采用丙烯酰胺，丙烯酸羥乙酯和甲基丙烯 酸-β -羥乙酯，可以單獨使用一種，也可以將兩種或兩種以上組合使用。上述微生物載體原料中的引發(fā)劑采用氧化還原引發(fā)劑。上述微生物載體配方中還可以加入促進劑，促進劑可采用亞硫酸鹽，亞硫酸氫 鹽，四甲基亞乙基二胺，二甲胺基丙腈，亞鐵鹽等中的任一種或任意幾種，促進劑的用量為0. 001 1. 2wt%。上述微生物載體配方中的交聯(lián)劑為能參與自由基聚合的具有雙官能度和多官能 度的水溶性單體，該交聯(lián)劑可采用N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，聚乙二醇二丙烯酸酯，聚乙 二醇二甲基丙烯酸酯，雙鍵封端的大分子單體中的任一種或任意幾種的混合物。上述微生物載體配方中的微生物和/或酶，可以采用粉體或水分散體，若采用粉 體，使用時先用水將微生物和/或酶粉體制成微生物和/或酶水分散體；也可以直接使用微 生物和/或酶的水分散體，只要保證其內(nèi)按固定計的微生物和/或酶含量符合上述配方中 的用量即可。并且，當使用微生物和/或酶的水分散體時，上述配方中水的用量中包含微生 物和/或酶的水分散體中所含水的量。該微生物和/或酶中的微生物可以是厭氧微生物、兼 性微生物或在無氧條件下可以休眠超過2h或可以存活超過2h的微生物中的一種或多種。 本發(fā)明實施例制得的微生物載體對于具有芽孢的硝化菌也具有很好的活性保持作用。本發(fā)明實施例制備的具有納米復合結構的包埋微生物載體的結構均勻，制造方法 簡便易行，其壓縮比普遍超過70 %，最高可達97 %，有優(yōu)異的彈性。能夠作為微生物載體材 料或微生物酶載體材料使用，適合于在10 45°C可以生存的微生物或微生物酶。實施例1本實施例提供一種微生物載體，是一種納米復合結構的包埋微生物載體，該微生
物載體按下述配比取各原料，包括原料用量丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性單體)8wt%粘土0.8wt%過硫酸銨和亞硫酸氫鈉(引發(fā)劑)0.05wt%N, N-亞甲基雙丙烯酰胺(交聯(lián)劑)0. IOwt %細菌粉體(微生物和/或酶)0. 25wt %無菌水90.8wt%;該微生物載體的制備方法為先將粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺 和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺充分攪拌，之后加入細菌粉體和過硫酸銨和亞硫酸氫鈉混合均 勻得到凝膠液，把凝膠液在常壓、密封容器中，30°C保溫放置lh，即得到具有納米復合結構 且包埋微生物的微生物載體材料，把聚合形成的水凝膠材料從容器中取出，切成近立方體 狀，即得到微生物載體。該微生物載體70%變形率時應力為255kPa，壓縮比(變形率)達 到 95%。實施例2本實施例提供一種微生物載體，是一種納米復合結構的包埋微生物載體，該微生
物載體按下述配比取各原料，包括原料用量丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性單體)IOwt %粘土Iwt %過硫酸鉀和亞硫酸氫鈉(引發(fā)劑)0. 3wt%N, N-亞甲基雙丙烯酰胺(交聯(lián)劑1)0. 16wt%聚乙二醇400 二丙烯酸酯(交聯(lián)劑2)0. 02wt %
6
細菌粉體(微生物和/或酶)2. 5wt %無菌水86. 02wt%;該微生物載體的制備方法為先將粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺 和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺充分攪拌，之后加入微生物制劑和過硫酸鉀和亞硫酸氫鈉混合 均勻得到凝膠液，把凝膠液在常壓、密封容器中，25°C保溫放置0. 5h進行自由基聚合，聚合 反應后即得到具有納米復合結構且包埋微生物的微生物載體材料，將聚合形成的水凝膠材 料從容器中取出，切成近立方體狀，即得到微生物載體。該微生物載體70%變形率時應力為 435kPa，壓縮比(變形率)達到92%。實施例3本實施例提供一種微生物載體，是一種納米復合結構的包埋微生物載體，該微生
物載體按下述配比取各原料，包括原料用量丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性單體1)6wt%甲基丙烯酸羥乙酯(能自由基聚合的水溶性單體2)Swt %粘土8wt%過硫酸銨和亞硫酸氫鈉(引發(fā)劑)0. 6wt %N, N-亞甲基雙丙烯酰胺(交聯(lián)劑1)0. Iwt %聚乙二醇(400)甲基丙烯酸酯(交聯(lián)劑2)0. 15wt%硝化菌水分散體(微生物和/或酶的水分散體，其中按固體計微生物和/或酶的 含量為Iwt %，其余29wt %為水)30wt %/K47. 15wt% ；該微生物載體的制備方法為先將粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺、 甲基丙烯酸羥乙酯、N, N-亞甲基雙丙烯酰胺、聚乙二醇400 二丙烯酸酯和過硫酸銨充分攪 拌，之后加入硝化菌水分散體和亞硫酸氫鈉混合均勻得到凝膠液，將凝膠液置于常壓、密封 容器中，通氮氣lOmin，于28°C保溫放置20min進行自由基聚合，聚合反應后即得到具有納 米復合結構且包埋微生物的微生物載體材料，將聚合形成的水凝膠材料從容器中取出，切 成近立方體狀，即得到微生物載體。該微生物載體材料的壓縮比(變形率)達到78%。實施例4本實施例提供一種微生物載體，是一種納米復合結構的包埋微生物載體，該微生
物載體按下述配比取各原料，包括原料用量丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性單體1)Swt %乙烯吡咯烷酮(能自由基聚合的水溶性單體2)4wt%粘土0.3wt%過氧化苯甲酰和四甲基亞乙基二胺(引發(fā)劑)0. 12wt%聚乙二醇(200) 二丙烯酸酯(交聯(lián)劑)0. 2wt%微生物和/或酶水分散體(其中按固體計微生物和/或酶的含量為1. 8wt %，其余 25wt% 為水)30wt%水57.38wt%;
該微生物載體的制備方法為將粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺、乙 烯吡咯烷酮、聚乙二醇(200)丙烯酸酯和過氧化苯甲酰充分攪拌至完全溶解后，加入四甲 基亞乙基二胺混合均勻后，再加入細菌水分散體得到凝膠液，將凝膠液置于常壓、密封容器 中，通氮氣lOmin，于40°C保溫放置1. 5h進行自由基聚合，聚合反應后即得到具有納米復合 結構且包埋微生物的微生物載體材料，將聚合形成的水凝膠材料從容器中取出，切成近立 方體狀，即得到微生物載體。該微生物載體70%變形率時應力為185kPa。實施例5本實施例提供一種微生物載體，是一種納米復合結構的包埋微生物載體，該微生 物載體按下述配比取各原料，包括原料用量丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性單體) 8wt%粘土1.6wt%過硫酸氨和亞硫酸氫鈉(引發(fā)劑)0. 3wt%N, N-亞甲基雙丙烯酰胺(交聯(lián)劑1)0. 08wt%微生物和/或酶的水分散體(其中，按固體計的微生物和/或酶含量為0. 2wt%, 其余18. 8wt %的成份為水)20wt %水70.02wt%;該微生物載體的制備方法為先將粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺 N，N-亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸銨充分攪拌，之后加入硝化菌水分散體和亞硫酸氫鈉，混 合均勻得到凝膠液，將凝膠液置于常壓、密封容器中，于25°C保溫放置40min進行自由基聚 合，聚合反應后即得到具有納米復合結構且包埋微生物的微生物載體材料，將聚合形成的 水凝膠材料從容器中取出，切成近立方體狀，即得到微生物載體。該微生物載體70%變形率 時應力為354kPa，壓縮比(變形率)達到97%。實施例6本實施例提供一種微生物載體，是一種納米復合結構的包埋微生物載體，該微生 物載體按下述配比取各原料，包括
或酶含量為0. 3wt%,原料用量丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性單體) 6wt%粘土0.3wt%過硫酸氨和亞硫酸氫鈉(引發(fā)劑)0.1wt%N, N-亞甲基雙丙烯酰胺(交聯(lián)劑1)0. 15wt%微生物和/或酶的水分散體(其中，按固體計的微生物和 其余38. 85wt %的成份為水)40wt %水53.45wt%;該微生物載體的制備方法為先將粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺 N，N-亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸銨充分攪拌，之后加入硝化菌水分散體和亞硫酸氫鈉，混 合均勻得到凝膠液，將凝膠液置于常壓、密封容器中，于25°C保溫放置40min進行自由基聚 合，聚合反應后即得到具有納米復合結構且包埋微生物的微生物載體材料，將聚合形成的 水凝膠材料從容器中取出，切成近立方體狀，即得到微生物載體。該微生物載體70%變形率時應力為235kPa，壓縮比(變形率)達到94%。實施例7本實施例提供一種微生物載體，是一種納米復合結構的包埋微生物載體，該微生
物載體按下述配比取各原料，包括原料用量丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性單體)12wt% ；粘土4wt%過硫酸氨和亞硫酸氫鈉(引發(fā)劑)0. 3wt%N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(交聯(lián)劑1)0. 3wt%細菌粉體(微生物和/或酶)0. 6wt %水82.8wt%該微生物載體的制備方法為先將粘土粒子充分分散于水中，然后加入丙烯酰胺 N，N-亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸銨充分攪拌，之后加入硝化菌水分散體和亞硫酸氫鈉，混 合均勻得到凝膠液，將凝膠液置于常壓、密封容器中，于30°C保溫放置15min進行自由基聚 合，聚合反應后即得到具有納米復合結構且包埋微生物的微生物載體材料，將聚合形成的 水凝膠材料從容器中取出，切成近立方體狀，即得到微生物載體。該微生物載體70%變形率 時應力為635kPa，壓縮比(變形率)達到90%以上。綜上所述，本發(fā)明實施例的具有納米復合結構的包埋微生物載體，其壓縮比普遍 超過75 %，部分可以達到97 %，70 %形變時的應力達到635kPa。對照目前商品化的微生物 載體的壓縮比普遍為55 70%，說明該具有納米復合結構的微生物載體具有良好的力學 性能。使用該方法制備包埋微生物載體簡便易行，所得產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，力學性能優(yōu)良。實際中，還可以通過調(diào)節(jié)單體、交聯(lián)劑的種類和用量來調(diào)控載體性能，并可通過調(diào) 節(jié)自由基聚合引發(fā)劑的用量和比例來調(diào)整反應溫度和反應時間以獲得更高的包埋物活性， 還可以通過調(diào)整微生物和/或酶的加入方式和用量來形成包埋不同的微生物和/或酶的微 生物載體。該微生物載體在水處理、微生物和/或酶固定化等領域具有潛在的應用價值。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范 圍為準。
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權利要求
一種具有納米復合結構的包埋微生物載體，其特征在于，該微生物載體是以水溶性自由基聚合單體、粘土、自由基聚合引發(fā)劑、交聯(lián)劑、水和活性微生物和/或酶為原料，通過聚合反應制備成具有納米復合結構且內(nèi)部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水凝膠。
2.如權利要求1所述的具有納米復合結構的包埋微生物載體，其特征在于，所述制備 微生物載體各原料用量為水溶性自由基聚合單體5 20wt%粘土0. 05 ‘ IOwt %自由基聚合引發(fā)劑0. 01 ‘ Iwt %交聯(lián)劑0. 01 ‘ 2wt% 活性微生物和/或酶0. 02 5wt%水62 94. 91wt%0
3.如權利要求1或2所述的具有納米復合結構的包埋微生物載體，其特征在于，所述水 溶性自由基聚合單體包括水溶性酰胺類單體、乙烯吡咯烷酮、水溶性丙烯酸類單體、水溶 性丙烯酸酯單體等中的任一種或任意幾種。
4.如權利要求1或2所述的具有納米復合結構的包埋微生物載體，其特征在于，所述水 溶性自由基聚合單體包括丙烯酰胺、乙烯吡咯烷酮、甲基丙烯酸_羥乙酯中的任一種或任意幾種。
5.如權利要求1或2所述的具有納米復合結構的包埋微生物載體，其特征在于，所述自由基聚合引發(fā)劑采用氧化還原引發(fā)劑。
6.如權利要求1或2所述的具有納米復合結構的包埋微生物載體，其特征在于，所述制 備微生物載體的原料中還包括促進劑，促進劑采用亞硫酸鹽，亞硫酸氫鹽，四甲基亞乙基二 胺，二甲胺基丙腈，亞鐵鹽等中的任一種或任意幾種；促進劑的用量為0. 001 1. 2wt%。
7.如權利要求1或2所述的具有納米復合結構的包埋微生物載體，其特征在于，所述交 聯(lián)劑采用能參與自由基聚合的具有雙官能度和多官能度的水溶性單體。
8.如權利要求7所述的具有納米復合結構的包埋微生物載體，其特征在于，所述交聯(lián) 劑采用N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，聚乙二醇二丙烯酸酯，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的任 一種或任意幾種。
9.如權利要求1或2所述的具有納米復合結構的包埋微生物載體，其特征在于，所述 活性微生物和/或酶中的微生物采用厭氧微生物、兼性微生物或在無氧條件下能休眠超過 2小時或存活超過2小時的微生物中的任一種或任意幾種。
10.一種具有納米復合結構的包埋微生物載體的制備方法，其特征在于，包括按下述的配比取制備微生物載體的各原料水溶性自由基聚合單體5 20wt%粘土0. 05 ‘ IOwt %自由基聚合引發(fā)劑0. 01 ‘ Iwt %交聯(lián)劑0. 01 ‘ 2wt%微生物和/或酶0. 02 5wt%水62 94. 91wt%將粘土粒子充分分散于水中，然后加入水溶性自由基聚合單體和交聯(lián)劑充分攪拌，之后加入微生物和/或酶，和自由基聚合引發(fā)劑混合均勻得到凝膠液，把凝膠液在常溫、常 壓、密封容器中放置進行自由基聚合直至凝膠化，凝膠化后得到具有納米復合結構且其內(nèi) 部包埋有保持活性的微生物和/或酶的水凝膠即為具有納米復合結構的包埋微生物載體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有納米復合結構的包埋微生物載體及其制備方法。該微生物載體是通過聚合反應制備的一種內(nèi)部包埋有活性微生物的水凝膠，具有納米復合結構。其制備方法主要包括下列步驟1、將粘土粒子充分分散于水中；2、加入酰胺類單體充分攪拌；3、加入微生物制劑和自由基聚合引發(fā)劑攪拌均勻；4、在常溫、常壓、密封容器中進行自由基聚合得到水凝膠，即為具有納米復合包埋微生物載體。本發(fā)明實施例的納米復合微生物載體的壓縮比可以達到97％。使用該方法制備包埋微生物載體工藝簡便易行，所得載體質(zhì)量穩(wěn)定，力學性能優(yōu)良。
文檔編號C12N11/08GK101948823SQ20101027417
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月6日 優(yōu)先權日2010年9月6日
發(fā)明者佟娟, 劉金泉, 屈佳玉, 李宗慧, 王凱 申請人:北京桑德環(huán)境工程有限公司