專利名稱：均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球及其制備方法。
背景技術(shù)：
擴(kuò)張床吸附(Expanded Bed Adsorption，EBA)技術(shù)是上世紀(jì)九十年代發(fā)展起來的一種新型蛋白質(zhì)分離純化技術(shù)，能直接從發(fā)酵液或細(xì)胞勻漿中捕獲目標(biāo)產(chǎn)物，集固液分離、濃縮和初期純化于一個操作單元之中，減少了操作單元數(shù)，縮短了操作時間，節(jié)約了生產(chǎn)成本，被譽(yù)為近幾十年來出現(xiàn)的第一個新的單元操作，在生物工程下游加工過程中很快得到了廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)張床是流化床的一種特例，基于擴(kuò)張床中吸附劑的穩(wěn)定分級行為，其理論塔板數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的流化床，接近于固定床。擴(kuò)張床吸附過程首先要求吸附劑的基質(zhì)具有較大的密度和一定的粒徑分布，較大的密度可以使基質(zhì)顆粒在較大的流速下懸浮起來，以滿足較高處理量的要求；合適的粒徑分布則使基質(zhì)顆粒因其不同的流化速度在床中形成穩(wěn)定的分級，床內(nèi)的液相流動接近平推流，軸向返混程度維持在較低的水平上。
依據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，擴(kuò)張床基質(zhì)大致分為兩類均質(zhì)型和核殼型。均質(zhì)型基質(zhì)一般為起增重作用的細(xì)小顆粒分散于高分子骨架的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之中，或者在多孔的無機(jī)材料表面通過改性復(fù)合一層高分子聚合物。核殼型基質(zhì)則為一個或多個較大的增重顆粒相對集中地分布于高分子骨架的中心，具有明顯的核殼結(jié)構(gòu)，視制備方法與工藝的不同，殼層的厚度可以改變，進(jìn)而調(diào)節(jié)基質(zhì)的密度和殼層傳質(zhì)距離。
眾所周知，纖維素是最廉價、最豐富的天然高分子聚合物之一。大孔纖維素微球的成功開發(fā)，使得球形纖維素基質(zhì)以其高度的親水性、極低的非特異性吸附和較高的機(jī)械強(qiáng)度，作為層析基質(zhì)被廣泛應(yīng)用于生物工程產(chǎn)品的下游加工過程。纖維素微球的制備方法主要有兩種噴射法和反相懸浮法，前者對噴射設(shè)備的要求比較高，得到的微球粒徑比較一致，后者工藝比較復(fù)雜，分散、洗滌和再生時需要消耗大量的化學(xué)品，得到的微球粒徑分布較寬。但對擴(kuò)張床基質(zhì)而言，并不要求基質(zhì)顆粒的尺寸一致性。1994年，Gilchrist等以鈦白粉作增重劑，制備出一種均質(zhì)型的纖維素/鈦白粉復(fù)合擴(kuò)張床基質(zhì)(參見Separations forBiotechnology 3，Royal Society of Chemistry，London，1994，P186-192)。但他們所開發(fā)的基質(zhì)是直接將混有鈦白粉超細(xì)顆粒的纖維素硫氰酸鈣溶液于甲醇中再生固化，然后碾碎、篩分而得，因而只能得到形狀不規(guī)則的基質(zhì)顆粒。無定形的基質(zhì)顆粒將會導(dǎo)致擴(kuò)張床內(nèi)不穩(wěn)定的流體力學(xué)性能和擴(kuò)張行為，使得過程變得更加難以預(yù)料和重復(fù)性降低，并增大固定床模式洗脫時的柱壓，十分不利于操作的進(jìn)行。鑒于此，擴(kuò)張床層析過程使用的基質(zhì)一般要求為規(guī)則的球形。
纖維素和鈦白粉都是十分便宜的工業(yè)原料，迄今為止，還沒有將兩者結(jié)合起來開發(fā)出球形擴(kuò)張床吸附基質(zhì)的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供可以用作為擴(kuò)張床吸附劑基質(zhì)的一種均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球及其制備方法，它的外形為規(guī)則的球形，密度和孔結(jié)構(gòu)可隨鈦白粉和纖維素的含量而改變，粒徑及其分布則可通過改變制備工藝條件予以調(diào)節(jié)。
均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球是起增重作用的鈦白粉超細(xì)顆粒被緊密包埋于再生纖維素骨架的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之中，具有無機(jī)顆粒與高分子聚合物的均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)；微球的濕真密度為1.1～1.5g/cm3，粒徑尺寸范圍為100～300μm。
均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球的制備方法的步驟如下1)配制復(fù)合水相將鈦白粉超細(xì)顆粒和工業(yè)用纖維素黃原酸酯粘膠混勻。
2)加熱固化成球加入油相和表面活性劑，組成反相懸浮分散體系，升溫后固化成球。
3)再生得到微球?qū)⑽⑶蛴糜袡C(jī)溶劑洗滌、酸再生，得到均質(zhì)型復(fù)合微球。
4)篩分和擴(kuò)張床浮選將再生微球濕態(tài)篩分后于擴(kuò)張床中浮選至一定的粒徑分布。
本發(fā)明在制備工藝上采取“反相懸浮熱再生法”，通過再生纖維素骨架的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將鈦白粉超細(xì)顆粒緊密包埋其中，防止了鈦白粉的泄漏，起到了增加基質(zhì)密度的目的，且保留了纖維素骨架的大孔、親水特征和反應(yīng)活性。因此，所開發(fā)的復(fù)合微球可以應(yīng)用作為擴(kuò)張床吸附劑的基質(zhì)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1)制備的均質(zhì)型復(fù)合微球形狀規(guī)則，有利于擴(kuò)張床操作的穩(wěn)定；2)微球的密度和粒徑大小可以調(diào)節(jié)，以滿足不同應(yīng)用環(huán)境的需要；3)所制備的微球耐酸堿，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能夠滿足擴(kuò)張床操作在位清洗的需要；4)制備工藝簡單，易于控制和放大；5)成本低廉，所使用的原料可以回收再利用，環(huán)境污染小。


圖1是本發(fā)明球形復(fù)合基質(zhì)在擴(kuò)張床中的擴(kuò)張曲線圖；圖2是本發(fā)明球形復(fù)合基質(zhì)的粒徑尺寸分布圖；圖3是本發(fā)明球形復(fù)合基質(zhì)的外觀顯微鏡100倍照片放大圖。
具體實施例方式
均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球的制備方法的步驟如下1)配制復(fù)合水相在室溫下將鈦白粉超細(xì)顆粒和工業(yè)用纖維素黃原酸酯粘膠按照質(zhì)量百分比為5％～40％混合，攪拌均勻，升溫至25～35℃，繼續(xù)攪拌30～45分鐘。
2)懸浮加熱固化成球停止攪拌，加入油類分散相和表面活性劑，然后開動攪拌，25～35℃下懸浮分散30～60分鐘，升溫至90～95℃，保溫1.5～2小時，粘膠固化得到微球。
3)再生出均質(zhì)型微球?qū)⒐袒蟮奈⑶驈挠拖嘀羞^濾出來，用1～2倍體積的苯洗滌去除油層，再分別使用2～3倍體積的甲醇、含30％乙酸的乙醇溶液或10％硫酸溶液再生，最后用自來水洗滌，得到均質(zhì)型復(fù)合微球。
4)篩分和擴(kuò)張床浮選先濕態(tài)篩分至100～300μm，然后將粗篩過的微球置于擴(kuò)張床中擴(kuò)張，控制擴(kuò)張高度為起始沉降高度的2.5～3.5倍，穩(wěn)定30～45分鐘，除去最上部0.5～1cm高度的微球，收集床內(nèi)微球，即為所需的擴(kuò)張床基質(zhì)。
上述被包埋的鈦白粉超細(xì)顆粒的粒徑為0.1～1μm，濕球中鈦白粉的質(zhì)量百分含量為5％～40％。
纖維素骨架為工業(yè)纖維素黃原酸酯粘膠再生物，微球中纖維素的質(zhì)量百分含量為6.5％～9％，水百分含量為50％～80％。
油類分散相包括泵油與氯苯的混合物、變壓器油和花生油。其中，泵油與氯苯的質(zhì)量比為3∶1～6∶1，油相與水相的體積比控制在4∶1～6∶1之間；變壓器油和花生油作油相時，油相與水相的體積比均控制在4∶1～6∶1之間。
表面活性劑為油酸和Span 80。其中，當(dāng)油相為泵油與氯苯的混合物時，使用油酸作分散劑，用量為占油相的質(zhì)量百分比0.1～0.5％之間；當(dāng)油相為變壓器油和花生油時，使用Span 80作分散劑，用量為占油相的質(zhì)量百分比0.5～1.0％之間。
以下通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述
1、復(fù)合微球的制備實施例1于1升三口燒瓶中加入100g工業(yè)粘膠(含纖維素8.2g，CS23g，NaOH 6.2g，粘度為6800cSt)和10g金紅石型鈦白粉，升溫至30℃攪拌半小時；停止攪拌，加入600mL由泵油和氯苯配制的混合油相(泵油∶氯苯＝4∶1，質(zhì)量比)，調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速至450rpm，維持轉(zhuǎn)速不變，30℃下懸浮分散45分鐘，15分鐘內(nèi)升溫至90℃，保溫1.5小時，固化得到黃白色微球；將微球從油相中過濾出來，依次用150mL苯洗滌1小時、200mL甲醇再生1小時、200mL含30％乙酸的乙醇溶液再生1小時，用自來水洗滌三次，濕態(tài)篩分，得到粒徑在100～300μm之間的白球42mL，密度為1.16g/cm3。
實施例2于1升三口燒瓶中加入100g上述工業(yè)粘膠和10g銳鈦型鈦白粉，升溫至30℃攪拌半小時；加入450mL由泵油和氯苯配制的混合油相(泵油∶氯苯＝6∶1，質(zhì)量比)和0.9g油酸，調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速至300rpm，30℃下懸浮分散1小時，15分鐘內(nèi)升溫至90℃，保溫1.5小時，固化得到黃白色微球；將微球從油相中過濾出來，依次用200mL苯洗滌1小時、200mL甲醇再生1小時、200mL 10％硫酸溶液再生1小時，用自來水洗滌三次，濕態(tài)篩分，得到粒徑在100～300μm之間的白球48mL，密度為1.16g/cm3。
實施例3于1升三口燒瓶中加入100g上述工業(yè)粘膠和15g金紅石型鈦白粉，按照實施例1中的方法混勻、加入油相、懸浮分散、升溫固化、洗滌和再生，濕態(tài)篩分后得到粒徑在100～300μm之間的白球40mL，密度為1.21g/cm3。
實施例4于1升三口燒瓶中加入100g上述工業(yè)粘膠和30g銳鈦型鈦白粉，按照實施例2中的方法混勻、加入油相、懸浮分散、升溫固化、洗滌和再生，濕態(tài)篩分后得到粒徑在100～300μm之間的白球44mL，密度為1.33g/cm3。
實施例5于1升三口燒瓶中加入100g上述工業(yè)粘膠和40g金紅石型鈦白粉，升溫至30℃攪拌半小時；停止攪拌，加入500mL變壓器油和2.5g Span 80，調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速至360rpm，按照實施例1中的方法懸浮分散、升溫固化、洗滌和再生，濕態(tài)篩分后得到粒徑在100～300μm之間的白球43mL，密度為1.42g/cm3。
實施例6
于1升三口燒瓶中加入100g上述工業(yè)粘膠和40g金紅石型鈦白粉，升溫至30℃攪拌半小時；停止攪拌，加入600mL花生油和3g Span 80，調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速至450rpm，按照實施例1中的方法懸浮分散、升溫固化、洗滌和再生，濕態(tài)篩分后得到粒徑在100～300μm之間的白球37mL，密度為1.43g/cm3。
實施例7于1升三口燒瓶中加入100g工業(yè)粘膠(含纖維素6.5g，CS22.6g，NaOH6.2g，粘度為4700cSt)和15g金紅石型鈦白粉，按照實施例1中的方法混勻、加入油相、懸浮分散、升溫固化、洗滌和再生，濕態(tài)篩分后得到粒徑在100～300μm之間的白球46mL，密度為1.18g/cm3。
2、擴(kuò)張床操作實施例8按照實施例7中方法和配比，制備兩批復(fù)合微球，合并，濕態(tài)篩分后得到粒徑在100～300μm之間的白球89mL，密度為1.18g/cm3。將微球全部注入擴(kuò)張床中(Streamline 25型擴(kuò)張床，瑞典Amersham Pharmacia Biotech公司)，起始沉降高度為18cm，使用去離子水作流動相，在流速為620cm/h下擴(kuò)張45分鐘，吸走床層高度為55cm以上的液固混合物，繼續(xù)擴(kuò)張30分鐘，再吸取一次。停止擴(kuò)張，收集得到擴(kuò)張床基質(zhì)83.6mL。
實施例9使用去離子水作流動相，測量實施例8中得到的基質(zhì)在擴(kuò)張床中的擴(kuò)張性能。定義擴(kuò)張因子E為擴(kuò)張高度與起始沉降高度的比值，以E值對線性流速作圖，得到基質(zhì)在擴(kuò)張床中的擴(kuò)張曲線(見附圖1)，表明基質(zhì)能夠在擴(kuò)張床中穩(wěn)定擴(kuò)張。使用激光粒徑分析儀(LS-230型，美國Coulter公司)分析實施例8中所得到的基質(zhì)的粒徑尺寸分布(見附圖2)，表明基質(zhì)的粒徑尺寸范圍基本上符合高斯正態(tài)分布；并用倒置式生物顯微鏡(37XAZ型，上海光學(xué)儀器廠)觀察基質(zhì)的外觀形態(tài)(見附圖3)，表明基質(zhì)具有良好的球形度。
權(quán)利要求
1.一種均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球，其特征在于起增重作用的鈦白粉超細(xì)顆粒被緊密包埋于再生纖維素骨架的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之中，具有無機(jī)顆粒與高分子聚合物的均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)；微球的濕真密度為1.1～1.5g/cm3，粒徑尺寸范圍為100～300μm。
2.按權(quán)利要求1所述的一種均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球，其特征在于所說的被包埋的鈦白粉超細(xì)顆粒的粒徑為0.1～1μm，濕球中鈦白粉的質(zhì)量百分含量為5％～40％。
3.按權(quán)利要求1所述的一種均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球，其特征在于所說的纖維素骨架為工業(yè)纖維素黃原酸酯粘膠再生物，微球中纖維素的質(zhì)量百分含量為6.5％～9％，水百分含量為50％～80％。
4.按權(quán)利要求1所述的一種均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球的制備方法，其特征在于方法的步驟如下1)配制復(fù)合水相將鈦白粉超細(xì)顆粒和工業(yè)用纖維素黃原酸酯粘膠混勻。2)加熱固化成球加入油相和表面活性劑，組成反相懸浮分散體系，升溫后固化成球。3)再生得到微球?qū)⑽⑶蛴糜袡C(jī)溶劑洗滌、酸再生，得到均質(zhì)型復(fù)合微球。4)篩分和擴(kuò)張床浮選將再生微球濕態(tài)篩分后于擴(kuò)張床中浮選至一定的粒徑分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球的制備方法，其特征在于方法的步驟如下1)配制復(fù)合水相在室溫下將鈦白粉超細(xì)顆粒和工業(yè)用纖維素黃原酸酯粘膠按照質(zhì)量百分比為5％～40％混合，攪拌均勻，升溫至25～35℃，繼續(xù)攪拌30～45分鐘。2)懸浮加熱固化成球停止攪拌，加入油類分散相和表面活性劑，然后開動攪拌，25～35℃下懸浮分散30～60分鐘，升溫至90～95℃，保溫1.5～2小時，粘膠固化得到微球。3)再生出均質(zhì)型微球?qū)⒐袒蟮奈⑶驈挠拖嘀羞^濾出來，用1～2倍體積的苯洗滌去除油層，再分別使用2～3倍體積的甲醇、含30％乙酸的乙醇溶液或10％硫酸溶液再生，最后用自來水洗滌，得到均質(zhì)型復(fù)合微球。4)篩分和擴(kuò)張床浮選先濕態(tài)篩分至100～300μm，然后將粗篩過的微球置于擴(kuò)張床中擴(kuò)張，控制擴(kuò)張高度為起始沉降高度的2.5～3.5倍，穩(wěn)定30～45分鐘，除去最上部0.5～1cm高度的微球，收集床內(nèi)微球，即為所需的擴(kuò)張床基質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種均質(zhì)型纖維素/鈦白粉復(fù)合微球及其制造方法。步驟如下:1)配制復(fù)合水相,將鈦白粉超細(xì)顆粒和工業(yè)用纖維素黃原酸酯粘膠混勻。2)加熱固化成球,加入油相和表面活性劑,組成反相懸浮分散體系,升溫后固化成球。3)再生得到微球,將微球用有機(jī)溶劑洗滌、酸再生,得到均質(zhì)型復(fù)合微球。4)篩分和擴(kuò)張床浮選,將再生微球濕態(tài)篩分后于擴(kuò)張床中浮選至一定的粒徑分布。將超細(xì)鈦白粉顆粒與工業(yè)纖維素黃原酸酯粘膠混勻,懸浮分散于油相之中,形成油包水型懸浮液,升溫后固化成球,過濾得到微球。本發(fā)明所開發(fā)的上述基質(zhì),具有親水性、球形度好、孔度高、耐酸堿、成本低、密度適中且可以調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn),擴(kuò)張性能測試實驗表明可以用作為擴(kuò)張附吸附過程的基質(zhì)。
文檔編號C08K3/22GK1386785SQ02111928
公開日2002年12月25日 申請日期2002年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月30日
發(fā)明者姚善涇, 朱自強(qiáng), 雷引林, 林東強(qiáng), 關(guān)怡新 申請人:浙江大學(xué)