專(zhuān)利名稱(chēng)：：大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于生物工程
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種生物載體的制備，尤其涉及一種大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體及其制備。這種載體主要用于固定酶及微生物構(gòu)成各種床型生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
：我國(guó)聚乙烯醇(PVA)工業(yè)生產(chǎn)原料路線齊全(擁有電石乙炔、天然氣乙炔和石油乙烯路線)、生產(chǎn)裝置能力和年產(chǎn)量均居世界首位。由于PVA材料對(duì)生物活性物質(zhì)無(wú)毒，價(jià)廉易得等一系列優(yōu)點(diǎn)。又因?yàn)榫垡蚁┐季哂袃?yōu)異的親水性以及良好的反應(yīng)性，經(jīng)過(guò)化學(xué)交聯(lián)或硬化改性處理后，它的機(jī)械強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性會(huì)顯著提高、抗生物降解性能增強(qiáng)，所以PVA是一種可應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等眾多領(lǐng)域且具有發(fā)展?jié)摿Φ纳镙d體材料。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)PVA載體固定生物活性物質(zhì)進(jìn)行了大量的研究，其制備方法主要有PVA-硼酸法和冷凍解凍法及其相應(yīng)的改進(jìn)方法。例如，由于聚乙烯醇載體的多羥基結(jié)構(gòu)賦予其水溶膨脹性的特點(diǎn)，其遇水膨脹體積增大，使得機(jī)械強(qiáng)度大大降低。李花子等人(李花子，王建龍，文湘華，施漢昌.聚乙烯醇-硼酸固定化方法的改進(jìn).環(huán)境科學(xué)研究2002,15(5).25-27)采用延時(shí)包埋法與加入化學(xué)藥劑法對(duì)PVA-硼酸法進(jìn)行了改進(jìn)。ChoongJeon等人(C.Jeon,J.Y.Park,Y.J.Yoo.Novelimmobilizationofalginicacidforheavymetalremoval-BiochemicalEngineeringJournal2002,11，159-166.)用戊二醛加入硼酸溶液中使PVA交聯(lián)包埋褐藻酸，解決了PVA-硼酸法制得的載體易被水解的問(wèn)題。Okazaki等人(M.Okazaki,T.Hamada，H.Fujii，A.Mizobe,S.Matsuzawa.DevelopmentofPoly(VinylAlcohol)HydrogelforWaste-WaterCleaning.1.StudyofPoly(VinylAlcohol)GelasaCarrierforImmobilizingMicroorganisms.JournalofAppliedPolymerScience1995,58(12)，2235-2241.)通過(guò)在PVA水溶液中加入海藻酸鈉，混合溶液滴入氯化鈣溶液中成型后，再將載體小球循環(huán)冷凍，最終制出物理交聯(lián)的PVA小球。然而,上述固定化微生物的固載方法大多局限在包埋法，包埋法具有操作簡(jiǎn)單易行、固定化條件溫和、對(duì)微生物細(xì)胞的活性影響較小的特點(diǎn)，但固定化的微生物因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的阻礙而不利于傳質(zhì)，且水凝膠類(lèi)高分子材料的耐沖擊性能不佳，所得固定化微生物的使用壽命短，從而限制了其在廢水處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。載體結(jié)合法通過(guò)物理吸附或化學(xué)鍵合作用將微生物固定在載體上，具有操作簡(jiǎn)單、條件溫和、對(duì)微生物活性影響較小的特點(diǎn)，所得固定化微生物會(huì)因載體的組成、結(jié)構(gòu)及形態(tài)的不同而具有不同的特性，是一類(lèi)頗具發(fā)展前景的微生物固定化方法。本發(fā)明的大孔網(wǎng)狀PVA泡沬載體是一種集大孔性、反應(yīng)性和親水性于一體的微生物固定化載體，有利于所固定微生物的代謝增殖，通過(guò)載體結(jié)合法所得固定化微生物耐沖擊及傳質(zhì)性能好、微生物負(fù)載量大，可流動(dòng)性好，廢水處理效率優(yōu)異。另外，本發(fā)明的大孔網(wǎng)狀PVA泡沬載體經(jīng)過(guò)化學(xué)交聯(lián)后有優(yōu)異的抗生物分解能力，且對(duì)微生物無(wú)毒性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無(wú)毒性、親水性、穩(wěn)定性好，生物代謝增值性、基質(zhì)的傳質(zhì)性、負(fù)載性、可流動(dòng)性都較好的大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體。本發(fā)明的另一目的是提供一種大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體的制備方法。一、大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體的制備本發(fā)明大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇載體的制備方法，是將聚乙烯醇、石灰石與水按(15~20):(10~15):(95-100)的質(zhì)量比份混合，攪拌使聚乙烯醇充分溶解混勻；在攪拌下加入質(zhì)量濃度為15~20%的稀鹽酸酸化，使混合物發(fā)泡致孔后，采用冷凍-解凍、再冷凍-再解凍的循環(huán)，生成的大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇凝膠泡沫；然后將聚乙烯醇凝膠泡沫剪切成塊，置于質(zhì)量濃度為0.5~1%的稀鹽酸中浸泡至無(wú)氣泡生成；再通過(guò)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)使聚乙烯醇形成更穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)；然后用水浸泡、清洗至中性，得到白色大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體。為了使聚乙烯醇更快的溶解并與石灰石更好的混合于水中，將聚乙烯醇、石灰石和水混合后，在沸水水浴下攪拌使其充分溶解混勻；待PVA完全溶解且體系混合均勻后停止加熱，在攪拌下冷卻至室溫。所述冷凍-解凍、再冷凍-再解凍的循環(huán)工藝為于-2(TC溫度條件下冷凍10~12h、再在室溫條件下自然解凍23h，再于-20。C條件下冷凍10~12h、然后室溫條件下自然解凍23h,如此循環(huán)冷凍3次。所述化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)為將聚乙烯醇凝膠泡沫浸泡在飽和的硼酸溶液中，于室溫交聯(lián)反應(yīng)20~30h;所述化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)也可以為將聚乙烯醇凝膠泡沫置于質(zhì)量濃度為0.1~0.25%的戊二醛水溶液中，并調(diào)節(jié)pH值至12，在攪拌下于3035'C使其發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。所述化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)還可以為將聚乙烯醇凝膠泡沫置于濃度為2~6mol/L的NaOH溶液中，在攪拌下加入環(huán)氧氯丙烷，于406(TC，反應(yīng)3~6h;環(huán)氧氯丙烷的加入量為每10g聚乙烯醇中加入環(huán)氧氯丙烷0.10.3mL。二、大孔網(wǎng)狀PVA泡沫載體的結(jié)構(gòu)本發(fā)明制備的大孔網(wǎng)狀PVA泡沫載體的掃描電鏡照片(SEM)見(jiàn)圖1。SEM照片顯示出載體內(nèi)部的孔是相互貫通的，這種相互貫通的孔形成了載體的孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將非常有利于微生物固定化、馴化、代謝增殖及其生物反應(yīng)過(guò)程中的傳質(zhì)要求。按統(tǒng)計(jì)分析法從泡沫PVA載體的SEM照片計(jì)算，得到其平均孔度為84.61%和平均孔半徑197.28pm，屬特大孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，比較適合固定化微生物及其生化反應(yīng)的要求。三、大孔網(wǎng)狀PVA泡沫載體的物理性能本發(fā)明制備的大孔網(wǎng)狀PVA泡沫載體的物理性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。表l泡沫大孔網(wǎng)狀PVA載體的物理性能<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表1可以看出，泡沫大孔網(wǎng)狀PVA載體的干視密度與濕視密度小于水的相對(duì)密度，載體內(nèi)部附著微生物后可以使其密度增大，此性質(zhì)可以使PVA載體在水處理過(guò)程中，能夠長(zhǎng)時(shí)間懸浮于水中，提高了固定化微生物與處理水中污染物的接觸幾率進(jìn)而增強(qiáng)了水處理效率。較高的持水量與持水倍率說(shuō)明PVA載體有良好的親水性，有利于固定化微生物的代謝增殖、特別是優(yōu)勢(shì)微生物菌群的形成。由于PVA是水溶性聚合物，故作為水處理所用的微生物固定化材料必須經(jīng)過(guò)交聯(lián)以增強(qiáng)其耐水溶性，85.3%的交聯(lián)率將賦予所得PVA載體良好的耐水性。此外，179.7Q/。的平均膨脹率則是PVA載體良好親水性的又一佐證。四、大孔網(wǎng)狀PVA泡沬載體的生物穩(wěn)定性將大孔網(wǎng)狀PVA泡沫載體分別置于美國(guó)BIO-SYSTEM公司生產(chǎn)的高效廢水處理工程菌B350(含28種專(zhuān)用微生物及纖維酶、淀粉酶、脂肪酶和水解酶，堆密度為0.6~0.8g/cm3,微生物數(shù)量為30-50億個(gè)/克)，B500(含14種專(zhuān)用微生物，能在好氧和厭氧條件下降解包括蛋白質(zhì)，脂肪，碳水化合物的有機(jī)物質(zhì))，B570(含高效微生物能產(chǎn)生纖維素酶，半纖維素酶，淀粉酶和脂肪酶)三種微生物菌群存在的好氧條件下檢測(cè)其3個(gè)月的重量損失曲線。結(jié)果表明，PVA泡沫載體在B500體系中的降解幅度不大，載體剩余質(zhì)量均大于95%。在B350和B570體系中的降解率則隨微生物濃度的增加而改變，但PVA載體剩余質(zhì)量均在88~92%左右。PVA載體在厭氧條件下的降解率有所增大，載體剩余質(zhì)量在82~87%左右。這是因?yàn)樵趨捬鯒l件下三種微生物菌群中的厭氧菌會(huì)大量繁殖而使大分子鏈降解的緣故。因此，大孔網(wǎng)狀PVA泡沫載體適用于好氧條件的廢水處理工藝，如沸騰床等，應(yīng)避免厭氧特別是長(zhǎng)期的厭氧反應(yīng)條件。五、大孔網(wǎng)狀PVA泡沫載體固定化微生物處理廢水本發(fā)明制備的大孔網(wǎng)狀PVA泡沫載體固定化高效微生物B500，置于底部設(shè)有曝氣系統(tǒng)水槽中構(gòu)成生物反應(yīng)器，并應(yīng)用到實(shí)際化工廢水(蘭州石化公司化工廢水)處理中。經(jīng)過(guò)3個(gè)月馴化養(yǎng)生后，圖3為PVA載體固定化微生物去除高濃度化工廢水中NH4、N和COD的動(dòng)力學(xué)曲線。從圖3中的曲線可知，在處理起始COD為4298mg/L，NH4+-N為498mg/L的高濃度化工廢水過(guò)程中，當(dāng)處理時(shí)間為12h時(shí)的COD與NH/-N去除率分別為90.4%和73.2%;當(dāng)處理時(shí)間達(dá)24h時(shí)，COD濃度降至203mg/L、NHZ-N濃度降至13mg/L、相應(yīng)的去除率分別達(dá)到95.2%和97.4%?？梢?jiàn)PVA泡沬載體固定化微生物處理化工廢水有較好的處理效果。本發(fā)明于現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明制備的大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體，經(jīng)掃描電鏡(SEM)照片顯示，聚乙烯醇載體內(nèi)部的孔是相互貫通的，這種相互貫通的孔形成了載體的孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將非常有利于微生物固定化、馴化、代謝增殖及其生物反應(yīng)過(guò)程中的傳質(zhì)要求，為微生物的生長(zhǎng)提供足夠的空間。2、本發(fā)明制備的大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體，可以應(yīng)用載體吸附結(jié)合法固定生物活性物質(zhì)，從而消除載體制備過(guò)程中對(duì)生物活性物質(zhì)的毒性。3、本發(fā)明制備的大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體，具有良好的親水性，有利于固定化微生物的代謝增殖、特別是優(yōu)勢(shì)微生物菌群的形成。由于PVA是水溶性聚合物，故作為水處理所用的微生物固定化材料必須經(jīng)過(guò)交聯(lián)以增強(qiáng)其耐水溶性，因此，本發(fā)明制備的大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體同時(shí)具有良好的耐水性。4、本發(fā)明制備的大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體，適用于好氧條件的廢水處理工藝，如浮動(dòng)床等、應(yīng)避免厭氧特別是長(zhǎng)期的厭氧反應(yīng)條件。實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明制備的泡沫載體，應(yīng)用于浮動(dòng)床反應(yīng)器處理化工廢水效果明顯。體現(xiàn)了大孔網(wǎng)狀PVA泡沫載體在處理化工廢水上的優(yōu)勢(shì)。圖1為本發(fā)明制備的大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體的SEM圖圖2為本發(fā)明制備的大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體在B350，B500，B570三種微生物菌群存在的好氧條件下檢測(cè)其3個(gè)月的重量損失曲線圖3為PVA泡沫載體固定化微生物處理實(shí)際化工廢水的COD與NH/-N的去除動(dòng)力學(xué)曲線具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沬載體的制備作進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例一將PVA、石灰石與水按18:10:100的質(zhì)量比置于三口瓶中進(jìn)行混合，加熱，攪拌，使混合物在沸水水浴下充分溶解混勻。待PVA完全溶解且體系混合均勻后停止加熱，在攪拌下冷卻至室溫。此時(shí)，體系為白色溶膠狀，有較大粘度。將上述溶膠在劇烈攪拌下加入質(zhì)量濃度為15%的鹽酸溶液34ml，混合物開(kāi)始發(fā)泡，當(dāng)體積膨脹為原體積的3倍時(shí)開(kāi)始冷凍。冷凍方法為在-20'C下冷凍12h,再在室溫下自然解凍3h，如此循環(huán)冷凍-解凍三次，生成的大孔網(wǎng)狀PVA凝膠泡沫；將凝膠泡沫剪成2X2X2cm的小塊，繼續(xù)在質(zhì)量濃度為1%的鹽酸中浸泡至無(wú)氣泡生成。將清洗后的PVA凝膠泡沫放入三口瓶中，加入燒瓶容積2/3的6mol/LNaOH溶液，緩慢攪拌，在水浴溫度為45。C時(shí)，緩慢滴加環(huán)氧氯丙垸(lml環(huán)氧氯丙烷10gPVA)，滴加完后，在水浴溫度為45'C下反應(yīng)36h。交聯(lián)后的載體用水反復(fù)清洗，即得到泡沫大孔網(wǎng)狀PVA載體。實(shí)施例二將PVA、石灰石與水按18:10:100的質(zhì)量比置于三口瓶中進(jìn)行混合，加熱，攪拌，使混合物在沸水水浴下充分溶解混勻。待PVA完全溶解且體系混合均勻后停止加熱，在攪拌下冷卻至室溫。此時(shí)，體系為白色溶膠狀，有較大粘度。將上述溶膠在劇烈攪拌下加入質(zhì)量濃度為15%的鹽酸溶液34ml，混合物開(kāi)始發(fā)泡，當(dāng)體積膨脹為原體積的3倍時(shí)開(kāi)始冷凍。冷凍方法為在-20'C下冷凍12h，再在室溫下自然解凍3h，如此循環(huán)冷凍-解凍三次，生成的大孔網(wǎng)狀PVA凝膠泡沫；將凝膠泡沫剪成2X2X2cm的小塊，繼續(xù)在質(zhì)量濃度為1%的鹽酸中浸泡至無(wú)氣泡生成。將凝膠泡沫用蒸餾水浸泡，清洗至中性后，放入質(zhì)量濃度為0.25%的戊二醛水溶液中，調(diào)節(jié)pH值至l，在攪拌下，于35"C水浴中交聯(lián)2.5h，冷至室溫后用蒸餾水浸泡、清洗至中性，即得到泡沫大孔網(wǎng)狀PVA載體。實(shí)施例三將PVA、石灰石與水按18:10:100的質(zhì)量比置于三口瓶中進(jìn)行混合，加熱，攪拌，使混合物在沸水水浴下充分溶解混勻。待PVA完全溶解且體系混合均勻后停止加熱，在攪拌下冷卻至室溫。此時(shí)，體系為白色溶膠狀，有較大粘度。將上述溶膠在劇烈攪拌下加入質(zhì)量濃度為15%的鹽酸溶液34ml，混合物開(kāi)始發(fā)泡，當(dāng)體積膨脹為原體積的3倍時(shí)開(kāi)始冷凍。冷凍方法為在-2(TC下冷凍12h，再在室溫下自然解凍3h，如此循環(huán)冷凍-解凍三次，生成的大孔網(wǎng)狀PVA凝膠泡沫；將凝膠泡沫剪成2X2X2cm的小塊，繼續(xù)在質(zhì)量濃度為1%的鹽酸中浸泡至無(wú)氣泡生成。將凝膠泡沫用蒸餾水浸泡，清洗至中性后，浸泡在飽和的硼酸溶液中，于室溫交聯(lián)反應(yīng)30h;交聯(lián)后的載體用水反復(fù)清洗，即得到泡沫大孔網(wǎng)狀PVA載體。權(quán)利要求1、一種大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體的制備方法，其特征在于將聚乙烯醇、石灰石與水按(15～20):(10～15):(95～100)的質(zhì)量比份混合，攪拌使其充分溶解；在攪拌下加入質(zhì)量濃度為15～20％的鹽酸溶液酸化，使混合物發(fā)泡致孔后，采用冷凍-解凍、再冷凍-再解凍的循環(huán)，生成大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇凝膠泡沫；然后將聚乙烯醇凝膠泡沫剪切成塊，置于質(zhì)量濃度為0.5～1％的稀鹽酸中浸泡至無(wú)氣泡生成；再通過(guò)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)使聚乙烯醇形成更穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)；然后用水浸泡、清洗至中性，得到白色大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體。2、如權(quán)利要求1所述大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇載體的制備方法，其特征在于所述聚乙烯醇、石灰石與水的混合溶解是在沸水水浴下充分?jǐn)嚢枞芙狻?、如權(quán)利要求1所述大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇載體的制備方法，其特征在于所述冷凍-解凍、再冷凍-再解凍的循環(huán)工藝為于-20'C溫度條件下冷凍1012h、再在室溫條件下自然解凍23h，再于-2(TC條件下冷凍10~12h、然后室溫條件下自然解凍2~3h，如此循環(huán)冷凍3次。4、如權(quán)利要求1所述大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇載體的制備方法，其特征在于所述化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)為將聚乙烯醇凝膠泡沫浸泡在飽和的硼酸溶液中，于室溫交聯(lián)反應(yīng)20~30h;5、如權(quán)利要求1所述大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇載體的制備方法，其特征在于所述化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)為將聚乙烯醇凝膠泡沫置于質(zhì)量濃度為0.10.25%的戊二醛水溶液中，并調(diào)節(jié)pH值至12，在攪拌下于3035'C使其發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。6、如權(quán)利要求1所述大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇載體的制備方法，其特征在于所述化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)為將聚乙烯醇凝膠泡沫置于濃度為26mol/L的NaOH溶液中，在攪拌下加入環(huán)氧氯丙烷，于406(TC，反應(yīng)3~6h;環(huán)氧氯丙烷的加入量為每10g聚乙烯醇中加入環(huán)氧氯丙烷0.10.3mL。全文摘要本發(fā)明提供了一種大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體的制備方法，是將聚乙烯醇、石灰石與水混合，攪拌使聚乙烯醇充分溶解混勻；加入稀鹽酸酸化并使混合物發(fā)泡致孔后，采用冷凍-解凍、再冷凍-再解凍的循環(huán)，生成大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇凝膠泡沫；然后將聚乙烯醇凝膠泡沫剪切成塊，置于質(zhì)量濃度為0.5～1％的稀鹽酸中浸泡至無(wú)氣泡生成；再通過(guò)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)使聚乙烯醇形成更穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)；然后用水浸泡、清洗至中性，得到白色大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇泡沫載體。本發(fā)明制備大孔網(wǎng)狀聚乙烯醇載體具有穩(wěn)定大孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)良好的親水性、物理化學(xué)穩(wěn)定性和抗生物降解性，適用于固定化酶及微生物以構(gòu)成多種床型的生物反應(yīng)器，用于污水處理等現(xiàn)代生物工程領(lǐng)域。文檔編號(hào)C08J9/36GK101363021SQ20081015083公開(kāi)日2009年2月11日申請(qǐng)日期2008年8月30日優(yōu)先權(quán)日2008年8月30日發(fā)明者李彥鋒,楊柳青,雪白,門(mén)學(xué)虎申請(qǐng)人:蘭州大學(xué)