硅/碳基复合固定化酶环保材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于环境生物技术领域，具体涉及一种硅/碳基复合固定化酶环保材料及其制备方法。该环保材料是将复合生物酶固定化于改性处理后的硅‑碳基载体上，这些载体含有纳米尺度微晶结构共聚体，形成改性硅‑碳基固定化酶生物材料。该环保材料适用于日用清洁、居家环境的净化治理、净化设备过滤介质材料等，还可用于环境工程治理中的水体富营养化、生活污水、工业废水、社区清洁除臭、垃圾清洁除臭、垃圾堆肥、垃圾渗滤液处理、养殖业污水处理、景观水体、自然水体、环境空气净化、有机废气治理、污泥处理等领域。本发明专利技术适用性强，可根据污染底物对象制备成各种外观形态的柱状、包状、盒状的材料，具有交叉学科集成创新的特点。

Silicon / carbon based composite immobilized enzyme environmental protection material and preparation method thereof

The invention belongs to the field of environmental biological technology, in particular to a silicon / carbon based composite immobilized enzyme environmental protection material and a preparation method thereof. The environmental protection material is a silicon carbon carrier compound enzymes immobilized on the modified, these vectors containing nano scale crystal structure of copolymer, the formation of modified silicon carbon immobilized enzyme biological materials. The environmental protection material is suitable for daily cleaning, home environment purification, purification equipment, filter material, can also be used for environmental engineering management of eutrophication, domestic sewage, industrial wastewater, community clean deodorant, deodorant, cleaning waste composting, landfill leachate treatment, aquaculture wastewater treatment, water, natural landscape water environment, air purification, organic waste gas treatment, sludge treatment and other fields. The invention has strong applicability, and can be prepared into columnar, bag shaped and box shaped materials of various appearance forms according to the pollution substrate object, and has the characteristics of cross subject integration and innovation.

【技术实现步骤摘要】
硅/碳基复合固定化酶环保材料及其制备方法
本专利技术属于环境生物
，具体涉及一种硅/碳基复合固定化酶环保材料及其制备方法。
技术介绍
在社会生活不断现代代、工业化高速发展的今天，环境污染问题已日益严峻，传统的解决环境污染技术和工艺已经满足不了现实的要求，面对日益严峻的全球化环境污染问题，环境工程技术与生物技术以及材料技术的结合发展，为环境保护污染治理提供了新的技术手段。以环境生物技术为新技术体系解决环境污染已成为当今乃至未来发展的方向。生物酶技术的开发与应用是环境生物技术中重要的部分，也是新近发展起来的、比较适合我国情况的一项环境保护技术。固定化酶是近十余年发展起来的酶应用技术，固定化酶（immobilizedenzyme）又称水不溶性酶，是指在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，是通过物理吸附法或化学键合法使水溶性酶和固态的不溶性载体相结合，即用物理的或化学的方法使酶与水不溶性大分子载体结合或把酶包埋在水不溶性凝胶或半透膜的微囊体中制成，将酶变成不溶于水或固定于固相载体但仍保留催化活性的衍生物，可催化一系列生化反应。运用固定化酶可以高效催化处理废水中的有机污染物、无机金属毒物等。酶固定化后一般稳定性增加，易从反应系统中分离，且易于控制，能反复多次使用。便于运输和贮存，有利于自动化生产。在催化反应中,它以固相状态作用于底物，反应完成后,酶可以回收重复使用，容易与水溶性反应物分离，可反复使用。固定化酶不但仍具有酶的高度专一性和高催化效率的特点，且比水溶性酶稳定，可较长期使用，具有较高的经济效益。酶经过固定化后，比较能耐受温度及pH的变化，最适pH往往稍有移位，对底物专一性没有任何改变，实际使用效率提高几十倍甚至几百倍。从原理上讲，生物酶有四种固定化方法：1）酶固定于载体之前，先使酶活化；2）先将载体活化，再将生物酶固定于载体上，这是一种最常用的方法；3）直接将载体与酶进行交联；4）DNA重组技术使酶产生一种带有生物特异性的蛋白，再利用生物亲和力将酶吸附在载体上。硅-碳基材料因具有质轻、传导性好、化学稳定性和热稳定性高等诸多优点而被广泛用作载体。硅-碳基固定化酶环保材料是利用特定生物酶，结合活性炭、硅藻土等载体而制得的，该材料利用生物酶对环境污染物特有的吸收、转化、催化、降解的作用来实现环境污染的净化。生物固定化酶催化剂应用于环境污染治理，已经有相当长的历史，但都以单一或者简单的自固定化形式完成。将酶或游离酶与载体结合，将酶固定在载体上，这种方式酶的利用率低，成本相对高，而且在气相与固相的环境中处理效果不理想。因此提供一种针对污染物能高效降解的固定化酶环保功能材料，对环境污染治理具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种硅/碳基复合固定化酶环保材料及其制备方法。本专利技术所制得的环保材料具有比表面积大、密度适中、表面粗糙、生物亲和性好、抗酸碱且不易老化、机械强度高、寿命长、反应速度快、处理条件（如温度、pH值等）较温和、操作安全等优点，仅对特定的底物起作用，对基质损伤小，处理产生的废水可生物降解，降低水及能源的消耗。为实现本专利技术的目的，采用如下技术方案：一种硅/碳基复合固定化酶环保材料的制备方法，具体步骤为：1）固定化酶颗粒剂的制备：a）硅/碳基载体的活化处理；b）纳米硅/碳基载体的制备：将纳米材料与活化处理后的硅/碳基载体经程序升温、干燥，制得粒径为3-10mm的纳米硅/碳基载体；c）生物酶液的制备：选用酶活力在500U/mg以上的生物酶经溶解、沉淀、分离、过滤、超滤浓缩、增稠、筛分、精制后制得生物酶液；d）定向固定化：采用步骤c）的生物酶液对步骤b）制得的纳米硅/碳基载体进行定向喷淋，在喷淋通道上浸润20min，得到中间体；e）包膜处理：通过包埋剂将步骤d）制得的中间体产品进行包膜处理，干燥，制得固定化酶颗粒剂；2）复合颗粒剂的制备：将粉末状的硅/碳基载体与生物酶液按质量比3:1混合，形成含水率为30-80wt%的混合物，经造粒、干燥后，制得复合颗粒剂；3）复合材料的制备：将步骤1）制得的固定化酶颗粒剂和步骤2）制得的复合颗粒剂、交联剂通过混合机械进行混合处理，制得颗粒状固定化酶复合材料。步骤a）所述的硅/碳基载体包括活性炭和硅藻土中的一种或多种，所述的活性炭是椰壳活性炭，比表面积为1400-2400m2/g，孔隙直径大于0.45nm且小于2nm的微孔占总数90%以上，粒度为2-4mm；所述的硅藻土湿度小于10wt%，SiO2（不包括石英）的含量大于80%；步骤a）所述的活化处理具体为：将预处理后的硅/碳基载体浸泡于0.8-3wt%的戊二醛溶液中，活化3-5h，用无离子水清洗后，自然风干或抽干，备用。其中，活性炭的预处理为：采用0.01-0.2wt%HCl浸泡活性炭18小时，用水清洗，经70-100℃烘干，备用；硅藻土的预处理为：用2wt%HCl浸泡18小时，用水清洗，经70-100℃烘干，备用。步骤b）所述的纳米材料包括Al2O3粉末和硅基氧化物的一种或多种。步骤b）具体为：将纳米材料与活化处理后的硅/碳基载体在50℃-100℃干燥1-2h，然后再升温至300-400℃，保温0.5-1h，制得粒径为3-10mm的纳米硅/碳基载体；纳米硅/碳基载体中，纳米材料占0.5-10wt%，硅/碳基载体占90-99.5wt%。硅-碳基材料经纳米材料改性后，处于表面和界面上的分子或离子质点，不像内部质点那样有序，在其断面上存在大量Si-O和Al-O的不饱和键，有利于与酶的离子或共价键结合，有利于与酶的物理吸附作用。它一方面形成Si4+和Al3+的正电场，另一方面还产生O2-的负电荷电场，而有利于进行离子吸附。在硅-碳基材料表面，由于极性、不饱和性和气态水强极性作用，通常都存在≡Si-OH或＝Al-OH基团，因而同时可以通过氮化、烷基化等方法进行酶的固定化处理最终得到固定化酶颗粒或者酶层柱。步骤c）所述的生物酶包括纤维素酶、葡聚糖酶、醛脱氢酶、醇脱氢酶、蛋白酶、淀粉酶、漆酶、脂肪酶和过氧化氢酶中的一种或多种；针对处理对象的不同，复合酶的配方包含但不仅限于上述内容。步骤e）所述的包埋剂为：2-5wt%海藻酸钠溶液或0.5-2wt%聚丙烯酰胺溶液。步骤3）所述的交联剂为环氧氯丙烷、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和N,N’-甲叉双丙烯酰胺中的一种或几种。步骤3）中，固定化酶颗粒剂、复合颗粒剂、交联剂的重量比为：70-85:15-30:3-5。步骤1）和步骤2）中采用的干燥方式有：喷雾干燥、真空烘箱干燥、滚筒干燥、鼓风干燥、流化床干燥等方式。干燥前含水湿度4-40wt%，干燥后为0.3-1wt%，物料温度耐受变化区间在5℃-70℃之间存在活性，30℃-70℃为酶活高表达区间；产品有效温度范围30-65℃，最适作用温度在40-50℃之间，有效pH范围3.0-7.0，最适pH值范围在3.5-6.5之间。所制得的复合材料的重金属含量小于30mg/kg，扩散性≥38，酶活力保持5000U/g以上，酶活作用有效时间180-360d。本专利技术构思新颖，用该专利技术的硅-碳基材固定化酶环保生物包技术，适用于日用清洁、居家环境的净化治理、净化设备过滤介质材料等领域，还可适用于富营养化水体、生活污水、工业废水、社区清本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅/碳基复合固定化酶环保材料的制备方法，其特征在于：具体步骤为：1）固定化酶颗粒剂的制备：a）硅/碳基载体的活化处理；b）纳米硅/碳基载体的制备：将纳米材料与活化处理后的硅/碳基载体经升温、干燥，制得粒径为3‑10mm的纳米硅/碳基载体；c）生物酶液的制备：选用酶活力在500U/mg以上的生物酶经溶解、沉淀、分离、过滤、超滤浓缩、增稠、筛分、精制后制得生物酶液；d）定向固定化：采用步骤c）的生物酶液对步骤b）制得的纳米硅/碳基载体进行定向喷淋，在喷淋通道上浸润20 min，得到中间体；e）包膜处理：通过包埋剂将步骤d）制得的中间体产品进行包膜处理，干燥，制得固定化酶颗粒剂；2）复合颗粒剂的制备：将粉末状的硅/碳基载体与生物酶液按质量比3:1混合，调配成含水率为30‑80 wt%的混合物，经造粒、干燥后，制得复合颗粒剂；3）复合材料的制备：将步骤1）制得的固定化酶颗粒剂和步骤2）制得的复合颗粒剂和交联剂通过混合机械进行混合处理，制得颗粒状固定化酶复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种硅/碳基复合固定化酶环保材料的制备方法，其特征在于：具体步骤为：1）固定化酶颗粒剂的制备：a）硅/碳基载体的活化处理；b）纳米硅/碳基载体的制备：将纳米材料与活化处理后的硅/碳基载体经升温、干燥，制得粒径为3-10mm的纳米硅/碳基载体；c）生物酶液的制备：选用酶活力在500U/mg以上的生物酶经溶解、沉淀、分离、过滤、超滤浓缩、增稠、筛分、精制后制得生物酶液；d）定向固定化：采用步骤c）的生物酶液对步骤b）制得的纳米硅/碳基载体进行定向喷淋，在喷淋通道上浸润20min，得到中间体；e）包膜处理：通过包埋剂将步骤d）制得的中间体产品进行包膜处理，干燥，制得固定化酶颗粒剂；2）复合颗粒剂的制备：将粉末状的硅/碳基载体与生物酶液按质量比3:1混合，调配成含水率为30-80wt%的混合物，经造粒、干燥后，制得复合颗粒剂；3）复合材料的制备：将步骤1）制得的固定化酶颗粒剂和步骤2）制得的复合颗粒剂和交联剂通过混合机械进行混合处理，制得颗粒状固定化酶复合材料。2.根据权利要求1所述的硅/碳基复合固定化酶环保材料的制备方法，其特征在于：步骤a）所述的硅/碳基载体包括活性炭和硅藻土中的一种或多种，所述的活性炭是椰壳活性炭，比表面积为1400-2400m2/g，孔隙直径大于0.45nm且小于2nm的微孔占总数90%以上，粒度为2-4mm；所述的硅藻土湿度小于10%，SiO2的含量大于80%；步骤b）所述的纳米材料包括Al2O3粉末和硅基氧化物的一种或多种。3.根据权利要求2所述的硅/碳基复合固定化酶环保材料的制备方法，其特征在于：步骤a）所述的活化处理具体为：将预处理后的硅/碳基载体浸泡于0.8-3wt%的戊二醛溶液中，活化3-5h，用无离子水清洗后，自然风干或抽干，备用。4.根据权利要求3所述的硅/碳基复合固定化酶环保材料的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙祥章，齐爱玖，林祥进，孙靖远，
申请(专利权)人：福州晨翔环保工程有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35