纤维素酶-金属有机框架复合催化剂及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种纤维素酶‑金属有机框架复合催化剂及其制备方法和应用，该复合催化剂是以Zr基MOFs材料作为载体，将纤维素酶负载在其表面得到，所述Zr基MOFs材料为UiO‑66或UiO‑66‑NH2。其制备方法是将纤维素酶冻干粉末加至Zr基MOFs材料的醋酸‑醋酸钠缓冲溶液后搅拌反应得到。本发明专利技术的复合催化剂能够高效催化纤维素水解，不仅稳定性远高于单一纤维素酶，而且可实现多次回收利用，并保持较高的催化活性。

【技术实现步骤摘要】
纤维素酶-金属有机框架复合催化剂及其制备方法和用途
本专利技术属于催化剂
，具体涉及一种纤维素酶-金属有机框架复合催化剂及其制备方法和用途。
技术介绍
纤维素酶能够催化断裂纤维素中的β-(1-4)糖苷键，是生物能源转化利用等生化精炼行业的重要催化剂。虽然纤维素酶能够高效水解纤维素，理论上完全可以实现生物质乙醇行业的大规模应用，然而其脆弱的蛋白质本质极大限制了其实际应用价值。面临复杂多变的应用环境，例如pH波动、高温及、化学试剂等，纤维素酶非常容易失去活性，即便在严格的低温环境下储存，纤维素酶也在不可逆的逐渐失活。此外，单一纤维素酶在应用时为均相环境，其回收再利用几乎难以实现，这也对未来的大规模应用提出了更高的成本要求。虽然纤维素酶本身的水解活性足以成为未来生物新能源领域的重要担当，然而脆弱的特性成为其商业应用的坚实壁垒。开发一种新型的技术手段，构建基于纤维素酶的复合稳定催化体系，全面提升纤维素酶的稳定性及可回收利用性，以满足经济性和稳定性的需求，这对于未来生物能源行业的发展具有举足轻重的意义。负载法是经过众多研究证明的高效酶修饰法，通过物理吸附作用或者化学键合手段将酶与特定载体结合，利用载体为酶提供保护，以获得高稳定性的复合酶催化体系。化学键合法能够牢固的将酶与载体结合，但在合成过程中酶首先就要经受化学试剂的侵蚀，活性受到极大影响，而且化学键合法的操作复杂，难以适应大规模应用对方法简易操作性的需求。相反地，物理负载法操作及其简便，负载量中等，同样可以为酶提供稳定性保护支持，而且其可逆的吸附作用为特定蛋白质结构的展开和折叠提供了可能，在实际应用中往往表现出优于化学负载法的效果。物理负载法的限制在于寻找合适的载体，以满足稳定性及催化活性的多重要求。金属-有机框架(MOFs)材料是过去二十年里冉冉升起的明星材料，其具有周期性的多孔骨架结构，孔隙率和功能性均可以进行人为目标调控，结合其高度结晶化的本质，在催化、传感及光电等领域发挥着重要作用。在众多被报道的MOFs材料中，基于Zr基无机节点的MOFs材料以其超高的孔隙率、热稳定性及化学稳定性而受到广泛关注。Zr基MOFs材料的热稳定性高达500℃以上，在常见的各类有机、无机溶剂中均不溶解，在pH值＝1-11的超广范围内具有极强的耐受性，合成方法简单高效，适宜大规模操作，并可以通过成熟的纳米化策略方便地从纳米到毫米尺度精准调控材料的粒径尺度。此外，系统可替换的功能配体单元为Zr基MOFs材料的多功能性提供了有力保障。因此，Zr基MOFs材料可以作为负载纤维素酶的潜在有效载体。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决单一纤维素酶所存在的低稳定性和不可回收利用性，提供一种纤维素酶-金属有机框架复合催化剂及其制备方法和用途。纤维素酶-金属有机框架复合催化剂，是以Zr基MOFs材料作为载体，将纤维素酶负载在其表面得到。进一步地，所述Zr基MOFs材料为UiO-66或UiO-66-NH2。上述纤维素酶-金属有机框架复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤1，制备Zr基MOFs材料；步骤2，将Zr基MOFs材料加至醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，在搅拌条件下加入纤维素酶冻干粉末，继续搅拌反应12h，得到含有纤维素酶-金属有机框架复合催化剂的反应液；步骤3，将步骤2的反应液离心，底部的产品先后分别用醋酸-醋酸钠缓冲溶液和蒸馏水洗涤，晾干，得到纤维素酶-金属有机框架复合催化剂；其中，醋酸-醋酸钠缓冲溶液的pH为4.8。进一步地，所述Zr基MOFs材料为UiO-66或UiO-66-NH2。进一步地，步骤2中纤维素酶和UiO-66-NH2的用量比为5-25mg：20mg。进一步地，所述醋酸-醋酸钠缓冲溶液的浓度为50mM。进一步地，步骤3中离心条件为4000rpm、10min。进一步地，UiO-66-NH2的制备过程为：将ZrCl4与2-氨基-1,4-对苯二甲酸溶于DMF中，在120℃反应24h后，冷却到室温，过滤，用DMF、乙醇分别洗涤，于70℃烘箱放置12h烘干后，获得平均粒径为52nm的UiO-66-NH2。进一步地，UiO-66的制备过程为：将ZrCl4与1,4-对苯二甲酸溶于DMF中，在120℃反应24h后，冷却到室温，过滤，用DMF、乙醇分别洗涤，于70℃烘箱放置12h烘干后，获得平均粒径为50nm的UiO-66。上述纤维素酶-金属有机框架复合催化剂在催化降解纤维素中的应用。本专利技术选择典型的代表性Zr基MOFs材料(UiO-66和UiO-66-NH2)作为载体，利用MOFs中丰富裸露的-NH2等基团与纤维素酶中的羟基、羧基等建立多重氢键，以实现高效物理负载，首次实现了基于物理吸附作用的高效稳定非均相纤维素酶-金属有机框架复合催化剂(Cellulase@UiO-66和Cellulase@UiO-66-NH2)。特别地，在Cellulase@UiO-66-NH2中，纤维素酶通过稳定而可逆的氢键作用，牢牢负载在UiO-66-NH2纳米粒子表面，同时，载体分布在酶的周围，通过空间限域作用减缓由于温度、pH值等变化对酶结构的影响，从而提升复合催化体系的稳定性和催化活性，研究表明在40-80℃范围内Cellulase@UiO-66-NH2均可以保持80％以上的催化活性，其pH耐受程度也可以提高到3-6，而且可以储存长达3个月以上仍保持原有65％以上的催化活性。同时，由于UiO-66-NH2的非均相本质，复合酶催化体系可以方便地从水解反应中通过离心而实现多次的回收利用，在经过循环使用10次后，仍可以保持不低于70％的催化活性。附图说明图1为实施例1中Cellulase@UiO-66-NH2的扫描电子显微镜照片。图2为实施例1中Cellulase@UiO-66-NH2和实施例2中Cellulase@UiO-66的XRD衍射图谱，A为Cellulase@UiO-66、B为Cellulase@UiO-66-NH2、C为Cellulase@UiO-66-NH2在30℃催化测试后、D为Cellulase@UiO-66-NH2在80℃催化测试后、E为Cellulase@UiO-66-NH2在pH＝3催化测试后、F为Cellulase@UiO-66-NH2在pH＝7催化测试后、G为Cellulase@UiO-66-NH2在第10次循环催化测试后。图3为实施例1中Cellulase@UiO-66-NH2的红外图谱，A为H2N-H2BDC、B为游离纤维素酶、C为UiO-66-NH2、D为Cellulase@UiO-66-NH2。图4为实施例3中Cellulase@UiO-66-NH2和Cellulase@UiO-66的有效纤维素酶负载量对比。图5为实施例3中Cellulase@UiO-66-NH2纤维素酶有效负载量与纤维素酶浓度的关系。图6为实施例3中Cellulase@UiO-66-NH2催化活性与纤维素酶浓度的关系。图7为实施例3中Cellulase@UiO-66-NH2催化活性与温度的关系。图8为实施例3中Cellulase@UiO-66-NH2催化活性与pH值的关系。图9为实施例3中Cellulase@UiO-66-NH2的循环催化活性。图10为实施例3中Cellulase@UiO-66-NH2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.纤维素酶‑金属有机框架复合催化剂，是以Zr基MOFs材料作为载体，将纤维素酶负载在其表面得到。

【技术特征摘要】
1.纤维素酶-金属有机框架复合催化剂，是以Zr基MOFs材料作为载体，将纤维素酶负载在其表面得到。2.根据权利要求1所述的纤维素酶-金属有机框架复合催化剂，其特征在于：所述Zr基MOFs材料为UiO-66或UiO-66-NH2。3.权利要求1所述的纤维素酶-金属有机框架复合催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，制备Zr基MOFs材料；步骤2，将Zr基MOFs材料加至醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，在搅拌条件下加入纤维素酶冻干粉末，继续搅拌反应12h，得到含有纤维素酶-金属有机框架复合催化剂的反应液；步骤3，将步骤2的反应液离心，底部的产品先后分别用醋酸-醋酸钠缓冲溶液和蒸馏水洗涤，晾干，得到纤维素酶-金属有机框架复合催化剂；其中，醋酸-醋酸钠缓冲溶液的pH为4.8。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述Zr基MOFs材料为UiO-66或UiO-66-NH2。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤2中纤维素...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨秀丽，解明华，易卜拉欣·纳塞尔·艾哈迈德，王路明，侯贵华，关荣锋，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32