磁性生物炭固定化酶复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种磁性生物炭固定化酶复合材料的制备方法，包括：S1、将菌渣与碳酸钾混合，在惰性气氛下热解得到菌渣生物炭；S2、向含有Fe

【技术实现步骤摘要】
磁性生物炭固定化酶复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及生物催化
，具体涉及磁性生物炭固定化酶复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]抗生素在人类的生存和发展以及畜牧业生产中发挥着巨大的作用。到目前为止，抗生素在其应用领域依然是无法被其他物质所取代的。抗生素菌渣是抗生素生产过程的必然产物。这些菌渣因含有丰富的蛋白质、多糖、氨基酸，2008年前一直被作为饲料、饲料添加剂、生产复合肥的原料进行综合利用。但因为抗生素菌渣中抗生素残留量较高而存在很大的危害。2008年后，国家将抗生素菌渣列为危险废物，主要处置技术是焚烧处置。目前，我国抗生素年产量约为24.8万吨，生产过程中产生大量高含水率发酵残渣—抗生素菌渣，其产量已达200万t/年以上。菌渣的焚烧成本已成为抗生素工业生存和发展的瓶颈。
[0003]对抗生素菌渣的处理，一直都在寻求更妥善的处置途径。许多科研机构及制药企业开展了抗生素菌渣无害化处置和不同用途的研究。环境保护部门也非常重视和鼓励抗生素菌渣处置等新技术的开发。例如，比较成功的有药渣炭化处置、生物质能热电联供技术等，但对菌渣中有机物的资源化处理研究较少。酶法是利用酶的水解作用打破微生物细胞壁，释放出胞内外物质，达到蛋白质提取的方法，采用酶法提取剩余抗生素菌渣中蛋白质是可行的。采用酶解的方式提取抗生素菌渣中的蛋白质，有助于实现抗生素菌渣的高值化资源化利用，降低抗生素菌渣污染造成的环境和人类健康危害，也为抗生素菌渣资源化处理，研发环境友好型的再利用技术提供了新的方向。但是使用游离酶时，酶的耗量大成本高、直接投加游离酶容易受到一些极端条件，如强酸、强碱、高温、有机试剂等的影响，游离酶也非常难回收再用，经济效益不高。因此酶的固定化技术对解决上述问题具有重要意义。
[0004]酶固定化技术的关键因素之一是固定化载体的筛选和制备。载体的材质和结构对固定化酶的催化性能、稳定性具有重要的影响。目前可用于酶的固定化的载体有很多，固定方法包括物理吸附法、包埋固定法、酶交联法和共价键结合法等。但酶很容易在固定的过程中，改变分子构象，导致酶活性降低，严重的情况下会使酶失活；部分固定化载体稳定性不好，且载体材料对酶会产生负面影响。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种磁性生物炭固定化酶复合材料及其制备方法，以菌渣作为原料制备磁性生物炭，以该磁性生物炭作为载体固定酶，该载体生物相容性好，可重复利用、酶载量高，可保证酶的活性，提高酶的利用率。
[0007](二)技术方案
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种磁性生物炭固定化酶复合材料的制备方法，其包括：
[0010]S1、制备菌渣生物炭
[0011]以菌渣为原料，将菌渣干燥过筛，与碳酸钾混合，在惰性气氛条件下热解，得到菌渣生物炭；
[0012]S2、制备磁性生物炭
[0013]向含有Fe
3+
和Fe
2+
的铁盐溶液中，加入S1制备的菌渣生物炭，搅拌均匀，向铁盐溶液中匀速加入浓氨水，在50
‑
65℃恒温环境下搅拌反应，反应过程在惰性气氛保护下进行；反应结束后，采用永磁体从反应液中分离固体物，固体物经超纯水和乙醇洗涤后，干燥、碾碎、过筛，得到粉末状纳米磁性生物炭；
[0014]S3、磁性生物炭的修饰
[0015]采用含氨基的硅烷偶联剂对S2制备的磁性生物炭进行修饰，得到氨基修饰磁性生物炭纳米粒子；
[0016]S4、制备磁性生物炭固定化酶
[0017]取S3的氨基修饰磁性生物炭纳米粒子，加入戊二醛溶液，常温下振荡反应，对反应产物用磷酸缓冲液洗涤，洗涤后去除上清液，加入待固定的酶溶液，于25
‑
35℃下振荡固定预定时间，采用永磁体分离固体物，去离子水清洗后，得到磁性生物炭固定化酶。
[0018]根据本专利技术的较佳实施例，S1中，所述菌渣为青霉素菌渣；制备菌渣生物炭的方法为：将青霉素菌渣烘干，过80
‑
150目筛，取菌渣与碳酸钾活化剂以1：1～1.2质量比混合均匀，放入高纯氮气氛围以8
‑
10℃/min升温至550
‑
650℃，热解1
‑
2h，得到菌渣生物炭。
[0019]优选地，所述菌渣包括但不限于链霉素菌渣、土霉素菌渣、青霉素菌渣。
[0020]优选的，升温速度为10℃/min，热解温度为600℃。
[0021]根据本专利技术的较佳实施例，S2中，所述铁盐溶液中Fe
3+
和Fe
2+
的摩尔比为2:0.9
‑
1.05。
[0022]优选地，所述铁盐溶液是FeCl3和FeSO4的混合溶液；制备磁性生物炭的方法为：在反应器内通入氮气排净空气，加入排除氧气的超纯水，将FeCl3或其水合物与FeSO4或其水合物加到反应器中，搅拌至完全溶解混合，加入菌渣生物，继续搅拌，然后采用恒流泵加入浓氨水至混合溶液中，在58
‑
62℃水浴恒温条件下搅拌反应1.5
‑
2h，反应结束后冷却，用永磁体分离产物，产物用超纯水洗涤4
‑
5次，再用无水乙醇洗涤2
‑
4次，在55
‑
65℃真空干燥箱中干燥，得到块状磁性生物炭，将该块状磁性生物炭，在无氧气环境下碾碎过80
‑
120目筛，得到粉末状纳米磁性生物炭材料。
[0023]根据本专利技术的较佳实施例，S3中，所述含氨基的硅烷偶联剂为3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，修饰方法为：
[0024]在装有乙醇的反应器中加入磁性生物炭纳米粒子，超声预处理10
‑
30min，将反应器置于恒温环境中，在氮气保护下，缓慢分次加入不等量的3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷，不断搅拌，加热≤70℃回流一段时间，得到氨基修饰磁性生物炭纳米粒子；然后用无水乙醇超声清洗3次，采用永磁体将氨基修饰磁性生物炭纳米粒子从反应器中分离出来，干燥备用。
[0025]根据本专利技术的较佳实施例，S4中，所述待固定的酶为复合酶；所述复合酶为溶菌酶与中性蛋白酶复配的复合酶。优选地，溶菌酶与中性蛋白酶以2：1质量比混合。
[0026]根据本专利技术的较佳实施例，S4中，磁性生物炭固定化酶的制备方法为：取氨基修饰磁性生物炭纳米粒子，加入浓度为2.5
‑
4.5％的戊二醛溶液，二者比例为每1g氨基修饰磁性
生物炭纳米粒子对应加入8
‑
12mL戊二醛溶液；常温下振荡反应1
‑
2h，用磷酸缓冲液洗涤反应产物，洗涤后去除上清，加入复合酶溶液，于30℃下振荡固定4
‑
6h，采用永磁体分离固体物，用去离子水清洗至无游离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性生物炭固定化酶复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、制备菌渣生物炭以菌渣为原料，将菌渣干燥过筛，与碳酸钾混合，在惰性气氛条件下热解，得到菌渣生物炭；S2、制备磁性生物炭向含有Fe
3+
和Fe
2+
的铁盐溶液中，加入S1制备的菌渣生物炭，搅拌均匀，向铁盐溶液中匀速加入浓氨水，在50
‑
65℃恒温环境下搅拌反应，反应过程在惰性气氛保护下进行；反应结束后，采用永磁体从反应液中分离固体物，固体物经纯水和乙醇洗涤，干燥、碾碎、过筛，得到粉末状纳米磁性生物炭；S3、磁性生物炭的修饰采用含氨基的硅烷偶联剂对S2制备的磁性生物炭进行修饰，得到氨基修饰磁性生物炭纳米粒子；S4、制备磁性生物炭固定化酶取S3的氨基修饰磁性生物炭纳米粒子，加入戊二醛溶液，常温下振荡反应，对反应产物用磷酸缓冲液洗涤，洗涤后去除上清，加入待固定的酶溶液，于25
‑
35℃下振荡固定预定时间，采用永磁体分离固体物，去离子水清洗后，得到磁性生物炭固定化酶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，所述菌渣为青霉素菌渣；制备菌渣生物炭的方法为：将青霉素菌渣烘干，过80
‑
150目筛，取菌渣与碳酸钾活化剂以1：1～1.2质量比混合均匀，放入高纯氮气氛围以8
‑
10℃/min升温至550
‑
650℃，热解1
‑
2h，得到菌渣生物炭。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2中，所述铁盐溶液中Fe
3+
和Fe
2+
的摩尔比为2:0.9
‑
1.05。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述铁盐溶液是FeCl3和FeSO4的混合溶液；制备磁性生物炭的方法为：在反应器内通入氮气排净空气，加入已排除氧气的超纯水，将FeCl3或其水合物与FeSO4或其水合物加到反应器中，搅拌至完全溶解混合，加入菌渣生物炭，继续搅拌，然后采用恒流泵加入浓氨水至混合溶液中，在58
‑
62℃水浴恒温条件下搅拌反应1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李再兴，张文静，李贵霞，钟为章，洪晨，宁志芳，王艳魁，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：