一种具有多尺度定向通道的微反应器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有多尺度定向通道的微反应器及其制备方法和应用，属于微反应器领域

【技术实现步骤摘要】
一种具有多尺度定向通道的微反应器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及微反应器领域，具体涉及一种具有多尺度定向通道的微反应器及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]生物微反应器是一种能够利用微生物
、
细胞或酶等生物催化剂进行化学反应的装置，它被广泛应用于生物化学
、
生物工程
、
食品工艺和环境工程等领域
。
连续流体催化是生物微反应器一种重要的生产工艺，它通过连续流动的方式，将底物与催化剂进行接触，从而实现高效的化学反应
。
基于短扩散路径的特性，生物微反应器在连续流体催化过程中可以进行快速混合反应，提高传质传热转化效率和反应产物的选择性
、
减少原料浪费，从而增加生产效益
。
此外，生物微反应器还可以根据不同的反应需求进行调整和优化，使得反应过程更加灵活和可控
。
[0003]在常规的工业生产应用中，为了降低反应器内的压力，许多生物微反应器多采用定向通道构筑
。
而定向通道结构通常采用激光蚀刻方法，如申请号
201710134012.7
的中国专利技术公开了一种基于微流控芯片的可控纳米材料合成反应器，通过刻板机激光蚀刻芯片得到定向通道结构反应器
。
但该方法制备的定向通道生物微反应器造价成本较高
。
再如申请号
202210932361.4
的中国专利技术公开了一种以透明陶瓷作为基片利用激光蚀刻技术雕刻定向通道结构的生物微反应器
。
该方法制备的定向通道生物微反应器不仅成本高而且反应器只有单一的通道，通道数量有限，无法满足高通量生物反应的需求
。
而非专利文献公开了一种基于纤维素的仿生微流控生物微反应器
(Y.S.Shen,et al.GREEN CHEMISTRY,2023,25:1530
‑
1539)。
该生物微反应器通过定向冷冻铸造方法得到了具有垂直排列的多通道和多孔内壁结构，其制备成本低廉，且有效提高了流体的通量和催化剂的负载量，但该微反应器定向通道结构的内径为均一尺寸，当流体穿过内壁多孔进入相邻通道时，产生的扰动作用较小，导致流体在相邻通道之间的传质效率下降，不利于提升反应的催化效率
。
因此，迫切需要设计一种制备成本低廉且具有不同尺度孔径的定向多孔通道结构来增强生物微反应器的传质能力，从而进一步提高生物催化效率
。
[0004]此外，现如今已开发的大部分生物微反应器并不具备很高的生物相容性，这会极大的影响生物催化的效率
。
如申请号
202210450350.2
的中国专利技术公开一种磁性碳纳米管固定化脂肪酶生物微反应器
。
该方法制备的生物微反应器虽然重复利用率高，但磁性碳纳米管表面的活性位点不多，会减少酶的负载量，并且其磁性会导致酶的蛋白质结构改变降低酶催化活性
。
再如申请号
201210537190.1
的中国专利技术公开了一种金属丝固定化酶反应器的制备方法
。
该方法制备的生物微反应器虽然一定程度上提高了酶的负载率，但作为载体的金属材料会引起酶分子的构象改变，导致其发生失活现象，从而降低催化效率
。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为了解决现有技术中微反应器存在的反应效率低
、
影响酶反应活性的
技术问题，本专利技术旨在提供一种酶催化活性强
、
传质效率高的具有多尺度定向通道的微反应器，并且本专利技术还提供了该微反应器的制备方法和应用
。
[0006]技术方案：本专利技术所述的具有多尺度定向通道的微反应器为具有由连续不同孔径形成对应不同尺度的定向通道的纤维素材料
。
[0007]优选的，所述纤维素材料包括由连续大孔径形成的大尺度定向通道和由连续小孔径形成的小尺度定向通道，其中，大孔径的孔径范围为
400
‑
1000
μ
m
，小孔径的孔径范围为
10
‑
250
μ
m。
[0008]本专利技术所述的具有多尺度定向通道的微反应器的制备方法包括以下步骤：
[0009](1)
制备含交联纤维素的溶液；
[0010](2)
将含交联纤维素的溶液倒入模具中，再将模具置于由不同导热系数的金属材料组成的基底上，往模具中加入冷却剂进行定向冷冻至凝固，随后进行冷冻干燥，结束后取出进行充分清洗，随后再次进行冷冻干燥，制得具有多尺度定向通道的纤维素材料；
[0011](3)
将具有多尺度定向通道的纤维素材料进行酶的固定化处理，结束后即得具有多尺度定向通道的微反应器
。
[0012]进一步地，步骤
(1)
中，所述含交联纤维素的溶液的制备方法包括以下步骤：
[0013]11)
在低温环境下，将纤维素溶解于氢氧化钠
/
尿素
/
水溶液体系中，充分搅拌制得纤维素溶液；
[0014]12)
往纤维素溶液中加入环氧氯丙烷，充分搅拌后制得含交联纤维素的溶液；
[0015]其中，所述低温环境的温度范围在
‑
10℃
到
‑
15℃
之间，氢氧化钠
/
尿素
/
水溶液体系中，氢氧化钠
、
尿素与水按质量比
(6
～
9)
：
(10
～
13)
：
(78
～
84)
混合，纤维素的质量为氢氧化钠
/
尿素
/
水溶液体系质量的1‑5％，环氧氯丙烷与纤维素溶液的体积比为
1:20
‑
100。
[0016]进一步地，步骤
(2)
中，所述不同导热系数的金属材料包括高导热系数的金属外环
、
低导热系数的金属中间环和高导热系数的金属中心环，优选的，所述高导热系数的范围为大于
400W/mK
，低导热系数的范围为小于
250W/mK。
[0017]进一步地，所述的金属外环和金属中心环为纯铜等高导热系数金属；所述的金属中间环为铁
、
纯铝
、
不锈钢等低导热系数金属
。
[0018]进一步地，步骤
(2)
中，所述冷却剂为液氮；所述清洗采用的清洗剂为乙醇，用于去除残留的尿素和氢氧化钠
。
[0019]进一步地，步骤
(3)
中，所述酶的固定化处理包括以下步骤：
[0020]31)
将具有多尺度定向通道的纤维素材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有多尺度定向通道的微反应器，其特征在于，所述微反应器为具有由连续不同孔径形成对应不同尺度的定向通道的纤维素材料
。2.
根据权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述纤维素材料包括由连续大孔径形成的大尺度定向通道和由连续小孔径形成的小尺度定向通道，其中，大孔径的孔径范围为
400
‑
1000
μ
m
，小孔径的孔径范围为
10
‑
250
μ
m。3.
一种权利要求1所述的具有多尺度定向通道的微反应器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
制备含交联纤维素的溶液；
(2)
将含交联纤维素的溶液倒入模具中，再将模具置于由不同导热系数的金属材料组成的基底上，往模具中加入冷却剂进行定向冷冻至凝固，随后进行冷冻干燥，结束后取出进行充分清洗，随后再次进行冷冻干燥，制得具有多尺度定向通道的纤维素材料；
(3)
将具有多尺度定向通道的纤维素材料进行酶的固定化处理，结束后即得具有多尺度定向通道的微反应器
。4.
根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中，所述含交联纤维素的溶液的制备方法包括以下步骤：
11)
在低温环境下，将纤维素溶解于氢氧化钠
/
尿素
/
水溶液体系中，充分搅拌制得纤维素溶液；
12)
往纤维素溶液中加入环氧氯丙烷，充分搅拌后制得含交联纤维素的溶液；其中，所述纤维素溶液中纤维素的质量百分数为1‑5％，环氧氯丙烷与纤维素溶液的体积比为
1:20
‑
100。5.
根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤
(2)
中，所述不同导热系数的金属材料包括高导热系数的金属外环
、
低导热系数的金属中间环和高导热系数的金属中心环
。6.
根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述高导热系数的范围为大于
400W/mK
，低导热系数的范围为小于
250W/mK。7.
根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤
(2)
中，所述冷却剂为液氮；所述清洗采用的清洗剂为乙醇
。8.
根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东阳，何晨曦，姚晓慧，赵卫国，沈宇诗，徐晓怡，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：