大孔-介孔分级孔材料固定化酶及其性能研究

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具有大孔-介孔的分级孔结构材料拥有周期有序的大孔及均一的介孔结构,拥有良好的传质性和较大的比表面积,这使得该类型材料在固定化酶领域有着十分重要的应用。本论文分别构建了具有大孔-介孔分级孔结构的氧化硅(3DOM/m-S))和氧化铝材料(3DOM/m-Al),并以其为载体进行酶的固定化,并利用固定化酶进行碳酸甘油酯的制备研究,具体研究内容如下:(1)大孔-介孔分级孔结构硅材料固定化酶及动力学研究。以聚苯乙烯(PS)胶体晶体为硬模板,三嵌段共聚物(P123)为软模板制备分级孔结构硅材料(3DOM/m-S),同时选择南极假丝酵母脂肪酶(CALB)为模型酶,利用物理吸附法实现酶的固定化(CALB@3DOM/m-S)。通过对PS胶体晶体模板的表征可以看出,模板具有良好的均一性以及三维结构。将制备的3DOM/m-S进行表征可以看出,大孔孔径为450 nm,介孔大小约为5.2 nm,比表面积为245.6 m2/g,孔体积为0.4690 cm3/g。激光共聚焦(CLSM)显微镜图证实了脂肪酶的成功固定化。随后,研究了固定化酶CALB@3DOM/m-S催化月桂酸和辛醇酯化反应的动力学。其中,CALB@3DOM/m-S催化的酯化反应在正己烷中活性最高。动力学研究表明,辛醇会对酶活产生抑制作用,该固定化酶催化酯化反应符合有底物抑制的Ping-Pong Bi-Bi反应机制。根据此动力学模型,通过实验数据计算出了该反应的动力学常数,其中,固定化酶对月桂酸和辛醇的米氏常数分别为179.8 mM和163.8 mM,辛醇的抑制常数为54.41 mM。(2)大孔-介孔分级孔结构铝材料的制备及固定化酶性能研究。利用双模板结合挥发诱导自组装合成的方法,制备了大孔-介孔分级孔结构铝材料。通过SEM和TEM表征结果可知,该材料具有良好的三维有序大孔和有序介孔结构。利用共价结合法将游离酶(南极假丝酵母脂肪酶、青霉素酰化酶、腈水合酶)固定于氨基化的载体上,CLSM表征结果证实酶已经成功固定到载体上。优化了固定化条件,得到三种酶固定的最适戊二醛浓度分别为1.2 wt%、1.6 wt%和0.8 wt%;经0.5 h的共价结合后,最适初始酶浓度为400 mg/gsupport、90 mg/gsupport和270 mg/gsupport。稳定性研究表明,酶经固定化后,其热稳定性明显优于游离酶,且重复操作稳定性良好。(3)新型固定化脂肪酶催化合成碳酸甘油酯。以生物柴油工业中的副产物甘油为原料,通过与碳酸二甲酯转酯反应合成碳酸甘油酯,选择CALB@3DOM/m-S作为催化剂,催化甘油和碳酸二甲酯的转酯反应的最适反应条件为:在无溶剂体系下,底物摩尔比DMC:甘油为10:1,酶用量为30 g/L,分子筛用量为0.4 g,最适温度为50℃,加入10%(V/V)的表面活性剂曲通100,当反应时间为24 h,碳酸甘油酯产量达到平衡。在此条件下,甘油的最大转化率达到93%,碳酸甘油酯(GC)产率达到89%,在重复使用6次之后,其催化合成GC的产率仍能达到60%,有效提高了酶的重复使用性。同时与商品化固定化脂肪酶Novozyme 435进行了比较,发现CALB@3DOM/m-S在重复使用过程中展现出更高的重复使用稳定性。
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