[发明专利]基于酶促-光催化协同效应生物反应器及其制备方法和在降解有机染料中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及催化有机染料降解领域，尤其涉及基于酶促-光催化协同效应生物反应器及其制备方法和在降解有机染料中的应用。

背景技术

印染工业废水毒性强、污染重、难治理，是当前环保领域亟待解决的问题。氯过氧化物酶(Chloroperoxidase，简称CPO)是一种从海洋真菌中提取的血红素过氧化物酶，能高效地催化多种染料氧化降解，研究发现：浓度小于0.4μΜ的CPO可在5min之内催化降解典型的蒽醌类、三苯甲烷类、偶氮类染料，并且降解各类染料的效率均大于90％。然而，将CPO应用于工业废水处理面临着酶的耐受力差、不易与产物分离、运行成本太高等实际问题[R.A.Sheldon,S.V.Pelt.Enzyme immobilisation in biocatalysis:why,what and how[J].Chemical Society Reviews,2013,42:6223-6235]。酶固定化技术可缓解上述问题，例如选用多孔性SiO₂，Al₂O₃等做载体，通过物理吸附作用将酶固定，这种方法操作简便，但SiO₂、Al₂O₃等仅作为载体起固定作用，不具备催化性能，而且结合强度有限。选用化学试剂，共价键或交联法能有效提高酶的固载率和稳定性，然而键合作用改变了酶的微观结构，使活性下降。溶胶-凝胶包埋法可将CPO固定在凝胶构成的网格或微囊结构中，但凝胶网格尺寸通常在微米级别，酶的漏出率不容忽视。综上所述，目前酶促染料降解效率还不理想，不能满足实际应用的需要。

半导体光催化法是处理有机毒物的一枝新秀。半导体材料将吸收的光能转变为化学能，使有机物降解反应在非常温和的溶液环境中顺利进行；仅需太阳光和空气条件，即可催化有机污染物分解为无机小分子，并且不会带来二次污染[C.R.Maurice,Franssen,P.Steunenberg,et al.Immobilized enzymes in biorenewables production[J].Chemical Society Reviews,2013,42:6491-6533.]。TiO₂是目前最成功的半导体光催化剂，它不但化学稳定性好、催化效果突出，而且具有优异的生物相容性，不足之处是由于对光的响应范围狭窄导致催化效率受限。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种成本低、催化效率高、实用性强的基于酶促-光催化协同效应生物反应器及其制备方法和在降解有机染料中的应用。

本发明生物反应器的技术方案如下：

所述生物反应器为氯过氧化物酶负载的TiO₂薄膜，其中氯过氧化物酶的含量为5～30mg/cm²。

本发明生物反应器的制备方法的技术方案是：包括以下步骤：

(1)将清洗干净的基片浸入TiO₂凝胶中采用浸渍-提拉法进行镀膜，并进行干燥，在基片上得到TiO₂薄膜；

(2)将步骤(1)得到的带有TiO₂薄膜的基片在300～700℃下退火处理1～8h，随炉冷却在基片上得到多孔的TiO₂薄膜；

(3)室温下向TiO₂凝胶中加入氯过氧化物酶并充分搅拌得到混合体系，其中混合体系中氯过氧化物酶浓度达到1～10mmol/L，将步骤(2)得到的带有多孔TiO₂薄膜的基片浸入混合体系，并采用浸渍-提拉法镀膜后干燥，并重复若干次镀膜步骤来控制镀膜层数，得到氯过氧化物酶负载的TiO₂薄膜，即为基于酶促–光催化协同效应生物反应器。

所述基片为玻璃基片，步骤(1)中基片清洗干净为将玻璃基片先浸入分析纯的无水乙醇中超声清洗10～15min，随后浸入分析纯的丙酮中超声清洗10～15min，最后用去离子水冲洗干净，氮气吹干备用。

所述步骤(1)中TiO₂凝胶的制备包括：将钛酸丁酯Ti(OC₄H₉)₄与无水乙醇C₂H₅OH按照体积比为1︰(1～5)充分混合，调节混合溶液pH值为2.0～8.0，搅拌后得到浅黄色透明溶胶，溶胶进行陈化后得到TiO₂凝胶。