[发明专利]一种聚丙烯腈改性膜的制备及其应用于固定酶的方法

说明书

本发明提供了一种聚丙烯腈改性膜的制备及其应用于固定酶的方法，以聚丙烯腈为原料、聚乙二醇为致孔剂、N,N‑二甲基甲酰胺为溶剂，采用L‑S相转化法制备中空膜载体；并采用化学法在聚丙烯腈中空膜载体表面交联多胺类物质聚乙烯亚胺，酸化后利用静电吸附作用固定酶；同时在酶的固定过程中加入具有生物亲和性的海藻酸钠提高酶的固定量和固定化酶稳定性；最后，使用不同的化学试剂来增加固定化酶与固定化载体之间的刚性。本发明的固定化载体由相转化法制备的聚丙烯腈中空膜表面改性得到，在固定过程中将静电吸附固定法和包埋/交联法联用，得到重复利用性优良的固定化酶，该方法操作简单、材料本身性能稳定，具有良好的科研和工业应用前景。

技术领域

本发明涉及酶的固定化技术领域，尤其是涉及聚丙烯腈中空膜载体的制备及聚乙烯亚胺修饰改性和其酶固定应用技术。

背景技术

固定化技术是上世纪中期发展起来的生物技术。采用各种方法，将酶固定在不溶性的载体上，制备成固定化酶的过程叫做酶的固定化(enzyme immobilization)，而固定在载体上并且能够在一定的空间范围内进行催化反应的酶称为固定化酶(immobilizedenzyme)。固定化酶具有成本低、使用效率高、酶重复利用能力强、产物易分离等优点。基于以上优点，相比游离酶，固定化酶更适用于大规模的工业生产。

根据酶与载体间作用方式的不同，可以分为物理吸附(氢键作用等)、离子键作用、共价键作用和特异性作用(亲和作用等)方式。物理吸附是一种简单低成本的固定酶的方法，而且不需要对酶进行任何的化学性的修饰，不会改变酶的构象，但是物理吸附不够牢固，易被水等溶液浸出。酶在载体上的吸附的主要原因是酶与载体间的相互作用力，如范德华力、熵作用和氢键作用(需要糖残基)等，常表现出亲脂酶-疏水载体、亲水酶-亲水载体。

离子作用力也是一种非共价键结合力，大部分酶可以与多糖类聚合物(葡聚糖，琼脂糖和去乙酰壳聚糖等)键合，实际上，固体载体与酶分子或者细胞表面的连接作用是通过表面离子基团间相互反应而实现的，这些表面离子基团不包括酶活性位点和底物结合位点处的氨基或羧基。优点是酶与载体结合紧密，稳定性好，不易从载体上脱落。缺点是反应条件激烈、对酶活影响较大、酶活回收率低。固定化过程之后，酶的三级结构是稳定的，因此具有更高抗失活能力。

酶固定化载体有很多种，如无机材料、生物大分子和高分子聚合物材料，其中，高分子聚合物因比表面积大、成本低和易修饰改性被广泛应用。聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)外观为白色或略带黄色的不透明粉末；相对密度1.12，玻璃化温度约90℃。它溶于N,N二甲基甲酰胺等极性有机溶剂，还能溶于硫氰酸盐无机盐的浓水溶液，以及浓硝酸等特殊溶剂。聚丙烯腈耐大多数溶剂、不易水解、抗氧化、化学稳定性好、丙烯腈单体易于和其它单体共聚，提升聚合物的性能。这些特点使得聚丙烯腈有着极高的工业应用价值和经济价值。

聚丙烯腈是一种常见的成膜和成纤材料，可用来制备聚丙烯腈膜。聚丙烯腈中空纤维膜采用相转化法制备，该方法制备工艺简单，工艺成本低，制备得到的PAN中空纤维膜不易水解、抗氧化，化学性质稳定，对酸碱的耐受性好，对大部分有机试剂也有一定的耐受性，有一定的抗污染能力，还可以抵抗微生物侵蚀的作用。在酶的固定研究方面，PAN膜载体是一种常用的载体基质。但聚丙烯腈富含惰性强的腈基，分子链间作用力强，链对称性差，成膜后表面反应性差，机械强度一般，生物相容性差，因此为获得性能更好的酶固定化载体，需对聚丙烯腈中空膜进行表面改性，常用的改性方法有化学交联、复合涂层等。

CN1546660A提供了一种固定微生物的通孔膜微囊载体及其制备方法，以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，采用表面活性剂-水的凝固浴的方式固定微生物，但是其固定原理是吸附作用，对微生物的附着力较低。

CN103013976A提供了一种固定化生物大分子的有机-无机复合水凝胶膜及接枝材料的制备方法，该方法先吸附酶再制备海藻酸钠水凝胶膜最后有机层交联，吸附原理是先吸附包埋再交联。这种方法制备出来的凝胶膜强度低，只适合包埋一些有机大分子，对于微生物则无法负载。