一种固定化氰基水解酶的制备方法及应用的制作方法
一种固定化氰基水解酶的制备方法及应用的制作方法
【专利摘要】本发明属废水处理【技术领域】，公开了一种固定化氰基水解酶的制备方法、应用及利用固定化氰基水解酶进行改性处理后得到的腈纶无纺布的应用。首先制备PVP-Fe3O4磁性纳米固定化酶载体，再通过静电引力来吸附固定化氰基水解酶，制备出高活力可回收利用的磁性纳米固定化氰基水解酶。利用自制的磁性纳米固定化氰基水解酶对腈纶无纺布进行改性处理，增强无纺布膜的亲水性，弱化无纺布膜和溶质之间的物理化学作用，减少膜污染；并辅以预涂剂在改性无纺布基膜表面形成动态膜，强化无纺布基膜的抗污染性能。本发明能很好地控制膜污染，有利于无纺布膜生物反应器长期稳定地运行。
【专利说明】一种固定化氰基水解酶的制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明属于废水处理【技术领域】，涉及一种利用PVP-Fe3O4纳米粒子为载体固定化氰基水解酶的制备方法，并利用固定化氰基水解酶对腈纶无纺布进行表面改性，以强化膜生物反应器中无纺布膜的抗污染性能。 【背景技术】
[0002]膜生物反应器(MBR)作为膜分离技术与生物技术有机结合的污水处理新工艺，具有出水水质优良稳定、处理效率高、占地面积小、分离效果好、操作简便且易实现自动化控制等显著优点，使其在印染废水处理和回用方面成为一种很有竞争力的选择。然而，该工艺目前存在膜材料价格贵、膜污染问题严重、使用寿命短及操作压力大而带来的能耗高等严重问题，制约了该技术的推广应用。因此，在膜生物反应器技术开发中如何降低膜成本、减少膜污染是一个重要研究方向。
[0003]无纺布膜具有价格低廉、通量大、易清洗等特点，可以稳定可靠地应用于膜生物反应器中，降低膜生物反应器的制造和运行成本。然而，无纺布膜也存在膜污染问题，同时由于孔径大于传统的超滤或微滤膜材料，其处理出水水质也较差，这是该工艺实际应用需要解决的关键问题。
[0004]大量研究表明，胞外聚合物等疏水性溶质易在疏水性膜表面吸附和沉积，引起膜孔堵塞，造成膜污染。因此，如何增强无纺布膜的亲水性、减少无纺布膜表面与截留物质的接触及非定向结合，弱化无纺布膜和溶质之间的物理化学作用，对减少膜污染问题至关重要。对腈纶无纺布膜进行亲水性改性是解决膜污染的有效途径，目前急需寻找一种提高膜生物反应器中无纺布膜抗污染性的新方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供了一种利用固定化酶技术和预涂动态膜技术提高膜生物反应器印染废水处理中无纺布膜抗污染性能的方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决:
一种固定化氰基水解酶的制备方法，方法如下:
步骤a =PVP-Fe3O4磁性纳米粒子的制备:室温条件下，将聚乙烯基吡咯烷酮溶液、FeCl3.6H20溶液、FeCl2.4H20溶液混合后进行搅拌，缓慢滴加NaOH溶液，反应时间30min，反应结束后反应体系为黑色悬浮液，静置，去除上清液，用蒸馏水反复洗涤至上清液无色，烘干，得PVP-Fe3O4磁性纳米粒子粉末；
步骤b:将制得的PVP-Fe3O4磁性纳米粒子粉末加入磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中，加入氰基水解酶，室温下混合，通过静电引力来吸附固定化氰基水解酶，充分吸附固定完成后，离心机进行离心IOmin后，倒出离心液，用水冲洗附于离心管壁上的物质，再离心，反复3-6次后，取最终附于离心管壁上的物质即为固定化氰基水解酶。本发明首先对氰基水解酶进行固定化，利用固定化酶对腈纶无纺布进行改性，以提高腈纶无纺布的亲水性，并辅以预涂剂在改性无纺布基膜表面形成动态膜，强化无纺布膜的抗污染性能。
[0007]本发明的原理是利用固定化氰基水解酶将腈纶分子上的氰基转化为酰胺基和羧基，从而增强腈纶无纺布的亲水性，以强化无纺布膜的抗污染性能；同时在无纺布基膜表面预涂动态膜，在提高过滤精度的同时防止了污染物向基膜材料表面和内部的扩散，以减缓无纺布基膜污染。
[0008]作为优选，所述的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液pH=6。
[0009]作为优选，所述的离心机离心速率为8000r/min。
[0010]作为优选，所述的PVP-Fe3O4纳米粒子粉末与氰基水解酶重量比为50:1。固定化酶的活力受到酶加载量的影响，一般随酶的加载量的增加而增加，随后达到一个稳定的水平。一般地，酶的载量受扩散效应限制，即受酶的分布和构型改变影响，当酶分子进入载体颗粒内部时就会发生的扩散限制降低了酶活力，而酶分子为了适应载体表面而发生的构型改变也会导致酶活的丧失。因此，本发明为了避免发生构型的改变，将酶的载量限制在只形成单层分子的状态。
[0011]本发明固定化氰基水解酶用于对腈纶无纺布进行亲水性改性处理。固定化酶氰基水解酶对腈纶无纺布膜进行亲水性改性处理条件为:温度40°c，pH=7.0,固定化氰基水解酶的用量3-5%owf，酶活50000U/g，浴比1:20，时间5小时。上述处理条件能有效提高腈纶无纺布膜的抗污染能力和使用寿命。
[0012]上述制得的腈纶 无纺布用于处理印染废水。在活性污泥系统中添加预涂剂，采用微曝气的方式使其混合均匀，将改性腈纶无纺布组件置于其中，蠕动泵抽吸出水进行循环，在水流剪切力和抽吸力共同作用下，预涂剂逐渐附着于膜组件表面，在无纺布大孔膜表面形成动力膜。采用上述改性无纺布动态膜生物反应器处理印染废水，设计水力停留时间8h，污泥龄90d。
[0013]本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果:
(I)采用固定化酶对无纺布进行表面改性处理，提高无纺布膜的抗污染能力和使用寿命，能实现一般化学改性所不能实现的优良的区域及立体选择性，从根本上克服了传统强酸、强碱条件下化学改性方法对无纺布造成的强力损伤和环境污染问题。
[0014](2)添加优良的助滤材料，在无纺布大孔膜表面形成动力膜，可以保证出水水质，也有利于无纺布基膜污染的控制。
【具体实施方式】
[0015]下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述:
PVP-Fe3O4磁性纳米粒子可以按照如下方法制备:分别移取30mL 4%PVP(聚乙烯基吡咯烷酮)，0.2mol/L的FeCl3.6Η20溶液和0.lmol/L的FeCl2.4Η20各80mL溶液于三颈烧瓶中，室温下，在精密增力电动搅 拌器搅拌下，缓慢滴加20mL 3mol/L的NaOH溶液，反应30min，反应结束后，反应体系变为黑色悬浮液，静置一段时间，去除上清液，用蒸馏水反复洗涤至上清液无色后，置于烘箱中烘干，即得PVP-Fe3O4磁性纳米粒子。
[0016]PVP-Fe3O4磁性纳米粒子固定化氰基水解酶的制备方法为:移取40mL pH6.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液于IOOmL容量瓶中，加入0.2g PVP-Fe3O4纳米粒子粉末，加入4mg的氰基水解酶，室温下混合，通过静电引力来吸附固定化氰基水解酶，充分吸附固定完成后，用离心机以8000r/min的转速离心lOmin，倒出离心液，用水冲洗附于离心管壁上的物质，再离心，倒去离心液，反复数次后，最终附于离心管壁上的物质即为固定化氰基水解酶。
[0017]采用固定化氰基水解酶可对腈纶无纺布进行改性处理，提高亲水性，以增强其抗污染能力。固定化酶改性处理条件为:温度40°C，pH7.0,固定化酶(酶活50000U/g)用量3-5%owf，浴比1:20，时间5小时。
[0018]实施例2
两组膜生物反应器处理同样的印染废水，设计水力停留时间为8h，污泥龄90d，膜组件采用腈纶无纺布的平板膜，膜孔径为5微米，膜通量恒定在60L/(h.m2)。其中第一组膜组件为普通腈纶无纺布，第二组膜组件为固定化氰基水解酶改性后的腈纶无纺布。运行结果表明，第一组的膜清洗周期为55d，第二组膜清洗周期为74d，第二组抗污染能力和使用寿命得到大幅增强。
[0019]实施例3
两组膜生物反应器处理同样的印染废水，设计水力停留时间为8h，污泥龄90d，膜组件采用腈纶无纺布的平板膜，膜孔径为5微米，膜通量恒定在60L/(h.m2)。其中第一组膜组件为普通腈纶无纺布，预涂活性炭动态膜，第二组膜组件为固定化氰基水解酶改性后的腈纶无纺布，预涂活性炭动态膜。运行结果表明，第一组的膜清洗周期为117d，第二组膜清洗周期为138第二组抗污染能力和使用寿命得到大幅增强。
[0020]实施例4
两组膜生物反应器处理同样的印染废水，设计水力停留时间为8h，污泥龄90d，膜组件采用腈纶无纺布的平板膜，膜 孔径为5微米，膜通量恒定在60L/(h.m2)。其中第一组膜组件为普通腈纶无纺布，预涂硅藻土动态膜，第二组膜组件为固定化氰基水解酶改性后的腈纶无纺布，预涂硅藻土动态膜。运行结果表明，第一组的膜清洗周期为106d，第二组膜清洗周期为130d，第二组抗污染能力和使用寿命得到大幅增强。
[0021]总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
【权利要求】
1.一种固定化氰基水解酶的制备方法，其特征在于，方法如下:
步骤a =PVP-Fe3O4磁性纳米粒子的制备:室温条件下，将聚乙烯基吡咯烷酮溶液、FeCl3.6H20溶液、FeCl2.4H20溶液混合后进行搅拌，缓慢滴加NaOH溶液，反应时间30min，反应结束后反应体系为黑色悬浮液，静置，去除上清液，用蒸馏水反复洗涤至上清液无色，烘干，得PVP-Fe3O4磁性纳米粒子粉末；
步骤b:将制得的PVP-Fe3O4磁性纳米粒子粉末加入磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中，加入氰基水解酶，室温下混合，通过静电引力来吸附固定化氰基水解酶，充分吸附固定完成后，离心机进行离心IOmin后，倒出离心液，用水冲洗附于离心管壁上的物质，再离心，反复3-6次后，取最终附于离心管壁上的物质即为固定化氰基水解酶。
2.根据权利要求1所述的固定化氰基水解酶的制备方法，其特征在于:所述的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液pH=6。
3.根据权利要求1所述的固定化氰基水解酶的制备方法，其特征在于:所述的离心机离心速率为8000r/min。
4.根据权利要求1所述的固定化氰基水解酶的制备方法，其特征在于:所述的PVP-Fe3O4纳米粒子粉末与氰基水解酶重量比为50:1。
5.根据权利要求1-4任一所述的固定化氰基水解酶的应用，其特征在于:利用固定化氰基水解酶对腈纶无纺布进行亲水性改性处理。
6.根据权利要求5所述的固定化氰基水解酶的应用，其特征在于:所述的固定化酶氰基水解酶对腈纶无纺布膜进行亲水性改性处理条件为:温度40°C，pH=7.0，固定化氰基水解酶的用量3-5%owf，酶活50000U/g，浴比1:20，时间5小时。
7.根据权利要求5所述的利用固定化氰基水解酶进行改性处理后得到的腈纶无纺布的应用，其特征在于:该腈纶无纺`布用于膜生物反应器中处理印染废水。
【文档编号】C12N11/14GKSQ
【公开日】日
申请日期:日
优先权日:日
【发明者】刘艳春, 白刚, 张文启, 钱红飞
申请人:绍兴文理学院[发明专利]二硫醚化合物3,3’-二硫代二丙酸的的制备方法在审
申请/专利权人：
公开/公告号：CNA
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【说明书】：
技术领域本发明涉及一种二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸的制备方法。背景技术二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸是制备3,3'-二硫代二丙酸二甲酯的重要中间体，3,3'-二硫代二丙酸二甲酯是合成异噻唑酮类工业防霉剂的中间体，同时也可作为镀镍光亮剂和金属表面清洁剂。专利USA1介绍了一种先以硫氢化钠、丙烯腈、硫酸、氯仿为原料制备出2-氰基乙硫醇；再通过碘氧化制备出3,3'-二硫代二丙腈，通过柱层析将粗品提纯；最后通过氰基水解酶水解得到二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸的制备方法。该制备方法中酸化剂为硫酸，反应过程中生成大量硫酸钠，因为硫酸钠溶解度较低，在后处理过程中随着温度降低不断有硫酸钠结晶析出，后处理难以有序进行，废水中硫酸钠含量较高，环境污染严重；该制备方法中使用氯仿作为2-氰基乙硫醇的萃取剂，因为氯仿有麻醉、致癌的可能性，对人身伤害、环境污染严重；对3,3'-二硫代二丙腈粗品通过柱层析进行提纯，提纯时间长，收率较低，生产成本高；通过氰基水解酶水解得到3,3'-二硫代二丙酸，因为酶具有反应活性高的特点，不易储存，且酶价格昂贵，原料成本较高，该制备方法不适合工业化生产。因此探索一种操作简单、人身伤害、环境污染较低、生产成本低的二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸的制备方法有非常重要的意义。发明内容本发明主要解决的技术问题是克服上述制备方法中工艺复杂，对人身伤害、环境污染严重，产品收率低、生产成本高的问题，提供一种安全、绿色、环保、工艺简单、成本低廉的二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸的制备方法，其结构如下：S2（CH2CH2COOH）2。本发明所述的二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸的制备方法是硫氢化钠、丙烯腈、碘溶液，酸为原料，依次通过Michael加成、酸化，氧化，水解三个步骤得到二硫醚化合物的粗品，最后通过重结晶提纯得到二硫醚化合物3，3'-二硫代二丙酸；具体制备方法如下：一种二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸的制备方法，其特征是：制备步骤如下：a）70%的硫氢化钠中按1:0.9的重量比加入水搅拌溶解，在35~40℃下，根据1:1.15~1.3的摩尔比将丙烯腈用1h滴加到硫氢化钠溶液中，在35~40℃下保温2~3h，保温结束后根据1:1.75~2的摩尔比加入酸化剂，使反应液的pH值调至2.0以下后，酸化时在负压下用硫化氢吸收液对产生的硫化氢进行二级吸收，将硫化氢转化为硫氢化钠；然后根据1:0.2的重量比加入有机溶剂，萃取2次，合并有机相，在减压下浓缩，将残液在45~48℃/3torr下进行减压蒸馏，得到化合物Ⅰ，其结构式如下：HSCH2CH2CN通过气相色谱法跟踪反应，检测化合物Ⅰ的含量；其中酸化剂是30%的盐酸溶液；硫化氢吸收液为30%的氢氧化钠溶液；有机溶剂是甲苯；b）向a）得到的化合物Ⅰ中按照1:1.25的重量比加入水，冷却至5℃；在5~25℃下，用1h将化合物Ι:碘溶液摩尔比为1:0.5~0.6的碘溶液滴加到化合物Ⅰ的水溶液中，在5~25℃下熟化1~2h，过滤，用水清洗，得到化合物Ⅱ，其结构式如下：S2(CH2CH2CN)2c）按照化合物Ⅱ:酸摩尔比为1:4~4.2的比例向b）得到的固体中加入水解剂，升温至100~115℃，回流1~2h，将反应液降温，过滤，水洗滤饼，得到目标化合物粗品Ⅲ，其结构如下：S2(CH2CH2COOH)2其中水解剂是质量分数为30%的盐酸溶液；d)将c）得到的目标化合物粗品Ⅲ用重结晶溶剂溶解，通过有机溶剂重结晶得到高纯度的目标化合物二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸；其中重结晶溶剂是无水乙醇。目标化合物通过核磁共振检测产品纯度，并测定其熔点。本发明在三步反应过程中严格控制反应条件，步骤a）Michael加成反应中，控制加成温度为35~40℃，反应终点以气相色谱跟踪丙烯腈消失为准；酸化剂使用盐酸，反应过程中生成的氯化钠回收，废水回用到生产中，生产过程中无废水排放对；对中间体Ⅰ通过甲苯萃取，甲苯对人身伤害、环境污染极小，萃取剂的使用较安全。步骤b）氧化反应中，控制氧化温度为5~25℃，反应终点以气相色谱跟踪化合物Ⅰ消失为准。步骤c）水解反应中，水解剂使用盐酸，不需要对二步氧化反应产物进行提纯，缩短了制备时间，提高中间体Ⅱ的收率；盐酸价廉易得，且易保存，降低生产及储存成本；通过控制水解温度为100~115℃，保证中间体Ⅱ能完全转化为3,3'-二硫代二丙酸粗品，提高目标化合物收率，降低生产成本；通过有机溶剂重结晶对3,3'-二硫代二丙酸粗品进行提纯，保证目标产物的纯度。本发明的有益效果是：制备二硫醚化合物所选的酸化剂为盐酸，废水回用到生产中，生产中无废水排放；使用的萃取剂甲苯低毒，对人身伤害、环境污染极小；对于中间体不需要通过柱层析提纯，节约了生产时间，提高了中间体的收率；通过使用水解剂盐酸进行水解，降低了原料及储存成本，同时提高了目标化合物的收率，降低了生产成本。具体实施方式实施例1一种二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸的制备方法，包括以下步骤：a）将48.1g-70%的硫氢化钠加43.5g水溶解，在35℃下，将31g丙烯腈用1h滴加到硫氢化钠水溶液中，在35℃下保温2h，保温结束后加入125g-30%的盐酸进行酸化，使反应液的pH值调至2.0以下后，酸化时在负压下用碱液30%的氢氧化钠溶液对产生的硫化氢进行二级吸收；然后用50g甲苯萃取2次，合并有机相，在减压下浓缩，将残液在45~48℃/3torr下进行减压蒸馏，得到化合物Ⅰ，其结构式如下：HSCH2CH2CN通过气相色谱检测化合物Ⅰ含量，含量为98.5%b）向a）得到的化合物Ⅰ中按照1:1.25的重量比加入水，冷却至5℃。在5℃下，用1h将254mL-0.5mol/L的碘溶液滴加到化合物Ⅰ的水溶液中，在5℃下熟化1h，过滤，用水清洗，得到化合物Ⅱ，其结构式如下：S2(CH2CH2CN)2c）向b）得到的固体中加入285g-30%的盐酸溶液，升温至100℃，回流2h，将反应液降温，过滤，水洗滤饼，得到目标化合物粗品Ⅲ，其结构如下：S2(CH2CH2COOH)2d)将c）得到的目标产物粗品Ⅲ用无水乙醇溶解，通过有机溶剂重结晶得到高纯度的目标化合物二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸。目标化合物收率为56%，通过核磁共振检测了目标化合物产品纯度，谱图上无杂峰，并测定了熔点，熔程为152~153℃。实施例2一种二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸的制备方法，包括以下步骤：a）将48.1g-70%的硫氢化钠加43.5g水溶解，在40℃下，将31g丙烯腈用1h滴加到硫氢化钠水溶液中，在40℃下保温2h，保温结束后加入125g-30%的盐酸进行酸化，使反应液的pH值调至2.0以下后，酸化时在负压下用30%的氢氧化钠溶液对产生的硫化氢进行二级吸收。然后用50g-30%的盐酸萃取2次，合并有机相，在减压下浓缩，将残液在45~48℃/3torr下进行减压蒸馏，得到化合物Ⅰ，其结构式如下：HSCH2CH2CN通过通过气相色谱检测化合物Ⅰ含量，含量为99.3%；b）向a）得到的化合物Ⅰ中按照1:1.25的重量比加入水，在25℃下，用1h将254mL-0.5mol/L的碘溶液滴加到化合物Ⅰ的水溶液中，在25℃下熟化1h，过滤，用水清洗，得到化合物Ⅱ，其结构式如下：S2(CH2CH2CN)2c）向b）得到的固体中加入285g-30%的盐酸溶液，升温至115℃，回流2h，将反应液降温，过滤，水洗滤饼，得到目标化合物粗品Ⅲ，其结构如下：S2(CH2CH2COOH)2d)将c）得到的目标产物粗品Ⅲ用无水乙醇溶解，通过有机溶剂重结晶得到高纯度的目标化合物二硫醚化合物3,3'-二硫代二丙酸。
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氰基水解酶在有机合成中的应用有机化学
, PP. 25-32
Keywords: ,,,,,
腈化物是有机合成中的重要中间体，因为其中的氰基可以通过多种方法引入，又能进一步转化成其它官能团。用氰基水解酶实现氰基降解不仅反应条件温和，少污染、易处理，更重要的是能实现一般化学转化所不能实现的优良的化学、区域及立体选择性。不管是从学术角度还是工程角度来看，氰基水解酶都是一种有巨大潜力的有机合成工具。
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