專利名稱：核殼型纖維素/不銹鋼粉復合微球及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種核殼型纖維素/不銹鋼粉復合微球及其制備方法。
背景技術：
擴張床吸附(Expanded Bed Adsorption，EBA)技術是上世紀九十年代發展起來的一種新型蛋白質分離純化技術，能直接從發酵液或細胞勻漿中捕獲目標產物，集固液分離、濃縮和初期純化于一個操作單元之中，可以減少操作單元數，縮短操作時間，節約生產成本，被譽為近幾十年來出現的第一個新的單元操作，在生物工程下游加工過程中很快得到了廣泛的應用。擴張床是流化床的一種特例，基于擴張床中吸附劑的穩定分級行為，其理論塔板數要遠遠高于普通的流化床，接近于固定床。擴張床吸附過程首先要求吸附劑的基質具有較大的密度和一定的粒徑分布，較大的密度可以使基質顆粒在較大的流速下懸浮起來，以滿足較大處理量的要求；合適的粒徑分布則使基質顆粒因其不同的流化速度在床中形成穩定的分級，均勻地分布于床層之中，使得床內的液相流動接近平推流，軸向返混程度維持在較低的水平上。
依據結構的不同，擴張床基質大致分為兩類均質型和核殼型。均質型基質一般為起增重作用的細小顆粒分散于高分子骨架的網絡結構之中，或者在多孔的無機材料表面通過改性復合一層高分子聚合物。核殼型基質則為一個或多個較大的增重顆粒相對集中地分布于高分子骨架的中心，具有明顯的核殼結構，視制備方法與工藝的不同，殼層的厚度可以改變，進而調節基質的密度和殼層傳質距離。
眾所周知，纖維素是最廉價、最豐富的天然高分子之一。大孔纖維素微球的成功開發，使得球形纖維素基質以其高度的親水性、極低的非特異性吸附和較高的機械強度，作為層析基質被廣泛應用于生物工程產品的下游加工過程。纖維素微球的制備方法主要有兩種噴射法和反相懸浮法，前者對噴射設備的要求比較高，得到的微球粒徑比較一致，后者工藝比較復雜，分散、洗滌和再生時需要消耗大量的化學品，得到的微球粒徑分布較寬。但對擴張床基質而言，并不要求基質顆粒的尺寸一致性。2003年，雷引林等以鈦白粉作增重劑，制備出一種均質型的纖維素/鈦白粉復合擴張床基質(參見Chinese Journal ofChemical Engineering，11(2)141-145，2003)。然而，鑒于鈦白粉的密度不高，所制備基質的密度不高(約1.2g/ml)。為了提高EBA的處理能力，開發高密度、大孔、高吸附容量的擴張床吸附劑是必然趨勢。
纖維素和不銹鋼粉都是十分易得的工業原料，迄今為止，還沒有將兩者結合起來開發出球形擴張床吸附基質的報道。
發明內容
本發明的目的是提供一種核殼型纖維素/不銹鋼粉復合微球及其制備方法。
復合微球具有無機顆粒與高分子聚合物的核殼復合結構，即起增重作用的不銹鋼粉超細顆粒被緊密包埋于再生纖維素骨架的網絡結構之中，微球的濕真密度為1.2～2.0g/cm3，粒徑尺寸范圍為60～300μm。
制備方法的步驟如下1)配制復合水相將不銹鋼粉超細顆粒和工業用纖維素黃原酸酯粘膠混勻；2)加熱固化成球加入油相和表面活性劑，組成反相懸浮分散體系，升溫后固化成球；3)再生得到微球將微球用有機溶劑洗滌、酸再生，得到核殼型復合微球；4)篩分和擴張床浮選將再生微球濕態篩分后于擴張床中浮選至一定的粒徑分布。
本發明在制備工藝上采取“反相懸浮熱再生法”，通過再生纖維素骨架的網絡結構將不銹鋼粉超細顆粒緊密包埋其中，防止了不銹鋼粉的泄漏，起到了增加基質密度的目的，且保留了纖維素骨架的大孔、親水特征和反應活性。因此，所開發的復合微球可以應用作為擴張床吸附劑的基質。本發明的優點在于1)制備的核殼型復合微球形狀規則，有利于擴張床操作的穩定；2)微球密度較大，可以適應擴張床吸附高處理量的要求；3)微球的密度和粒徑大小可以調節，可以滿足不同應用環境的需要；4)所制備的微球耐酸堿，化學性質穩定，能夠滿足擴張床操作在位清洗的需要；5)制備工藝簡單，易于控制和放大；6)成本低廉，所使用的原料可以回收再利用，環境污染小。
圖1是本發明球形復合基質在擴張床中的擴張曲線圖；
圖2是本發明球形復合基質的粒徑尺寸分布圖；圖3是本發明球形復合基質的外觀顯微鏡照片。
具體實施例方式
核殼型纖維素/不銹鋼粉復合微球的制備方法的步驟如下1)配制復合水相在室溫下將不銹鋼粉超細顆粒和工業用纖維素黃原酸酯粘膠按照質量百分比為5％～40％混合，攪拌均勻，升溫至25～35℃，繼續攪拌30～45分鐘；2)懸浮加熱固化成球停止攪拌，加入油類分散相和表面活性劑，然后開動攪拌，25～35℃下懸浮分散30～60分鐘，升溫至90～95℃，保溫1.5～2小時，粘膠固化得到微球；3)再生出均質型微球將固化后的微球從油相中過濾出來，用1～2倍體積的苯洗滌去除油層，再分別使用2～3倍體積的甲醇、含30％乙酸的乙醇溶液或10％硫酸溶液再生，最后用自來水洗滌，得到核殼型復合微球。微球外形為規則的球形，密度和孔結構可隨不銹鋼粉和纖維素的含量而改變，粒徑及其分布則可通過改變制備工藝條件予以調節；4)篩分和擴張床浮選先在濕態下篩分至60～300μm，然后將粗篩過的微球置于擴張床中擴張浮選，控制擴張高度為起始沉降高度的2.5～3.5倍，穩定30～45分鐘，除去最上部0.5～1cm高度的微球，收集床內微球，即為所需的擴張床基質。
上述被包埋的鈦白粉超細顆粒的粒徑為1～20μm，濕球中鈦白粉的質量百分含量為5％～40％。
纖維素骨架為工業纖維素黃原酸酯粘膠再生物，微球中纖維素的質量百分含量為6.5％～9％，水百分含量為50％～80％。
油類分散相包括泵油與氯苯的混合物、變壓器油和花生油。其中，泵油與氯苯的質量比為3∶1～6∶1，油相與水相的體積比控制在4∶1～6∶1之間；變壓器油和花生油作油相時，油相與水相的體積比均控制在4∶1～6∶1之間。
表面活性劑為油酸和Span 80，其中，當油相為泵油與氯苯的混合物時，使用油酸作分散劑，用量為占油相的質量百分比0.1～0.5％之間；當油相為變壓器油和花生油時，使用Span 80作分散劑，用量為占油相的質量百分比0.5～1.0％之間。
以下通過實施例對本發明作進一步的描述1、復合微球的制備實施例1于1升三口燒瓶中加入100g工業粘膠(含纖維素8.2g，CS23g，NaOH6.2g，粘度為6800cSt)和20g不銹鋼粉，升溫至30℃攪拌半小時；停止攪拌，加入600mL由泵油和氯苯配制的混合油相(泵油∶氯苯＝4∶1，質量比)，調節攪拌轉速至650rpm，維持轉速不變，30℃下懸浮分散45分鐘，15分鐘內升溫至90℃，保溫1.5小時，固化得到黃白色微球；將微球從油相中過濾出來，依次用150mL苯洗滌1小時、200mL甲醇再生1小時、200mL含30％乙酸的乙醇溶液再生1小時，用自來水洗滌三次，濕態篩分，得到粒徑在60～200μm之間的白球42mL，密度為1.2g/cm3。
實施例2于1升三口燒瓶中加入100g上述工業粘膠(組成與實例1相同)和20g不銹鋼粉，升溫至35℃攪拌半小時；加入450mL由泵油和氯苯配制的混合油相(泵油∶氯苯＝6∶1，質量比)和0.9g油酸，調節攪拌轉速至600rpm，35℃下懸浮分散1小時，15分鐘內升溫至90℃，保溫1.5小時，固化得到黃白色微球；將微球從油相中過濾出來，依次用200mL苯洗滌1小時、200mL甲醇再生1小時、200mL 10％硫酸溶液再生1小時，用自來水洗滌三次，濕態篩分，得到粒徑在60～300μm之間的白球48mL，密度為1.2g/cm3。
實施例3于1升三口燒瓶中加入100g上述工業粘膠(組成與實例1相同)和25g不銹鋼粉，按照實施例1中的方法混勻、加入油相、懸浮分散、升溫固化、洗滌和再生，濕態篩分后得到粒徑在60～300μm之間的白球40mL，密度為1.4g/cm3。
實施例4于1升三口燒瓶中加入100g上述工業粘膠(組成與實例1相同)和33g不銹鋼粉，按照實施例2中的方法混勻、加入油相、懸浮分散、升溫固化、洗滌和再生，濕態篩分后得到粒徑在60～300μm之間的白球44mL，密度為1.6g/cm3。
實施例5于1升三口燒瓶中加入100g上述工業粘膠(組成與實例1相同)和40g不銹鋼粉，升溫至30℃攪拌半小時；停止攪拌，加入500mL變壓器油和2.5g Span80，調節攪拌轉速至650rpm，按照實施例1中的方法懸浮分散、升溫固化、洗滌和再生，濕態篩分后得到粒徑在60～300μm之間的白球43mL，密度為1.8g/cm3。
實施例6于1升三口燒瓶中加入100g上述工業粘膠(組成與實例1相同)和40g不銹鋼粉，升溫至30℃攪拌半小時；停止攪拌，加入600mL花生油和3g Span 80，調節攪拌轉速至700rpm，按照實施例1中的方法懸浮分散、升溫固化、洗滌和再生，濕態篩分后得到粒徑在60～300μm之間的白球37mL，密度為1.8g/cm3。
實施例7于1升三口燒瓶中加入100g工業粘膠(含纖維素6.5g，CS22.6g，NaOH 6.2g，粘度為4700 cSt)和45g不銹鋼粉，按照實施例1中的方法混勻、加入油相、懸浮分散、升溫固化、洗滌和再生，濕態篩分后得到粒徑在60～300μm之間的白球46mL，密度為2.0g/cm3。
2、擴張床操作實施例8按照實施例3中方法和配比，制備兩批復合微球，合并，濕態篩分后得到粒徑在60～300μm之間的白球85mL，密度為1.4g/cm3。將微球全部注入擴張床中(Streamline 25型擴張床，瑞典Amersham Pharmacia Biotech公司)，起始沉降高度為17.3cm，使用去離子水作流動相，在流速為1000cm/h下擴張45分鐘，吸走床層高度為53cm以上的液固混合物，繼續擴張30分鐘，再吸取一次。停止擴張，收集得到擴張床基質82mL。
實施例9使用去離子水作流動相，測量實施例8中得到的基質在擴張床中的擴張性能。定義擴張因子E為擴張高度與起始沉降高度的比值，以E值對線性流速作圖，得到基質在擴張床中的擴張曲線(見附圖1)，表明基質能夠在擴張床中穩定擴張，且適用于較高的流速范圍。使用激光粒徑分析儀(Mastersizer2000型，英國Malvern公司)分析實施例8中所得到的基質的粒徑尺寸分布(見附圖2)，表明基質的粒徑尺寸范圍基本上符合高斯正態分布；并用倒置式生物顯微鏡(37XAZ型，上海光學儀器廠)觀察基質的外觀形態(見附圖3)，表明基質具有良好的球形度和明顯的核殼結構。
權利要求
1.一種核殼型纖維素/不銹鋼粉復合微球，其特征在于它具有無機顆粒與高分子聚合物的核殼復合結構，即起增重作用的不銹鋼粉超細顆粒被緊密包埋于再生纖維素骨架的網絡結構之中，微球的濕真密度為1.2～2.0g/cm3，粒徑尺寸范圍為60～300μm。
2.根據權利要求1所述的一種核殼型纖維素/不銹鋼粉復合微球，其特征在于所說的被包埋的不銹鋼超細顆粒的粒徑為1～20μm，濕球中不銹鋼粉的質量百分含量為5％～40％。
3.根據權利要求1所述的一種核殼型纖維素/不銹鋼粉復合微球，其特征在于所說的纖維素骨架為工業纖維素黃原酸酯粘膠再生物，微球中纖維素的質量百分含量為6.5％～9％，水百分含量為50％～80％。
4.一種核殼型纖維素/不銹鋼粉復合微球的制備方法，其特征在于方法的步驟如下1)配制復合水相將不銹鋼粉超細顆粒和工業用纖維素黃原酸酯粘膠混勻；2)加熱固化成球加入油相和表面活性劑，組成反相懸浮分散體系，升溫后固化成球；3)再生得到微球將微球用有機溶劑洗滌、酸再生，得到核殼型復合微球；4)篩分和擴張床浮選將再生微球濕態篩分后于擴張床中浮選至一定的粒徑分布。
5.根據權利要求4所述的一種核殼型纖維素/不銹鋼粉復合微球的制備方法，其特征在于方法的步驟如下1)配制復合水相在室溫下將不銹鋼超細顆粒和工業用纖維素黃原酸酯粘膠按照質量百分比為5％～40％混合，攪拌均勻，升溫至25～35℃，繼續攪拌30～45分鐘；2)懸浮加熱固化成球停止攪拌，加入油類分散相和表面活性劑，然后開動攪拌，25～35℃下懸浮分散30～60分鐘，升溫至90～95℃，保溫1.5～2小時，粘膠固化得到微球；3)再生出均質型微球將固化后的微球從油相中過濾出來，用1～2倍體積的苯洗滌去除油層，再分別使用2～3倍體積的甲醇、含30％乙酸的乙醇溶液或10％硫酸溶液再生，最后用自來水洗滌，得到核殼型復合微球；4)篩分和擴張床浮選先在濕態下篩分至60～300μm，然后將粗篩過的微球置于擴張床中進行擴張篩選，控制擴張高度為起始沉降高度的2.5～3.5倍，穩定30～45分鐘，除去最上部0.5～1cm高度的微球，收集床內微球，即為所需的擴張床基質。
全文摘要
本發明公開了一種核殼型纖維素/不銹鋼粉復合微球及其制造方法。將超細不銹鋼粉顆粒與工業纖維素黃原酸酯粘膠混勻，懸浮分散于油相之中，形成油包水型懸浮液，升溫后固化成球，過濾得到微球。步驟如下1)配制復合水相，將不銹鋼粉和工業用纖維素黃原酸酯粘膠混勻。2)加熱固化成球，加入油相和表面活性劑，組成反相懸浮分散體系，升溫后固化成球。3)再生得到微球，將微球用有機溶劑洗滌、酸再生，得到核殼型復合微球。4)篩分和擴張床浮選，將再生微球濕態篩分后于擴張床中浮選至一定的粒徑分布。本發明所開發的上述復合微球基質，具有親水性、球形度好、孔度高、耐酸堿、成本低、密度較高且可以調節的優點，擴張性能測試實驗表明可以用作為擴張附吸附過程的基質。
文檔編號C07K1/14GK1485130SQ0314216
公開日2004年3月31日 申請日期2003年8月8日 優先權日2003年8月8日
發明者林東強, 姚善涇, 繆志俊, 雷引林, 朱自強 申請人:浙江大學