一种同时具备分离、吸附和催化功能的多功能仿生膜及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物膜制备领域，涉及一种仿生膜及其制备方法和应用，尤其涉及一种同时具备分离、吸附和催化功能的多功能仿生膜及其制备方法和应用。

背景技术：

酶作为一种生物催化剂，对环境敏感且易失活，通过对酶的固定化不仅能实现对酶的重复使用且增加了酶的稳定性。通过将生物酶固定化到分离膜内制备催化膜，可以实现选择性接收底物并在线分离产物，提高催化效率。常规的酶固定化方法包括物理吸附、包埋、共价键合和化学交联。cn102286453a公开了一种用醋酸纤维素/聚丙烯复合膜固定化磷脂酶的方法，该法采用吸附-交联相结合的固定化方法，但此法消耗大量戊二醛溶剂，且化学交联易造成酶失活。另外，可用静电或疏水吸附和逆向过滤包埋法将酶固定化到膜内(jochems,p.,satyawali,y.etal.,enzymeimmobilizationon/inpolymericmembranes:status,challengesandperspectivesinbiocatalyticmembranereactors(bmrs),greenchem.,2011(13)1609-1623)，从而最大程度的保持了酶的活性，但这些物理固定化方法稳定性较差，在反应过程中酶易泄漏和流失；采用逆向过滤方式进行催化反应，会造成原有膜分离层的抗污染性能丧失，污染物极易在支撑层内堆积，堵塞膜孔并将酶覆盖，降低分离和催化效果。

多巴胺是一种重要的人体激素和神经递质体，它可以在碱性条件和空气存在下发生自聚反应，并可沉积粘附在各种基材上，形成仿生涂层。此种方法源于贝壳类动物分泌的蛋白质可以有效的粘结在物体的湿表面，起主要作用的是 蛋白质中的二羟基苯丙氨酸。因此聚多巴胺也被称为“生物胶水”，目前已广泛应用于有机/无机膜的修饰和制备以及酶固定化。cn104028110a公开了一种利用多巴胺对正渗透膜筛网进行化学改性和修饰的方法，既保持了筛网原有优异的支撑层结构，又能增加筛网亲水性和反应性从而改善支撑层与分离层之间匹配性。但其制备的渗透膜的功能较为单一，且制备过程中需使用均三苯甲酰氯这种有机原料。cn103343116a公开了一种酶基磁性纳米粒，其是利用多巴胺包裹磁性纳米粒，然后利用化学键合将酶固定于纳米粒上，用于葡萄糖的检测，其并不能用于分离等其他用途。

可见在现有的生物催化膜制备技术中，存在载酶率不高、消耗有毒溶剂、酶活保持低以及膜本身性能下降或功能单一等不足，因此，在本领域，期望开发一种具有多种功能以及良好综合性能的高载酶率仿生膜。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种仿生膜及其制备方法和应用，尤其是提供一种同时具备分离、吸附和催化功能的多功能仿生膜极其制备方法和应用，所述仿生膜具有高通量、高抗污染性和高载酶量等特点。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种仿生膜，所述仿生膜为在超滤膜或纳滤膜内黏附有聚多巴胺涂层，在所述聚多巴胺涂层中包埋有酶分子。

本发明所述仿生膜将分离、吸附和催化功能集于一体，是一种具备分离、吸附和催化功能的多功能仿生膜。

在本发明中，超滤膜和纳滤膜可以为商品化的超滤或纳滤复合膜。

优选地，所述超滤膜或纳滤膜由分离层和支撑层组成，其分离层厚度为0.1-50微米，例如0.1微米、0.5微米、1微米、3微米、5微米、8微米、10微 米、15微米、18微米、20微米、25微米、28微米、30微米、35微米、38微米、40微米、45微米、48微米或50微米，支撑层厚度为100-500微米，例如100微米、120微米、150微米、180微米、200微米、240微米、280微米、300微米、340微米、380微米、400微米、430微米、450微米、480微米或500微米。

优选地，所述分离层的截留分子量为100-10000da，例如100da、200da、300da、500da、800da、1000da、1500da、2000da、2500da、3000da、4000da、5000da、6000da、7000da、8000da、9000da或10000da。

优选地，所述分离层的膜材料为醋酸纤维素、再生纤维素、磺化聚砜、聚酰胺、聚醚砜、磺化聚醚砜、聚哌嗪或聚乙烯醇中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述支撑层的膜材料为聚丙烯、聚烯烃或聚酯中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述聚多巴胺涂层是由多巴胺氧化自聚形成的。

优选地，所述酶分子为漆酶、乙醇脱氢酶、过氧化氢酶、脂肪酶或碳酸酐酶中的任意一种或至少两种的组合。

另一方面，本发明提供一种如第一方面所述的仿生膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)利用超滤膜或纳滤膜对酶溶液进行逆向过滤，将酶分子固定至膜内；

(2)向步骤(1)得到的固定有酶分子的超滤膜或纳滤膜上加入多巴胺溶液，多巴胺氧化自聚形成聚多巴胺，其粘附在超滤膜或纳滤膜内形成仿生涂层；

(3)利用水溶液对超滤膜或纳滤膜进行正向过滤冲洗，得到所述仿生膜。

优选地，步骤(1)所述逆向过滤为使酶溶液从超滤膜或纳滤膜的支撑层一侧进入膜内进行过滤。对酶溶液进行逆向过滤时，通过酶分子对膜孔的堵塞而将酶分子固定在膜内。

优选地，步骤(1)所述逆向过滤的操作压力为0.1-4.0bar，例如0.1bar、0.5bar、0.8bar、1bar、1.3bar、1.5bar、1.8bar、2bar、2.4bar、2.8bar、3bar、3.4bar、3.8bar或4bar。

优选地，步骤(1)所述酶溶液为将酶溶解于磷酸缓冲溶液或醋酸缓冲溶液中得到的溶液。

优选地，所述磷酸缓冲溶液或醋酸缓冲溶液的ph值为5.0-5.6，例如5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5或5.6，优选5.2。

优选地，所述酶溶液的浓度为0.1-0.5mg/ml，例如0.1mg/ml、0.15mg/ml、0.2mg/ml、0.25mg/ml、0.3mg/ml、0.35mg/ml、0.4mg/ml、0.45mg/ml或0.5mg/ml。

优选地，步骤(2)所述多巴胺溶液为多巴胺溶于tris-hcl缓冲液中得到的溶液。

优选地，步骤(2)所述多巴胺溶液的浓度为0.1-4.0g/l，例如0.1g/l、0.3g/l、0.5g/l、0.8g/l、1g/l、1.3g/l、1.5g/l、1.8g/l、2g/l、2.4g/l、2.8g/l、3g/l、3.3g/l、3.5g/l、3.8g/l或4g/l。

优选地，步骤(2)所述多巴胺溶液的ph为5.0-9.5，例如5.0、5.2、5.6、5.8、6.0、6.4、6.8、7.0、7.2、7.4、7.8、8.0、8.2、8.5、8.8、9.0、9.3或9.5。

优选地，步骤(2)所述多巴胺氧化自聚在超滤膜或纳滤膜的支撑层上进行。

优选地，步骤(2)所述多巴胺氧化自聚在空气存在下进行。

优选地，步骤(2)所述多巴胺氧化自聚在室温搅拌下进行，搅拌速度为50-300转/分钟，例如50转/分钟、70转/分钟、90转/分钟、100转/分钟、120转/分钟、150转/分钟、180转/分钟、200转/分钟、220转/分钟、240转/分钟、260转/分钟、280转/分钟或300转/分钟。

优选地，步骤(2)所述多巴胺氧化自聚的时间为1-24小时，例如1小时、3小时、5小时、7小时、9小时、10小时、12小时、14小时、16小时、18小时、20小时、22小时或24小时。

优选地，步骤(3)所述正向过滤冲洗为使水溶液从超滤膜或纳滤膜的分离层侧进入进行冲洗。进行正向过滤冲洗的目的是通过正向过滤冲洗将酶分子包埋在聚多巴胺仿生涂层内。

优选地，步骤(3)所述正向过滤冲洗的操作压力为0.1-10bar，例如0.1bar、0.3bar、0.5bar、0.8bar、1bar、2bar、3bar、4bar、5bar、6bar、7bar、8bar、9bar或10bar。

另一方面，本发明提供了如第一方面所述的仿生膜在废液处理中的应用。

本发明所述仿生膜可用于对废液(例如废水等)进行处理，由于其同时具有分离、吸附和催化功能，具有高通量、高抗污染性和高载酶量等特点，使其对废液的处理效率较高。本发明所述仿生膜中聚多巴胺上的羟基和氨基在一定的ph下可带负电或者正电，因此仿生涂层具有静电吸附、π键堆积和螯合作用，可对目标底物进行吸附，为酶催化提供足够的反应时间。通过分离、吸附和催化的多功能协同效应可以强化目标物质的去除。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的仿生膜不仅保留了超滤膜或纳滤膜本身的渗透、分离和抗污染能力，还通过仿生固定化提高了生物酶的稳定性和催化效率，并且在支撑层纤维 上的聚多巴胺涂层具有高比表面积和高吸附容量，同时增加了膜的机械性能。本发明的仿生膜可用于废液处理，其具备的多个功能间具有协同作用，可大大提高目标物质的去除效率。并且该仿生膜的制备方法操作工艺简单、安全节能，采用商品化有机膜，成本低。

附图说明

图1是本发明仿生膜的制备工艺流程示意图，其中1为酶分子，2为支撑层，3为分离层，4为多巴胺，5为仿生涂层。

图2是本发明的仿生膜进行废液处理时的示意图，其中6为大分子污染物，7为目标底物，8为酶解产物。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

在本实施例中，同时具备分离、吸附和催化功能的多功能仿生膜的制备方法如下(其制备工艺流程可以形象地以图1所示示意图来说明)，具体包括以下步骤：

将5mg漆酶分子(图中标识1)加入30ml50mm醋酸缓冲溶液(ph＝5.2)，倒入装有截留分子量为100da聚酰胺纳滤膜的过滤器，纳滤膜支撑层(图中标识2)面向溶液，在操作压力3bar下，通过逆向过滤将漆酶分子截留在纳滤分离层(图中标识3)上，用去离子水将过滤后的纳滤膜冲洗干净，将多巴胺(图中标识4)溶于10ml50mmtris-hcl缓冲液(ph＝8.5)，形成的多巴胺溶液的浓度为2g/l，将其迅速倒入洗净的过滤器内，在100转/分钟的搅拌下反应2 小时，多巴胺发生氧化自聚后粘附在纳滤膜支撑层内形成仿生涂层(图中标识5)，将纳滤膜取出后转换方向，纳滤膜分离层(图中标识3)面向溶液，在操作压力8bar下利用去离子水对膜进行正向过滤冲洗，漆酶分子被仿生涂层包埋固定化，得到仿生膜，其载酶率约为60％。

应用上述制备的仿生膜对模拟废水进行处理，其处理过程可以图2来说明，具体处理方法和处理结果如下：

将模拟废水(1g/l海藻酸钠(图中标识7)和0.03g/l双酚a(图中标识8)，ph＝7.0)倒入上述仿生膜过滤器，在操作压力2bar和300转/min的搅拌下过滤，海藻酸钠(图中标识7)被纳滤膜分离层截留，截留率100％，双酚a被纳滤分离层部分截留，透过的部分被仿生涂层吸附继而被漆酶分子氧化生成酶解产物(图中标识8)流出，去除率为75-80％。而无仿生涂层的催化膜的载酶率仅为3.5％，对双酚a7的去除率为30-40％。

实施例2

在本实施例中，同时具备分离、吸附和催化功能的多功能仿生膜的制备方法如下(其制备工艺流程可以形象地以图1所示示意图来说明)，具体包括以下步骤：

6mg漆酶分子(图中标识1)加入40ml50mm磷酸缓冲溶液(ph＝5.2)，倒入装有截留分子量1kda聚醚砜纳滤膜的过滤器，纳滤膜支撑层(图中标识2)面向溶液，在操作压力4bar下，通过逆向过滤将漆酶分子截留在纳滤分离层(图中标识3)上，用去离子水将过滤后的纳滤膜冲洗干净，将多巴胺(图中标识4)溶于10ml10mmtris-hcl缓冲液(ph＝9.5)，形成的多巴胺溶液的浓度为1g/l，将其迅速倒入洗净的过滤器内，在150转/分钟的搅拌下反应1小时，多巴胺发生氧化自聚粘附在纳滤膜支撑层内形成仿生涂层(图中标识5)，将纳滤膜取出 后转换方向，纳滤膜分离层(图中标识3)面向溶液，在操作压力3bar下过滤去离子水，漆酶分子被仿生涂层包埋固定化，得到仿生膜，载酶率高达65％。

应用上述制备的仿生膜对模拟水解液进行处理，其处理过程可以图2来说明，具体处理方法和处理结果如下：

将模拟水解液倒入过滤器(1g/l木聚糖和0.15g/l阿魏酸，ph＝5.2)，在操作压力2bar和300转/分钟的搅拌下过滤，木聚糖(图中标识6)被纳滤膜分离层截留，截留率大于98％，阿魏酸(图中标识7)被仿生涂层吸附继而被漆酶分子氧化生成酶解产物(图中标识8)流出，去除为100％。而无仿生涂层的催化膜的载酶率仅为6.2％，阿魏酸去除率为20-25％。

实施例3

在本实施例中，同时具备分离、吸附和催化功能的多功能仿生膜的制备方法如下(其制备工艺流程可以形象地以图1所示示意图来说明)，具体包括以下步骤：

将10mg乙醇脱氢酶分子(图中标识1)加入30ml50mm磷酸缓冲溶液(ph＝5.2)，倒入装有截留分子量10kda再生纤维素超滤膜的过滤器，超滤膜支撑层(图中标识2)面向溶液，在操作压力2bar下，通过逆向过滤将乙醇脱氢酶分子截留在超滤分离层(图中标识3)上，用去离子水将过滤后的超滤膜冲洗干净，将多巴胺(图中标识4)溶于10ml50mmtris-hcl缓冲液(ph＝7)，形成的多巴胺溶液的浓度为4g/l，将其迅速倒入洗净的过滤器内，在50转/分钟的搅拌下反应24小时，多巴胺发生氧化自聚粘附在超滤膜支撑层内形成仿生涂层(图中标识5)，将超滤膜取出后转换方向，超滤膜分离层(图中标识3)面向溶液，在操作压力0.1bar下过滤去离子水，乙醇脱氢酶分子被仿生涂层包埋固定化，得到仿生膜，载酶率高达60％。

应用上述制备的仿生膜对模拟水解液进行处理，其处理过程可以图2来说明，具体处理方法和处理结果如下：

将模拟废水(1g/l牛血清蛋白、0.003g/l甲醛和0.07g/l辅酶，ph＝7)倒入过滤器，在操作压力1bar下过滤，牛血清蛋白(图中标识6)被超滤膜分离层截留，截留率100％，甲醛(图中标识7)被仿生涂层吸附继而被乙醇脱氢酶分子氧化生成酶解产物(图中标识8)流出，转化率为70％。而无仿生涂层的催化膜的载酶率仅为2.6％，对甲醛的转化率为7-10％。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的仿生膜及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。