专利名称：微生物载体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及固定化生物领域，特别是涉及一种微生物载体及其制备方法。
背景技术：
固定化生物技术(Immobilized Biotechnology)是从20世纪60年代开始迅速发 展起来的一项新技术，它是通过化学或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域 内，使游离细胞或酶保持活性并可反复利用。固定化生物技术具有微生物密度高、反应迅 速、微生物流失少、产物易分离、反应过程易控制的优点，是一种高效低耗、运转管理容易和 十分有前途的废水处理技术。近20年来，固定化生物技术发展迅速，已取得阶段性成果，尤 其是在美国和日本已经出现具有一定规模的工业实例。 固定化生物技术中，所用的微生物在外可每个凝胶珠都可以看成是一个小的生物 反应器，由于縮短了扩散距离，转化率明显提高，反应结束后细胞还可以回收并重复使用。 固定化生物技术的作用方法大致有吸附法、共价结合法、交联法和包埋法四大类。目前采用 最多的是吸附法和包埋法。采用吸附法将微生物固定到载体上的时候，很难使微生物稳定 地固定到载体上，从而运行过程中有脱落的可能，而且抗冲击力相对较差。包埋固定法不存 在固定不牢导致的脱落和抗冲击性差等问题，对于底物和产物是小分子的体系十分适合， 这一方面高分子网络具有明显的优势。但目前的高分子网络的交联度越高，材料稳定性越 好，所形成载体的强度和稳定性就越好，但其扩散行为却急剧下降，因此现有的微生物载体 难以兼顾材料的稳定性、微生物和/或酶的活性和扩散行为。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种微生物载体及其制备方法，是一种具有互穿网 络结构的微生物载体，不但可保证材料的稳定性，且可以保证所承载微生物和/或酶的活 性和扩散性。 本发明的目的是通过下述技术方案实现的 本发明实施例提供一种微生物载体，该载体为通过聚合反应制备的具有互穿网络 结构的水凝胶材料，所述水凝胶材料由主体网络部分和互穿部分所组成，其中所述主体网 络部分为由水溶性自由基聚合单体经自由基聚合形成的主体网络；所述互穿部分由具有相 互作用基团的水溶性或水分散性高分子以线性或物理交联形式存在形成互穿网络。
本发明实施例还提供一种微生物载体的制备方法，包括 按下述的配比取制备微生物载体的各原料
能自由基聚合的水溶性单体 水溶性或水分散性高分子 自由基聚合引发剂 交联剂
微生物和/或酶
3 30wt% 0. 001 10wt% 0. 01 1. 5wt% 0. 01 3wt% 0. 2 10wt%
水 45. 5 95wt% ; 将能自由基聚合的水溶性单体、水溶性或水分散性高分子、微生物和/或酶、水、 交联剂和自由基聚合引发剂组分加入容器中，混合均匀，在0 5(TC的恒温条件下放置2 分钟 2小时后，把聚合形成的水凝胶材料从容器中取出，切成立方体状，即得到微生物载 体。 从上述本发明的技术方案中可以看出，本发明实施例中通过在微生物载体内部及 表面由水溶性自由基聚合单体经自由基聚合形成高分子网状结构，使互穿组分的溶胀行为 可控；而互穿组分之间存在的物理相互作用，也形成部分全互穿部分半互穿的网络结构。 从而使得到的微生物载体材料拥有了良好的稳定性，同时在大量亲水基团的存在下，该微 生物载体材料的扩散性得以保持甚至提高，在一定程度上既兼顾了微生物载体材料的稳定 性，又提高了微生物和/或酶的活性和扩散行为。因此，该微生物载体材料在未明显降低扩 散性的条件下，获得了高的压縮比，更加适合作为微生物载体的用途。
具体实施例方式
本发明实施例提供一种微生物载体，该微生物载体为具有互穿网络结构的水凝胶
材料，该水凝胶材料的互穿网络结构由主体网络部分和互穿部分所组成，其中主体网络部
分由水溶性的单体经自由基聚合形成；互穿部分由具有相互作用基团的水溶性或水分散性
高分子以线性或物理交联形式存在，形成互穿网络，为全互穿网络和半互穿网络。 在微生物载体内部及表面由水溶性的单体经自由基聚合形成高分子网状结构，使
互穿组分的溶胀行为可控；而互穿组分之间存在的物理相互作用，也形成部分全互穿部分
半互穿的网络结构。从而使材料拥有了良好的稳定性，同时在大量亲水基团的存在下，材料
的扩散性却得以保持甚至提高，可以在一定程度上兼顾材料的稳定性、微生物和/或酶的
活性和扩散行为。总之，在不使扩散性明显降低的条件下，使材料获得了高的压縮比，更加
适合作为微生物载体或微生物酶载体的用途。 上述微生物载体由下述配比的各原料制备而成 水溶性可自由基聚合聚合单体3 30wt^、水溶性或水分散性高分子0. 001 10wt % 、自由基聚合弓I发剂0. 01 1. 5wt % 、交联剂0. 01 3wt % 、微生物和/或酶0. 2 10wt^禾口水45. 5 95wt% ; 上述配方中，能自由基聚合的水溶性单体为含有双键的能自由基聚合的单体，如
可以是水溶性的酰胺类、水溶性丙烯酸类或水溶性丙烯酸酯单体中的任一种或任意几种
的组合物。如可以是丙烯酰胺，丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸羟乙酯，甲基丙烯酸-P-羟
乙酯等中的任一种或任意几种的组合物，优选采用丙烯酰胺，丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯
酸-e-羟乙酯，可以单独使用一种，也可以将两种或两种以上组合使用。 上述微生物载体的互穿部分的水溶性或水分散性高分子为具有羟基、酰胺基、羧
基、羰基、羧酸盐基、胺基、醚氧基等基团中的一种或多种，使体系存在大量分子内或分子间
的非共价作用，如形成氢键，互相排斥或吸引，或在金属离子存在时有螯合作用，或使高分
子具有增稠或增强性能。如海藻酸钠、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙二醇、聚乙烯醇、水溶
性聚氨酯、水溶性多糖等；该水溶性或水分散性高分子的分子量大于2000，优选分子量大
于10000。
上述微生物载体配方中的引发剂选用氧化还原引发剂，可以选加促进剂。促进剂 可采用亚硫酸盐，亚硫酸氢盐，四甲基亚乙基二胺，二甲胺基丙腈，亚铁盐等中的任一种或 任意几种，促进剂的用量为0. 001 1. 2wt%。 上述微生物载体配方中的交联剂为能参与自由基聚合的具有双官能度和多官能 度的水溶性单体，如该交联剂可采用N， N'-亚甲基双丙烯酰胺，聚乙二醇二丙烯酸酯，聚 乙二醇二甲基丙烯酸酯，双键封端的大分子单体中的任一种或任意几种的混合。
上述微生物载体配方中的采用的微生物和/或酶，可以采用粉体或水分散体，若 采用的是粉体，使用时先用水将微生物和/或酶粉体制成微生物和/或酶水分散体；也可以 直接使用微生物和/或酶的水分散体，只要保证其内按固定计的微生物和/或酶含量符合 上述配方中的用量即可，并且，当使用微生物和/或酶的水分散体时，上述配方中水的用量 中包含微生物和/或酶的水分散体中所含水的量。该微生物和/或酶中的微生物可以是好 氧微生物、兼性微生物或在无氧条件下可以休眠超过2h或可以存活超过2h的微生物中的 一种或多种。 上述制备微生物载体所用原材料组分还可以包括复合增强组分， 一般采用无机 组分，如活性炭、硅藻土、亲水型二氧化硅、玻璃粉、粉煤灰、污泥中的任一种或任意几种的 组合，该复合增强组分的粒径为8 25微米，优选粒径为10 15微米，该复合增强组分的 用量为0. 001 3wt%。 本发明实施例的微生物载体的制备方法具体如下
按上述微生物载体配方取各原料； 将能自由基聚合的水溶性单体、水溶性或水分散性高分子、微生物和/或酶、水、
交联剂和自由基聚合引发剂按配比加入容器中，混合均匀，在0 5(TC恒温条件下放置
2min 2h后，把聚合形成的凝胶从容器中取出，切成近立方体状，即得到微生物载体。 本发明实施例的微生物载体，其制造条件为无氧环境，但对于好氧微生物、兼性微
生物和能在无氧条件下可以休眠超过2h或可以存活超过2h的微生物同样适用，本发明实
施例制得的微生物载体对于具有芽孢的硝化菌也具有很好的活性保持作用。 本发明实施例制备的互穿网络水凝胶的结构均匀，制造方法简便易行，其压縮比
超过55%，最高可达95%，有优异的弹性和渗透性。能够作为微生物载体材料或微生物酶
载体材料使用，适合于在20 45t:可以生存的微生物或微生物酶。 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。 实施例1 本实施例1提供一种微生物载体，该微生物载体是一种具有互穿网络结构的水凝
胶材料，该水凝胶材料由主体网络部分和互穿部分所组成，其中所述主体网络部分为由水
溶性单体经自由基聚合形成的主体网络；互穿部分由具有相互作用基团的水溶性或水分散
性高分子以线性或物理交联形式存在形成互穿网络。 该微生物载体的制备方法如下 按下述配比取各原料 丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性单体) 6wt%
聚乙烯醇(水溶性或水分散性高分子) 2wt% [OO39] 过硫酸铵/亚硫酸氢钠(引发剂) 0. 05wt %
N， N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂) 0. lwt% 聚乙二醇二丙烯酸酯(自由基聚合引发剂)0. 5wt%[OO42] 细菌粉体(微生物和/或酶) 0. 75wt % 无菌水 90. 6wt% 其制备方法为可以先将高分子配成溶液，然后将水溶性单体、高分子溶液、细菌粉体、无菌水、交联剂和引发剂按配比加入作为聚合反应器的容器中，在2(TC温度条件下混合均匀，在40°C的恒温条件下放置25min后，把聚合形成的凝胶从容器中取出，切成3X3X3mm的近立方体状，即制得具有互穿网络结构的微生物载体，该微生物载体的压縮比(变形率)达到88%。
实施例2 本实施例2提供一种微生物载体，该微生物载体是一种具有互穿网络结构的水凝胶材料； 该微生物载体的制备方法如下
按下述配比取各原料 丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性单体)8wt%
聚丙烯酸钠(高分子) 0. 15wt% 过硫酸铵/亚硫酸氢钠(引发剂) 0. 08wt % N，N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂) 0.2wt% 硝化菌水分散体(微生物和/或酶的水分散体，其中按固体计微生物和/或酶的
含量为5wt % ，其余25wt %为水) 30wt % 无菌水 61.55wt% 玻璃粉 0. 02wt% ; 其制备方法为将水溶性单体、高分子、硝化菌水分散体、无菌水、交联剂和玻璃粉按配比加入作为聚合反应器的容器中，3(TC混合均匀，加入引发剂；在3(TC恒温条件下放置40min后，把聚合形成的凝胶从聚合反应器中取出，切成3 X 3 X 3mm的近立方体状，制得具有互穿网络结构的含有硝化菌的微生物载体材料。该微生物载体材料的压縮比(变形率)达到95%。该微生物载体由主体网络部分和互穿部分所组成，其中所述主体网络部分为由水溶性单体经自由基聚合形成的主体网络；互穿部分由具有相互作用基团的水溶性或水分散性高分子以线性或物理交联形式存在形成互穿网络。
实施例3 本实施例3提供一种微生物载体，该微生物载体是一种具有互穿网络结构的水凝
胶材料，该水凝胶材料由主体网络部分和互穿部分所组成，其中所述主体网络部分为由水
溶性单体经自由基聚合形成的主体网络；互穿部分由具有相互作用基团的水溶性或水分散
性高分子以线性或物理交联形式存在形成互穿网络。 该微生物载体的制备方法如下 按下述配比取各原料 丙烯酰胺(能自由基聚合的水溶性单体)10wt%
海藻酸钠(高分子1) 0. 5wt% 丙烯酸钠(高分子2) 0. lwt%
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过硫酸铵或亚硫酸氢钠(引发剂) 0. 06wt % N，N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂) 0.4wt% 微生物和/或酶的水分散体(其中，按固体计的微生物和/或酶含量为0. 2wt%，
其余58. 8wt %的成份为水)60wt %
水 28. 94wt% 其制备方法为先将高分子配成高分子溶液，然后将单体、高分子溶液、微生物和/或酶的水分散体、水、交联剂、引发剂和其它组分按配比加入作为聚合反应器的容器中，混合均匀；在2(TC恒温条件下放置1.5h后，把聚合形成的凝胶从聚合反应器中取出，切成3X 3X 3mm的近立方体状，即制得具有互穿网络结构的微生物载体材料或微生物酶载体材料，该微生物载体材料的压縮比(变形率)达到78%。
实施例4 本实施例4提供一种微生物载体，该微生物载体是一种具有互穿网络结构的水凝胶。 该微生物载体的制备方法如下
按下述配比取各原料 丙烯酸(水溶性单体1) 0. 5wt% ; 甲基丙烯酸羟乙酯(水溶性单体2) 20%
聚乙二醇(高分子，分子量20000) 6wt%
过硫酸钾和亚硫酸氢钠(自由基聚合引发剂)0.3wt%
N， N， N， N-四甲基亚乙基二胺(促进剂)0. 05%[OO79] 聚乙二醇(400)丙烯酸酯(交联剂) 2. 5wt% 细菌制剂(微生物和/或酶) 2wt % 无菌水 67. 65wt% 活性炭粉末(复合增强组分) lwt % 其制备方法为将水溶性单体1、水溶性单体2、高分子、细菌制剂、自由基聚合引发剂、无菌水、交联剂和活性炭粉末按配比加入作为聚合反应器的容器中，2(TC温度下混合均匀，加入促进剂；在l(TC恒温条件下放置60min后，把聚合形成的凝胶从聚合反应器中取出，切成3X3X3mm的近立方体状，即制得具有互穿网络结构的含有硝化菌的微生物载体材料。 综上所述，本发明实施例的微生物载体具有互穿网络结构的微生物载体的压縮比可以达到95 % ，对照目前商品化的微生物载体的压縮比为55 70 % ，说明具有本发明所述结构的载体具有良好的机械性能。扩散性测试结果。另一方面，以4%海藻酸钠以2% CaCl2水溶液固定后的凝胶微珠的扩散系数为l，上述各实施例的扩散系数在.0. 3 2之间，小分子在该载体内部的扩散速率是对照目前的商品化的微生物载体的扩散系数的1. 3 5倍。使用该微生物载体包埋微生物简便易行，所得产品质量稳定，性能优良。
实际中，还可以通过调节水溶性单体、高分子和交联剂的种类和用量来调控载体的扩散性能和压縮性能，并可通过调节自由基聚合引发剂的用量和比例来调整反应温度和反应时间以获得更高的包埋物活性，还可以通过调整微生物和/或酶的加入方式和用量来形成包埋不同的微生物和/或酶的微生物载体。该微生物载体在药物释放、人造肌肉，微生
8物和/或酶固定化等领域均具有潜在的应用价值。 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
一种微生物载体，其特征在于，该载体为通过聚合反应制备的具有互穿网络结构的水凝胶材料，所述水凝胶材料由主体网络部分和互穿部分所组成，其中所述主体网络部分为由水溶性单体经自由基聚合形成的主体网络；所述互穿部分由具有相互作用基团的水溶性或水分散性高分子以线性或物理交联形式存在形成互穿网络。
2. 根据权利要求1所述的微生物载体，其特征在于，所述制备微生物载体所用的原材 料组分包括能自由基聚合的水溶性单体3 30wt%水溶性或水分散性高分子0. 001 ' 10wt%自由基聚合引发剂0. 01 -1. 5wt%交联剂0. 01 -3wt%微生物和/或酶0. 2 -10wt%水45. 5 -95wt%。
3. 根据权利要求2所述的微生物载体，其特征在于，所述制备微生物载体所用原材料 组分还包括复合增强组分，其用量为0. 001 3wt%。
4. 根据权利要求3所述的微生物载体，其特征在于，所述复合增强组分包括 活性炭、硅藻土、亲水型二氧化硅、玻璃粉、粉煤灰、污泥中的任一种无机组分或任意几种组合的无机组分，复合增强组分的粒径为8 25微米。
5. 根据权利要求4所述的微生物载体，其特征在于，所述复合增强组分的粒径为10 15微米。
6. 根据权利要求1或2所述的微生物载体，其特征在于，所述能自由基聚合的水溶性单 体为含有双键的能自由基聚合的单体。
7. 根据权利要求6所述的微生物载体，其特征在于，所述能自由基聚合的水溶性单体 包括水溶性酰胺类单体、水溶性丙烯酸类单体、水溶性丙烯酸酯单体等中的任一种或任意 几种的组合物。
8. 根据权利要求7所述的微生物载体，其特征在于，所述水溶性自由基聚合单体包括 丙烯酰胺，丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸羟乙酯，甲基丙烯酸-P _羟乙酯，优选丙烯酰胺，丙烯酸羟乙酉旨、甲基丙烯酸-e-羟乙酯中的任一种或任意几种的组合物。
9. 根据权利要求1或2所述的微生物载体，其特征在于，所述水溶性或水分散性高分 子为具有羟基、酰胺基、羧基、羰基、羧酸盐基、胺基和醚氧基中一种或几种基团的高分子材 料。
10. 根据权利要求9所述的微生物载体，其特征在于，所述水溶性或水分散性高分子包括海藻酸钠、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙二醇、聚乙烯醇、水溶性聚氨酯、水溶性多糖 中的任一种或任意几种，高分子材料的分子量大于2000。
11. 根据权利要求10所述的微生物载体，其特征在于，所述水溶性或水分散性高分子 的分子量大于10000。
12. 根据权利要求2所述的微生物载体，其特征在于，所述引发剂采用氧化还原引发剂。
13. 根据权利要求12所述的微生物载体，其特征在于，所述引发剂中还加有促进剂，所述促进剂的用量为0. 001 1. 2wt%。
14. 根据权利要求13所述的微生物载体，其特征在于，所述促进剂包括 亚硫酸盐，亚硫酸氢盐，四甲基亚乙基二胺，二甲胺基丙腈，亚铁盐中的任一种或任意几种。
15. 根据权利要求2所述的微生物载体，其特征在于，所述交联剂为能参与自由基聚合 的具有双官能度和多官能度的水溶性单体。
16. 根据权利要求15所述的微生物载体，其特征在于，所述交联剂包括N， N'-亚甲基双丙烯酰胺，聚乙二醇二丙烯酸酯，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，双键封端 的大分子单体中的任一种或任意几种的混合。
17. 根据权利要求2所述的微生物载体，其特征在于，所述微生物和/或酶中的微生物 为好氧微生物、兼性微生物或在无氧条件下能休眠超过2h或存活超过2h的微生物中的任 一种或任意几种。
18. —种微生物载体的制备方法，其特征在于，包括按下述的配比取制备微生物载体的各原料能自由基聚合的水溶性单体 水溶性或水分散性高分子 自由基聚合引发剂 交联剂 微生物和，水`3 30wt%`0. 001 10wt% 0. 01 1. 5wt% 0. 01 3wt%`0. 2 10wt% 45. 5 95wt% ;将能自由基聚合的水溶性单体、水溶性或水分散性高分子、微生物和/或酶、水、交联 剂和自由基聚合弓I发剂组分加入容器中，混合均匀，在0 50°C的恒温条件下放置2分钟 2小时后，把聚合形成的水凝胶材料从容器中取出，切成近立方体状，即得到微生物载体。
全文摘要
本发明涉及一种微生物载体及其制备方法。该微生物载体是通过聚合反应制备的一种互穿网络水凝胶，该水凝胶的互穿网络结构包括主体网络部分和互穿部分；其中的主体网络部分由水溶性的单体经自由基聚合形成，互穿部分由具有相互作用基团的高分子以线性或交联的形式存在，分别形成全互穿网络和半互穿网络。本发明实施例的具有互穿网络结构的微生物载体的压缩比可以达到95％。使用该微生物载体包埋微生物简便易行，所得微生物载体质量稳定，微生物活性和扩散性优良。
文档编号C12N11/08GK101748112SQ20101010057
公开日2010年6月23日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者佟娟, 屈佳玉, 李宗慧, 牛薇, 王凯 申请人:北京桑德环保集团有限公司