聚硅酸酯-聚硅酮酶固定化材料的制作方法
【专利摘要】本发明一般涉及特别是用于二氧化碳捕集和隔离的领域中的酶固定化的改良。已发现利用溶胶-凝胶方法来将酶固定在聚硅酸酯-聚硅酮共聚物涂料和粒子中以及将这些涂料沉积在固态载体上或使用这些粒子的悬浮液会提供供在涉及酶催化剂的工业应用中使用的显著益处。
【专利说明】聚硅酸酯-聚硅酮酶固定化材料 发明领域
[0001] 本发明一般涉及包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物的酶固定化材料。具体来说，本发 明涉及用于固定碳酸酐酶的聚硅酸酯-聚硅酮共聚固定化材料。固定化碳酸酐酶可用于捕 集二氧化碳。
[0002] 发明背景
[0003] 正在开发用于自工业气流捕集二氧化碳（CO2)以降低能量消耗和大气中的CO 2的 环境影响的技术。CO2排放的主要来源包括发电厂、水泥窑、天然气加工设施、氨厂和氢气 厂。捕集的CO2可被隔离或可被再用于：提高油回收率、加工食品或加速可具有多种应用的 藻类生长。在天然气加工和氨生产的情况下，移除CO2是用以满足产品规格的必需步骤。在 工业氢气生产的情况下，移除CO2可提高工厂效率且增加产品输出量。
[0004] 当前，若干备用CO2捕集技术处于商业实施和开发的各个阶段。这些技术包括使 用胺溶剂（特别是单乙醇胺-MEA)进行的化学吸收、物理吸附、膜分离、低温蒸馏，和矿物质 碳酸化用胺进行的化学吸收当前被视为移除大多数气流的CO2，特别是用于清除天然气中 的低水平CO2的成本最低的方法。MEA系统更具反应性，且因此是优选的，但用以自MEA移 除吸收的CO2的能量的需求极高（在每吨CO2约4百万BTU下）且可需要多达约三分之一 的发电厂的锅炉输出量。
[0005] -种出现的替代胺汽提的方案在于并入在低载溶剂存在下特定用于二氧化碳 转化（CO2),从而随后降低再生能量需求以及降低总成本的生物催化剂。碳酸酐酶（CA) (EC4. 2. I. 1)是在自然界中普遍存在且已知会以催化方式将碳酸氢根可逆转化成CO2和水 的酶家族。
[0006] 本领域中需要提高用于工业方法的催化过程中的酶的稳定性和效率的改良材料、 组合物、方法、方法和系统。
[0007] 发明概述
[0008] 在本发明的各种方面之中的是通过在包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物的材料中包 埋来固定酶。
[0009] 在本发明的各种方面之中的是由聚硅酸酯_聚硅酮共聚物中的固定化酶组成的 多孔颗粒。
[0010] 在本发明的各种方面之中的是开发包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物和使二氧化碳 水合的生物催化剂的多孔颗粒。颗粒是于溶液中产生且通常含有亲水性添加剂。生物催化 剂被包埋在粒子组合物中。
[0011] 在本发明的各种方面之中的是一种含有固定在包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物的 涂覆材料中的酶的涂覆的载体。
[0012] 在本发明的各种方面之中的是一种包含固体载体、涂覆组合物和使二氧化碳水合 的生物催化剂的涂覆的载体。涂覆组合物在固体载体的表面上形成层且包含聚硅酸酯-聚 硅酮共聚物和通常亲水性添加剂。生物催化剂被包埋在涂覆组合物中。
[0013] 在本发明的各种方面之中的是如环氧化物、氨基甲酸酯、树脂、氰基丙烯酸酯和甲 基丙烯酸酯的常见商业聚合物粘着剂用以将多孔聚硅酸酯-聚硅酮共聚物颗粒粘着于固 体载体的用途。
[0014] 在本发明的另一方面，涂料和颗粒的组合物是由溶胶和催化剂的反应获得，其中 所述溶胶包含烷氧基硅烷或有机三烷氧基硅烷、聚（硅酮）、亲水性添加剂和使二氧化碳水 合的生物催化剂。
[0015] 另一方面涉及一种用于自含有CO2的气体移除CO2的方法，所述方法包括使含有催 化CO2水合的固定化酶或固定化酶粒子的悬浮液的液体与含有CO2的气体在商业接触器上 接触以促进CO2扩散至所述液体中，随后CO2转化成氢离子和碳酸氢根离子。
[0016] 另一方面涉及一种用于自含有CO2的气体移除CO2的方法，所述方法包括使液体与 含有CO2的气体接触以促进CO2扩散至所述液体中，以及使所述液体中的CO2与本文所述的 涂覆的载体接触以催化CO2水合且形成包含氢离子和碳酸氢根离子的处理的液体。
[0017] 本发明的另一方面涉及一种包含酶和固定化材料的固定化酶，其中所述酶被包埋 在所述固定化材料内且所述固定化材料是由溶胶和催化剂的反应获得，所述溶胶包含烷氧 基娃烧或有机二烧氧基娃烧或偏娃酸醋、（聚（娃丽））和酶。
[0018] 另一方面涉及一种用于制备本文所述的多孔粒子的方法，其包括混合烷氧基硅烷 或偏硅酸酯和/或有机三烷氧基硅烷、聚（硅酮）、亲水性添加剂、碳酸酐酶、催化剂和溶剂 以形成含有包埋的酶的多孔粒子。
[0019] 另一方面涉及一种用于制备本文所述的涂覆的载体的方法，其包括混合烷氧基硅 烷和/或有机三烷氧基硅烷、聚（硅酮）、亲水性添加剂、碳酸酐酶和溶剂以形成溶胶，使所 述溶胶与催化剂接触以形成凝胶，以及使固体载体与所述凝胶接触。
[0020] 另一方面涉及一种涂覆的载体，其包含固体载体和在所述固体载体的表面上形成 层的涂覆组合物，其中所述涂覆组合物包含本文所述的固定化酶。
[0021] 其它目标和特征将在下文中部分地显而易知以及部分地指出。
[0022] 附图简述
[0023] 图IA和IB是与CO2汽提器耦合的CO2吸收器的示意图且图IC是半间歇式反应器 的示意图。
[0024] 图2是实施例21、28和30中利用的闭环反应器的示意图。
[0025] 图3是使用实施例4中的合成程序产生的含有CA/18-冠-6的聚硅酸酯/聚硅氧 烷干凝胶粉末的FTIR。
[0026] 图4含有代表性干凝胶粉末样品的BET氮吸附等温线。
[0027] 图5含有显示代表性干凝胶粉末样品中的BJH孔尺寸分布的图。
[0028] 图6显示使用实施例3中所述的合成程序产生的含有18-冠-6的干凝胶颗粒的 SEM图像。
[0029] 图7显示使用实施例4中的合成程序产生的含有CA/18-冠-6的聚硅酸酯/聚硅 氧烷干凝胶的重量百分比装载量研究。
[0030] 图8显示通过使使用实施例2中所述的合成方法制备的粒子的0. 2重量％混悬液 悬浮液在1/8英寸Tipton陶瓷球上流动所进行的流通实验。
[0031] 图9A-D分别是在25x、1000x、2500x和5000x放大倍数下在陶瓷球上的聚硅酸 酯-聚硅酮共聚涂料的扫描电子显微照片。
[0032] 图10是碳酸酐酶装载水平对通过实施例13制备的涂覆的载体的所得酶活性的影 响的图示。
[0033] 图11是沉积多层聚硅酸酯-聚硅酮共聚物层对通过实施例18制备的使用表面引 发的催化产生的涂覆的载体的所得酶活性的影响的图示。
[0034] 图12是根据实施例18中概述的方法制备的涂覆的Tipton载体的催化活性的图 示，所述催化活性显示为CO2转化百分比和超过裸露陶瓷填充材料的增强乘数。
[0035] 图13显示如实施例18中所述，历经366天在闭环反应器中测量的涂覆的载体的 催化活性和涂料厚度。
[0036] 图14是显示根据实施例18制备的含有包埋有碳酸酐酶的聚硅酸酯源性涂料的三 个涂层的样品随时间的酶保留的图，所述保留是如在连续流环境中持续42天所测定（如实 施例18中所述）。
[0037] 图15是显示根据实施例18制备的涂覆的载体在痕量污染物SO2和NO2存在下的 催化活性的图。
[0038] 图16是显示根据实施例18制备的涂覆的载体在使用燃煤烟道气下的催化活性的 图。
[0039] 图17显示使用实施例26中所述的制剂和方法涂覆的涂覆2" Sulzer填料单元的 Kg。
[0040] 图18显示在利用0. 051摩尔％ NH4F催化剂下使用实施例26中所述的制剂和方 法涂覆的2" Sulzer结构化填充材料的涂料厚度研究（描述为质量）。
[0041] 图19显示使用实施例27中所述的制剂和方法涂覆的2" Sulzer填料单元的Ke。
[0042] 图20显示根据实施例3利用使用甲醇稀释法制备的干凝胶粉末产生的使用实施 例29中所述的粘着方法涂覆的2" Sulzer填料单元的Ke。
[0043] 图21显示根据实施例7利用使用乙醇稀释法制备的干凝胶粉末产生的使用实施 例29中所述的粘着方法涂覆的2" Sulzer填料单元的Ke。
[0044] 图22显示根据实施例1利用使用磷酸盐缓冲液稀释法制备的干凝胶粉末产生的 使用实施例29中所述的粘着方法涂覆的2" Sulzer填料单元的Ke。
[0045] 在整个图式中相应参考记号指示相应部件。
[0046] 发明描述
[0047] 已发现利用溶胶-凝胶方法来在聚硅酸酯/聚硅氧烷源性材料中固定酶会产生显 示使水中的CO2转化成碳酸氢根和质子的能力出色的功能性材料。这些材料可作为涂料沉 积在固态载体上或以悬浮粒子形式使用。这些材料提供用于涉及酶催化剂的工业应用中的 显著益处。
[0048] 本文所述的聚硅酸酯-聚硅酮共聚材料提供一种用于固定酶的多功能平台。这种 多功能性部分地归因于粒子和涂料的性质可基于选择组分取代基加以改良的程度较高。举 例来说，涂料的孔尺寸、亲水性/疏水性、转运性质和酶功能性可通过适当选择组分取代基 加以控制。
[0049] 本文所述的聚硅酸酯-聚硅酮共聚物涂料可应用于固体载体。有利的是聚硅酸 酯-聚硅酮共聚物涂料可应用于可商购获得的适用于各种反应器，包括填充床反应器中的 填充材料。
[0050] 涂覆的载体可包含固定生物催化剂的聚硅酸酯-聚硅酮共聚物，所述聚硅酸 酯-聚硅酮共聚物由粘着涂料粘着于固体载体。
[0051] 这些材料也可用于涂覆可用于填充床或流化床反应器中的固体粒子。
[0052] 或者，本文所述的这些方法也可用于产生具有均一或分布的粒度的粒子，通常被 称为干凝胶，其可用于流化床反应器或塔接触器中。
[0053] 所得聚硅酸酯/聚硅氧烷共聚物源性干凝胶是显示一定范围的粒度的多孔颗粒， 且与允许高度保留固定化酶和它的催化活性的涂料类似。
[0054] 粒度、孔尺寸以及特性的化学和物理性质可通过合成方法加以控制。
[0055] 本文所述的材料可为如以下更详细所述的聚硅酸酯/聚硅氧烷共聚物。
[0056] 举例来说，相较于裸露陶瓷和不锈钢填充材料，用根据本文所述的方法制备的固 定化酶涂覆的填充材料极大增加了二氧化碳转化成碳酸氢根的速率。举例来说，已在45°C 下持续大于200天在连续流动反应器中达成高速持续CO2转化。
[0057] 同样，已产生样品并持续超过一年加以测试发现所述样品仍然保留超过空白溶剂 的催化活性。
[0058] 本文所述的涂覆的载体、方法和系统特别适用于捕集和隔离液体环境中的二氧化 碳。
[0059] 此外，本文所述的涂覆的载体、方法和系统可特定用于捕集和隔离水性环境中的 二氧化碳。
[0060] 涂覆的载体
[0061] 本文所述的涂覆的载体包含固体载体、在所述固体载体的表面上形成层的涂覆组 合物，所述涂覆组合物包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物和在一些情况下亲水性添加剂和/或 表面活性剂；以及包埋在所述涂覆组合物中的催化二氧化碳水合的生物催化剂。它们适用 于生物工业方法中。
[0062] 因为生物催化剂催化二氧化碳水合，所以涂覆的载体特别适用于捕集和隔离二氧 化碳的方法中。具体来说，催化二氧化碳水合的生物催化剂包括碳酸酐酶。
[0063] 通常，涂覆的载体包含固定在涂覆组合物内的酶，其中所述涂覆组合物在固体载 体的表面上形成一个或多个层。
[0064] 涂覆组合物可使用溶胶-凝胶方法制备，其中溶胶和催化剂在酶存在下反应。所 得涂料包含聚硅酸酯_聚硅酮共聚物，其中所述酶被固定在所述聚硅酸酯-聚硅酮共聚物 结构的孔中。
[0065] 固体载体
[0066] 固体载体的尺寸、形状和表面特征可视特定应用而变化。在许多情况下，合乎固体 载体需要的是具有相对较高的表面积以使可用于与涂料接触的空间最大化。视特定应用而 定，优选材料应具有热和化学稳定性以在PH7至11和温度40°C至130°C下使用。优选操作 温度范围通常是40°C至60°C。不锈钢、聚合物和陶瓷材料例如具有有利用于许多应用的热 和化学特征。
[0067] 固体载体可为可商购获得的无规或结构化填充材料。可商购获得的无规填充 材料的实例包括贝尔鞍形（Berl saddle)填料、槽鞍形（Intalox saddle)填料、拉西环 (Raschig ring)或鲍尔环（Pall ring)填料。无规填充材料可包括各种材料，包括例如陶 瓷、塑料、不锈钢及其组合。可商购获得的结构化填充材料的实例包括陶瓷整体材料以及结 构化钢和塑料填充材料。这些填充材料特别适用于填充床反应器中。
[0068] 可商购获得的填充材料是适用的，因为它们通常具有高的表面积与体积比且固定 化材料能够粘着于填充材料的表面，且因此可高效用于工业应用。
[0069] 当如本文所述加以涂覆时，商业填充材料特别适用于其中自气相捕集二氧化碳的 工业环境中。
[0070] 固体载体的表面可在涂覆之前加以处理以提供合乎需要的性质。举例来说，通常 腐蚀陶瓷固体载体的表面以增加可用表面积和反应性官能团的数目。不锈钢载体可出于类 似目的经受除垢或化学氧化。
[0071] 固体载体的表面可在应用涂料之前用底漆涂层预处理以在载体的表面处提供反 应性部分。这可提供载体与涂料之间的粘着改良。通常，底涂料包含含有侧羟基或硅烷醇 基官能基的有机和/或无机聚合物。
[0072] 涂料
[0073] 因为涂料用于固定酶，所以它有时在本文中被称为固定化材料。本文所述的这些 涂料或固定化材料是聚硅酸酯-聚硅酮共聚物。
[0074] 本文所述的聚硅酸酯-聚硅酮共聚物涂料提供一种用于固定酶的多功能平台。这 种多功能性部分地归因于涂料的性质可基于选择组分取代基加以改良的程度较高。举例来 说，涂料的孔尺寸、亲水性/疏水性和酶功能性可通过适当选择组分取代基加以控制。
[0075] 可在微孔性与大孔性之间广泛分布的涂料多孔性有助于将反应物和产物转运至 聚合结构中以及转运出聚合结构。因此，三维基质能够将酶有效保留在涂料内而不过度限 制它的活性。
[0076] 干凝胶粒子
[0077] 本文所述的干凝胶粒子包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物、亲水性添加剂和包埋在粒 子组合物中的催化二氧化碳水合的生物催化剂。所得材料的悬浮液适用于生物工业方法 中。
[0078] 所得粒子可使用水性稀释剂或醇稀释剂在单锅中加以合成。
[0079] 粒度通常在数百纳米至数百微米的范围内。通常，用于此处所述的悬浮液应用中 的粒度在25至50 ii m、50至75 ii m、或100至250 ii m的范围内。
[0080] 如同上述涂料一样，选择合成方法和反应性组分可用于控制粒度和基质的潜伏性 质，包括粒度、孔尺寸和疏水性。
[0081] 通常，最优化干凝胶粒子由2至10重量％固定化酶组成。然而，酶重量百分比可 易于通过调整添加至合成混合物中的酶量来控制。
[0082] 也可在微孔性与大孔性之间广泛分布的粒子多孔性用于帮助将反应物和产物转 运至聚合结构中以及转运出聚合结构；粒子的这种多孔性会降低传质限制。因此，三维基质 将酶有效保留在涂料内而不显著降低酶的活性。
[0083] 通常，在室温下在pH约10下，在碳酸盐缓冲液中历经数天、数周和数月的时间观 察到大于80%酶保留。
[0084] 这些粒子的酶活性已在间歇式反应器容器中以及在逆流塔中加以显示。
[0085] 在间歇式反应器研究中，于2. OM碳酸钾/碳酸氢钾（pH10. 0)中含有0. 2重量％ 颗粒的悬浮液已显示传质系数（Ke)高达0. 16mmol/s ? m2 ? kPa。
[0086] 在间歇式反应器研究中，固定在聚硅酸酯/聚硅氧烷粒子中的碳酸酐酶已显示在 类似装载水平下，超过可溶解的酶的增强性能。
[0087] 这种以上提及的增强现象已被归因于粒子的密度较低（即空隙体积较高）以及它 们随后在反应溶液的表面处的浓度较低。固定化酶粒子的这个表面浓度降低了自气相至液 相的传质贡献。
[0088] 除间歇式反应器系统之外，已制备较大体积的悬浮液且在含有无规填料与结构化 填料两者作为接触器材料的流通式反应器中进行分析。已观察到在良好分散的流通混悬系 统中的催化改良高达在填充床反应器系统中的六倍。
[0089] 使用聚合物粘着剂使干凝胶粒子连接于固体载体
[0090] 作为一种利用上述干凝胶粒子的替代性方法，聚合物粘着剂可用于使含酶粉末粘 着于固体载体的表面。
[0091] 可用于这个方法中的典型聚合物粘着剂是环氧化物、氨基甲酸酯、树脂、氰基丙烯 酸酯和甲基丙烯酸酯。通常，环氧化物和氨基甲酸酯是优选的。
[0092] 固体载体可通过将固体载体浸渍到聚合物粘着剂中来用在适于所选聚合物粘着 剂的溶剂中稀释的聚合物粘着剂处理。在聚合物粘着剂完全固化之前，使聚合物粘着剂层 与包含酶的聚硅酸酯_聚硅酮共聚物粉末粒子接触。在室温下干燥所得涂覆的固体载体3 小时，且接着在55°C至90°C下热固化24至96小时。
[0093] 通常，通过将固体载体浸渍于不完全固化的聚合物粘着剂中且接着使用聚合物粘 着剂涂覆的固体载体与包含酶的聚硅酸酯-聚硅酮共聚物粉末粒子接触来用双组分环氧 化物或氨基甲酸酯聚合物粘着剂处理固体载体。再次，在室温下干燥所得涂覆的固体载体 3小时，且接着在55°C至KKTC下热固化24至96小时。
[0094] 所得物是用粘着的聚硅酸酯_聚硅酮共聚物固定化酶粒子涂覆的结构化填料。
[0095] 此外，用于制备涂覆的载体的方法可包括混合（i)烷氧基硅烷或有机三烷氧基硅 烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮），（iii)亲水性添加剂，（iv)碳酸酐酶，和（V)溶剂以形成 溶胶；使所述溶胶与催化剂接触以形成凝胶；干燥所述凝胶且形成干凝胶粒子；使固体载 体与粘着涂料接触；以及使具有所述粘着涂料的所述固体载体与所述干凝胶粒子接触以形 成所述涂覆的载体。
[0096] 用这个方法涂覆的结构化填充材料已显示传质系数（Ke)高达0. 12mmol/ s ? m2 ? kPa〇
[0097] 聚硅酸酯-聚硅酮共聚物
[0098] 本文所述的涂料和粒子的组合物包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物，其通常由烷氧基 硅烷或有机三烷氧基硅烷和聚（硅酮）获得。因为硅酸酯和硅酮可被设计来易于在溶液中 形成三维聚合物网络，所以它们可用于形成用于包埋酶的聚合物。
[0099] 聚硅酸酯-聚硅酮共聚物可由溶胶和催化剂的反应获得，所述溶胶包含（i)烷氧 基硅烷或有机三烷氧基硅烷，（ii)聚（硅酮），（iii)亲水性添加剂，和（iv)催化二氧化碳 水合的生物催化剂。溶胶可任选地进一步包含表面活性剂。
[0100] 如以下更详细所述，催化二氧化碳水合的生物催化剂可为碳酸酐酶。
[0101] 烧氧基娃烧可具有式1结构
[0102]
【权利要求】
1. 一种固定化酶，其包含 酶；以及 固定化材料； 其中所述酶被包埋在所述固定化材料内且所述固定化材料是由溶胶和催化剂反应获 得，所述溶胶包含（i)烷氧基硅烷或有机三烷氧基硅烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮），和 (iii)酶。
2. 如权利要求1所述的固定化酶，其中所述聚（硅酮）包括聚（硅氧烷）。
3. 如权利要求1或2所述的固定化酶，其中所述溶胶进一步包含亲水性添加剂。
4. 一种包含固定生物催化剂的聚硅酸酯-聚硅酮共聚物的涂覆的支撑物载体；所述聚 硅酸酯-聚硅酮共聚物由粘着涂料粘着于固体载体。
5. 如权利要求4所述的涂覆的载体，其中所述生物催化剂包括酶。
6. 如权利要求1至3和5中任一项所述的固定化酶或涂覆的载体，其中所述酶包括脂 酶、葡萄糖异构酶、腈水解酶、葡萄糖氧化酶、蛋白酶、碳酸酐酶、胃蛋白酶、淀粉酶、真菌淀 粉酶、生麦芽糖淀粉酶、纤维素酶、乳糖酶、酯酶、碳水化物酶、半纤维素酶、戊聚糖酶、木聚 糖酶、支链淀粉酶、3 -葡聚糖酶、乙酰乳酸脱羧酶、3 -葡萄糖苷酶、谷氨酰胺酶、青霉素酰 化酶、氯过氧化物酶、天冬氨酸3 -脱羧酶、环糊精糖基转移酶、枯草杆菌蛋白酶、酰化氨基 酸水解酶、醇脱氢酶、氨基酸氧化酶、磷酸脂酶、脲酶、胆固醇酯酶、脱亚磺酸酶、木质素过氧 化物酶、果胶酶、氧化还原酶、葡聚糖酶、葡萄糖苷酶、半乳糖苷酶、葡糖淀粉酶、麦芽糖酶、 蔗糖酶、转化酶、柚皮苷酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、肽酶、凝乳 酶、嗜热菌蛋白酶、胰蛋白酶、甘油三酯酶、胃前酯酶、磷酸酶、植酸酶、酰胺酶、谷氨酰胺酶、 溶菌酶、催化酶、脱氢酶、过氧化物酶、裂解酶、延胡索酸酶、组氨酸酶、氨基转移酶、连接酶、 环化酶、消旋酶、变位酶、氧化酶、还原酶、木质素酶、漆酶、氯过氧化物酶、齒代过氧化物酶、 氢化酶、固氮酶、醇腈酶或其组合。
7. -种涂覆的载体，其包含 固体载体； 在所述固体载体的表面上形成层的涂覆组合物，所述涂覆组合物包含聚硅酸酯-聚硅 酮共聚物和亲水性添加剂；以及 包埋在所述涂覆组合物中的催化二氧化碳水合的生物催化剂。
8. 如权利要求1至7中任一项所述的固定化酶或涂覆的载体，其中所述酶或生物催化 剂是碳酸酐酶。
9. 如权利要求4至6和8中任一项所述的涂覆的载体，其中所述粘着涂料包含聚合物 粘着剂。
10. 如权利要求9所述的涂覆的载体，其中所述聚合物粘着剂包含氨基甲酸酯聚合物、 环氧化物聚合物、树脂、氰基丙烯酸酯聚合物、甲基丙烯酸酯聚合物或其组合。
11. 如权利要求9或10所述的涂覆的载体，其中所述聚合物粘着剂包含多组分粘着聚 合物。
12. 如权利要求11所述的涂覆的载体，其中所述粘着聚合物包括双组分环氧化物聚合 物、双组分氨基甲酸酯聚合物或其组合。
13. 如权利要求12所述的涂覆的载体，其中所述粘着聚合物包括双组分环氧化物聚合 物。
14. 如权利要求4至13中任一项所述的涂覆的载体，其中所述聚硅酸酯-聚硅酮共聚 物包括硅酸酯-硅氧烷共聚物。
15. 如权利要求4至14中任一项所述的涂覆的载体，其中所述涂覆组合物是由溶胶反 应获得，所述溶胶包含（i)烷氧基硅烷或有机三烷氧基硅烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮）， (iii)亲水性添加剂，和（iv)催化二氧化碳水合的生物催化剂。
16. 如权利要求15所述的涂覆的载体，其中所述涂覆组合物是由溶胶和催化剂反应获 得。
17. 如权利要求15或16所述的涂覆的载体，其中所述聚（硅酮）选自由聚（硅氧烷）、 聚（硅酸甘油酯）和聚倍半硅氧烷组成的组。
18. 如权利要求17所述的涂覆的载体，其中所述聚（硅酮）包括聚（硅氧烷）。
19. 一种用于自含有CO2的气体移除CO2的方法，所述方法包括 使液体与含有CO2的气体接触；以及使所述液体中的CO2与如权利要求7至18中任一 项所述的固定化酶或涂覆的载体接触以催化所述CO2水合并形成包含氢离子和碳酸氢根离 子的经处理的液体。
20. 如权利要求19所述的方法，其中所述液体是水性液体。
21. -种用于自含有CO2的气体移除CO2的包括反应容器的系统，所述反应容器包括含 有气体进口和液体出口的底部部分、含有液体进口和气体出口的顶部部分、以及含有多种 如权利要求7至18中任一项所述的涂覆的载体或固定化酶的中间部分，所述碳酸酐酶能够 催化CO2水合成氢离子和碳酸氢根离子。
22. 如权利要求19至21中任一项所述的用于自含有CO2的气体移除CO2的方法或系 统，其中所述固定化酶呈粒子形式。
23. 如权利要求22所述的用于自含有CO2的气体移除CO2的系统，其中所述固定化酶 粒子呈处于所述反应容器的中间部分的混悬液悬浮液形式。
24. 如权利要求21至23中任一项所述的用于自含有CO2的气体移除CO2的系统，其进 一步包括第二反应容器，所述第二反应容器含有如权利要求7至18中任一项所述的涂覆的 载体或固定化酶的悬浮液，其中所述碳酸酐酶能够催化所述氢离子和所述碳酸氢根离子转 化成CO2和水。
25. 如权利要求24所述的用于自含有CO2的气体移除CO2的系统，其中所述固定化酶 呈粒子形式。
26. 如权利要求24或25所述的用于自含有CO2的气体移除CO2的系统，所述第二反应 容器是氢离子和碳酸氢根离子被转化成CO2和水所处的场所。
27. -种用于制备固定化酶的方法，其包括： 混合（i)烷氧基硅烷或有机三烷氧基硅烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮），（iii)亲水性 添加剂，（iv)碳酸酐酶，和（V)溶剂以形成溶胶； 使所述溶胶与催化剂接触以形成凝胶；以及 在约55°C至约100°C的温度下固化所述凝胶。
28. 如权利要求27所述的方法，其中所述温度是约70°C至约85°C。
29. 如权利要求27或28所述的方法，其中固化所述凝胶24小时至72小时。
30. -种用于制备如权利要求7至18中任一项所述的涂覆的载体的方法，其包括： 混合（i)烷氧基硅烷或有机三烷氧基硅烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮），（iii)亲水性 添加剂，（iv)碳酸酐酶，和（V)溶剂以形成溶胶； 使所述溶胶与催化剂接触以形成凝胶；以及 使固体载体与所述凝胶接触。
31. -种用于制备如权利要求4至6以及8至18中任一项所述的涂覆的载体的方法， 其包括： 混合（i)烷氧基硅烷或有机三烷氧基硅烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮），（iii)亲水性 添加剂，（iv)碳酸酐酶，和（V)溶剂以形成溶胶； 使所述溶胶与催化剂接触以形成凝胶； 干燥所述凝胶并形成干凝胶粒子； 使固体载体与所述粘着涂料接触； 使具有所述粘着涂料的固体载体与所述干凝胶粒子接触以形成所述涂覆的载体。
32. 如权利要求30或31所述的方法，其中所述聚（硅酮）包括聚（硅氧烷）。
33. 如权利要求30或31所述的方法，其进一步包括干燥所述所得涂覆的载体。
34. 如权利要求30、32或33中任一项所述的方法，其进一步包括用另一层所述凝胶涂 覆所述涂覆的载体。
35. 如权利要求30至34中任一项所述的方法，其中所述溶剂是水性的。
36. 如权利要求1至3以及15至35中任一项所述的载体、工艺方法、系统、固定化酶或 方法，其中所述烷氧基硅烷是四甲基原硅酸酯、四乙基原硅酸酯、甲基三乙基原硅酸酯、乙 基三甲基原硅酸酯、二甲基二乙基原硅酸酯、硅酸四甘油酯或其组合。
37. 如权利要求1至3以及15至36中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方 法，其中所述有机三烷氧基硅烷是三甲氧基甲基硅烷、三甲氧基乙基硅烷或其组合。
38. 如权利要求37所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述烷氧基硅烷包 括四甲基原娃酸酯。
39. 如权利要求1至3以及15至38中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方 法，其中所述聚（硅酮）是选自由聚（二甲基硅氧烷）、聚（二甲基硅氧烷）_共-聚（氧化 烯）或其组合组成的组的聚（硅氧烷）。
40. 如权利要求39所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述聚（硅氧烷）包 括聚二甲基硅氧烷。
41. 如权利要求1至3以及15至40中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方 法，其中所述聚（硅酮）是硅烷醇封端的。
42. 如权利要求1以及15至41中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其 中所述亲水性添加剂是聚（乙烯醇）、聚（环氧乙烷）、季铵聚合物、冠醚、环糊精、表面活性 齐U、十六烷基三甲基溴化铵、聚（1-甲基-4-乙烯基吡啶鎗溴化物）、聚（丙烯酰胺-甲基丙 烯酰基氧基乙基三甲基溴化铵）或其组合。
43. 如权利要求42所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述季铵聚合物是 聚（二烯丙基二甲基氯化铵）、聚（1-甲基-4-乙烯基吡啶鎗溴化物）、聚（丙烯酰胺-甲 基丙烯酰基氧基乙基三甲基溴化铵）或其组合。
44. 如权利要求43所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述季铵聚合物包 括聚（二烯丙基二甲基氯化铵）。
45. 如权利要求42至44中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述 环糊精是a-环糊精、￠-环糊精、Y-环糊精或其组合。
46. 如权利要求45所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述环糊精包括 环糊精。
47. 如权利要求42至46中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述 表面活性剂是N，N-双（3-D-葡萄糖酰氨基丙基）胆酰胺（BigCHAP)、N，N-双（3-D-葡萄 糖酰氨基丙基）脱氧胆酰胺（脱氧BigCHAP)、聚氧乙烯醇（Bri j35和Brij 58 P)、2-环己 基甲基-0-D-麦芽糖苷（Cymal-I)、2_环己基乙基-P-D-麦芽糖苷（Cymal-2)、环己基戊 基-6-〇-麦芽糖苷（〇5〇1^1-5)、环己基己基-6-〇-麦芽糖苷（〇5〇1^1-6)、癸基-6-〇-批喃 麦芽糖苷、正十二基-P -D-麦芽糖苷、正十六基-P -D-麦芽糖苷、i^一基-P -D-麦芽糖 苷、癸基-D-I-硫代吡喃麦芽糖苷、辛基-D-硫代吡喃葡萄糖苷、毛地黄皂苷、二甲 基癸基氧化膦、十二基二甲基氧化膦、（辛基苯氧基）聚乙氧基乙醇（IGEPAL? CA630)、 N-辛酰基-N-甲基葡糖胺（MEGA-8)、N-壬酰基-N-甲基葡糖胺（MEGA-9)、N-癸酰基-N-甲 基葡糖胺（MEGA-IO)、聚氧乙烯辛基酚（Nonidet? P40替代物）、聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌 段共聚物（Pluronic?F-68)、聚（乙二醇）-嵌段-聚（丙二醇）-嵌段-聚（乙二醇） (Pluranic? P-123)、皂素、聚氧乙烯9-月桂基醚（Thesk? )、聚氧乙烯辛基酚（例如 Triton? X-100和Triton? X-114)、失水山梨糖醇单月桂酸酯的聚氧乙烯衍生物（例如 TWEEN? 20、TWEEN? 40 和 TWEEN? 80)、N, N-二甲基十二胺-N-氧化物、醇乙氧 基化物（Synperonic? A7)或其组合。
48. 如权利要求42至46中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述 溶胶进一步包含十六烷基三甲基溴化铵。
49. 如权利要求47所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述表面活性剂包 括十六烷基三甲基溴化铵（CTAB)。
50. 如权利要求42至49中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述 冠醚是12-冠-4、1，7-二氮杂-12-冠-4、1，4,8，11-四硫杂环十四烷、1，4,8，12-四氮杂 环十五烷、15-冠_5、18_冠-6、二苯并-18-冠-6、二环己并-18-冠-6、（18-冠-6)-2, 3， 11，12-四甲酸、1-氮杂-18-冠-6、二氮杂-18-冠-6或其组合。
51. 如权利要求50所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述冠醚包括 18-冠-6。
52. 如权利要求3以及15至51中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其 中所述烷氧基硅烷包括四甲基原硅酸酯，所述聚（硅氧烷）包括聚二甲基硅氧烷，且所述亲 水性添加剂包括冠醚。
53. 如权利要求8至52中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述碳 酸酐酶是胞质碳酸酐酶、线粒体碳酸酐酶、分泌的碳酸酐酶或膜相关的碳酸酐酶。
54. 如权利要求53所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述碳酸酐酶是哺 乳动物碳酸酐酶、植物碳酸酐酶或微生物碳酸酐酶。
55. 如权利要求54所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述碳酸酐酶包括 牛碳酸酐酶、人碳酸酐酶或微生物碳酸酐酶。
56. 如权利要求55所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述碳酸酐酶包括 牛碳酸酐酶II且所述人碳酸酐酶包括人碳酸酐酶IV。
57. 如权利要求1至3以及15至56中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方 法，其中烷氧基硅烷或有机三烷氧基硅烷或偏硅酸酯与聚（硅酮）的摩尔比是约1 : 1、约 2 : 1、约 3 : 1、约 4 : 1、约 5 : 1、约 6 : 1、约 7 : 1、约 8 : 1、约 10 : 1、约 12 : 1、约 15 : 1 或约 20 : 1。
58. 如权利要求1至3以及15至56中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方 法，其中烷氧基硅烷或有机三烷氧基硅烷或偏硅酸酯与聚（硅酮）的摩尔比是约I : 1至 约20 : 1、约2 : 1至约8 : 1、或约3 : 1至约5 : 1。
59. 如权利要求4至58中任一项所述的载体、方法、系统或方法，其中所述固体载体是 可商购获得的填充材料或结构化填充材料。
60. 如权利要求4至58中任一项所述的载体、方法、系统或方法，其中所述固体载体是 可商购获得的无规填充材料。
61. 如权利要求59或60所述的载体、方法、系统或方法，其中所述固体载体包括陶瓷材 料。
62. 如权利要求61所述的载体、方法、系统或方法，其中所述固体载体是陶瓷球。
63. 如权利要求59或60所述的载体、方法、系统或方法，其中所述固体载体包括不锈 钢。
64. 如权利要求1至63中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述涂 料或固定化材料的总孔体积为至少约3 ii L/g至500 ii L/g。
65. 如权利要求1至64中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述涂 料或固定化材料的表面积为至少约lm2/g、至少约5m2/g、至少约10m2/g、至少约20m 2/g、至少 约30m2/g、至少约40m2/g、至少约50m2/g、至少约60m 2/g、至少约70m2/g、至少约80m2/g、至少 约90m2/g、至少约100m2/g、至少约150m2/g、至少约200m 2/g、或至少约300m2/g。
66. 如权利要求1至64中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述涂 料或固定化材料的表面积为约lm2/g至约400m2/g、约5m2/g至约300m 2/g、约10至约150m2/ g、或约15至约100m2/g。
67. 如权利要求1至66中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述涂 料或固定化材料的平均孔尺寸为约2nm至约80nm。
68. 如权利要求4至67中任一项所述的载体、方法、系统或方法，其包含一层或多层所 述涂料，其中碳酸酐酶或酶通过包埋在所述涂料的各层内加以固定。
69. 如权利要求4至68中任一项所述的载体、方法或系统，其中所述涂料共价连接于所 述固体载体。
70. 如权利要求1至3以及15至69中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方 法，其中所述催化剂是氟化铵、氟化钠、氢氧化铵、氢氧化钠或其组合。
71. 如权利要求70所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述催化剂包括氟 化铵。
72. 如权利要求3以及15至71中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法， 其中烷氧基硅烷或有机烷氧基硅烷或偏硅酸酯与亲水性添加剂的摩尔比是约48 : 1、约 36 : 1、约 24 : 1、约 12 : 1 或约 4 : 1。
73. 如权利要求3以及15至71中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法， 其中烷氧基硅烷或有机烷氧基硅烷或偏硅酸酯与亲水性添加剂的摩尔比是约4:1至约 60 : 1、约 15 : 1 至约 45 : 1、或约 30 : 1 至约 40 : 1。
74. 如权利要求3以及15至73中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法， 其中聚（硅酮）与亲水性添加剂的摩尔比是约12 : 1、约9 : 1、约6 : 1、约3 : 1或约 1 ： 1〇
75. 如权利要求3以及15至73中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其 中聚（硅酮）与亲水性添加剂的摩尔比是约I : 1至约30 : 1、约2 : 1至约20 : 1、约 5 : 1至约15 : 1、约6 : 1至约12 : 1、或约8 : 1至约10 : 1。
76. 如权利要求8以及15至75中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其 中烷氧基硅烷或有机烷氧基硅烷与碳酸酐酶的摩尔比是约1300 : 1。
77. 如权利要求8以及15至75中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法， 其中烷氧基硅烷或有机烷氧基硅烷或偏硅酸酯与碳酸酐酶的摩尔比是约4000 : 1至约 600 ： 1〇
78. 如权利要求8以及15至77中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其 中聚（硅酮）与碳酸酐酶的摩尔比是约325 : 1。
79. 如权利要求8以及15至77中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其 中聚（硅酮）与碳酸酐酶的摩尔比是约1000 : 1至约160 : 1。
80. 如权利要求1至3以及15至79中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方 法，其中所述溶胶包含含有所述烷氧基硅烷和聚（硅酮）的稀溶液。
81. 如权利要求80所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述稀溶液中的烷 氧基硅烷的量是至少约10重量％、至少约20重量％、至少约30重量％、至少约40重量％、 或至少约50重量％。
82. 如权利要求80所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述稀溶液中的烷 氧基娃烧的量是约5重量％至约50重量％、约10重量％至约40重量％、或约20重量％至 约30重量％。
83. 如权利要求80至82中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述 稀溶液中的聚（娃酮）的量是至少约2. 5重量％、至少约5重量％、至少约7. 5重量％、或 至少约12. 5重量％。
84. 如权利要求80至82中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述 稀溶液中的聚（硅酮）的量是约1%至约20%、约2. 5%至约15%、约5%至约12. 5%、或 约5%至约7. 5%。
85. 如权利要求80至84中任一项所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述 稀溶液包含有机溶剂。
86. 如权利要求85所述的载体、方法、系统、固定化酶或方法，其中所述有机溶剂包括 醇。
87. 如权利要求30以及32至86中任一项所述的方法，其中所述固体载体是通过浸渍 涂覆、旋转涂覆、喷雾涂覆、辊式涂覆或浸没涂覆来用所述凝胶涂覆的。
88. 如权利要求87所述的方法，其中所述固体载体是通过浸没涂覆来涂覆的。
89. 如权利要求88所述的方法，其中所述浸没涂覆在高剪切下进行。
90. 如权利要求30以及32至89中任一项所述的方法，其中在用所述凝胶涂覆之前使 所述固体载体与腐蚀溶液接触。
91. 如权利要求90所述的方法，其中所述腐蚀溶液包含酸。
92. 如权利要求91所述的方法，其中所述酸是氟化氢。
93. 如权利要求91或92所述的方法，其包括使所述固体载体与包含氧化剂的腐蚀溶液 接触的进一步骤。
94. 如权利要求93所述的方法，其中所述腐蚀溶液包含选自由过氧化氢、氢氧化铵及 其混合物组成的组的氧化剂。
95. 如权利要求94所述的方法，其中所述腐蚀溶液以约1 : 4至约4 : 1的质量比包 含过氧化氢和氢氧化铵。
96. -种涂覆的载体，其是根据如权利要求30至95中任一项所述的方法来产生。
97. 如权利要求7至96中任一项所述的载体、方法、系统或方法，其中催化二氧化碳水 合的所述生物催化剂是酶、核糖酶、脱氧核糖酶、酶模拟物、可催化二氧化碳水合的有机或 无机化合物或其组合。
【文档编号】C12Q1/34GK104334721SQ201380028913
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年3月15日 优先权日:2012年4月6日
【发明者】B·兰博, A·扎克斯, T·L·布舍尔兹, D·C·鲍尔, L·E·韦伯, A·J·林德, C·M·H·杜辛 申请人:埃克民公司