一种具有多尺度定向通道的微反应器及其制备方法和应用

本发明涉及微反应器领域，具体涉及一种具有多尺度定向通道的微反应器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、生物微反应器是一种能够利用微生物、细胞或酶等生物催化剂进行化学反应的装置，它被广泛应用于生物化学、生物工程、食品工艺和环境工程等领域。连续流体催化是生物微反应器一种重要的生产工艺，它通过连续流动的方式，将底物与催化剂进行接触，从而实现高效的化学反应。基于短扩散路径的特性，生物微反应器在连续流体催化过程中可以进行快速混合反应，提高传质传热转化效率和反应产物的选择性、减少原料浪费，从而增加生产效益。此外，生物微反应器还可以根据不同的反应需求进行调整和优化，使得反应过程更加灵活和可控。

2、在常规的工业生产应用中，为了降低反应器内的压力，许多生物微反应器多采用定向通道构筑。而定向通道结构通常采用激光蚀刻方法，如申请号201710134012.7的中国发明公开了一种基于微流控芯片的可控纳米材料合成反应器，通过刻板机激光蚀刻芯片得到定向通道结构反应器。但该方法制备的定向通道生物微反应器造价成本较高。再如申请号202210932361.4的中国发明公开了一种以透明陶瓷作为基片利用激光蚀刻技术雕刻定向通道结构的生物微反应器。该方法制备的定向通道生物微反应器不仅成本高而且反应器只有单一的通道，通道数量有限，无法满足高通量生物反应的需求。而非专利文献公开了一种基于纤维素的仿生微流控生物微反应器(y.s.shen,et al.green chemistry,2023,25:1530-1539)。该生物微反应器通过定向冷冻铸造方法得到了具有垂直排列的多通道和多孔内壁结构，其制备成本低廉，且有效提高了流体的通量和催化剂的负载量，但该微反应器定向通道结构的内径为均一尺寸，当流体穿过内壁多孔进入相邻通道时，产生的扰动作用较小，导致流体在相邻通道之间的传质效率下降，不利于提升反应的催化效率。因此，迫切需要设计一种制备成本低廉且具有不同尺度孔径的定向多孔通道结构来增强生物微反应器的传质能力，从而进一步提高生物催化效率。

3、此外，现如今已开发的大部分生物微反应器并不具备很高的生物相容性，这会极大的影响生物催化的效率。如申请号202210450350.2的中国发明公开一种磁性碳纳米管固定化脂肪酶生物微反应器。该方法制备的生物微反应器虽然重复利用率高，但磁性碳纳米管表面的活性位点不多，会减少酶的负载量，并且其磁性会导致酶的蛋白质结构改变降低酶催化活性。再如申请号201210537190.1的中国发明公开了一种金属丝固定化酶反应器的制备方法。该方法制备的生物微反应器虽然一定程度上提高了酶的负载率，但作为载体的金属材料会引起酶分子的构象改变，导致其发生失活现象，从而降低催化效率。

技术实现思路

1、发明目的：为了解决现有技术中微反应器存在的反应效率低、影响酶反应活性的技术问题，本发明旨在提供一种酶催化活性强、传质效率高的具有多尺度定向通道的微反应器，并且本发明还提供了该微反应器的制备方法和应用。

2、技术方案：本发明所述的具有多尺度定向通道的微反应器为具有由连续不同孔径形成对应不同尺度的定向通道的纤维素材料。

3、优选的，所述纤维素材料包括由连续大孔径形成的大尺度定向通道和由连续小孔径形成的小尺度定向通道，其中，大孔径的孔径范围为400-1000μm，小孔径的孔径范围为10-250μm。

4、本发明所述的具有多尺度定向通道的微反应器的制备方法包括以下步骤：

5、(1)制备含交联纤维素的溶液；

6、(2)将含交联纤维素的溶液倒入模具中，再将模具置于由不同导热系数的金属材料组成的基底上，往模具中加入冷却剂进行定向冷冻至凝固，随后进行冷冻干燥，结束后取出进行充分清洗，随后再次进行冷冻干燥，制得具有多尺度定向通道的纤维素材料；

7、(3)将具有多尺度定向通道的纤维素材料进行酶的固定化处理，结束后即得具有多尺度定向通道的微反应器。

8、进一步地，步骤(1)中，所述含交联纤维素的溶液的制备方法包括以下步骤：

9、11)在低温环境下，将纤维素溶解于氢氧化钠/尿素/水溶液体系中，充分搅拌制得纤维素溶液；

10、12)往纤维素溶液中加入环氧氯丙烷，充分搅拌后制得含交联纤维素的溶液；

11、其中，所述低温环境的温度范围在-10℃到-15℃之间，氢氧化钠/尿素/水溶液体系中，氢氧化钠、尿素与水按质量比(6～9)：(10～13)：(78～84)混合，纤维素的质量为氢氧化钠/尿素/水溶液体系质量的1-5％，环氧氯丙烷与纤维素溶液的体积比为1:20-100。

12、进一步地，步骤(2)中，所述不同导热系数的金属材料包括高导热系数的金属外环、低导热系数的金属中间环和高导热系数的金属中心环，优选的，所述高导热系数的范围为大于400w/mk，低导热系数的范围为小于250w/mk。

13、进一步地，所述的金属外环和金属中心环为纯铜等高导热系数金属；所述的金属中间环为铁、纯铝、不锈钢等低导热系数金属。

14、进一步地，步骤(2)中，所述冷却剂为液氮；所述清洗采用的清洗剂为乙醇，用于去除残留的尿素和氢氧化钠。

15、进一步地，步骤(3)中，所述酶的固定化处理包括以下步骤：

16、31)将具有多尺度定向通道的纤维素材料置于含环氧氯丙烷和氢氧化钠的溶液中进行环氧化处理，结束后取出充分清洗，得到具有多尺度定向通道的环氧化纤维素材料；

17、32)将具有多尺度定向通道的环氧化纤维素材料置于由乙二胺、乙醇和碳酸钠溶液组成的混合溶液中进行胺基化处理，结束后取出充分清洗，制得具有多尺度定向通道的胺基化纤维素材料；

18、33)将具有多尺度定向通道的胺基化纤维材料置于戊二醛溶液进行交联反应，结束后取出清洗，再置于待固定酶溶液中进行酶固定处理；

19、其中，步骤(31)中，所述含环氧氯丙烷和氢氧化钠的溶液中，氢氧化钠的浓度为1-3mol/l，氢氧化钠和环氧氯丙烷的体积比为1-4:1；所述环氧化处理的条件为：20-30℃下反应8-10h；

20、步骤(32)中，所述碳酸钠溶液的质量浓度为10-15g/l，乙二醇与碳酸钠溶液的体积比为1:5-10，乙醇与乙二胺的体积比为1-2:1；所述胺基化处理的条件为：30-70℃下反应8-24h；

21、步骤(33)中，所述戊二醛溶液的质量百分数为1-5wt％，待固定酶溶液的质量浓度为2-20mg/ml，待固定酶为β-葡萄糖苷酶等蛋白酶；所述交联反应的条件为：50-60℃下反应8-10h，所述酶固定处理的条件为：20-30℃下反应8-24h；步骤31)-步骤33)中，所述清洗采用的清洗剂为去离子水。

22、本发明所述的具有多尺度定向通道的微反应器在生物转换中的应用。

23、发明原理：纤维素是一种天然的生物高分子化合物，具有极高的生物相容性并含有丰富的羟基可供改性，能有效提高酶的负载率并降低对酶活性的损伤，是制备固定化酶生物微反应器的理想基质。

24、本发明以纤维素为基底，通过由不同导热系数的金属材料组合成的环套式冷冻基底定向冷冻，进行多通道孔径的调控，制备了一种具有多尺度定向通道结构的微反应器。该结构中有着大量的多孔定向通道有利于流体运输和酶的负载，同时还实现了分层级通道结构的构筑(大通道和微通道相组合)，多尺度层级结构的反应器在流体催化状态下，流体在大通道和微通道之间的流动更加明显，进而产生更多的流体扰动现象，物质传输更充分，且内部压降更小，利于底物与固定化酶的充分接触，提高酶催化活性，在多尺度下增强传质效率，拥有巨大的生物催化性能潜力。

25、在本发明中，在氢氧化钠和尿素体系中，纤维素间氢键断裂并暴露出足够的游离羟基，随后与环氧氯丙烷的反应中，纤维素链中的羟基中的氢被环氧氯丙烷的环氧丙烷部分所取代并生成氯化氢，推进纤维素溶液交联形成凝胶。在冷冻铸造过程中，将铜与不同金属合金材料的组合，通过不同金属合金材料的导热情况实现温度传导的快慢差异，从而在不同基底上使冰晶各自生长。由于导热系数不同，导致温度传导速度不同，导热系数越高，基底材料越接近液氮的温度，与溶液形成的温度梯度较大，因而冰晶生长较快，较密。因此在除去冰模板后，留下的孔径较小。反之由于导热较差，温度传导较慢，温度梯度小，则形成的孔径较大，以此提供多尺度冰晶模板实现分层级通道结构的构筑。这种大小通道的组合不仅提升了物质的运输速度和容量，而且确保了低能耗下的物质输送能力，提高传质效率。随后冷冻干燥的气凝胶由氢氧化钠提供碱性环境，环氧氯丙烷将纤维素羟基改性成环氧基团，接着由碳酸钠提供碱性环境，乙二胺改性纤维素，用氨基取代环氧基团，最后通过戊二醛将胺基化纤维素与酶共价交联，制备成基于纤维素的具有多尺度定向通道的微反应器。

26、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

27、(1)本发明具有多尺度定向通道的微反应器制备采用了一种环套式冷冻基底，将高导热系数的金属材料与低导热系数的金属材料组合，实现分层级通道结构的构筑，优化了微反应器通道结构，进一步增强流体“微扰动”效果，提升传质效率；

28、(2)本发明具有多尺度定向通道的微反应器以4-硝基苯基-β-d-吡喃葡萄糖苷为底物时，在20ml/h的高流速下微反应器仍能保持0.20kpa的低压，同时在高流速流体冲击下也能维持80％以上的转化率，证实了多尺度层级定向通道结构在连续流体催化下不仅可以降低微反应器内部压力，保证反应器的结构稳定性，还能保持高通量提高传质效率，以此提高微反应器的生物催化效率；

29、(3)本发明具有多尺度定向通道的微反应器采用纤维素为基底材料拥有良好的生物相容性和稳定性，在最佳催化条件下反应3h后即可达到98.45％的高转化率，在7次循环使用以及18天的储存下仍能维持良好的酶催化活性；并且制备方法操作简便，成本低，具有工业化生产的潜力。