基于金属螯合AOPAN纳米纤维配位固定化酶及酶膜反应器研究

In this project, amidoxime polyacryonitrile (AOPAN) nanofibrous membranes are formed by reaction between electrospun polyacryonitrile (PAN) nanofibrous membranes and hydroxylamine hydrochloride. Metal chelated AOPAN nanofibrous membranes are prepared for immobilization of the catalase and laccase with coordination bonds respectivly. Then, the enzyme membrane reactors (EMRs) is constructed that are based on the immobilized enzyme nanofibrous membranes. The highlights of research mainly include following aspects: Adjustment of morphological construction and chemical composition of AOPAN nanofibrous membrane, the chelated reaction kinetics of the AOPAN nanofibers to metal ions will be analyzed, conformational changes and catalytic properties of immobilized catalase will be studied. The relationship between transition metal ions and iron porphyrin catalytic centers of the immobilized catalase will be studied. Moreover, the properties of EMR such as mass tranfer, catalysis, separation and durability will be studied in depth. This project is based on a large number of the previous studies. In this study, the metal chelated nanfibrous membranes will be prepared as novel support,and the coordination principle is applied to immobilize enzyme. This project has highly significant for the improvment of enzyme immobilization technology and the development of the advanced enzyme membrane reactor.

本项目以静电纺PAN纳米纤维为基体，经胺肟化改性制备偕胺肟聚丙烯腈（AOPAN）纳米纤维膜,再通过与金属离子配合，制备金属螯合AOPAN纳米纤维，并创新性地利用金属螯合AOPAN纳米纤维为载体，以金属离子为中心体，与酶蛋白配位结合固定过氧化氢酶和漆酶，有效提高固定化酶的负载量、保留活性及使用稳定性，并在此基础上构建新型高效的酶膜反应器。 重点包括：AOPAN纳米纤维形态结构调控及关键因素分析；基于纳米纤维的金属离子配合过程动力学分析；以金属螯合AOPAN纳米纤维为载体固定化酶的构象变化特异性及其对催化性能的影响；过渡金属离子对酶催化过程的协同作用；系统分析新型酶膜反应器的传质、催化及耐用性能，并探讨其动力学过程。 本项目是在大量前期研究基础上逐步提练而成，在新型酶固定载体的设计、酶固定方法拓展等方面进行创新性的研究，并为新型高效的酶膜反应器构建及其在环保领域的应用提供实验依据及理论基础。

通过对静电纺聚丙烯腈（PAN）纳米纤维的胺肟化改性，成功制得偕胺肟聚丙烯腈（AOPAN）纳米纤维，并以AOPAN纳米纤维为基体进行金属离子配合。通过对比分析，AOPAN纳米纤维对Cd2+、Cu2+ 和Fe3+等金属离子配合量大幅高于AOPAN普通纤维。利用多种等温模型分析实验数据，其中Langmuir模型具有更好的拟合性。在动力学分析的基础上得到的平均吸附能表明，其机理为AOPAN纳米纤维表面的偕胺肟基通过配位键与金属离子络合。. 在此基础上，采用静电纺丝技术制备聚丙烯腈/醋酸纤维素（PAN/CA）纳米纤维膜，通过化学改性制备偕胺肟化聚丙烯腈/再生纤维素（AOPAN/RC）纳米纤维膜，并研究了纳米纤维膜对单一金属离子（如Fe3+）和混合金属离子（如Cu2+、Cd2+ 、Fe3+）的吸附性能。研究表明：改性后制备的AOPAN/RC纳米纤维膜的亲水性能得到较大改善，同时纳米纤维膜能够高效吸附溶液中的金属离子，而且纳米纤维膜具备优良的重复使用能力。. 另外，利用静电纺丝和胺肟化改性制备AOPAN纳米纤维膜，采用原子转移自由基聚合（ATRP）的方法在AOPAN纳米纤维膜上接枝丙烯酸单体得到AOPAN-AA，相对于未经过ATRP处理的AOPAN纳米纤维的离子配合能力有进一步的改善..以Fe(Ⅲ)-AOPAN金属配合纳米纤维为载体，利用配位键固定过氧化氢酶。经过对酶催化反应动力学分析，分别得到自由酶和固定化酶的Vmax值和Km值，动力学参数体现了载体与固定化酶之间良好的生物亲和性。固定后的过氧化氢酶其酸碱稳定性、热稳定性、存贮稳定性均得到提高，并体现出良好的重复使用性能。. 基于固定化酶的Fe(Ⅲ)-AOPAN金属配合纳米纤维膜构建酶膜反应器，反应器的通量，底物的转化率，重复使用性能等进行了系统研究，结果表明，固定化酶对载体有着很好的亲和性，酶膜反应器也体现出良好的重复使用性能。