表面羧基化Fe3O4磁性微球固定化CA酶的制備與研究.pdf

1、全球氣候變暖已成為人類生存和社會(huì)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化,關(guān)鍵是要減少溫室氣體特別是二氧化碳(CO2)的排放。碳酸酐酶(Carbonic anhydrase, CA)是目前發(fā)現(xiàn)的高效CO2水合催化劑。將CA酶應(yīng)用于碳捕集與封存(Carbon capture and storage, CCS)技術(shù),將提高CO2吸收效率,且能耗低、無二次污染。但游離CA酶不能回收使用,且酶活不穩(wěn)定。碳酸酐酶固定化技術(shù)是解決這類問題的突破口。

2、因此,本論文主要研究CA酶的固定化,以及將固定化酶用于吸收CO2的催化性能。
　　采用表面羧基化的四氧化三鐵(Fe3O4)磁性微球作為固定化載體,其制備方法主要包括3步:共沉淀法制備Fe3O4,油酸表面改性和高錳酸鉀(KMnO4)氧化表面改性。制備得到的載體微球表面羧基含量為3.409 mmol/g;透射電子顯微鏡(TEM)檢測(cè)結(jié)果顯示微球粒徑約為10 nm;熱重分析(TGA)結(jié)果顯示載體微球Fe3O4含量約為90.4％;振動(dòng)樣品

3、磁強(qiáng)計(jì)(VSM)檢測(cè)結(jié)果顯示比飽和磁化強(qiáng)度為35 emu/g,載體微球具超順磁性。
　　CA酶分子通過吸附和共價(jià)結(jié)合共同作用,與載體結(jié)合。固定化酶活力回收率達(dá)69.2%。FTIR檢測(cè)證明載體與酶分子間形成酰胺鍵(–CO–NH–),實(shí)現(xiàn)共價(jià)結(jié)合。XRD檢測(cè)表明,載體和固定化 CA酶主要包含 Fe3O4晶型結(jié)構(gòu),且載體在固定酶前后粒徑基本不變。VSM檢測(cè)比飽和磁化強(qiáng)度為34 emu/g,說明固定化CA酶具有超順磁性。p-NPA酯酶酶學(xué)

4、性質(zhì)研究表明,CA酶經(jīng)固定化后,最適溫度和最適pH范圍變寬,對(duì)溫度和pH適應(yīng)性均得到增強(qiáng)。因此,酶經(jīng)固定化后分子結(jié)構(gòu)和催化活性均變得更穩(wěn)定。
　　為考察酶對(duì) CO2水合吸收過程的影響,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作了一套氣液反應(yīng)裝置。該裝置通過測(cè)量密閉反應(yīng)器內(nèi)氣體壓力、溫度和相對(duì)濕度,進(jìn)而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非水蒸氣氣體濃度大小。本裝置能在溫度不高于60℃且氣壓不大于120 kPa的條件下正常使用,控溫性能良好,儀表準(zhǔn)確度高(精度為0.5%)且穩(wěn)定性好(變化

5、系數(shù)小于0.2%)。
　　實(shí)驗(yàn)還重點(diǎn)考察了溫度對(duì)酶催化 CO2水合性能的影響。溫度對(duì)吸收傳質(zhì)的影響主要有以下4點(diǎn):
　　(1)CO2在吸收液中的溶解度;
　　(2)氣相、液相之間的氣液傳質(zhì);
　　(3)液相主體的擴(kuò)散傳質(zhì);
　　(4)固定化酶或載體表面的液固傳質(zhì)。
　　溫度還可顯著影響酶活力和化學(xué)反應(yīng)速率。CO2水合吸收過程可以分為直線吸收階段、曲線吸收階段、平衡階段。擬合分析顯示吸收過程中氣相 CO