本發(fā)明屬于生物膜制備領(lǐng)域，涉及一種仿生膜及其制備方法和應(yīng)用，尤其涉及一種同時(shí)具備分離、吸附和催化功能的多功能仿生膜及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

酶作為一種生物催化劑，對(duì)環(huán)境敏感且易失活，通過對(duì)酶的固定化不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)酶的重復(fù)使用且增加了酶的穩(wěn)定性。通過將生物酶固定化到分離膜內(nèi)制備催化膜，可以實(shí)現(xiàn)選擇性接收底物并在線分離產(chǎn)物，提高催化效率。常規(guī)的酶固定化方法包括物理吸附、包埋、共價(jià)鍵合和化學(xué)交聯(lián)。cn102286453a公開了一種用醋酸纖維素/聚丙烯復(fù)合膜固定化磷脂酶的方法，該法采用吸附-交聯(lián)相結(jié)合的固定化方法，但此法消耗大量戊二醛溶劑，且化學(xué)交聯(lián)易造成酶失活。另外，可用靜電或疏水吸附和逆向過濾包埋法將酶固定化到膜內(nèi)(jochems,p.,satyawali,y.etal.,enzymeimmobilizationon/inpolymericmembranes:status,challengesandperspectivesinbiocatalyticmembranereactors(bmrs),greenchem.,2011(13)1609-1623)，從而最大程度的保持了酶的活性，但這些物理固定化方法穩(wěn)定性較差，在反應(yīng)過程中酶易泄漏和流失；采用逆向過濾方式進(jìn)行催化反應(yīng)，會(huì)造成原有膜分離層的抗污染性能喪失，污染物極易在支撐層內(nèi)堆積，堵塞膜孔并將酶覆蓋，降低分離和催化效果。

多巴胺是一種重要的人體激素和神經(jīng)遞質(zhì)體，它可以在堿性條件和空氣存在下發(fā)生自聚反應(yīng)，并可沉積粘附在各種基材上，形成仿生涂層。此種方法源于貝殼類動(dòng)物分泌的蛋白質(zhì)可以有效的粘結(jié)在物體的濕表面，起主要作用的是 蛋白質(zhì)中的二羥基苯丙氨酸。因此聚多巴胺也被稱為“生物膠水”，目前已廣泛應(yīng)用于有機(jī)/無機(jī)膜的修飾和制備以及酶固定化。cn104028110a公開了一種利用多巴胺對(duì)正滲透膜篩網(wǎng)進(jìn)行化學(xué)改性和修飾的方法，既保持了篩網(wǎng)原有優(yōu)異的支撐層結(jié)構(gòu)，又能增加篩網(wǎng)親水性和反應(yīng)性從而改善支撐層與分離層之間匹配性。但其制備的滲透膜的功能較為單一，且制備過程中需使用均三苯甲酰氯這種有機(jī)原料。cn103343116a公開了一種酶基磁性納米粒，其是利用多巴胺包裹磁性納米粒，然后利用化學(xué)鍵合將酶固定于納米粒上，用于葡萄糖的檢測(cè)，其并不能用于分離等其他用途。

可見在現(xiàn)有的生物催化膜制備技術(shù)中，存在載酶率不高、消耗有毒溶劑、酶活保持低以及膜本身性能下降或功能單一等不足，因此，在本領(lǐng)域，期望開發(fā)一種具有多種功能以及良好綜合性能的高載酶率仿生膜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種仿生膜及其制備方法和應(yīng)用，尤其是提供一種同時(shí)具備分離、吸附和催化功能的多功能仿生膜極其制備方法和應(yīng)用，所述仿生膜具有高通量、高抗污染性和高載酶量等特點(diǎn)。

為達(dá)到此發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供一種仿生膜，所述仿生膜為在超濾膜或納濾膜內(nèi)黏附有聚多巴胺涂層，在所述聚多巴胺涂層中包埋有酶分子。

本發(fā)明所述仿生膜將分離、吸附和催化功能集于一體，是一種具備分離、吸附和催化功能的多功能仿生膜。

在本發(fā)明中，超濾膜和納濾膜可以為商品化的超濾或納濾復(fù)合膜。

優(yōu)選地，所述超濾膜或納濾膜由分離層和支撐層組成，其分離層厚度為0.1-50微米，例如0.1微米、0.5微米、1微米、3微米、5微米、8微米、10微 米、15微米、18微米、20微米、25微米、28微米、30微米、35微米、38微米、40微米、45微米、48微米或50微米，支撐層厚度為100-500微米，例如100微米、120微米、150微米、180微米、200微米、240微米、280微米、300微米、340微米、380微米、400微米、430微米、450微米、480微米或500微米。

優(yōu)選地，所述分離層的截留分子量為100-10000da，例如100da、200da、300da、500da、800da、1000da、1500da、2000da、2500da、3000da、4000da、5000da、6000da、7000da、8000da、9000da或10000da。

優(yōu)選地，所述分離層的膜材料為醋酸纖維素、再生纖維素、磺化聚砜、聚酰胺、聚醚砜、磺化聚醚砜、聚哌嗪或聚乙烯醇中的任意一種或至少兩種的組合。

優(yōu)選地，所述支撐層的膜材料為聚丙烯、聚烯烴或聚酯中的任意一種或至少兩種的組合。

優(yōu)選地，所述聚多巴胺涂層是由多巴胺氧化自聚形成的。

優(yōu)選地，所述酶分子為漆酶、乙醇脫氫酶、過氧化氫酶、脂肪酶或碳酸酐酶中的任意一種或至少兩種的組合。

另一方面，本發(fā)明提供一種如第一方面所述的仿生膜的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)利用超濾膜或納濾膜對(duì)酶溶液進(jìn)行逆向過濾，將酶分子固定至膜內(nèi)；

(2)向步驟(1)得到的固定有酶分子的超濾膜或納濾膜上加入多巴胺溶液，多巴胺氧化自聚形成聚多巴胺，其粘附在超濾膜或納濾膜內(nèi)形成仿生涂層；

(3)利用水溶液對(duì)超濾膜或納濾膜進(jìn)行正向過濾沖洗，得到所述仿生膜。

優(yōu)選地，步驟(1)所述逆向過濾為使酶溶液從超濾膜或納濾膜的支撐層一側(cè)進(jìn)入膜內(nèi)進(jìn)行過濾。對(duì)酶溶液進(jìn)行逆向過濾時(shí)，通過酶分子對(duì)膜孔的堵塞而將酶分子固定在膜內(nèi)。

優(yōu)選地，步驟(1)所述逆向過濾的操作壓力為0.1-4.0bar，例如0.1bar、0.5bar、0.8bar、1bar、1.3bar、1.5bar、1.8bar、2bar、2.4bar、2.8bar、3bar、3.4bar、3.8bar或4bar。

優(yōu)選地，步驟(1)所述酶溶液為將酶溶解于磷酸緩沖溶液或醋酸緩沖溶液中得到的溶液。

優(yōu)選地，所述磷酸緩沖溶液或醋酸緩沖溶液的ph值為5.0-5.6，例如5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5或5.6，優(yōu)選5.2。

優(yōu)選地，所述酶溶液的濃度為0.1-0.5mg/ml，例如0.1mg/ml、0.15mg/ml、0.2mg/ml、0.25mg/ml、0.3mg/ml、0.35mg/ml、0.4mg/ml、0.45mg/ml或0.5mg/ml。

優(yōu)選地，步驟(2)所述多巴胺溶液為多巴胺溶于tris-hcl緩沖液中得到的溶液。

優(yōu)選地，步驟(2)所述多巴胺溶液的濃度為0.1-4.0g/l，例如0.1g/l、0.3g/l、0.5g/l、0.8g/l、1g/l、1.3g/l、1.5g/l、1.8g/l、2g/l、2.4g/l、2.8g/l、3g/l、3.3g/l、3.5g/l、3.8g/l或4g/l。

優(yōu)選地，步驟(2)所述多巴胺溶液的ph為5.0-9.5，例如5.0、5.2、5.6、5.8、6.0、6.4、6.8、7.0、7.2、7.4、7.8、8.0、8.2、8.5、8.8、9.0、9.3或9.5。

優(yōu)選地，步驟(2)所述多巴胺氧化自聚在超濾膜或納濾膜的支撐層上進(jìn)行。

優(yōu)選地，步驟(2)所述多巴胺氧化自聚在空氣存在下進(jìn)行。

優(yōu)選地，步驟(2)所述多巴胺氧化自聚在室溫?cái)嚢柘逻M(jìn)行，攪拌速度為50-300轉(zhuǎn)/分鐘，例如50轉(zhuǎn)/分鐘、70轉(zhuǎn)/分鐘、90轉(zhuǎn)/分鐘、100轉(zhuǎn)/分鐘、120轉(zhuǎn)/分鐘、150轉(zhuǎn)/分鐘、180轉(zhuǎn)/分鐘、200轉(zhuǎn)/分鐘、220轉(zhuǎn)/分鐘、240轉(zhuǎn)/分鐘、260轉(zhuǎn)/分鐘、280轉(zhuǎn)/分鐘或300轉(zhuǎn)/分鐘。

優(yōu)選地，步驟(2)所述多巴胺氧化自聚的時(shí)間為1-24小時(shí)，例如1小時(shí)、3小時(shí)、5小時(shí)、7小時(shí)、9小時(shí)、10小時(shí)、12小時(shí)、14小時(shí)、16小時(shí)、18小時(shí)、20小時(shí)、22小時(shí)或24小時(shí)。

優(yōu)選地，步驟(3)所述正向過濾沖洗為使水溶液從超濾膜或納濾膜的分離層側(cè)進(jìn)入進(jìn)行沖洗。進(jìn)行正向過濾沖洗的目的是通過正向過濾沖洗將酶分子包埋在聚多巴胺仿生涂層內(nèi)。

優(yōu)選地，步驟(3)所述正向過濾沖洗的操作壓力為0.1-10bar，例如0.1bar、0.3bar、0.5bar、0.8bar、1bar、2bar、3bar、4bar、5bar、6bar、7bar、8bar、9bar或10bar。

另一方面，本發(fā)明提供了如第一方面所述的仿生膜在廢液處理中的應(yīng)用。

本發(fā)明所述仿生膜可用于對(duì)廢液(例如廢水等)進(jìn)行處理，由于其同時(shí)具有分離、吸附和催化功能，具有高通量、高抗污染性和高載酶量等特點(diǎn)，使其對(duì)廢液的處理效率較高。本發(fā)明所述仿生膜中聚多巴胺上的羥基和氨基在一定的ph下可帶負(fù)電或者正電，因此仿生涂層具有靜電吸附、π鍵堆積和螯合作用，可對(duì)目標(biāo)底物進(jìn)行吸附，為酶催化提供足夠的反應(yīng)時(shí)間。通過分離、吸附和催化的多功能協(xié)同效應(yīng)可以強(qiáng)化目標(biāo)物質(zhì)的去除。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明的仿生膜不僅保留了超濾膜或納濾膜本身的滲透、分離和抗污染能力，還通過仿生固定化提高了生物酶的穩(wěn)定性和催化效率，并且在支撐層纖維 上的聚多巴胺涂層具有高比表面積和高吸附容量，同時(shí)增加了膜的機(jī)械性能。本發(fā)明的仿生膜可用于廢液處理，其具備的多個(gè)功能間具有協(xié)同作用，可大大提高目標(biāo)物質(zhì)的去除效率。并且該仿生膜的制備方法操作工藝簡(jiǎn)單、安全節(jié)能，采用商品化有機(jī)膜，成本低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明仿生膜的制備工藝流程示意圖，其中1為酶分子，2為支撐層，3為分離層，4為多巴胺，5為仿生涂層。

圖2是本發(fā)明的仿生膜進(jìn)行廢液處理時(shí)的示意圖，其中6為大分子污染物，7為目標(biāo)底物，8為酶解產(chǎn)物。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實(shí)施例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的具體限制。

實(shí)施例1

在本實(shí)施例中，同時(shí)具備分離、吸附和催化功能的多功能仿生膜的制備方法如下(其制備工藝流程可以形象地以圖1所示示意圖來說明)，具體包括以下步驟：

將5mg漆酶分子(圖中標(biāo)識(shí)1)加入30ml50mm醋酸緩沖溶液(ph＝5.2)，倒入裝有截留分子量為100da聚酰胺納濾膜的過濾器，納濾膜支撐層(圖中標(biāo)識(shí)2)面向溶液，在操作壓力3bar下，通過逆向過濾將漆酶分子截留在納濾分離層(圖中標(biāo)識(shí)3)上，用去離子水將過濾后的納濾膜沖洗干凈，將多巴胺(圖中標(biāo)識(shí)4)溶于10ml50mmtris-hcl緩沖液(ph＝8.5)，形成的多巴胺溶液的濃度為2g/l，將其迅速倒入洗凈的過濾器內(nèi)，在100轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌下反應(yīng)2 小時(shí)，多巴胺發(fā)生氧化自聚后粘附在納濾膜支撐層內(nèi)形成仿生涂層(圖中標(biāo)識(shí)5)，將納濾膜取出后轉(zhuǎn)換方向，納濾膜分離層(圖中標(biāo)識(shí)3)面向溶液，在操作壓力8bar下利用去離子水對(duì)膜進(jìn)行正向過濾沖洗，漆酶分子被仿生涂層包埋固定化，得到仿生膜，其載酶率約為60％。

應(yīng)用上述制備的仿生膜對(duì)模擬廢水進(jìn)行處理，其處理過程可以圖2來說明，具體處理方法和處理結(jié)果如下：

將模擬廢水(1g/l海藻酸鈉(圖中標(biāo)識(shí)7)和0.03g/l雙酚a(圖中標(biāo)識(shí)8)，ph＝7.0)倒入上述仿生膜過濾器，在操作壓力2bar和300轉(zhuǎn)/min的攪拌下過濾，海藻酸鈉(圖中標(biāo)識(shí)7)被納濾膜分離層截留，截留率100％，雙酚a被納濾分離層部分截留，透過的部分被仿生涂層吸附繼而被漆酶分子氧化生成酶解產(chǎn)物(圖中標(biāo)識(shí)8)流出，去除率為75-80％。而無仿生涂層的催化膜的載酶率僅為3.5％，對(duì)雙酚a7的去除率為30-40％。

實(shí)施例2

在本實(shí)施例中，同時(shí)具備分離、吸附和催化功能的多功能仿生膜的制備方法如下(其制備工藝流程可以形象地以圖1所示示意圖來說明)，具體包括以下步驟：

6mg漆酶分子(圖中標(biāo)識(shí)1)加入40ml50mm磷酸緩沖溶液(ph＝5.2)，倒入裝有截留分子量1kda聚醚砜納濾膜的過濾器，納濾膜支撐層(圖中標(biāo)識(shí)2)面向溶液，在操作壓力4bar下，通過逆向過濾將漆酶分子截留在納濾分離層(圖中標(biāo)識(shí)3)上，用去離子水將過濾后的納濾膜沖洗干凈，將多巴胺(圖中標(biāo)識(shí)4)溶于10ml10mmtris-hcl緩沖液(ph＝9.5)，形成的多巴胺溶液的濃度為1g/l，將其迅速倒入洗凈的過濾器內(nèi)，在150轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌下反應(yīng)1小時(shí)，多巴胺發(fā)生氧化自聚粘附在納濾膜支撐層內(nèi)形成仿生涂層(圖中標(biāo)識(shí)5)，將納濾膜取出 后轉(zhuǎn)換方向，納濾膜分離層(圖中標(biāo)識(shí)3)面向溶液，在操作壓力3bar下過濾去離子水，漆酶分子被仿生涂層包埋固定化，得到仿生膜，載酶率高達(dá)65％。

應(yīng)用上述制備的仿生膜對(duì)模擬水解液進(jìn)行處理，其處理過程可以圖2來說明，具體處理方法和處理結(jié)果如下：

將模擬水解液倒入過濾器(1g/l木聚糖和0.15g/l阿魏酸，ph＝5.2)，在操作壓力2bar和300轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌下過濾，木聚糖(圖中標(biāo)識(shí)6)被納濾膜分離層截留，截留率大于98％，阿魏酸(圖中標(biāo)識(shí)7)被仿生涂層吸附繼而被漆酶分子氧化生成酶解產(chǎn)物(圖中標(biāo)識(shí)8)流出，去除為100％。而無仿生涂層的催化膜的載酶率僅為6.2％，阿魏酸去除率為20-25％。

實(shí)施例3

在本實(shí)施例中，同時(shí)具備分離、吸附和催化功能的多功能仿生膜的制備方法如下(其制備工藝流程可以形象地以圖1所示示意圖來說明)，具體包括以下步驟：

將10mg乙醇脫氫酶分子(圖中標(biāo)識(shí)1)加入30ml50mm磷酸緩沖溶液(ph＝5.2)，倒入裝有截留分子量10kda再生纖維素超濾膜的過濾器，超濾膜支撐層(圖中標(biāo)識(shí)2)面向溶液，在操作壓力2bar下，通過逆向過濾將乙醇脫氫酶分子截留在超濾分離層(圖中標(biāo)識(shí)3)上，用去離子水將過濾后的超濾膜沖洗干凈，將多巴胺(圖中標(biāo)識(shí)4)溶于10ml50mmtris-hcl緩沖液(ph＝7)，形成的多巴胺溶液的濃度為4g/l，將其迅速倒入洗凈的過濾器內(nèi)，在50轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌下反應(yīng)24小時(shí)，多巴胺發(fā)生氧化自聚粘附在超濾膜支撐層內(nèi)形成仿生涂層(圖中標(biāo)識(shí)5)，將超濾膜取出后轉(zhuǎn)換方向，超濾膜分離層(圖中標(biāo)識(shí)3)面向溶液，在操作壓力0.1bar下過濾去離子水，乙醇脫氫酶分子被仿生涂層包埋固定化，得到仿生膜，載酶率高達(dá)60％。

應(yīng)用上述制備的仿生膜對(duì)模擬水解液進(jìn)行處理，其處理過程可以圖2來說明，具體處理方法和處理結(jié)果如下：

將模擬廢水(1g/l牛血清蛋白、0.003g/l甲醛和0.07g/l輔酶，ph＝7)倒入過濾器，在操作壓力1bar下過濾，牛血清蛋白(圖中標(biāo)識(shí)6)被超濾膜分離層截留，截留率100％，甲醛(圖中標(biāo)識(shí)7)被仿生涂層吸附繼而被乙醇脫氫酶分子氧化生成酶解產(chǎn)物(圖中標(biāo)識(shí)8)流出，轉(zhuǎn)化率為70％。而無仿生涂層的催化膜的載酶率僅為2.6％，對(duì)甲醛的轉(zhuǎn)化率為7-10％。

申請(qǐng)人聲明，本發(fā)明通過上述實(shí)施例來說明本發(fā)明的仿生膜及其制備方法和應(yīng)用，但本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述實(shí)施例才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明所選用原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。