非晶态共价有机框架材料固定化酶的制备及性能强化

作     者：吴振华 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马新宾;石家福

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：原位包埋 非晶态共价有机框架材料 碳酸酐酶 CO2捕集与转化 

摘      要：生物酶催化是一类以酶为催化剂进行物质合成与转化的绿色催化过程,因具有反应条件温和、催化活性高、产物选择性高等优势,被广泛应用于大宗化学品、医药化学品、精细化学品的合成。然而,胞外的游离酶易受热、酸碱等因素影响而失活。模拟自然界细胞结构,利用多孔材料载体原位包埋酶分子,可有效提升酶分子的稳定性和回用性。但仍面临合成步骤较繁琐、载体结构不规整、载体稳定性较差等缺点。论文针对上述问题,提出了“一锅法共沉淀制备非晶态共价有机框架材料(Tp BD-a COFs)固定化酶的方法,实现了酶分子在类规整材料内的原位包埋,制备了酶@Tp BD-a COFs,揭示了载体稳定酶结构的过程和机制,阐述了固定化酶结构-功能间内在关系,实现了CO等物质转化过程的高效强化。论文主要研究内容如下:基于“一锅法共沉淀策略,以乙醇为分散相,通过葡萄糖氧化酶(GOD)诱导醛基与氨基间的席夫碱反应制备了GOD@Tp BD-a COFs,实现了GOD的高效负载,酶负载率达129.1μg mg。通过调控酶量,制备了具不同比表面积和孔结构的GOD@Tp BD-a COFs,考察了生长过程与结构演变规律,实现了GOD@Tp BD-a COFs的可控制备。通过调控温度、p H、光、酶抑制剂等条件,GOD@Tp BD-a COFs表现出优异的稳定性和高活性回收率,重复使用12次后仍可保留初始活性的70%以上。GOD@Tp BD-a COFs的多级结构有效降低了传质阻力,加速了底物和产物扩散,因此表现出更高的反应活性。此外,验证了Tp BD-a COFs作为多酶催化和碳捕集转化平台的应用潜力,为CO的资源化应用提供理想途径。基于溶剂工程,优化“一锅法共沉淀策略,以水为主要分散相,以碳酸酐酶(CA)为研究对象,制备了CA@Tp BD-a COFs-1。通过调控溶剂和酶量,制备了不同形貌结构的CA@Tp BD-a COFs-1,实现了高效固定酶分子,固定化效率达88%。优化后,CA@Tp BD-a COFs-1中酶分子较好地保持了二级结构,与游离酶相比,其酶活力可达85%。Tp BD-a COFs-1的保护作用使得酶分子表现出较好的稳定性,在70 C和p H 4的环境中孵化120 min仍可保留初始活性的60%,极大拓展了生物催化剂的应用范围。此外,该生物催化系统具有优异的循环稳定性,12次循环中仍可保留初始活性的80%以上,实现高效持续的CO捕集与转化。