一种酶基复合催化剂、其制备方法及使用方法

技术领域

本发明涉及制备催化降解材料技术领域，具体涉及一种酶基复合催化剂、其制备方法及使用方法。

背景技术

塑料是人类伟大的发明，它表现出优异的可塑性、耐用性和化学稳定性，被广泛应用于工业生产和日常生活。然而，白色污染问题和不可再生资源(如石油)的依赖问题也日益突出，这迫切地要求我们对其工艺路线进行优化改进以便兼顾节能与环保两大发展目标。近些年，提取可再生植物资源(如玉米、秸秆)中的淀粉作为原材料，进一步糖化、缩聚处理得到一种绿色、经济、可降解的塑料前驱体-聚乳酸，该生产工艺符合我国奉行的“可持续发展”策略，聚乳酸塑料的市场占有率有望逐年增大，而该类废旧塑料产品的快速降解并升级回收是该技术进行科学研究和实际应用的关键。

塑料常规的处理方法是焚烧与掩埋。虽然前者快速简单，但产生的废气、废水易造成二次污染且废品回收价值几乎为零；后者虽然通过微生物进行“温和”降解，但降解周期长、占地面积大、回收价值低。而相比之下，化学解聚所需的周期可大大缩短，节约了时间成本，其高选择性回收原始的单体，再对其聚合，可得到与原始塑料相同品质的材料，节约了经济成本。

目前化学解聚主要涉及到两种催化剂：无机纳米材料和生物酶。前者催化剂可重复回收再利用，有助于工业规模化推广，但该方法存在着能耗过高的问题，需要在较高的温度和压力下才能活化催化剂，且催化活性对材料表面结构高度依赖，需要对结构参数进行精细调控(如孔径、表面积、官能团等)，因此这类催化剂真正报道用于工业化的较少。CN107382718A公开了一种CaO/MCF介孔碱性分子筛催化醇解聚乳酸的方法：催化剂与聚乳酸在温度为100℃～140℃下反应维持3～4h得到乳酸甲酯，甲醇与聚乳酸的质量比达到了3:1，该工艺较为苛刻的催化环境与高甲醇使用量会对后续的产物分离、提纯工序增加了不小难度。生物酶是另一个催化降解聚乳酸塑料的有效催化剂，通常在常温常压下即可进行，副产物少，高活性与高选择性；但生物酶的工业化首先需要解决两个重要问题：稳定性和可回收性，正是这两方面的严重缺陷限制了其在塑料降解乃至整个环境保护方面的工业拓展。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的之一在于提供一种酶基复合催化剂的制备方法，以配位聚合物作为载体，原位锚定酯酶-乳酸脱氢酶共混物，既能发挥酯酶-乳酸脱氢酶的高活性与高选择性，且载体赋予其优异的化学稳定性；该制备方法操作简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，可用于大规模生产。

本发明的目的之二在于提供一种酶基复合催化剂，配位聚合物除支撑作用外，还具有人工模拟酶活性，能够优先将聚乳酸主链中的酯键断裂降解为低分子量、低结晶度的聚酯，协同后续的酶代谢，使得整体降解速度提高数倍；通过酶串联反应一步法将乳酸单体转化为更有价值的化学品，实现塑料的升级循环。

本发明的目的之三在于提供一种酶基复合催化剂的使用方法，酶解条件温和，降低时间与经济成本，具有明显的工业应用价值。

本发明的目的之一通过下述技术方案实现：一种酶基复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(S1)、取10摩尔份金属盐与10-50摩尔份有机配体溶解于100体积份磷酸盐缓冲液中，在搅拌条件下加热冷凝回流40-80min，得到配位聚合物；

(S2)、在50-60℃温度条件下，向所述配位聚合物中加入1-100摩尔份酯酶-乳酸脱氢酶共混物，继续搅拌40-80min，得到催化剂混合液；

(S3)、将所述催化剂混合液经离心、洗涤、真空干燥后，即得所述酶基复合催化剂。

本发明酶基复合催化剂的制备方法，以配位聚合物作为载体，原位锚定酯酶-乳酸脱氢酶共混物，既能发挥酯酶-乳酸脱氢酶的高活性与高选择性，且载体赋予其优异的化学稳定性；该制备方法操作简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，可用于大规模生产。其中，步骤(S1)以金属盐与有机配体溶解于磷酸盐缓冲液中，在搅拌条件下加热冷凝回流，使得有机配体能与金属离子(或金属簇)发生稳定的配位，一方面有机配体可以稳定金属中心，降低其表面能、防止聚合，另一方面有机配体通过键合作用为金属中心提供电子。再在步骤(S2)加入酯酶-乳酸脱氢酶共混物，从而使得配位聚合物在合成过程中原位锚定酯酶和D-乳酸脱氢酶。步骤(S3)中，真空干燥具体为40-60℃条件下真空干燥12h。

优选的，所述金属盐为水溶性铁盐、水溶性钴盐、水溶性铜盐、水溶性锌盐、水溶性锰盐和水溶性钙盐中的至少一种；所述有机配体为咪唑基类化合物、含羧基化合物和磺酸类化合物中的至少一种。

采用上述技术方案，上述金属盐在磷酸盐缓冲液中形成金属离子(或簇)，能与上述有机配体发生稳定的配位形成配位聚合物，为酯酶和D-乳酸脱氢酶提供稳定的载体。更优选的，所述金属盐为硝酸铁、氯化铁、硝酸铜、硝酸锌、硝酸锰、硝酸钙和氯化钙中的至少一种；所述有机配体为二甲基咪唑、乙二胺四乙酸、乳酸和烷基苯磺酸钠中的至少一种。

优选的，所述步骤(S1)中，加热温度为90-120℃，所述磷酸盐缓冲液的浓度为0.15-0.25mol/L。

采用上述技术方案，促进有机配体与金属离子(或金属簇)发生稳定的配位。

优选的，所述酯酶-乳酸脱氢酶共混物是由酯酶和D-乳酸脱氢酶按摩尔比5-8：2-5混合而成。

采用上述技术方案，使得整体降解速度提高数倍，且通过酶串联反应一步法将乳酸单体转化为更有价值的化学品，实现塑料的升级循环。D-乳酸脱氢酶在乳酸单体浓度较高时催化逆反应，即催化乳酸合成丙酮酸，从而使聚乳酸降解物不仅含乳酸，还含有丙酮酸，从而实现塑料的升级循环。更优选的，所述酯酶为波罗蛋白酶、K-蛋白酶、链酶蛋白酶、根霉脂肪酶中的至少一种，其对聚乳酸的主链具有酯键断裂活性，将聚乳酸浆料转为低分子量、低结晶度的聚酯，协同后续的酶代谢，使得整体降解速度提高数倍。

优选的，所述酶基复合催化剂的酶负载量为5-10wt％。

采用上述技术方案，以便兼顾高活性、高选择性和高稳定性。

本发明的目的之二通过下述技术方案实现：一种酶基复合催化剂，采用如上所述酶基复合催化剂的制备方法制备而成。

本发明的目的之三通过下述技术方案实现：一种如上所述的酶基复合催化剂的使用方法，包括如下步骤：

(A1)、向所述酶基复合催化剂中加入聚乳酸浆体，接着在50-60℃温度下搅拌反应20-40min，得到反应液；

(A2)、所述反应液经静置分层处理后，取上层清液得到降解液，取下层沉淀物经水洗、真空干燥即可回收所述酶基复合催化剂。

采用上述技术方案，酶解条件温和，降低时间与经济成本，具有明显的工业应用价值；得到的降解液不仅含有乳酸单体同时含有更有价值的丙酮酸，且下层沉淀物经水洗、真空干燥即能回收所述酶基复合催化剂重复再用。

优选的，所述步骤(A1)中，所述酶基复合催化剂和聚乳酸浆体的重量比为1：2-5，搅拌转速为800-1200rpm；聚乳酸浆体中的聚乳酸分子量为2.0×10

采用上述技术方案，降解效率更高。

本发明的有益效果在于：本发明的酶基复合催化剂的制备方法，以配位聚合物作为载体，原位锚定酯酶-乳酸脱氢酶共混物，既能发挥酯酶-乳酸脱氢酶的高活性与高选择性，且载体赋予其优异的化学稳定性；该制备方法操作简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，可用于大规模生产。

本发明的酶基复合催化剂，配位聚合物除支撑作用外，还具有人工模拟酶活性，能够优先将聚乳酸主链中的酯键断裂降解为低分子量、低结晶度的聚酯，协同后续的酶代谢，使得整体降解速度提高数倍；通过酶串联反应一步法将乳酸单体转化为更有价值的化学品，实现塑料的升级循环。

本发明的酶基复合催化剂的使用方法，酶解条件温和，降低时间与经济成本，具有明显的工业应用价值。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

实施例1

一种酶基复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(S1)、取10摩尔份金属盐与30摩尔份有机配体溶解于100体积份0.2mol/L磷酸盐缓冲液中，在110℃温度下加热冷凝回流搅拌60min，得到配位聚合物；

(S2)、在55℃温度条件下，向所述配位聚合物中加入10摩尔份酯酶-乳酸脱氢酶共混物，继续搅拌60min，得到催化剂混合液；

(S3)、将所述催化剂混合液经离心、洗涤、在50℃条件下真空干燥12h后，即得酶负载量为8wt％的酶基复合催化剂。

所述金属盐为硝酸铁；所述有机配体为二甲基咪唑。

所述酯酶-乳酸脱氢酶共混物是由酯酶和D-乳酸脱氢酶按摩尔比6：3混合而成。

所述酯酶为链酶蛋白酶。

一种酶基复合催化剂的使用方法，包括如下步骤：

(A1)、向所述酶基复合催化剂中加入聚乳酸浆体，接着在55℃温度下、1000rpm转速下搅拌反应30min，得到反应液；

(A2)、所述反应液经静置分层处理后，取上层清液得到降解液，取下层沉淀物经水洗、真空干燥即可回收所述酶基复合催化剂。

所述步骤(A1)中，所述酶基复合催化剂和聚乳酸浆体的重量比为1：3，聚乳酸浆体中的聚乳酸分子量为4.0×10

实施例2

一种酶基复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(S1)、取10摩尔份金属盐与10摩尔份有机配体溶解于100体积份0.15mol/L磷酸盐缓冲液中，在90℃温度下加热冷凝回流搅拌40min，得到配位聚合物；

(S2)、在50℃温度条件下，向所述配位聚合物中加入1摩尔份酯酶-乳酸脱氢酶共混物，继续搅拌40min，得到催化剂混合液；

(S3)、将所述催化剂混合液经离心、洗涤、在40℃条件下真空干燥12h后，即得酶负载量为5wt％的酶基复合催化剂。

所述金属盐为硝酸锌；所述有机配体为乙二胺四乙酸。

所述酯酶-乳酸脱氢酶共混物是由酯酶和D-乳酸脱氢酶按摩尔比5：2混合而成。

所述酯酶为波罗蛋白酶。

一种酶基复合催化剂的使用方法，包括如下步骤：

(A1)、向所述酶基复合催化剂中加入聚乳酸浆体，接着在50℃温度下、800rpm转速下搅拌反应20min，得到反应液；

(A2)、所述反应液经静置分层处理后，取上层清液得到降解液，取下层沉淀物经水洗、真空干燥即可回收所述酶基复合催化剂。

所述步骤(A1)中，所述酶基复合催化剂和聚乳酸浆体的重量比为1：2，聚乳酸浆体中的聚乳酸分子量为2.0×10

实施例3

一种酶基复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(S1)、取10摩尔份金属盐与50摩尔份有机配体溶解于100体积份0.25mol/L磷酸盐缓冲液中，在120℃温度下加热冷凝回流搅拌80min，得到配位聚合物；

(S2)、在60℃温度条件下，向所述配位聚合物中加入20摩尔份酯酶-乳酸脱氢酶共混物，继续搅拌80min，得到催化剂混合液；

(S3)、将所述催化剂混合液经离心、洗涤、在60℃条件下真空干燥12h后，即得酶负载量为10wt％的酶基复合催化剂。

所述金属盐为氯化钙；所述有机配体为烷基苯磺酸钠。

所述酯酶-乳酸脱氢酶共混物是由酯酶和D-乳酸脱氢酶按摩尔比8：5混合而成。

所述酯酶为K-蛋白酶。

一种酶基复合催化剂的使用方法，包括如下步骤：

(A1)、向所述酶基复合催化剂中加入聚乳酸浆体，接着在60℃温度下、1200rpm转速下搅拌反应40min，得到反应液；

(A2)、所述反应液经静置分层处理后，取上层清液得到降解液，取下层沉淀物经水洗、真空干燥即可回收所述酶基复合催化剂。

所述步骤(A1)中，所述酶基复合催化剂和聚乳酸浆体的重量比为1：5，聚乳酸浆体中的聚乳酸分子量为6.0×10

实施例4

一种酶基复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(S1)、取10摩尔份金属盐与25摩尔份有机配体溶解于100体积份0.18mol/L磷酸盐缓冲液中，在100℃温度下加热冷凝回流搅拌70min，得到配位聚合物；

(S2)、在58℃温度条件下，向所述配位聚合物中加入15摩尔份酯酶-乳酸脱氢酶共混物，继续搅拌50min，得到催化剂混合液；

(S3)、将所述催化剂混合液经离心、洗涤、在55℃条件下真空干燥12h后，即得酶负载量为7wt％的酶基复合催化剂。

所述金属盐为氯化铁和硝酸钙摩尔比3：1混合而成；所述有机配体为二甲基咪唑和乳酸按摩尔比4:3混合而成。

所述酯酶-乳酸脱氢酶共混物是由酯酶和D-乳酸脱氢酶按摩尔比7：4混合而成。

所述酯酶为根霉脂肪酶。

一种酶基复合催化剂的使用方法，包括如下步骤：

(A1)、向所述酶基复合催化剂中加入聚乳酸浆体，接着在58℃温度下、1100rpm转速下搅拌反应25min，得到反应液；

(A2)、所述反应液经静置分层处理后，取上层清液得到降解液，取下层沉淀物经水洗、真空干燥即可回收所述酶基复合催化剂。

所述步骤(A1)中，所述酶基复合催化剂和聚乳酸浆体的重量比为1：4，聚乳酸浆体中的聚乳酸分子量为3.0×10

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于：所述酯酶-乳酸脱氢酶共混物替换为十六烷基三甲基溴化铵。

对比例2

本对比例与实施例1的区别在于：所述酯酶-乳酸脱氢酶共混物替换为烷基苯磺酸钠。

实施例5

取实施例1-4和对比例1-2的降解液，利用气相色谱-氢火焰离子化检测器同时检测乳酸和丙酮酸，由于这两个底物都具有很强的极性不能够直接用气相进行分析，需要通过添加氯甲酸异丁酯作为衍生剂，甲氧胺盐酸盐作为信号增强剂进行测试，得出其乳酸回收率和丙酮酸回收率；将实施例1-4和对比例1-2的催化剂按其使用方法重复使用4次后，再次测试降解液得出其乳酸回收率和丙酮酸回收率；

其中，气相色谱-氢火焰离子化检测器的使用如下：

I、气相条件：

气相色谱分析柱：DB-WAX(30m×0.32mm×0.25μm)

汽化室温度设定为200℃

检测室温度设定为250℃

载气压力设定为23.861psj

柱温设定：100℃下保留5min,升温速率为10℃/min,200℃下保留5min

样品进样量：0.1μL

相对校正因子的计算如下：

注：峰面积A

质量m

计算公式：

m

注：相对校正因子f

峰面积A

质量m

II、催化剂性能评价

回收率计算公式如下：

测试结果如下表所示：

由上表1可知，本发明的催化剂既能发挥酯酶-乳酸脱氢酶的高活性与高选择性，且载体赋予其优异的化学稳定性；酶解条件温和，聚乳酸降解物不仅含乳酸，还含有丙酮酸，从而实现塑料的升级循环，具有明显的工业应用价值。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。