固定微生物的通孔膜微囊载体及其制备方法

摘要

本发明提供了一种制备固定微生物的通孔膜微囊载体的新方法——相转化法，该方法的工艺步骤主要有：配制成膜溶液、形成微囊和表面扩孔、清洗浸泡与干燥。成膜溶液的溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种，或它们中任两种或两种以上的组合，溶质为聚醚砜(PES)、磺化聚砜(SPSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PSF)或聚偏氟乙烯(PVDF)等。该方法获得的固定微生物的通孔膜微囊载体外形和囊内空间呈球状，囊膜上有若干供微生物细胞通过的膜孔，膜孔为指状通孔，孔壁表面粗糙，膜孔的孔径为微生物细胞尺寸的1～50倍。

权利要求

1.一种固定微生物的通孔膜微囊载体，外形和囊内空间呈球状，囊膜(1)为高分子材料，囊膜上设置有若干供微生物细胞通过的膜孔(2)，其特征在于膜孔(2)为指状通孔，制备方法主要有如下工艺步骤：(1)配制成膜溶液

成膜溶液主要由溶剂和溶质组成，溶质的浓度为0.05～0.2g/mL，溶剂为N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种，或它们中任两种或两种以上的组合，溶质为亲水性高分子材料聚醚砜或磺化聚砜或聚丙烯腈，将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液，

(2)形成微囊

将成膜溶液液滴滴入到温度为20～60℃的凝固浴中即可形成微囊，保温使微囊凝固成形后冷却到室温，凝固浴为含有表面活性剂的水或煤油与含有表面活性剂的水所形成的双层溶液，(3)清洗浸泡与干燥将制成的微囊转移到清水中浸泡，直至微囊内的溶剂被水完全置换为止，浸泡后取出干燥即获得固定微生物的通孔膜微囊载体。

2.根据权利要求1所述的固定微生物的通孔膜微囊载体，其特征在于还包括以下扩孔工艺步骤：(1)表面扩孔浸泡

扩孔液为权利要求1所述的成膜溶液的溶剂或权利要求1所述的成膜溶液的溶剂与水的混合液，混合液中，溶剂与水的体积比为12∶1～6，将干燥后获得的固定微生物的通孔膜微囊载体于室温下浸入扩孔液中，浸泡时间以膜孔尺寸达到要求为限，(2)清洗浸泡与干燥

将扩孔后的微囊转移到清水中浸泡，直至附在微囊上的扩孔液中的溶剂被水完全置换为止，浸泡后取出干燥即获得所需的固定微生物的通孔膜微囊载体。

3.一种固定微生物的通孔膜微囊载体，外形和囊内空间呈球状，囊膜(1)为高分子材料，囊膜上设置有若干供微生物细胞通过的膜孔(2)，其特征在于膜孔(2)为指状通孔，制备方法有如下工艺步骤：(1)配制成膜溶液

成膜溶液主要由溶剂和溶质组成，溶质的浓度为0.05～0.2g/mL，溶剂为N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种，或它们中任两种或两种以上的组合，溶质为亲水性高分子材料聚醚砜或磺化聚砜或聚丙烯腈，将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液，

(2)形成微囊

将成膜溶液液滴滴入到温度为20～60℃的凝固浴中即可形成微囊，保温使微囊凝固成形后冷却到室温，凝固浴为含有表面活性剂的水或煤油与含有表面活性剂的水所形成的双层溶液，(3)清洗浸泡将制成的微囊转移到清水中浸泡，直至微囊内的溶剂被水完全置换为止，(4)表面扩孔浸泡扩孔液为成膜溶液的溶剂或成膜溶液的溶剂与水的混合液，混合液中，溶剂与水的体积比为12∶1～6，将清洗浸泡后的微囊于室温下浸入扩孔液中，浸泡时间以膜孔尺寸达到要求为限，(5)清洗浸泡与干燥将扩孔后的微囊转移到清水中浸泡，直至附在微囊上的扩孔液中的溶剂被水完全置换为止，浸泡后取出干燥即获得所需的固定微生物的通孔膜微囊载体。

4.一种固定微生物的通孔膜微囊载体，外形和囊内空间呈球状，囊膜(1)为高分子材料，囊膜上设置有若干供微生物细胞通过的膜孔(2)，其特征在于膜孔(2)为指状通孔，制备方法有如下工艺步骤：(1)配制成膜溶液

成膜溶液主要由溶剂和溶质组成，溶质的浓度为0.05～0.2g/mL，溶剂为N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种，或它们中任两种或两种以上的组合，溶质为非亲水性高分子材料聚砜或聚偏氟乙烯，

将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液，

(2)形成微囊

将成膜溶液液滴滴入到温度为20～60℃的凝固浴中即可形成微囊，保温使微囊凝固成形后冷却到室温，凝固浴为含有表面活性剂的水或煤油与含有表面活性剂的水所形成的双层溶液，(3)清洗浸泡与干燥将制成的微囊转移到清水中浸泡，直至附在微囊内的溶剂被水完全置换为止，浸泡后取出干燥，(4)表面改性与干燥

使用聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯配成浓度为5g/L的水溶液，将干燥后的微囊浸入聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯水溶液中，浸泡温度为室温，浸泡50分钟后，使用清水清洗微囊除去游离的聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯，将清洗后的微囊取出干燥得固定微生物的通孔膜微囊载体。

5.一种固定微生物的通孔膜微囊载体，外形和囊内空间呈球状，囊膜(1)为高分子材料，囊膜上设置有若干供微生物细胞通过的膜孔(2)，其特征在于膜孔(2)为指状通孔，制备方法有如下工艺步骤：(1)配制成膜溶液

成膜溶液主要由溶剂和溶质组成，溶质的浓度为0.05～0.2g/mL，溶剂为N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种，或它们中任两种或两种以上的组合，溶质为非亲水性高分子材料聚砜或聚偏氟乙烯，

将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液，

(2)形成微囊

将成膜溶液液滴滴入到温度为20～60℃的凝固浴中即可形成微囊，保温使微囊凝固成形后冷却到室温，凝固浴为含有表面活性剂的水或煤油与含有表面活性剂的水所形成的双层溶液，(3)清洗浸泡将制成的微囊转移到清水中浸泡，直至附在微囊内的溶剂被水完全置换为止，(4)表面扩孔浸泡扩孔液为成膜溶液中的溶剂或成膜溶液中的溶剂与水的混合液，混合液中，溶剂与水的体积比为12∶1～6，将清洗浸泡后的微囊浸入扩孔液中在室温下浸泡，浸泡时间以膜孔达到要求为限，(5)清洗浸泡与干燥将扩孔后的微囊转移到清水中浸泡，直至附在微囊上的扩孔液中的溶剂被水完全置换为止，浸泡后取出干燥，(6)表面改性与干燥

使用聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯配成浓度为10g/L的水溶液，将干燥后的微囊浸入聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯水溶液中，浸泡温度为室温，浸泡30分钟后，使用清水清洗微囊除去游离的聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯，将清洗后的微囊取出干燥得固定微生物的通孔膜微囊载体。

6.一种固定微生物的通孔膜微囊载体，外形和囊内空间呈球状，囊膜(1)为高分子材料，囊膜上设置有若干供微生物细胞通过的膜孔(2)，其特征在于膜孔(2)为指状通孔，制备方法有如下工艺步骤：(1)配制成膜溶液

成膜溶液主要由溶剂和溶质组成，溶质的浓度为0.05～0.2g/mL，溶剂为N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种，或它们中任两种或两种以上的组合，溶质为非亲水性高分子材料聚砜或聚偏氟乙烯，

将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液，

(2)形成微囊

将成膜溶液液滴滴入到温度为20～60℃的凝固浴中即可形成微囊，保温使微囊凝固成形后冷却到室温，凝固浴为含有表面活性剂的水或煤油与含有表面活性剂的水所形成的双层溶液，(3)清洗浸泡与干燥将制成的微囊转移到清水中浸泡，直至附在微囊内的溶剂被水完全置换为止，浸泡后取出干燥，(4)表面扩孔浸泡

扩孔液为成膜溶液中的溶剂或成膜溶液中的溶剂与水的混合液，混合液中，溶剂与水的体积比为12∶1～6，将干燥后的微囊浸入扩孔液中在室温下浸泡，浸泡时间以膜孔达到要求为限，(5)清洗浸泡与干燥将扩孔后的微囊转移到清水中浸泡，直至附在微囊上的扩孔液中的溶剂被水完全置换为止，浸泡后取出干燥，(6)表面改性与干燥

使用聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯配成浓度为5g/L的水溶液，将干燥后的微囊浸入聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯水溶液中，浸泡温度为室温，浸泡60分钟后，使用清水清洗微囊除去游离的聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯，将清洗后的微囊取出干燥得固定微生物的通孔膜微囊载体。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的固定微生物的通孔膜微囊载体，其特征在于配制成膜溶液时，还可以加入有机添加剂I或/和有机添加剂II，有机添加剂I为聚乙二醇或磷酸三乙酯或磷酸三丁酯或甘油，其浓度为0.01～0.3mL/mL，有机添加剂II为聚乙烯吡咯烷酮，其浓度为0.01～0.2g/mL。

8.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的固定微生物的通孔膜微囊载体，其特征在于配制成膜溶液时，还可以加入无机添加剂氯化锂或氯化钠或氯化钙，其浓度为

0.001～0.04g/mL。

9.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的固定微生物的通孔膜微囊载体，其特征在于膜孔(2)的孔径为微生物细胞尺寸的1～50倍。

说明书

固定微生物的通孔膜微囊载体及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于微生物固定化领域，特别涉及一种固定微生物的微囊载体及其制备方法。

背景技术

[0002] 微生物固定化是生物流化床反应器研究和应用开发中的一个关键技术。使用载体固定微生物可以使微生物在某一固定区域具有较高的密度，减轻或消除微生物的流失，提高反应速度，同时便于培养优势微生物种群，提高处理过程的稳定性，减少或消除副反应的发生，便于控制处理过程。常见的微生物细胞固定方法有化学固定法和物理固定法，化学固定法会导致蛋白质结构的改变和酶活性下降，物理固定法使微生物附着于载体表面，不仅易脱落，而且载体比表面积不大，微生物聚集量低。

[0003] 专利号为ZL 02222108.5的实用新型专利公开了一种“固定微生物的多孔膜微囊载体”，其外形和囊内空间呈球状，囊膜为高分子材料，囊膜上设置有若干供微生物细胞通过的膜孔，膜孔的孔径为微生物细胞尺寸的2～5倍，制备方法为界面聚合法或界面沉淀聚合法或原位聚合法。此种多孔膜微囊载体虽然提高了微生物的聚集密度，减少了传质阻力，使抗负荷冲击能力提高，对环境变化适应能力增强，但由于制备方法为上述三种方法，因而微囊载体的断面呈海绵状多孔网络，致使微生物细胞通过膜层的阻力较大、而且反应基质和代谢产物通过微囊膜的传质阻力仍然偏大，不利于微生物反应器性能的进一步提升。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种改进的固定微生物的通孔膜微囊载体及其制备方法，以提高微生物细胞自由通过微囊膜层的能力、减小反应基质和代谢产物通过微囊膜的传质阻力，使微生物反应器性能得到进一步的提升。

[0005] 本发明的技术方案是：从制备方法入手改善微囊载体膜孔的结构，实现提高微生物细胞自由通过微囊膜层的能力、以及减小反应基质和代谢产物通过微囊膜的传质阻力的目的。

[0006] 本发明提供的制备方法为相转化法，该方法获得的固定微生物的通孔膜微囊载体外形和囊内空间仍然呈球状(包括圆球状、椭球状和异形球状)，囊膜上有若干供微生物细胞通过的膜孔，膜孔为指状(或称为柱状或指形)通孔，孔壁表面粗糙，形成囊膜的高分子材料为成膜溶液中的溶质。膜孔的孔径可调范围大，为微生物细胞尺寸的1～50倍。囊膜越薄越好，其厚度一般为5～150μm，若成膜材料强度大、韧性好则偏下限选择，反之，则偏上限选择。

[0007] 根据所选用的成膜溶液的溶质材料的亲水疏水特性，并综合考虑用户对微囊膜孔的需求及工艺的简化，相转化法的具体工艺有以下几种。

[0008] 一、成膜溶液的溶质为亲水性高分子材料

[0009] 1、成膜溶液的溶质为亲水性高分子材料时，相转化法的基本工艺步骤如下：

[0010] (1)配制成膜溶液

[0011] 成膜溶液主要由溶剂和溶质组成，溶质的浓度为0.05～0.2g/mL。溶质为成膜材料，若需微囊的膜厚、强度大，则溶质的浓度应偏上限，反之则偏下限。

[0012] 溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种，或它们中任两种或两种以上的组合；溶质为亲水性高分子材料聚醚砜(PES)或磺化聚砜(SPSF)或聚丙烯腈(PAN)。将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0013] (2)形成微囊

[0014] 将成膜溶液液滴滴入到温度为20～60℃的凝固浴中即可形成微囊，保温使微囊凝固成形后(保温时间一般为1～3小时)冷却到室温(室内的自然温度)。

[0015] 凝固浴为含有表面活性剂的水或煤油与含有表面活性剂的水所形成的双层溶液。表面活性剂可选用山梨醇酐三油酸酯(Span85)、十二烷基硫酸钠(SDS)、聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯(Tween80)等，其加入量需满足降低水的表面张力以使液滴可突破水界面进入水中并保持球形的程度。若需得到表面较粗糙、膜薄、膜孔孔径大的微囊，则需将凝固浴的温度控制在接近上限，反之则将凝固浴的温度控制在接近下限。

[0016] (3)清洗浸泡与干燥

[0017] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，直至微囊内的溶剂被水完全置换为止(一般为24～48小时，若定时换水，可缩短浸泡时间)，浸泡温度为室温(室内的自然温度)，浸泡后取出干燥(既可以是自然干燥，又可以是冻结干燥)即获得固定微生物的通孔膜微囊载体。

[0018] 2、上述工艺步骤所获得的微囊载体表面的膜孔孔径一般为微生物的平均直径，微囊表面若需获得更大膜孔孔径，尚需采取以下扩孔工艺步骤：

[0019] (1)表面扩孔浸泡

[0020] 扩孔液为上述基本工艺步骤中成膜溶液的溶剂或成膜溶液的溶剂与水的混合液，混合液中，溶剂与水的体积比为12∶1～6。

[0021] 将干燥后获得的固定微生物的通孔膜微囊载体浸入扩孔液中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度)，浸泡时间以膜孔孔径达到要求为限(一般不超过200秒)。

[0022] (2)清洗浸泡与干燥

[0023] 将扩孔后的微囊转移到清水中浸泡，直至附在微囊上的扩孔液中的溶剂被水完全置换为止(一般为12～24小时，若定时换水，可缩短浸泡时间)，浸泡温度为室温(室内的自然温度)，浸泡后取出干燥(既可以是自然干燥，又可以是冻结干燥)即获得所需的固定微生物的通孔膜微囊载体。

[0024] 3、根据需要直接制备大孔径膜孔的微囊载体，工艺步骤如下：

[0025] (1)配制成膜溶液

[0026] 成膜溶液主要由溶剂和溶质组成，溶质的浓度为0.05～0.2g/mL。溶质为成膜材料，若需微囊的膜厚、强度大，则溶质的浓度应偏上限，反之则偏下限。

[0027] 溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种，或它们中任两种或两种以上的组合；溶质为亲水性高分子材料聚醚砜(PES)或磺化聚砜(SPSF)或聚丙烯腈(PAN)。将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0028] (2)形成微囊

[0029] 将成膜溶液液滴滴入到温度为20～60℃的凝固浴中即可形成微囊，保温使微囊凝固成形后(保温时间一般为1～3小时)冷却到室温(室内的自然温度)。

[0030] 凝固浴为含有表面活性剂的水或煤油与含有表面活性剂的水所形成的双层溶液。表面活性剂可选用山梨醇酐三油酸酯(Span85)、十二烷基硫酸钠(SDS)、聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯(Tween80)等，其加入量需满足降低水的表面张力以使液滴可突破水界面进入水中并保持球形的程度。若需得到表面较粗糙、膜薄、膜孔孔径大的微囊，则需将凝固浴的温度控制在接近上限，反之则将凝固浴的温度控制在接近下限。

[0031] (3)清洗浸泡

[0032] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，直至微囊内的溶剂被水完全置换为止(一般为24～48小时，若定时换水，可缩短浸泡时间)，浸泡温度为室温(室内的自然温度)。

[0033] (4)表面扩孔浸泡

[0034] 扩孔液为上述基本工艺步骤中成膜溶液的溶剂或成膜溶液的溶剂与水的混合液，混合液中，溶剂与水的体积比为12∶1～6。

[0035] 将清洗浸泡后的微囊浸入扩孔液中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度)，浸泡时间以膜孔孔径达到要求为限(一般不超过200秒)。

[0036] (5)清洗浸泡与干燥

[0037] 将扩孔后的微囊转移到清水中浸泡，直至附在微囊上的扩孔液中的溶剂被水完全置换为止(一般为12～24小时，若定时换水，可缩短浸泡时间)，浸泡温度为室温(室内的自然温度)，浸泡后取出干燥(既可以是自然干燥，又可以是冻结干燥)即获得所需的固定微生物的通孔膜微囊载体。

[0038] 二、成膜溶液的溶质为非亲水性高分子材料

[0039] 成膜溶液的溶质为非亲水性高分子材料时，其基本工艺步骤和扩孔工艺步骤与成膜溶液的溶质为亲水性高分子材料时相比，仅增加了表面改性步骤。表面改性为最后一个步骤，即将干燥后的微囊进行表面改性，使其内外表面和通道内表面具有亲水性。

[0040] 1、成膜溶液的溶质为非亲水性高分子材料时，相转化法的基本工艺步骤如下：

[0041] (1)配制成膜溶液

[0042] 成膜溶液主要由溶剂和溶质组成，溶质的浓度为0.05～0.2g/mL。溶质为成膜材料，若需微囊的膜厚、强度大，则溶质的浓度应偏上限，反之则偏下限。

[0043] 溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种，或它们中任两种或两种以上的组合；溶质为非亲水性高分子材料聚砜(PSF)或聚偏氟乙烯(PVDF)。

[0044] 将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0045] (2)形成微囊

[0046] 与成膜溶液的溶质为亲水性高分子材料的“形成微囊”步骤相同。

[0047] (3)清洗浸泡与干燥

[0048] 与成膜溶液的溶质为亲水性高分子材料的“清洗浸泡与干燥”步骤相同。

[0049] (4)表面改性与干燥

[0050] 将干燥后的微囊进行表面改性，使其内外表面和膜孔内表面具有亲水性，改性后干燥即获得固定微生物的通孔膜微囊载体。

[0051] 2、根据需要直接制备大孔径膜孔的微囊载体有两种工艺。

[0052] 第一种工艺有以下步骤：

[0053] (1)配制成膜溶液

[0054] 成膜溶液主要由溶剂和溶质组成，溶质的浓度为0.05～0.2g/mL。溶质为成膜材料，若需微囊的膜厚、强度大，则溶质的浓度应偏上限，反之则偏下限。

[0055] 溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种，或它们中任两种或两种以上的组合；溶质为非亲水性高分子材料聚砜(PSF)或聚偏氟乙烯(PVDF)。

[0056] 将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0057] (2)形成微囊

[0058] 与成膜溶液的溶质为亲水性高分子材料的“形成微囊”步骤相同。

[0059] (3)清洗浸泡

[0060] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，直至附在微囊内的溶剂被水完全置换为止。

[0061] (4)表面扩孔浸泡

[0062] 与成膜溶液的溶质为亲水性高分子材料的“表面扩孔浸泡”步骤相同。

[0063] (5)清洗浸泡与干燥

[0064] 与成膜溶液的溶质为亲水性高分子材料的表面扩孔浸泡后的“清洗浸泡与干燥”步骤相同。

[0065] (6)表面改性与干燥

[0066] 将干燥后的微囊进行表面改性，使其内外表面和膜孔内表面具有亲水性，改性后干燥即获得所需的固定微生物的通孔膜微囊载体。

[0067] 第二种工艺有以下步骤：

[0068] (1)配制成膜溶液

[0069] 成膜溶液主要由溶剂和溶质组成，溶质的浓度为0.05～0.2g/mL。溶质为成膜材料，若需微囊的膜厚、强度大，则溶质的浓度应偏上限，反之则偏下限。

[0070] 溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种，或它们中任两种或两种以上的组合；溶质为非亲水性高分子材料聚砜(PSF)或聚偏氟乙烯(PVDF)。

[0071] 将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0072] (2)形成微囊

[0073] 与成膜溶液的溶质为亲水性高分子材料的“形成微囊”步骤相同。

[0074] (3)清洗浸泡与干燥

[0075] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，直至附在微囊内的溶剂被水完全置换为止，浸泡后取出干燥，既可以自然干燥，也可以冻结干燥。

[0076] (4)表面扩孔浸泡

[0077] 与成膜溶液的溶质为亲水性高分子材料的“表面扩孔浸泡”步骤相同。

[0078] (5)清洗浸泡与干燥

[0079] 与成膜溶液的溶质为亲水性高分子材料的表面扩孔浸泡后的“清洗浸泡与干燥”步骤相同。

[0080] (6)表面改性与干燥

[0081] 将干燥后的微囊进行表面改性，使其内外表面和膜孔内表面具有亲水性，改性后干燥即获得所需的固定微生物的通孔膜微囊载体。

[0082] 选用上面提到的任一种高分子材料做溶质，配制成膜溶液时，都可以加入有机添加剂I或/和有机添加剂II，有机添加剂I为聚乙二醇(PEG)或磷酸三乙酯(TEP)或磷酸三丁酯(TBP)或甘油，其浓度为0.01～0.3mL/mL，利于形成膜孔，其浓度越大，形成的膜孔越大。有机添加剂II为聚乙烯吡咯烷酮，其浓度为0.01～0.2g/mL，有利于形成较大孔径的膜孔；还可以加入无机添加剂氯化锂或氯化钠或氯化钙，其浓度为0.001～0.04g/mL，可增加膜孔数量。

[0083] 本发明除具有ZL 02222108.5实用新型专利的有益效果外，还具有以下有益效果：

[0084] 1、由于微囊载体的膜孔为指状通孔结构，相对于海绵状多孔网络，大大提高微生物细胞自由通过微囊膜层的能力，减小了反应基质和代谢产物通过微囊膜的传质阻力。

[0085] 2、制备微囊载体的相转化法不仅改变了膜孔的形状和构造，而且使膜孔孔径的可调范围增大，因而扩大了微囊载体适用微生物的范围。

[0086] 3、相对于界面聚合法或界面沉淀聚合法或原位聚合法，相转化法工艺更为简单，操作更为方便。

[0087] 4、微囊载体内外表面粗糙多孔，通孔壁面密布微孔，微囊呈亲水性，利于微生物在微囊表面和膜孔内的附着。

附图说明

[0088] 图1是ZL 02222108.5实用新型专利中界面聚合法所制备的固定微生物的多孔膜微囊载体断面的扫描电镜图；

[0089] 图2是ZL 02222108.5实用新型专利中界面沉淀聚合法所制备的固定微生物的多孔膜微囊载体断面的扫描电镜图；

[0090] 图3是本发明所述的相转化法所制备的固定微生物的通孔膜微囊载体断面的扫描电镜图；

[0091] 图4是本发明所述的相转化法所制备的固定微生物的通孔膜微囊载体的一种结构图；

[0092] 图5是本发明所述的相转化法所制备的通孔膜微囊载体固定微生物的示意图。

[0093] 图中，1-囊膜、2-膜孔、3-微生物、4-生物膜。

具体实施方式

[0094] 实施例1

[0095] 本实施例以亲水性高分子材料聚醚砜(PES)、磺化聚砜(SPSF)、聚丙烯腈(PAN)为成膜溶液的溶质，工艺步骤如下：

[0096] (1)配制成膜溶液

[0097] 配置四组成膜溶液，各组的配比见下表。

[0098] 组别 溶剂 溶质及其浓度

[0099] 第一组 N，N-二甲基乙酰胺(DMAC) 聚醚砜(PES)0.05g/mL[0100] 第二组 二甲基亚砜(DMSO) 磺化聚砜(SPSF)0.1g/mL[0101] 第三组 N，N-二甲基甲酰胺(DMF) 聚丙烯腈(PAN)0.15g/mL[0102] 第四组 N-甲基吡咯烷酮(NMP) 聚醚砜(PES)0.2g/mL[0103] 将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0104] (2)形成微囊

[0105] 凝固浴为含有表面活性剂山梨醇酐三油酸酯(Span85)的水溶液，Span85的浓度为0.28g/L。

[0106] 将凝固浴分别装在四个容器中，温度均控制在30℃。将四组成膜溶液液滴分别滴入四个装有凝固浴的容器中，保温2小时，逐渐冷却到室温(室内的自然温度为20℃)，即可形成微囊。

[0107] (3)清洗浸泡与干燥

[0108] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为20℃)，每隔1小时更换一次水，约需24小时则可使附在微囊上的溶剂被水完全置换，浸泡后取出自然干燥即获得如图4所示的固定微生物的通孔膜微囊载体。

[0109] 各组成膜溶液所形成的固定微生物的通孔膜微囊载体的表面膜孔孔径如下：

[0110] 第一组平均孔径为0.91微米

[0111] 第二组平均孔径为0.70微米

[0112] 第三组平均孔径为0.49微米

[0113] 第四组平均孔径为0.21微米

[0114] 实施例2

[0115] 将实施例1所获得的固定微生物的通孔膜微囊载体进行扩孔处理，工艺步骤如下：

[0116] (1)表面扩孔浸泡

[0117] 扩孔液为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)与水的混合液，N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)与水的体积比为12∶1。

[0118] 将实施例1获得的四组固定微生物的通孔膜微囊载体分别浸入扩孔液中浸泡，浸泡时间60秒，浸泡温度为室温(室内的自然温度为20℃)。

[0119] (2)清洗浸泡与干燥

[0120] 将扩孔后的四组微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为20℃)，每隔1小时更换一次水，约需15小时可使微囊内的扩孔液中的N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)被水完全置换，浸泡后取出自然干燥，各组成膜溶液所形成的固定微生物的通孔膜微囊载体的表面膜孔孔径如下：

[0121] 第一组平均孔径为3.13微米

[0122] 第二组平均孔径为2.57微米

[0123] 第三组平均孔径为1.52微米

[0124] 第四组平均孔径为0.91微米

[0125] 实施例3

[0126] 本实施例以非亲水性高分子材料聚砜(PSF)或聚偏氟乙烯(PVDF)为成膜溶液的溶质，工艺步骤如下：

[0127] (1)配制成膜溶液

[0128] 配置四组成膜溶液，各组的配比见下表。

[0129] 组别 溶剂 溶质及其浓度[0130] 第一组 N，N-二甲基乙酰胺(DMAC) 聚砜(PSF)0.05g/mL[0131] 第二组 二甲基亚砜(DMSO) 聚偏氟乙烯(PVDF)0.1g/mL

[0132] 第三组 N，N-二甲基甲酰胺(DMF) 聚砜(PSF)0.15g/mL[0133] 第四组 N-甲基吡咯烷酮(NMP) 聚偏氟乙烯(PVDF)0.2g/mL

[0134] 将溶质加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0135] (2)形成微囊

[0136] 凝固浴为含有表面活性剂山梨醇酐三油酸酯(Span85)的水溶液，Span85的浓度为0.2g/L。

[0137] 将凝固浴分别装在四个容器中，温度均控制在40℃。将四组成膜溶液液滴分别滴入四个装有凝固浴的容器中，保温1.5小时，逐渐冷却到室温(室内的自然温度为20℃)，即可形成微囊。

[0138] (3)清洗浸泡与干燥

[0139] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为20℃)，每隔1小时更换一次水，约需24小时则可使附在微囊上的溶剂被水完全置换，浸泡后取出自然干燥。

[0140] (4)表面改性与干燥

[0141] 使用聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯(Tween20)配成浓度为5g/L的水溶液。将上面的微囊浸入Tween20的水溶液中，浸泡温度为室温(室内的自然温度为20℃)，浸泡50分钟后，使用清水清洗微囊30分钟，除去游离的Tween20。将清洗后的微囊取出自然干燥得固定微生物的通孔膜微囊载体。

[0142] 表面改性后获得的固定微生物的通孔膜微囊载体如图4所示。各组成膜溶液所形成的固定微生物的通孔膜微囊载体的表面膜孔孔径如下：

[0143] 第一组平均孔径为0.98微米

[0144] 第二组平均孔径为0.85微米

[0145] 第三组平均孔径为0.57微米

[0146] 第四组平均孔径为0.30微米

[0147] 实施例4

[0148] 将实施例3第(3)步所获得的固定微生物的通孔膜微囊载体进行扩孔处理，工艺步骤如下：

[0149] (1)扩孔浸泡

[0150] 扩孔液为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)与水的混合液，N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)与水的体积比为6∶1。

[0151] 将实施例3第(3)步获得的四组固定微生物的通孔膜微囊载体分别浸入扩孔液中浸泡，浸泡时间30秒，浸泡温度为室温(室内的自然温度为20℃)。

[0152] (2)清洗浸泡与干燥

[0153] 将扩孔后的四组微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为20℃)，

[0154] 每隔1小时更换一次水，约需15小时可使附在微囊上的扩孔液中的N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)被水完全置换，浸泡后取出自然干燥。

[0155] (3)表面改性与干燥

[0156] 使用聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯(Tween20)配成浓度为10g/L的水溶液。将上面的微囊浸入Tween20的水溶液中，浸泡温度为室温(室内的自然温度)，浸泡30分钟后，使用清水清洗微囊30分钟，除去游离的Tween20。将清洗后的微囊取出自然干燥得固定微生物的通孔膜微囊载体。

[0157] 各组成膜溶液所形成的固定微生物的通孔膜微囊载体的表面膜孔孔径如下：

[0158] 第一组平均孔径为3.46微米

[0159] 第二组平均孔径为2.91微米

[0160] 第三组平均孔径为1.89微米

[0161] 第四组平均孔径为1.34微米

[0162] 实施例5

[0163] 本实施例以亲水性高分子材料聚醚砜(PES)为成膜溶液的溶质，工艺步骤如下：

[0164] (1)配制成膜溶液

[0165] 溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)和二甲基亚砜(DMSO)的混合液，体积比为1∶1；溶质为亲水性高分子材料聚醚砜(PES)，浓度0.1g/mL；有机添加剂I为聚乙二醇(PEG)，浓度为0.1mL/mL；有机添加剂II为聚乙烯吡咯烷酮，浓度为0.2g/mL。

[0166] 将溶质、有机添加剂加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0167] (2)形成微囊

[0168] 凝固浴为含有表面活性剂山梨醇酐三油酸酯(Span85)的水和煤油的双层溶液，Span85的浓度为0.25g/L。

[0169] 凝固浴的温度均控制在20℃。将成膜溶液液滴滴入装有凝固浴的容器中，保温2.5小时，逐渐冷却到室温(室内的自然温度为15℃)，即可形成微囊。

[0170] (3)清洗浸泡与干燥

[0171] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)，每隔1小时更换一次水，约需24小时则可使微囊内的溶剂被水完全置换，浸泡后取出自然干燥即获得如图4所示的固定微生物的通孔膜微囊载体。通孔膜微囊载体的膜孔平均孔径0.87微米。

[0172] 实施例6

[0173] 本实施例以亲水性高分子材料聚醚砜(PES)为成膜溶液的溶质，工艺步骤如下：

[0174] (1)配制成膜溶液

[0175] 溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基亚砜(DMSO)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合液，体积比为1∶1∶1；溶质为亲水性高分子材料聚醚砜(PES)，浓度0.2g/mL；有机添加剂I为甘油，浓度为0.05mL/mL；有机添加剂II为聚乙烯吡咯烷酮，浓度为0.2g/mL；无机添加剂为氯化钠，其浓度为0.01g/mL。

[0176] 将溶质、有机添加剂和无机添加剂加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0177] (2)形成微囊

[0178] 凝固浴为含有表面活性剂聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯(Tween80)的水和煤油的双层溶液，Tween80的浓度为10g/L。

[0179] 凝固浴的温度均控制在60℃。将成膜溶液液滴滴入装有凝固浴的容器中，保温2.5小时，逐渐冷却到室温(室内的自然温度为20℃)，即可形成微囊。

[0180] (3)清洗浸泡与干燥

[0181] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为20℃)，每隔1小时更换一次水，约需24小时则可使微囊内的溶剂被水完全置换，浸泡后取出冻结干燥即获得如图4所示的固定微生物的通孔膜微囊载体。通孔膜微囊载体的膜孔平均孔径0.33微米。

[0182] 实施例7

[0183] 本实施例以亲水性高分子材料聚醚砜(PES)为成膜溶液的溶质，工艺步骤如下：

[0184] (1)配制成膜溶液

[0185] 溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMA℃)；溶质为亲水性高分子材料聚醚砜(PES)，浓度0.2g/mL；有机添加剂I为聚乙二醇，浓度为0.1mL/mL；有机添加剂II为聚乙烯吡咯烷酮，浓度为0.2g/mL；无机添加剂为氯化钠，其浓度为0.001g/mL。

[0186] 将溶质、有机添加剂和无机添加剂加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0187] (2)形成微囊

[0188] 凝固浴为含有表面活性剂山梨醇酐三油酸酯(Span85)的水溶液，Span85的浓度为0.24g/L。

[0189] 凝固浴的温度均控制在20℃。将成膜溶液液滴滴入装有凝固浴的容器中，保温2小时，冷却到室温(室内的自然温度为15℃)，即可形成微囊。

[0190] (3)清洗浸泡与干燥

[0191] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)，每隔1小时更换一次水，约需24小时则可使微囊内的溶剂被水完全置换，浸泡后取出自然干燥。

[0192] (4)表面扩孔浸泡

[0193] 扩孔液为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)与水的混合液，N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)与水的体积比为6∶1。

[0194] 将第(3)步获得的微囊浸入扩孔液中浸泡，浸泡时间60秒，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)。

[0195] (5)清洗浸泡与干燥

[0196] 将扩孔后的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)，每隔1小时更换一次水，约需12小时可使附在微囊上的扩孔液中的N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)被水完全置换，浸泡后取出自然干燥，获得如图4所示的固定微生物的通孔膜微囊载体。微囊膜孔的平均孔径约为9.67微米。

[0197] 实施例8

[0198] 本实施例以亲水性高分子材料聚醚砜(PES)为成膜溶液的溶质，工艺步骤如下：

[0199] (1)配制成膜溶液

[0200] 溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)；溶质为亲水性高分子材料聚醚砜(PES)，浓度0.14g/mL；有机添加剂I为聚乙二醇，浓度为0.1mL/mL；有机添加剂II为聚乙烯吡咯烷酮，浓度为0.1g/mL；无机添加剂为氯化钠，其浓度为0.001g/mL。

[0201] 将溶质、有机添加剂和无机添加剂加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0202] (2)形成微囊

[0203] 凝固浴为含有表面活性剂山梨醇酐三油酸酯(Span85)的水溶液，Span85的浓度为0.24g/L。

[0204] 凝固浴的温度均控制在40℃。将成膜溶液液滴滴入装有凝固浴的容器中，保温2小时，逐渐冷却到室温(室内的自然温度为20℃)，即可形成微囊。

[0205] (3)清洗浸泡

[0206] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为20℃)，每隔1小时更换一次水，约需24小时则可使微囊内的溶剂被水完全置换。

[0207] (4)表面扩孔浸泡

[0208] 扩孔液为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)。

[0209] 将第(3)步获得的微囊浸入扩孔液中浸泡，浸泡时间60秒，浸泡温度为室温(室内的自然温度为20℃)。

[0210] (5)清洗浸泡与干燥

[0211] 将扩孔后的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为20℃)，每隔1小时更换一次水，约需15小时可使附在微囊上的扩孔液中的N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)被水完全置换，浸泡后取出自然干燥，获得如图4所示的固定微生物的通孔膜微囊载体。微囊膜孔的平均孔径约为10.32微米。

[0212] 实施例9

[0213] 本实施例以非亲水性高分子材料聚偏氟乙烯(PVDF)为成膜溶液的溶质，工艺步骤如下：

[0214] (1)配制成膜溶液

[0215] 溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)；溶质为非亲水性高分子材料聚偏氟乙烯(PVDF)，浓度0.2g/mL；有机添加剂I为聚乙二醇，浓度为0.15mL/mL；有机添加剂II为聚乙烯吡咯烷酮，浓度为0.1g/mL；无机添加剂为氯化钠，其浓度为0.001g/mL。

[0216] 将溶质、有机添加剂和无机添加剂加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0217] (2)形成微囊

[0218] 凝固浴为含有表面活性剂山梨醇酐三油酸酯(Span85)的水溶液，Span85的浓度为0.28g/L。

[0219] 凝固浴的温度均控制在20℃。将成膜溶液液滴滴入装有凝固浴的容器中，保温2小时，冷却到室温(室内的自然温度为15℃)，即可形成微囊。

[0220] (3)清洗浸泡与干燥

[0221] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)，每隔1小时更换一次水，约需24小时则可使微囊内的溶剂被水完全置换，浸泡后取出自然干燥。

[0222] (4)表面扩孔浸泡

[0223] 扩孔液为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)与水的混合液，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)与水的体积比为6∶1。

[0224] 将第(3)步获得的微囊浸入扩孔液中浸泡，浸泡时间60秒，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)。

[0225] (5)清洗浸泡与干燥

[0226] 将扩孔后的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)，每隔1小时更换一次水，约需15小时可使附在微囊上的扩孔液中的N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)被水完全置换，浸泡后取出自然干燥。

[0227] (6)表面改性与干燥

[0228] 使用聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯(Tween20)配成浓度为5g/L的水溶液。将上面的微囊浸入Tween20的水溶液中，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)，浸泡60分钟后，使用清水清洗微囊30分钟，除去游离的Tween20。将清洗后的微囊取出自然干燥获得如图4所示的固定微生物的通孔膜微囊载体，膜孔平均孔径为9.46微米。

[0229] 实施例10

[0230] 本实施例以非亲水性高分子材料聚偏氟乙烯(PVDF)为成膜溶液的溶质，工艺步骤如下：

[0231] (1)配制成膜溶液

[0232] 溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)；溶质为非亲水性高分子材料聚偏氟乙烯(PVDF)，浓度0.15g/mL；有机添加剂I为聚乙二醇，浓度为0.15mL/mL；有机添加剂II为聚乙烯吡咯烷酮，浓度为0.1g/mL；无机添加剂为氯化钠，其浓度为0.001g/mL。

[0233] 将溶质、有机添加剂和无机添加剂加入溶剂，混合均匀即形成成膜溶液。

[0234] (2)形成微囊

[0235] 凝固浴为含有表面活性剂山梨醇酐三油酸酯(Span85)的水溶液，Span85的浓度为0.28g/L。

[0236] 凝固浴的温度均控制在20℃。将成膜溶液液滴滴入装有凝固浴的容器中，保温2小时，冷却到室温(室内的自然温度为15℃)，即可形成微囊。

[0237] (3)清洗浸泡

[0238] 将制成的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)，每隔1小时更换一次水，约需24小时则可使微囊内的溶剂被水完全置换。

[0239] (4)表面扩孔浸泡

[0240] 扩孔液为N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)。

[0241] 将第(3)步获得的微囊浸入扩孔液中浸泡，浸泡时间50秒，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)。

[0242] (5)清洗浸泡与干燥

[0243] 将扩孔后的微囊转移到清水中浸泡，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)，每隔1小时更换一次水，约需15小时可使附在微囊上的扩孔液中的N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)被水完全置换，浸泡后取出自然干燥。

[0244] (6)表面改性与干燥

[0245] 使用聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯(Tween20)配成浓度为5g/L的水溶液。将上面的微囊浸入Tween20的水溶液中，浸泡温度为室温(室内的自然温度为15℃)，浸泡70分钟后，使用清水清洗微囊30分钟，除去游离的Tween20。将清洗后的微囊取出自然干燥获得如图4所示的固定微生物的通孔膜微囊载体，膜孔平均孔径为10.36微米。

[0246] 上述各实施例所制备的固定微生物的通孔膜微囊载体，其扫描电镜下的断面结构如图3所示。