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【科研进展】基于MOFs的“三维修饰”制备高通量生物催化膜

[作者:生化工程与装备研究部   来源: 本站原创   发布时间:2018-06-04   ]

        生活用水及再生水中常含有微量、难降解、高危害的小分子有机污染物,主要来源于药物及个人护理品(抗生素、消炎药、激素和农药)和工业污染物(多环芳烃、双酚A、多氯联苯等)。有证据表明,这类微污染物可能诱发人类性早熟、癌症、畸形以及造成牲畜大量死亡。因其分子量普遍较小(100-1000 Da)且吸附性强,即使是纳滤或反渗透膜都难以对其完全截留。应运而生的酶基生物催化纳滤膜集成了酶降解和膜分离功能,可显著提高纳滤膜对污染物的去除能力,作为代价,酶的堵孔效应使纳滤膜渗透性大幅下降。另一类生物催化微滤膜虽具有高载酶量、高通量和高去除率,但本身过滤能力不够精细,且易污染。综上,如何制备稳定且高效的生物催化膜是一项艰巨的挑战。

        中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室万印华研究员团队将目光聚焦在商品化亲水高通量聚丙烯腈(PAN)超滤膜上,提出了“3D修饰”的新型膜改性策略。利用金属有机骨架材料(MOFs)对支撑无纺布纤维的简单修饰,实现了酶固定方式由传统的“二维(2D)”模式(固定化酶在分离层表面)向 “三维(3D)”模式(固定化酶分散在整张膜内)的转变。具体来说,就是先对PAN超滤膜逆向过滤聚乙烯亚胺,将其分离层电荷由负变正,再逆向过滤MOF颗粒,修饰支撑层,继续过滤漆酶溶液(分离层的聚乙烯亚胺会吸附富集穿过支撑层的漆酶),使漆酶分散在分离层和支撑层上,最后聚多巴胺涂层封装和粘结将酶固定化。获得的生物催化膜采用正向过滤操作处理料液。

        这一策略能够使酶分布在超/纳滤等非对称膜的所有部位,特别是在占据绝大多数体积的支撑层内均匀分布,此类生物催化膜具备以下几个优点:1、减少酶在膜分离层富集,降低堵孔效应,提高通量;2、通过增加酶固定区域的维度,延长底物与酶的接触时间;3、通过MOFs的“双重吸附”效应,同时对酶和污染底物进行吸附,有效降低使用过程中酶的泄漏,提升系统对pH波动的耐受力,改善生物催化膜的重复使用性能和底物选择性。理论上,这一普适的修饰策略能够应用于几乎所有具有大孔支撑层的复合膜上。

        该项目得到国家自然科学基金(No. 21506229),中国科学院青年促进会(No. 2017069)以及中国科学院“百人计划”的支持,相关研究成果发表在Chemical Engineering Journal, 348 (2018) 389-398

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