聚硅酸酯-聚硅酮酶固定化材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一般涉及特別是用于二氧化碳捕集和隔離的領域中的酶固定化的改良。已發(fā)現(xiàn)利用溶膠-凝膠方法來將酶固定在聚硅酸酯-聚硅酮共聚物涂料和粒子中以及將這些涂料沉積在固態(tài)載體上或使用這些粒子的懸浮液會提供供在涉及酶催化劑的工業(yè)應用中使用的顯著益處。
【專利說明】聚硅酸酯-聚硅酮酶固定化材料 發(fā)明領域
[0001] 本發(fā)明一般涉及包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物的酶固定化材料。具體來說，本發(fā) 明涉及用于固定碳酸酐酶的聚硅酸酯-聚硅酮共聚固定化材料。固定化碳酸酐酶可用于捕 集二氧化碳。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 正在開發(fā)用于自工業(yè)氣流捕集二氧化碳（CO2)以降低能量消耗和大氣中的CO 2的 環(huán)境影響的技術。CO2排放的主要來源包括發(fā)電廠、水泥窯、天然氣加工設施、氨廠和氫氣 廠。捕集的CO2可被隔離或可被再用于：提高油回收率、加工食品或加速可具有多種應用的 藻類生長。在天然氣加工和氨生產的情況下，移除CO2是用以滿足產品規(guī)格的必需步驟。在 工業(yè)氫氣生產的情況下，移除CO2可提高工廠效率且增加產品輸出量。
[0004] 當前，若干備用CO2捕集技術處于商業(yè)實施和開發(fā)的各個階段。這些技術包括使 用胺溶劑（特別是單乙醇胺-MEA)進行的化學吸收、物理吸附、膜分離、低溫蒸餾，和礦物質 碳酸化用胺進行的化學吸收當前被視為移除大多數(shù)氣流的CO2，特別是用于清除天然氣中 的低水平CO2的成本最低的方法。MEA系統(tǒng)更具反應性，且因此是優(yōu)選的，但用以自MEA移 除吸收的CO2的能量的需求極高（在每噸CO2約4百萬BTU下）且可需要多達約三分之一 的發(fā)電廠的鍋爐輸出量。
[0005] -種出現(xiàn)的替代胺汽提的方案在于并入在低載溶劑存在下特定用于二氧化碳 轉化（CO2),從而隨后降低再生能量需求以及降低總成本的生物催化劑。碳酸酐酶（CA) (EC4. 2. I. 1)是在自然界中普遍存在且已知會以催化方式將碳酸氫根可逆轉化成CO2和水 的酶家族。
[0006] 本領域中需要提高用于工業(yè)方法的催化過程中的酶的穩(wěn)定性和效率的改良材料、 組合物、方法、方法和系統(tǒng)。
[0007] 發(fā)明概述
[0008] 在本發(fā)明的各種方面之中的是通過在包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物的材料中包 埋來固定酶。
[0009] 在本發(fā)明的各種方面之中的是由聚硅酸酯_聚硅酮共聚物中的固定化酶組成的 多孔顆粒。
[0010] 在本發(fā)明的各種方面之中的是開發(fā)包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物和使二氧化碳 水合的生物催化劑的多孔顆粒。顆粒是于溶液中產生且通常含有親水性添加劑。生物催化 劑被包埋在粒子組合物中。
[0011] 在本發(fā)明的各種方面之中的是一種含有固定在包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物的 涂覆材料中的酶的涂覆的載體。
[0012] 在本發(fā)明的各種方面之中的是一種包含固體載體、涂覆組合物和使二氧化碳水合 的生物催化劑的涂覆的載體。涂覆組合物在固體載體的表面上形成層且包含聚硅酸酯-聚 硅酮共聚物和通常親水性添加劑。生物催化劑被包埋在涂覆組合物中。
[0013] 在本發(fā)明的各種方面之中的是如環(huán)氧化物、氨基甲酸酯、樹脂、氰基丙烯酸酯和甲 基丙烯酸酯的常見商業(yè)聚合物粘著劑用以將多孔聚硅酸酯-聚硅酮共聚物顆粒粘著于固 體載體的用途。
[0014] 在本發(fā)明的另一方面，涂料和顆粒的組合物是由溶膠和催化劑的反應獲得，其中 所述溶膠包含烷氧基硅烷或有機三烷氧基硅烷、聚（硅酮）、親水性添加劑和使二氧化碳水 合的生物催化劑。
[0015] 另一方面涉及一種用于自含有CO2的氣體移除CO2的方法，所述方法包括使含有催 化CO2水合的固定化酶或固定化酶粒子的懸浮液的液體與含有CO2的氣體在商業(yè)接觸器上 接觸以促進CO2擴散至所述液體中，隨后CO2轉化成氫離子和碳酸氫根離子。
[0016] 另一方面涉及一種用于自含有CO2的氣體移除CO2的方法，所述方法包括使液體與 含有CO2的氣體接觸以促進CO2擴散至所述液體中，以及使所述液體中的CO2與本文所述的 涂覆的載體接觸以催化CO2水合且形成包含氫離子和碳酸氫根離子的處理的液體。
[0017] 本發(fā)明的另一方面涉及一種包含酶和固定化材料的固定化酶，其中所述酶被包埋 在所述固定化材料內且所述固定化材料是由溶膠和催化劑的反應獲得，所述溶膠包含烷氧 基娃燒或有機二燒氧基娃燒或偏娃酸醋、（聚（娃麗））和酶。
[0018] 另一方面涉及一種用于制備本文所述的多孔粒子的方法，其包括混合烷氧基硅烷 或偏硅酸酯和/或有機三烷氧基硅烷、聚（硅酮）、親水性添加劑、碳酸酐酶、催化劑和溶劑 以形成含有包埋的酶的多孔粒子。
[0019] 另一方面涉及一種用于制備本文所述的涂覆的載體的方法，其包括混合烷氧基硅 烷和/或有機三烷氧基硅烷、聚（硅酮）、親水性添加劑、碳酸酐酶和溶劑以形成溶膠，使所 述溶膠與催化劑接觸以形成凝膠，以及使固體載體與所述凝膠接觸。
[0020] 另一方面涉及一種涂覆的載體，其包含固體載體和在所述固體載體的表面上形成 層的涂覆組合物，其中所述涂覆組合物包含本文所述的固定化酶。
[0021] 其它目標和特征將在下文中部分地顯而易知以及部分地指出。
[0022] 附圖簡述
[0023] 圖IA和IB是與CO2汽提器耦合的CO2吸收器的示意圖且圖IC是半間歇式反應器 的示意圖。
[0024] 圖2是實施例21、28和30中利用的閉環(huán)反應器的示意圖。
[0025] 圖3是使用實施例4中的合成程序產生的含有CA/18-冠-6的聚硅酸酯/聚硅氧 烷干凝膠粉末的FTIR。
[0026] 圖4含有代表性干凝膠粉末樣品的BET氮吸附等溫線。
[0027] 圖5含有顯示代表性干凝膠粉末樣品中的BJH孔尺寸分布的圖。
[0028] 圖6顯示使用實施例3中所述的合成程序產生的含有18-冠-6的干凝膠顆粒的 SEM圖像。
[0029] 圖7顯示使用實施例4中的合成程序產生的含有CA/18-冠-6的聚硅酸酯/聚硅 氧烷干凝膠的重量百分比裝載量研究。
[0030] 圖8顯示通過使使用實施例2中所述的合成方法制備的粒子的0. 2重量％混懸液 懸浮液在1/8英寸Tipton陶瓷球上流動所進行的流通實驗。
[0031] 圖9A-D分別是在25x、1000x、2500x和5000x放大倍數(shù)下在陶瓷球上的聚硅酸 酯-聚硅酮共聚涂料的掃描電子顯微照片。
[0032] 圖10是碳酸酐酶裝載水平對通過實施例13制備的涂覆的載體的所得酶活性的影 響的圖示。
[0033] 圖11是沉積多層聚硅酸酯-聚硅酮共聚物層對通過實施例18制備的使用表面引 發(fā)的催化產生的涂覆的載體的所得酶活性的影響的圖示。
[0034] 圖12是根據(jù)實施例18中概述的方法制備的涂覆的Tipton載體的催化活性的圖 示，所述催化活性顯示為CO2轉化百分比和超過裸露陶瓷填充材料的增強乘數(shù)。
[0035] 圖13顯示如實施例18中所述，歷經366天在閉環(huán)反應器中測量的涂覆的載體的 催化活性和涂料厚度。
[0036] 圖14是顯示根據(jù)實施例18制備的含有包埋有碳酸酐酶的聚硅酸酯源性涂料的三 個涂層的樣品隨時間的酶保留的圖，所述保留是如在連續(xù)流環(huán)境中持續(xù)42天所測定（如實 施例18中所述）。
[0037] 圖15是顯示根據(jù)實施例18制備的涂覆的載體在痕量污染物SO2和NO2存在下的 催化活性的圖。
[0038] 圖16是顯示根據(jù)實施例18制備的涂覆的載體在使用燃煤煙道氣下的催化活性的 圖。
[0039] 圖17顯示使用實施例26中所述的制劑和方法涂覆的涂覆2" Sulzer填料單元的 Kg。
[0040] 圖18顯示在利用0. 051摩爾％ NH4F催化劑下使用實施例26中所述的制劑和方 法涂覆的2" Sulzer結構化填充材料的涂料厚度研究（描述為質量）。
[0041] 圖19顯示使用實施例27中所述的制劑和方法涂覆的2" Sulzer填料單元的Ke。
[0042] 圖20顯示根據(jù)實施例3利用使用甲醇稀釋法制備的干凝膠粉末產生的使用實施 例29中所述的粘著方法涂覆的2" Sulzer填料單元的Ke。
[0043] 圖21顯示根據(jù)實施例7利用使用乙醇稀釋法制備的干凝膠粉末產生的使用實施 例29中所述的粘著方法涂覆的2" Sulzer填料單元的Ke。
[0044] 圖22顯示根據(jù)實施例1利用使用磷酸鹽緩沖液稀釋法制備的干凝膠粉末產生的 使用實施例29中所述的粘著方法涂覆的2" Sulzer填料單元的Ke。
[0045] 在整個圖式中相應參考記號指示相應部件。
[0046] 發(fā)明描述
[0047] 已發(fā)現(xiàn)利用溶膠-凝膠方法來在聚硅酸酯/聚硅氧烷源性材料中固定酶會產生顯 示使水中的CO2轉化成碳酸氫根和質子的能力出色的功能性材料。這些材料可作為涂料沉 積在固態(tài)載體上或以懸浮粒子形式使用。這些材料提供用于涉及酶催化劑的工業(yè)應用中的 顯著益處。
[0048] 本文所述的聚硅酸酯-聚硅酮共聚材料提供一種用于固定酶的多功能平臺。這種 多功能性部分地歸因于粒子和涂料的性質可基于選擇組分取代基加以改良的程度較高。舉 例來說，涂料的孔尺寸、親水性/疏水性、轉運性質和酶功能性可通過適當選擇組分取代基 加以控制。
[0049] 本文所述的聚硅酸酯-聚硅酮共聚物涂料可應用于固體載體。有利的是聚硅酸 酯-聚硅酮共聚物涂料可應用于可商購獲得的適用于各種反應器，包括填充床反應器中的 填充材料。
[0050] 涂覆的載體可包含固定生物催化劑的聚硅酸酯-聚硅酮共聚物，所述聚硅酸 酯-聚硅酮共聚物由粘著涂料粘著于固體載體。
[0051] 這些材料也可用于涂覆可用于填充床或流化床反應器中的固體粒子。
[0052] 或者，本文所述的這些方法也可用于產生具有均一或分布的粒度的粒子，通常被 稱為干凝膠，其可用于流化床反應器或塔接觸器中。
[0053] 所得聚硅酸酯/聚硅氧烷共聚物源性干凝膠是顯示一定范圍的粒度的多孔顆粒， 且與允許高度保留固定化酶和它的催化活性的涂料類似。
[0054] 粒度、孔尺寸以及特性的化學和物理性質可通過合成方法加以控制。
[0055] 本文所述的材料可為如以下更詳細所述的聚硅酸酯/聚硅氧烷共聚物。
[0056] 舉例來說，相較于裸露陶瓷和不銹鋼填充材料，用根據(jù)本文所述的方法制備的固 定化酶涂覆的填充材料極大增加了二氧化碳轉化成碳酸氫根的速率。舉例來說，已在45°C 下持續(xù)大于200天在連續(xù)流動反應器中達成高速持續(xù)CO2轉化。
[0057] 同樣，已產生樣品并持續(xù)超過一年加以測試發(fā)現(xiàn)所述樣品仍然保留超過空白溶劑 的催化活性。
[0058] 本文所述的涂覆的載體、方法和系統(tǒng)特別適用于捕集和隔離液體環(huán)境中的二氧化 碳。
[0059] 此外，本文所述的涂覆的載體、方法和系統(tǒng)可特定用于捕集和隔離水性環(huán)境中的 二氧化碳。
[0060] 涂覆的載體
[0061] 本文所述的涂覆的載體包含固體載體、在所述固體載體的表面上形成層的涂覆組 合物，所述涂覆組合物包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物和在一些情況下親水性添加劑和/或 表面活性劑；以及包埋在所述涂覆組合物中的催化二氧化碳水合的生物催化劑。它們適用 于生物工業(yè)方法中。
[0062] 因為生物催化劑催化二氧化碳水合，所以涂覆的載體特別適用于捕集和隔離二氧 化碳的方法中。具體來說，催化二氧化碳水合的生物催化劑包括碳酸酐酶。
[0063] 通常，涂覆的載體包含固定在涂覆組合物內的酶，其中所述涂覆組合物在固體載 體的表面上形成一個或多個層。
[0064] 涂覆組合物可使用溶膠-凝膠方法制備，其中溶膠和催化劑在酶存在下反應。所 得涂料包含聚硅酸酯_聚硅酮共聚物，其中所述酶被固定在所述聚硅酸酯-聚硅酮共聚物 結構的孔中。
[0065] 固體載體
[0066] 固體載體的尺寸、形狀和表面特征可視特定應用而變化。在許多情況下，合乎固體 載體需要的是具有相對較高的表面積以使可用于與涂料接觸的空間最大化。視特定應用而 定，優(yōu)選材料應具有熱和化學穩(wěn)定性以在PH7至11和溫度40°C至130°C下使用。優(yōu)選操作 溫度范圍通常是40°C至60°C。不銹鋼、聚合物和陶瓷材料例如具有有利用于許多應用的熱 和化學特征。
[0067] 固體載體可為可商購獲得的無規(guī)或結構化填充材料。可商購獲得的無規(guī)填充 材料的實例包括貝爾鞍形（Berl saddle)填料、槽鞍形（Intalox saddle)填料、拉西環(huán) (Raschig ring)或鮑爾環(huán)（Pall ring)填料。無規(guī)填充材料可包括各種材料，包括例如陶 瓷、塑料、不銹鋼及其組合?？缮藤彨@得的結構化填充材料的實例包括陶瓷整體材料以及結 構化鋼和塑料填充材料。這些填充材料特別適用于填充床反應器中。
[0068] 可商購獲得的填充材料是適用的，因為它們通常具有高的表面積與體積比且固定 化材料能夠粘著于填充材料的表面，且因此可高效用于工業(yè)應用。
[0069] 當如本文所述加以涂覆時，商業(yè)填充材料特別適用于其中自氣相捕集二氧化碳的 工業(yè)環(huán)境中。
[0070] 固體載體的表面可在涂覆之前加以處理以提供合乎需要的性質。舉例來說，通常 腐蝕陶瓷固體載體的表面以增加可用表面積和反應性官能團的數(shù)目。不銹鋼載體可出于類 似目的經受除垢或化學氧化。
[0071] 固體載體的表面可在應用涂料之前用底漆涂層預處理以在載體的表面處提供反 應性部分。這可提供載體與涂料之間的粘著改良。通常，底涂料包含含有側羥基或硅烷醇 基官能基的有機和/或無機聚合物。
[0072] 涂料
[0073] 因為涂料用于固定酶，所以它有時在本文中被稱為固定化材料。本文所述的這些 涂料或固定化材料是聚硅酸酯-聚硅酮共聚物。
[0074] 本文所述的聚硅酸酯-聚硅酮共聚物涂料提供一種用于固定酶的多功能平臺。這 種多功能性部分地歸因于涂料的性質可基于選擇組分取代基加以改良的程度較高。舉例來 說，涂料的孔尺寸、親水性/疏水性和酶功能性可通過適當選擇組分取代基加以控制。
[0075] 可在微孔性與大孔性之間廣泛分布的涂料多孔性有助于將反應物和產物轉運至 聚合結構中以及轉運出聚合結構。因此，三維基質能夠將酶有效保留在涂料內而不過度限 制它的活性。
[0076] 干凝膠粒子
[0077] 本文所述的干凝膠粒子包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物、親水性添加劑和包埋在粒 子組合物中的催化二氧化碳水合的生物催化劑。所得材料的懸浮液適用于生物工業(yè)方法 中。
[0078] 所得粒子可使用水性稀釋劑或醇稀釋劑在單鍋中加以合成。
[0079] 粒度通常在數(shù)百納米至數(shù)百微米的范圍內。通常，用于此處所述的懸浮液應用中 的粒度在25至50 ii m、50至75 ii m、或100至250 ii m的范圍內。
[0080] 如同上述涂料一樣，選擇合成方法和反應性組分可用于控制粒度和基質的潛伏性 質，包括粒度、孔尺寸和疏水性。
[0081] 通常，最優(yōu)化干凝膠粒子由2至10重量％固定化酶組成。然而，酶重量百分比可 易于通過調整添加至合成混合物中的酶量來控制。
[0082] 也可在微孔性與大孔性之間廣泛分布的粒子多孔性用于幫助將反應物和產物轉 運至聚合結構中以及轉運出聚合結構；粒子的這種多孔性會降低傳質限制。因此，三維基質 將酶有效保留在涂料內而不顯著降低酶的活性。
[0083] 通常，在室溫下在pH約10下，在碳酸鹽緩沖液中歷經數(shù)天、數(shù)周和數(shù)月的時間觀 察到大于80%酶保留。
[0084] 這些粒子的酶活性已在間歇式反應器容器中以及在逆流塔中加以顯示。
[0085] 在間歇式反應器研究中，于2. OM碳酸鉀/碳酸氫鉀（pH10. 0)中含有0. 2重量％ 顆粒的懸浮液已顯示傳質系數(shù)（Ke)高達0. 16mmol/s ? m2 ? kPa。
[0086] 在間歇式反應器研究中，固定在聚硅酸酯/聚硅氧烷粒子中的碳酸酐酶已顯示在 類似裝載水平下，超過可溶解的酶的增強性能。
[0087] 這種以上提及的增強現(xiàn)象已被歸因于粒子的密度較低（即空隙體積較高）以及它 們隨后在反應溶液的表面處的濃度較低。固定化酶粒子的這個表面濃度降低了自氣相至液 相的傳質貢獻。
[0088] 除間歇式反應器系統(tǒng)之外，已制備較大體積的懸浮液且在含有無規(guī)填料與結構化 填料兩者作為接觸器材料的流通式反應器中進行分析。已觀察到在良好分散的流通混懸系 統(tǒng)中的催化改良高達在填充床反應器系統(tǒng)中的六倍。
[0089] 使用聚合物粘著劑使干凝膠粒子連接于固體載體
[0090] 作為一種利用上述干凝膠粒子的替代性方法，聚合物粘著劑可用于使含酶粉末粘 著于固體載體的表面。
[0091] 可用于這個方法中的典型聚合物粘著劑是環(huán)氧化物、氨基甲酸酯、樹脂、氰基丙烯 酸酯和甲基丙烯酸酯。通常，環(huán)氧化物和氨基甲酸酯是優(yōu)選的。
[0092] 固體載體可通過將固體載體浸漬到聚合物粘著劑中來用在適于所選聚合物粘著 劑的溶劑中稀釋的聚合物粘著劑處理。在聚合物粘著劑完全固化之前，使聚合物粘著劑層 與包含酶的聚硅酸酯_聚硅酮共聚物粉末粒子接觸。在室溫下干燥所得涂覆的固體載體3 小時，且接著在55°C至90°C下熱固化24至96小時。
[0093] 通常，通過將固體載體浸漬于不完全固化的聚合物粘著劑中且接著使用聚合物粘 著劑涂覆的固體載體與包含酶的聚硅酸酯-聚硅酮共聚物粉末粒子接觸來用雙組分環(huán)氧 化物或氨基甲酸酯聚合物粘著劑處理固體載體。再次，在室溫下干燥所得涂覆的固體載體 3小時，且接著在55°C至KKTC下熱固化24至96小時。
[0094] 所得物是用粘著的聚硅酸酯_聚硅酮共聚物固定化酶粒子涂覆的結構化填料。
[0095] 此外，用于制備涂覆的載體的方法可包括混合（i)烷氧基硅烷或有機三烷氧基硅 烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮），（iii)親水性添加劑，（iv)碳酸酐酶，和（V)溶劑以形成 溶膠；使所述溶膠與催化劑接觸以形成凝膠；干燥所述凝膠且形成干凝膠粒子；使固體載 體與粘著涂料接觸；以及使具有所述粘著涂料的所述固體載體與所述干凝膠粒子接觸以形 成所述涂覆的載體。
[0096] 用這個方法涂覆的結構化填充材料已顯示傳質系數(shù)（Ke)高達0. 12mmol/ s ? m2 ? kPa〇
[0097] 聚硅酸酯-聚硅酮共聚物
[0098] 本文所述的涂料和粒子的組合物包含聚硅酸酯-聚硅酮共聚物，其通常由烷氧基 硅烷或有機三烷氧基硅烷和聚（硅酮）獲得。因為硅酸酯和硅酮可被設計來易于在溶液中 形成三維聚合物網(wǎng)絡，所以它們可用于形成用于包埋酶的聚合物。
[0099] 聚硅酸酯-聚硅酮共聚物可由溶膠和催化劑的反應獲得，所述溶膠包含（i)烷氧 基硅烷或有機三烷氧基硅烷，（ii)聚（硅酮），（iii)親水性添加劑，和（iv)催化二氧化碳 水合的生物催化劑。溶膠可任選地進一步包含表面活性劑。
[0100] 如以下更詳細所述，催化二氧化碳水合的生物催化劑可為碳酸酐酶。
[0101] 燒氧基娃燒可具有式1結構
[0102]
【權利要求】
1. 一種固定化酶，其包含 酶；以及 固定化材料； 其中所述酶被包埋在所述固定化材料內且所述固定化材料是由溶膠和催化劑反應獲 得，所述溶膠包含（i)烷氧基硅烷或有機三烷氧基硅烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮），和 (iii)酶。
2. 如權利要求1所述的固定化酶，其中所述聚（硅酮）包括聚（硅氧烷）。
3. 如權利要求1或2所述的固定化酶，其中所述溶膠進一步包含親水性添加劑。
4. 一種包含固定生物催化劑的聚硅酸酯-聚硅酮共聚物的涂覆的支撐物載體；所述聚 硅酸酯-聚硅酮共聚物由粘著涂料粘著于固體載體。
5. 如權利要求4所述的涂覆的載體，其中所述生物催化劑包括酶。
6. 如權利要求1至3和5中任一項所述的固定化酶或涂覆的載體，其中所述酶包括脂 酶、葡萄糖異構酶、腈水解酶、葡萄糖氧化酶、蛋白酶、碳酸酐酶、胃蛋白酶、淀粉酶、真菌淀 粉酶、生麥芽糖淀粉酶、纖維素酶、乳糖酶、酯酶、碳水化物酶、半纖維素酶、戊聚糖酶、木聚 糖酶、支鏈淀粉酶、3 -葡聚糖酶、乙酰乳酸脫羧酶、3 -葡萄糖苷酶、谷氨酰胺酶、青霉素酰 化酶、氯過氧化物酶、天冬氨酸3 -脫羧酶、環(huán)糊精糖基轉移酶、枯草桿菌蛋白酶、?；被?酸水解酶、醇脫氫酶、氨基酸氧化酶、磷酸脂酶、脲酶、膽固醇酯酶、脫亞磺酸酶、木質素過氧 化物酶、果膠酶、氧化還原酶、葡聚糖酶、葡萄糖苷酶、半乳糖苷酶、葡糖淀粉酶、麥芽糖酶、 蔗糖酶、轉化酶、柚皮苷酶、菠蘿蛋白酶、無花果蛋白酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、肽酶、凝乳 酶、嗜熱菌蛋白酶、胰蛋白酶、甘油三酯酶、胃前酯酶、磷酸酶、植酸酶、酰胺酶、谷氨酰胺酶、 溶菌酶、催化酶、脫氫酶、過氧化物酶、裂解酶、延胡索酸酶、組氨酸酶、氨基轉移酶、連接酶、 環(huán)化酶、消旋酶、變位酶、氧化酶、還原酶、木質素酶、漆酶、氯過氧化物酶、齒代過氧化物酶、 氫化酶、固氮酶、醇腈酶或其組合。
7. -種涂覆的載體，其包含 固體載體； 在所述固體載體的表面上形成層的涂覆組合物，所述涂覆組合物包含聚硅酸酯-聚硅 酮共聚物和親水性添加劑；以及 包埋在所述涂覆組合物中的催化二氧化碳水合的生物催化劑。
8. 如權利要求1至7中任一項所述的固定化酶或涂覆的載體，其中所述酶或生物催化 劑是碳酸酐酶。
9. 如權利要求4至6和8中任一項所述的涂覆的載體，其中所述粘著涂料包含聚合物 粘著劑。
10. 如權利要求9所述的涂覆的載體，其中所述聚合物粘著劑包含氨基甲酸酯聚合物、 環(huán)氧化物聚合物、樹脂、氰基丙烯酸酯聚合物、甲基丙烯酸酯聚合物或其組合。
11. 如權利要求9或10所述的涂覆的載體，其中所述聚合物粘著劑包含多組分粘著聚 合物。
12. 如權利要求11所述的涂覆的載體，其中所述粘著聚合物包括雙組分環(huán)氧化物聚合 物、雙組分氨基甲酸酯聚合物或其組合。
13. 如權利要求12所述的涂覆的載體，其中所述粘著聚合物包括雙組分環(huán)氧化物聚合 物。
14. 如權利要求4至13中任一項所述的涂覆的載體，其中所述聚硅酸酯-聚硅酮共聚 物包括硅酸酯-硅氧烷共聚物。
15. 如權利要求4至14中任一項所述的涂覆的載體，其中所述涂覆組合物是由溶膠反 應獲得，所述溶膠包含（i)烷氧基硅烷或有機三烷氧基硅烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮）， (iii)親水性添加劑，和（iv)催化二氧化碳水合的生物催化劑。
16. 如權利要求15所述的涂覆的載體，其中所述涂覆組合物是由溶膠和催化劑反應獲 得。
17. 如權利要求15或16所述的涂覆的載體，其中所述聚（硅酮）選自由聚（硅氧烷）、 聚（硅酸甘油酯）和聚倍半硅氧烷組成的組。
18. 如權利要求17所述的涂覆的載體，其中所述聚（硅酮）包括聚（硅氧烷）。
19. 一種用于自含有CO2的氣體移除CO2的方法，所述方法包括 使液體與含有CO2的氣體接觸；以及使所述液體中的CO2與如權利要求7至18中任一 項所述的固定化酶或涂覆的載體接觸以催化所述CO2水合并形成包含氫離子和碳酸氫根離 子的經處理的液體。
20. 如權利要求19所述的方法，其中所述液體是水性液體。
21. -種用于自含有CO2的氣體移除CO2的包括反應容器的系統(tǒng)，所述反應容器包括含 有氣體進口和液體出口的底部部分、含有液體進口和氣體出口的頂部部分、以及含有多種 如權利要求7至18中任一項所述的涂覆的載體或固定化酶的中間部分，所述碳酸酐酶能夠 催化CO2水合成氫離子和碳酸氫根離子。
22. 如權利要求19至21中任一項所述的用于自含有CO2的氣體移除CO2的方法或系 統(tǒng)，其中所述固定化酶呈粒子形式。
23. 如權利要求22所述的用于自含有CO2的氣體移除CO2的系統(tǒng)，其中所述固定化酶 粒子呈處于所述反應容器的中間部分的混懸液懸浮液形式。
24. 如權利要求21至23中任一項所述的用于自含有CO2的氣體移除CO2的系統(tǒng)，其進 一步包括第二反應容器，所述第二反應容器含有如權利要求7至18中任一項所述的涂覆的 載體或固定化酶的懸浮液，其中所述碳酸酐酶能夠催化所述氫離子和所述碳酸氫根離子轉 化成CO2和水。
25. 如權利要求24所述的用于自含有CO2的氣體移除CO2的系統(tǒng)，其中所述固定化酶 呈粒子形式。
26. 如權利要求24或25所述的用于自含有CO2的氣體移除CO2的系統(tǒng)，所述第二反應 容器是氫離子和碳酸氫根離子被轉化成CO2和水所處的場所。
27. -種用于制備固定化酶的方法，其包括： 混合（i)烷氧基硅烷或有機三烷氧基硅烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮），（iii)親水性 添加劑，（iv)碳酸酐酶，和（V)溶劑以形成溶膠； 使所述溶膠與催化劑接觸以形成凝膠；以及 在約55°C至約100°C的溫度下固化所述凝膠。
28. 如權利要求27所述的方法，其中所述溫度是約70°C至約85°C。
29. 如權利要求27或28所述的方法，其中固化所述凝膠24小時至72小時。
30. -種用于制備如權利要求7至18中任一項所述的涂覆的載體的方法，其包括： 混合（i)烷氧基硅烷或有機三烷氧基硅烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮），（iii)親水性 添加劑，（iv)碳酸酐酶，和（V)溶劑以形成溶膠； 使所述溶膠與催化劑接觸以形成凝膠；以及 使固體載體與所述凝膠接觸。
31. -種用于制備如權利要求4至6以及8至18中任一項所述的涂覆的載體的方法， 其包括： 混合（i)烷氧基硅烷或有機三烷氧基硅烷或偏硅酸酯，（ii)聚（硅酮），（iii)親水性 添加劑，（iv)碳酸酐酶，和（V)溶劑以形成溶膠； 使所述溶膠與催化劑接觸以形成凝膠； 干燥所述凝膠并形成干凝膠粒子； 使固體載體與所述粘著涂料接觸； 使具有所述粘著涂料的固體載體與所述干凝膠粒子接觸以形成所述涂覆的載體。
32. 如權利要求30或31所述的方法，其中所述聚（硅酮）包括聚（硅氧烷）。
33. 如權利要求30或31所述的方法，其進一步包括干燥所述所得涂覆的載體。
34. 如權利要求30、32或33中任一項所述的方法，其進一步包括用另一層所述凝膠涂 覆所述涂覆的載體。
35. 如權利要求30至34中任一項所述的方法，其中所述溶劑是水性的。
36. 如權利要求1至3以及15至35中任一項所述的載體、工藝方法、系統(tǒng)、固定化酶或 方法，其中所述烷氧基硅烷是四甲基原硅酸酯、四乙基原硅酸酯、甲基三乙基原硅酸酯、乙 基三甲基原硅酸酯、二甲基二乙基原硅酸酯、硅酸四甘油酯或其組合。
37. 如權利要求1至3以及15至36中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方 法，其中所述有機三烷氧基硅烷是三甲氧基甲基硅烷、三甲氧基乙基硅烷或其組合。
38. 如權利要求37所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述烷氧基硅烷包 括四甲基原娃酸酯。
39. 如權利要求1至3以及15至38中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方 法，其中所述聚（硅酮）是選自由聚（二甲基硅氧烷）、聚（二甲基硅氧烷）_共-聚（氧化 烯）或其組合組成的組的聚（硅氧烷）。
40. 如權利要求39所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述聚（硅氧烷）包 括聚二甲基硅氧烷。
41. 如權利要求1至3以及15至40中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方 法，其中所述聚（硅酮）是硅烷醇封端的。
42. 如權利要求1以及15至41中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其 中所述親水性添加劑是聚（乙烯醇）、聚（環(huán)氧乙烷）、季銨聚合物、冠醚、環(huán)糊精、表面活性 齊U、十六烷基三甲基溴化銨、聚（1-甲基-4-乙烯基吡啶鎗溴化物）、聚（丙烯酰胺-甲基丙 烯酰基氧基乙基三甲基溴化銨）或其組合。
43. 如權利要求42所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述季銨聚合物是 聚（二烯丙基二甲基氯化銨）、聚（1-甲基-4-乙烯基吡啶鎗溴化物）、聚（丙烯酰胺-甲 基丙烯?；趸一谆寤@）或其組合。
44. 如權利要求43所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述季銨聚合物包 括聚（二烯丙基二甲基氯化銨）。
45. 如權利要求42至44中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述 環(huán)糊精是a-環(huán)糊精、￠-環(huán)糊精、Y-環(huán)糊精或其組合。
46. 如權利要求45所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述環(huán)糊精包括 環(huán)糊精。
47. 如權利要求42至46中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述 表面活性劑是N，N-雙（3-D-葡萄糖酰氨基丙基）膽酰胺（BigCHAP)、N，N-雙（3-D-葡萄 糖酰氨基丙基）脫氧膽酰胺（脫氧BigCHAP)、聚氧乙烯醇（Bri j35和Brij 58 P)、2-環(huán)己 基甲基-0-D-麥芽糖苷（Cymal-I)、2_環(huán)己基乙基-P-D-麥芽糖苷（Cymal-2)、環(huán)己基戊 基-6-〇-麥芽糖苷（〇5〇1^1-5)、環(huán)己基己基-6-〇-麥芽糖苷（〇5〇1^1-6)、癸基-6-〇-批喃 麥芽糖苷、正十二基-P -D-麥芽糖苷、正十六基-P -D-麥芽糖苷、i^一基-P -D-麥芽糖 苷、癸基-D-I-硫代吡喃麥芽糖苷、辛基-D-硫代吡喃葡萄糖苷、毛地黃皂苷、二甲 基癸基氧化膦、十二基二甲基氧化膦、（辛基苯氧基）聚乙氧基乙醇（IGEPAL? CA630)、 N-辛?；?N-甲基葡糖胺（MEGA-8)、N-壬?；?N-甲基葡糖胺（MEGA-9)、N-癸?；?N-甲 基葡糖胺（MEGA-IO)、聚氧乙烯辛基酚（Nonidet? P40替代物）、聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌 段共聚物（Pluronic?F-68)、聚（乙二醇）-嵌段-聚（丙二醇）-嵌段-聚（乙二醇） (Pluranic? P-123)、皂素、聚氧乙烯9-月桂基醚（Thesk? )、聚氧乙烯辛基酚（例如 Triton? X-100和Triton? X-114)、失水山梨糖醇單月桂酸酯的聚氧乙烯衍生物（例如 TWEEN? 20、TWEEN? 40 和 TWEEN? 80)、N, N-二甲基十二胺-N-氧化物、醇乙氧 基化物（Synperonic? A7)或其組合。
48. 如權利要求42至46中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述 溶膠進一步包含十六烷基三甲基溴化銨。
49. 如權利要求47所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述表面活性劑包 括十六烷基三甲基溴化銨（CTAB)。
50. 如權利要求42至49中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述 冠醚是12-冠-4、1，7-二氮雜-12-冠-4、1，4,8，11-四硫雜環(huán)十四烷、1，4,8，12-四氮雜 環(huán)十五烷、15-冠_5、18_冠-6、二苯并-18-冠-6、二環(huán)己并-18-冠-6、（18-冠-6)-2, 3， 11，12-四甲酸、1-氮雜-18-冠-6、二氮雜-18-冠-6或其組合。
51. 如權利要求50所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述冠醚包括 18-冠-6。
52. 如權利要求3以及15至51中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其 中所述烷氧基硅烷包括四甲基原硅酸酯，所述聚（硅氧烷）包括聚二甲基硅氧烷，且所述親 水性添加劑包括冠醚。
53. 如權利要求8至52中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述碳 酸酐酶是胞質碳酸酐酶、線粒體碳酸酐酶、分泌的碳酸酐酶或膜相關的碳酸酐酶。
54. 如權利要求53所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述碳酸酐酶是哺 乳動物碳酸酐酶、植物碳酸酐酶或微生物碳酸酐酶。
55. 如權利要求54所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述碳酸酐酶包括 牛碳酸酐酶、人碳酸酐酶或微生物碳酸酐酶。
56. 如權利要求55所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述碳酸酐酶包括 牛碳酸酐酶II且所述人碳酸酐酶包括人碳酸酐酶IV。
57. 如權利要求1至3以及15至56中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方 法，其中烷氧基硅烷或有機三烷氧基硅烷或偏硅酸酯與聚（硅酮）的摩爾比是約1 : 1、約 2 : 1、約 3 : 1、約 4 : 1、約 5 : 1、約 6 : 1、約 7 : 1、約 8 : 1、約 10 : 1、約 12 : 1、約 15 : 1 或約 20 : 1。
58. 如權利要求1至3以及15至56中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方 法，其中烷氧基硅烷或有機三烷氧基硅烷或偏硅酸酯與聚（硅酮）的摩爾比是約I : 1至 約20 : 1、約2 : 1至約8 : 1、或約3 : 1至約5 : 1。
59. 如權利要求4至58中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)或方法，其中所述固體載體是 可商購獲得的填充材料或結構化填充材料。
60. 如權利要求4至58中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)或方法，其中所述固體載體是 可商購獲得的無規(guī)填充材料。
61. 如權利要求59或60所述的載體、方法、系統(tǒng)或方法，其中所述固體載體包括陶瓷材 料。
62. 如權利要求61所述的載體、方法、系統(tǒng)或方法，其中所述固體載體是陶瓷球。
63. 如權利要求59或60所述的載體、方法、系統(tǒng)或方法，其中所述固體載體包括不銹 鋼。
64. 如權利要求1至63中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述涂 料或固定化材料的總孔體積為至少約3 ii L/g至500 ii L/g。
65. 如權利要求1至64中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述涂 料或固定化材料的表面積為至少約lm2/g、至少約5m2/g、至少約10m2/g、至少約20m 2/g、至少 約30m2/g、至少約40m2/g、至少約50m2/g、至少約60m 2/g、至少約70m2/g、至少約80m2/g、至少 約90m2/g、至少約100m2/g、至少約150m2/g、至少約200m 2/g、或至少約300m2/g。
66. 如權利要求1至64中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述涂 料或固定化材料的表面積為約lm2/g至約400m2/g、約5m2/g至約300m 2/g、約10至約150m2/ g、或約15至約100m2/g。
67. 如權利要求1至66中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述涂 料或固定化材料的平均孔尺寸為約2nm至約80nm。
68. 如權利要求4至67中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)或方法，其包含一層或多層所 述涂料，其中碳酸酐酶或酶通過包埋在所述涂料的各層內加以固定。
69. 如權利要求4至68中任一項所述的載體、方法或系統(tǒng)，其中所述涂料共價連接于所 述固體載體。
70. 如權利要求1至3以及15至69中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方 法，其中所述催化劑是氟化銨、氟化鈉、氫氧化銨、氫氧化鈉或其組合。
71. 如權利要求70所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述催化劑包括氟 化銨。
72. 如權利要求3以及15至71中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法， 其中烷氧基硅烷或有機烷氧基硅烷或偏硅酸酯與親水性添加劑的摩爾比是約48 : 1、約 36 : 1、約 24 : 1、約 12 : 1 或約 4 : 1。
73. 如權利要求3以及15至71中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法， 其中烷氧基硅烷或有機烷氧基硅烷或偏硅酸酯與親水性添加劑的摩爾比是約4:1至約 60 : 1、約 15 : 1 至約 45 : 1、或約 30 : 1 至約 40 : 1。
74. 如權利要求3以及15至73中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法， 其中聚（硅酮）與親水性添加劑的摩爾比是約12 : 1、約9 : 1、約6 : 1、約3 : 1或約 1 ： 1〇
75. 如權利要求3以及15至73中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其 中聚（硅酮）與親水性添加劑的摩爾比是約I : 1至約30 : 1、約2 : 1至約20 : 1、約 5 : 1至約15 : 1、約6 : 1至約12 : 1、或約8 : 1至約10 : 1。
76. 如權利要求8以及15至75中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其 中烷氧基硅烷或有機烷氧基硅烷與碳酸酐酶的摩爾比是約1300 : 1。
77. 如權利要求8以及15至75中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法， 其中烷氧基硅烷或有機烷氧基硅烷或偏硅酸酯與碳酸酐酶的摩爾比是約4000 : 1至約 600 ： 1〇
78. 如權利要求8以及15至77中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其 中聚（硅酮）與碳酸酐酶的摩爾比是約325 : 1。
79. 如權利要求8以及15至77中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其 中聚（硅酮）與碳酸酐酶的摩爾比是約1000 : 1至約160 : 1。
80. 如權利要求1至3以及15至79中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方 法，其中所述溶膠包含含有所述烷氧基硅烷和聚（硅酮）的稀溶液。
81. 如權利要求80所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述稀溶液中的烷 氧基硅烷的量是至少約10重量％、至少約20重量％、至少約30重量％、至少約40重量％、 或至少約50重量％。
82. 如權利要求80所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述稀溶液中的烷 氧基娃燒的量是約5重量％至約50重量％、約10重量％至約40重量％、或約20重量％至 約30重量％。
83. 如權利要求80至82中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述 稀溶液中的聚（娃酮）的量是至少約2. 5重量％、至少約5重量％、至少約7. 5重量％、或 至少約12. 5重量％。
84. 如權利要求80至82中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述 稀溶液中的聚（硅酮）的量是約1%至約20%、約2. 5%至約15%、約5%至約12. 5%、或 約5%至約7. 5%。
85. 如權利要求80至84中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述 稀溶液包含有機溶劑。
86. 如權利要求85所述的載體、方法、系統(tǒng)、固定化酶或方法，其中所述有機溶劑包括 醇。
87. 如權利要求30以及32至86中任一項所述的方法，其中所述固體載體是通過浸漬 涂覆、旋轉涂覆、噴霧涂覆、輥式涂覆或浸沒涂覆來用所述凝膠涂覆的。
88. 如權利要求87所述的方法，其中所述固體載體是通過浸沒涂覆來涂覆的。
89. 如權利要求88所述的方法，其中所述浸沒涂覆在高剪切下進行。
90. 如權利要求30以及32至89中任一項所述的方法，其中在用所述凝膠涂覆之前使 所述固體載體與腐蝕溶液接觸。
91. 如權利要求90所述的方法，其中所述腐蝕溶液包含酸。
92. 如權利要求91所述的方法，其中所述酸是氟化氫。
93. 如權利要求91或92所述的方法，其包括使所述固體載體與包含氧化劑的腐蝕溶液 接觸的進一步驟。
94. 如權利要求93所述的方法，其中所述腐蝕溶液包含選自由過氧化氫、氫氧化銨及 其混合物組成的組的氧化劑。
95. 如權利要求94所述的方法，其中所述腐蝕溶液以約1 : 4至約4 : 1的質量比包 含過氧化氫和氫氧化銨。
96. -種涂覆的載體，其是根據(jù)如權利要求30至95中任一項所述的方法來產生。
97. 如權利要求7至96中任一項所述的載體、方法、系統(tǒng)或方法，其中催化二氧化碳水 合的所述生物催化劑是酶、核糖酶、脫氧核糖酶、酶模擬物、可催化二氧化碳水合的有機或 無機化合物或其組合。
【文檔編號】C12Q1/34GK104334721SQ201380028913
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年3月15日 優(yōu)先權日:2012年4月6日
【發(fā)明者】B·蘭博, A·扎克斯, T·L·布舍爾茲, D·C·鮑爾, L·E·韋伯, A·J·林德, C·M·H·杜辛 申請人:?？嗣窆?br>