静电纺丝制备中空纤维原位固定化碳酸酐酶用于二氧化碳的吸收

doi:10.7503/cjcu20140059

高等学校化学学报 ›› 2014, Vol. 35 ›› Issue (9): 1999.doi: 10.7503/cjcu20140059

静电纺丝制备中空纤维原位固定化碳酸酐酶用于二氧化碳的吸收

崔建东^1,², 李莹^1,², 姬晓元², 边红杰¹, 张羽飞², 苏志国², 马光辉², 张松平²

1. 河北科技大学生物科学与工程学院, 石家庄 050018
2. 中国科学院过程工程研究所, 生化工程国家重点实验室, 北京 100190

收稿日期:2014-01-17 出版日期:2014-09-10 发布日期:2019-08-01
作者简介:联系人简介: 张松平, 女, 博士, 研究员, 主要从事生物化工研究. E-mail: spzhang@ipe.ac.cn
基金资助:
基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 21376249, 21106164, 21072041)和国家“九七三”计划项目(批准号: 2013CB733604)资助

Bio-sequestration of CO₂ Using Carbonic Anhydrase in situ Encapsulated Inside Electrospun Hollow Fibers^†

CUI Jiandong^1,², LI Ying^1,², JI Xiaoyuan², BIAN Hongjie¹, ZHANG Yufei², SU Zhiguo², MA Guanghui², ZHANG Songping^2,^*

1. College of Bioscience and Bioengineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China
2. National Key Laboratory of Biochemical Engineering, Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Received:2014-01-17 Online:2014-09-10 Published:2019-08-01
Contact: ZHANG Songping
Supported by:
Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.21376249, 21106164, 21072041) and the National Basic Research Program of China(No.2013CB733604)

摘要/Abstract

摘要：

考察了游离碳酸酐酶吸收CO₂水合体系反应条件, 并通过同轴共纺静电纺丝技术制备出中空结构纤维, 实现了碳酸酐酶在中空纤维中的原位包埋, 提高了酶的稳定性并便于回收和重复利用. 实验结果表明, 固定化碳酸酐酶的热稳定性显著增强, 受Cu²⁺和Fe³⁺等金属离子的抑制作用大幅度降低. 连续使用11次后所生成的CaCO₃沉淀量仍能达到首次使用的81.9%. 固定化酶体系生成的CaCO₃沉淀包括方解石型和球文石型2种晶形, 而无酶和加入游离碳酸酐酶的反应体系则主要生成方解石型CaCO₃沉淀.

关键词: 碳酸酐酶, CO2吸收, 中空纤维, 静电纺丝, 碳酸钙

Abstract:

Carbonic anhydrase catalyzed bio-sequestration of CO₂to form HC $O 3 -$ , followed by trapping as solid CaCO₃ is one of the most promising technologies for CO₂ capturing. The effects of reaction condition on the CO₂ hydration using free carbonic anhydrase were systematically investigated. In order to improve the stability of the enzyme and facility its recycling, the carbonic anhydrase was in situ encapsulated inside hollow fibers via a novel co-axial electrospinning technology. Compared with the free enzyme, the immobilized carbonic anhydrase showed much improved thermal stability and suffered much reduced inhibitory effects from cation ions, such as Cu²⁺ and Fe³⁺. After 11 reuses, the immobilized enzyme retained about 81.9% of its original activity by comparing the amount of formed CaCO₃ precipitation. In the presence of immobilized carbonic anhydrase, both calcite and vaterite CaCO₃ solid were formed; while in the absence of enzyme or with free carbonic anhydrase, only calcite CaCO₃ was observed.

Key words: Carbonic anhydrase, CO2 Sequestration, Hollow fiber, Electrospinning, CaCO3

中图分类号:

O643.3

TrendMD:

崔建东, 李莹, 姬晓元, 边红杰, 张羽飞, 苏志国, 马光辉, 张松平. 静电纺丝制备中空纤维原位固定化碳酸酐酶用于二氧化碳的吸收. 高等学校化学学报, 2014, 35(9): 1999.

CUI Jiandong, LI Ying, JI Xiaoyuan, BIAN Hongjie, ZHANG Yufei, SU Zhiguo, MA Guanghui, ZHANG Songping. Bio-sequestration of CO₂ Using Carbonic Anhydrase in situ Encapsulated Inside Electrospun Hollow Fibers^†. Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(9): 1999.

图/表 8

Fig.1 Schematic illustrations of the setup for co-axial electrospinning and the bio-sequestration of CO2 with carbonic anhydrase(CA) encapsulated within hollow fibers

Fig.2 Effects of CaCl2 solution concentration(A), pH(B), amout of CA(C) and reaction time(D) on the mass of formed CaCO3 precipitation

Fig.3 SEM images of top view(A) and cross-sectional view(B) and CLSM image(C) of hollow fiber with in situ encapsulated FTIC-labeled carbonic anhydrase

Fig.4 Thermal stability of the free(a) and immobilized(b) carbonic anhydrase(CA)

Table 1 Effect of metal ions on carbonic anhydrase activity

Metal ion(1 mmol/L)	Relative activity(%)		Metal ion(1 mmol/L)	Relative activity(%)
Metal ion(1 mmol/L)	Free CA		Immobilized CA	Free CA	Immobilized CA
Control	100	100	Mg²⁺	82.51±0.16	80.68±0.33
K⁺	82.16±0.32	91.49±0.28	Zn²⁺	116.13±0.22	107.90±0.42
Li⁺	81.05±0.11	95.99±0.21	Cu²⁺	11.52±0.28	89.07±0.22
Ca²⁺	87.39±0.12	96.84±0.45	Fe³⁺	15.97±0.34	80.38±0.56

Fig.5 Bio-sequestration of CO2

Fig.6 Repeated use of immobilized CA for CO2 bio-sequestration

Fig.7 SEM images of CaCO3 precipitation

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