一種碳纖維改性方法制備固定化載體材料與流程
本發明涉及碳材料技術領域，及其在固定化上應用。
背景技術：
碳纖維是指經高溫碳化，含碳量超過85%以上的纖維材料，包括碳素纖維和石墨纖維。碳素纖維是有機纖維經1000~2300℃處理后，含碳量為85~95%的纖維;石墨纖維是有機纖維經2300℃以上處理，含碳量在98%以上的纖維。
碳纖維是一種高強度、高模量的新型纖維材料，具有生物相容性好、化學性能穩定，高比表面積等優良性能，這些特點決定碳纖維及活性炭纖維具備成為良好的固定化載體的特點。但是碳纖維出廠時表而一般涂有一層有機膠，其使碳纖維表面惰性增大、表面能變低，并缺乏有化學活性的官能團，從而導致碳纖維表面反應活性低，與基體的粘結性差，直接影響了碳纖維材料在固定化方向上的應用。因此需要對碳纖維表面進行改性處理，以提高其對基體的親和性和粘結性。傳統的碳纖維表面改性多采用強酸，強堿或者高溫來對碳纖維表面進行表面改性，不僅耗時較長，操作復雜，而且還易導致環境污染，本發明欲提供一種新型的碳纖維表面改性方法來表面改性碳纖維，不僅耗時短，操作簡單，而且對環境污染較小。這對碳纖維應用在固定化細胞領域有十分重要的意義。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種新型改性碳纖維表面的方法，來制備固定化載體材料,具有操作簡單，制備污染小，耗時短，反應效率高，易于工業化大規模生產應用等特點。實驗發現固定化載體材料在固定化木聚糖酶重復使用6次后，測得反應酶活仍保持在60~80%左右；在固定化黑曲霉時，改性碳纖維制備的固定化載體材料的固定化細胞效率為90～100%，且其固定化細胞可連續使用6~8次，且降解AFB1效率可達到85~95%。
實驗改性碳纖維反應機理大致為：
Fe2++H2O2==Fe3++OH-+HO·
Fe3++H2O2+OH-==Fe2++H2O+HO·
Fe3++H2O2==Fe2++H+ +HO2
HO2+H2O2==H2O+O2↑+HO·
HO·使這個體系具有強氧化能力，可以氧化一些難以被一般氧化劑氧化的物質，實驗用其氧化能力來刻蝕碳纖維表面從而制備固定化材料。
本發明所采用的技術方案是：
發明之碳纖維改性制備固定化材料，可采用以下方法制成，包括以下步驟：
a. 碳纖維預處理：將碳纖維切成長度為0.5～1cm短切碳纖維
b.改性碳纖維：
1）在室溫條件下取適量的碳纖維加入到一定體積的30%過氧化氫中，加入量大致為1g:（50~100ml）
2）在室溫條件下，分批次少量加入含Fe2+的金屬鹽，加入量為：摩爾濃度Fe2+：H2O2=1:（1~10）
3）待其反應結束后再向其分批次多次加入30%過氧化氫10~50ml，反應40~60min后停止加入過氧化氫。
4）將以上溶液離心分離，用5%的鹽酸和蒸餾水分別洗滌碳纖維3次，得到改性后的碳纖維。
5)干燥后，作為固定化載體進一步用于固定化。
6)以上過程中加入方式在攪拌轉速180~250rpm，室溫條件下進行。
進一步，所述制備方法的步驟（b）中,在室溫條件下，加入30%過氧化氫中，加入量大致為1g:100ml。
進一步，所述制備方法的步驟（b）中,在室溫條件下，分批次少量加入含Fe2+試劑，總加入量為：摩爾濃度Fe2+：H2O2=1:3。
進一步，所述制備方法的步驟（b）中,在室溫條件下，分批次少量加入的含Fe2+試劑一般為FeSO4和FeCl2。
進一步，所述制備方法的步驟（b）中，待其反應結束后再向其分10次加入30%過氧化氫30ml，用時40min后停止加入過氧化氫。
有益效果
]與現有技術相比，本發明的有益效果是利用碳纖維表面可修飾的特性，通過對碳纖維表面進一步氧化處理，很大程度上增加其表面的親水性、粗糙度等來增加其固定化細胞或酶的能力。實驗制備改性碳纖維固定化載體具有操作簡單，用時較短，對環境污染小等優點。
采用本發明制備方法獲得的碳纖維具有比表面積高、表面粗糙度大、親水性好等特點，比表面積高、表面粗糙度大能夠為細胞或酶提供更多的吸附位點，親水性增加，進一步增強了碳纖維表面與細胞或酶之間的吸引力。
碳纖維材料，無論是活性炭纖維還是改性后的碳纖維，其在固定化應用中所使用的固定方法多通過自身物理吸附性對細胞或酶進行固定。其優勢在于，可通過改性碳纖維表面特征，來調節其固定化效率。
附圖說明
圖1為改性碳纖維固定化細胞SEM圖。
具體實施方式
下面結合實施例，對本發明的具體的實施方式進一步詳細描述。以下實施例是用來進一步說明本發明的內容，而不限制本發明的保護范圍。對于本發明所涉及的相關內容及所做的修改，均屬于本發明保護范圍。
實施例1改性碳纖維固定化載體的制備：
將碳纖維切成長度為1cm短切碳纖維。
]在室溫條件下取2g的碳纖維加入到200ml的30%過氧化氫中。
在室溫條件下，分批次少量加入硫酸亞鐵91.2g。
待其反應結束后再向其10次加入30%過氧化氫30ml用時40min后停止加入過氧化氫。
將以上溶液離心分離，用5%的鹽酸和蒸餾水分別洗滌處理后碳纖維3次，得到改性后的碳纖維，
干燥后，作為固定化載體進一步用于固定化。
以上過程中加入方式在攪拌轉速220rpm，室溫條件下進行。
實施例2
]本實施方式與實施例1不同的是：在室溫條件下，分批次少量加入氯化亞鐵76.2g。其他與具體實施方式1相同。
實施例3
改性碳纖維固定化載體用于固定化酶
取上述干燥后的碳纖維1g投入到100mlpH5.0的磷酸緩沖液所配制的10g/l的木聚糖酶溶液中，室溫下搖床180rpm搖動24h，之后用無水乙醇和純凈水洗去游離酶，即可得到固定化木聚糖酶。
固定化酶活力的測定
酶活定義：1g酶在55℃、pH5.0條件下，每分鐘催化分解木聚糖產生1mg木糖的量為一個酶活力單位，以IU/mg表示。
固定化酶活力的測定：將50ml木聚糖溶液加入至250ml錐形瓶中并水浴加熱至55℃，之后加入0.5g固定化酶，準確反應20min.
木糖含量的測定：配制0.2、0.4、0.6、0.8、1.0g/L的木糖標準溶液，采用DNS法測定其木糖標準曲線。
酶活計算：將所測得的吸光度值帶入木糖的標準曲線回歸方程中得到木糖含量。
酶活力=（木糖含量*5)*1000
固定化酶多批次酶活力測定
將固定化酶投入到催化反應中，第一批發酵結束后測定其固定化酶活力，每批催化反應后將固定化酶從反應液取出，用pH5.0的磷酸緩沖液沖洗后重新加入到新的反應液中，重新檢測酶活，在重復使用6次后，反應酶活仍保持在60~80%左右。
實施例4
改性碳纖維固定化載體用于固定化黑曲霉
（1）固定化細胞的制備
種子培養基：馬鈴薯300g、葡萄糖20g、蒸餾水1L、自然pH、121℃高壓滅菌15min。
種子培養:將0.3g改性后碳纖維投入到種子培養基，裝液量為50/250m1，pH 6.5，115℃滅菌30min。冷卻后接種斜面種子，160rpm,30℃培養48h。
發酵液：將種子液(接種量3%體積比)接入250ml三角瓶中，裝液量：50/250m1。160rpm,30℃下震蕩培養48小時，得發酵液。
（2）固定化細胞的應用
每批次發酵結束后，將種子培養基中的菌懸液倒出（大約40ml)，只保留碳纖維，補加新發酵液40ml發酵液并加入AFB1（0.05ppm）,24h后對發酵液進行AFB1提取與測定。依次類推，進行多批次發酵降解實驗。
每次所得產物的固定化效果及降解率通過以下方法測定：
1）固定化效率=吸附細胞重量/總細胞重量
2）AFB1的提取與測定
吸取1mL發酵液，用3 倍體積的氯仿提取濾液中AFB1，靜置分層，收集氯仿層，氮氣吹干，加入200μL 正己烷，混勻后于40℃避光反應15 min，再次氮氣吹干，1mL 流動相（乙腈:水=20:80）溶解AFB1 的衍生物，0.22μm 膜過濾，保存于棕色瓶。
液相采用柱前衍生 HPLC 熒光檢測方法對發酵液中 AFB1的含量進行測定，色譜柱: C18柱，size:New Column 25*4.6mm, 流動相：乙腈:水=20:80（v/v）；柱溫：30℃；流速：1mL/min；激發波長：360nm；發射波長：440nm；進樣量：20μL
3）通過AFB1標準品的標準曲線算出其未降解AFB1的含量，從而計算其降解率。
本實施例中測得連續發酵降解過程中，改性碳纖維固定化載體的固定化細胞效率為90～100%，且其固定化細胞可連續使用6~8次，且降解率可達到85~95%。
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