天津大学本科生毕业设计 开题报告

天津大学本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称两亲性ZIF-8颗粒的制备及其固定化脂肪酶的研究学院名称化工学院专业名称工业催化学生姓名杨功兵指导教师姜忠义一、课题的来源及意义MOFs材料即金属有机骨架材料，是通过金属离子和有机配位体自组装形成的一种新型多孔材料。MOFs材料的比表面积大，孔道结构规整孔道和表面化学性质可以调变，因此在吸附、分离和催化等方面有广阔的应用前景[1-3]。ZIFs材料即沸石咪唑酯骨架材料，它是众多MOFs材料中的一种,它通过过渡金属原子(Zn/Co)与咪唑或咪唑衍生物连接而生成的一类新型的具有沸石拓扑结构的纳米多孔材料。ZIFs不仅具有上述MOFs的优点，而且同MOFs材料相比，其具有更优良的热和水热稳定性[4-5]。ZIF-8，目前研究最多的一种ZIFs材料，它的应用和研究主要在：气体吸附、分离、储氢、催化等领域[6]。ZIF-8因为它孔道结构特殊，热稳定性高，表面积大，表面酸碱性能等特点，在作为非均相催化剂以及催化剂载体方面有一定的优势[7]。脂肪酶是一些特殊的酯键水解酶的总称，它可以分解生物产生的各种天然油脂。因为它可以在异相系统（水~油）界面上水解脂肪酸甘油酯类，所以脂肪酶作为一种重要的工业用酶被广泛应用于饲料、食品、洗涤、制革、油脂化工等工业领域[8-9]。现在世界能源短缺、燃料价格不断上涨，化石燃料造成的污染日益严重，因此价格低廉、原料易得、优质清洁的生物燃料变得日益重要起来。燃料中柴油占据着很重要的地位。因此对生物柴油的研究和应用很多。在美国、韩国等国家已经进行了推广使用生物柴油。我国国家政策也是积极推进研究使用生物柴油[10]。目前，生物柴油主要用化学法生产，但该方法存在工艺复杂、甘油回收困难、有废碱液排放等缺点[11]。而利用酶法制备生物柴油具有较好的经济环境效益，在近几年研究较多。固定化酶和全细胞催化合成生物柴油是一种很好的替代方法[12]。二、国内外发展状况关于ZIF-8，太原理工大学精细化工研究所的刘明明、吕文苗、史秀峰、范彬彬、李瑞丰研究了用不同的合成方法对ZIF-8的表征和催化性能。这个实验合成方法不同之处主要在：甲基咪唑的甲醇溶液浓度的不同；硝酸锌的甲醇溶液浓度不同；温度控制不同；反应物存在状态不同[13]。大连理工大学化工学院的刘亚光，孔令寅，刘海鸥，李绍辉，张雄福采用浸渍-擦涂石墨粉和ZIF-8纳米晶种颗粒的方法修饰大孔碳管载体，并用晶种诱导二次生长的方法制备致密ZIF-8膜。他们对比了直接晶种法、原位法、擦涂石墨粉修饰载体，采用XRD、SEM、单组份气体渗透进行了分析表征和性能评价[14]。国内外还有对负载金属的ZIF-8的活性的计算与研究，二次生长法制备ZIF-8膜的制备，ZIF-8的稳定性研究，基于ZIF-8的有机聚合物的制备等。关于ZIF-8的研究已经有很多资料可以参考。关于固定化脂肪酶，目前被实验研究过的脂肪酶固定化方法包括包埋法、吸附法、共价键结合法、交联法等方法。一般研究主要针对于固定化对酶活力的影响，固定化对酶稳定性的影响，固定化对酶最适作用温度的影响，固定化对酶最适作用pH值的影响，固定化酶的米氏常数变化[15]。三、本课题的研究目标、研究内容由于MOFs材料优良的催化性能，所以虽然刚开始就已经有了不少关于这个课题的报道，但是由于起步较晚对这类材料的研究尚且不足。从参考文献年份也可以看出来，早些的时候的文献也就才能追溯到2010年。所以这是个很有潜力的领域。本课题主要研究两亲性ZIF-8颗粒的制备及其固定化脂肪酶的研究。期望达到的研究目的是：利用皮克林乳化法将疏水的ZIF-8组装在两相界面处（采用固体石蜡作为油相），采用亲水性分子多巴胺对裸露在水相中的ZIF-8改性，从而得到两亲性的ZIF-8颗粒，同时利用多巴胺上儿茶酚基团与脂肪酶表面氨基之间的迈克尔加成和席夫碱反应将脂肪酶共价固定上。利用两亲性的载体完成两相的反应，脂肪酶的活力能够最大限度的保持。工作内容是：首先是合成不同粒径的ZIF-8颗粒，之后利用皮克林乳化技术将ZIF-8颗粒固定在两相界面处，形成水包油型乳液颗粒（油相用的是固体石蜡，熔点56°C）。将形成的乳液颗粒侵入多巴胺弱碱性溶液中，多巴胺发生聚合的同时粘合在ZIF-8颗粒表面，从而达到亲水改性的目的。之后加入脂肪酶，利用聚多巴胺中大量的儿茶酚基团与脂肪酶表面氨基之间的反应将脂肪酶固定上。利用脂肪酶催化酯的水解，评价固定化脂肪酶的活性、温度稳定性、pH稳定性、循环稳定性和储存稳定性。四、研究方法和研究手段对于ZIF-8的合成通常可以使用一下三种方法即：将2-甲基咪唑和硝酸锌置于甲醇溶液中于室温下进行合成[16]；将2-甲基咪唑和氢氧化锌置于甲醇和氨水的混合溶液中于室温下进行合成;将2-甲基咪唑和硝酸锌置于DMF中进行溶剂热合成。具体使用哪一种还需要结合实验室条件和技术条件有待商榷。催化剂起催化作用的主要是负载在载体上的酶分子，所以我们还要研究在这类材料中负载酶分子后催化的过程。以及ZIF-8负载酶分子之后，酶分子的温度稳定性，pH稳定性、循环稳定性及储存稳定性，并分析ZIF-8粒子的性质对酶分子稳定性的影响。对于固定化酶的研究可以从以下几方面考虑：固定化脂肪酶及底物的预处理对其催化性能的影响；甲醇的添加方式对生物柴油转化率的影响；反应时间对生物柴油转化率的影响；酶用量对生物柴油转化率的影响；反应体系中水含量对生物柴油转化率的影响；酶稳定性的测定[17]。五、进度安排1.2015.1.5—2015.1.18开题阶段，查阅文献，文献翻译等，撰写开题报告，并开题。2.2015.3.14—2011.3.30合成不同粒径的ZIF-8颗粒，利用皮克林乳化技术将ZIF-8颗粒固定在两相界面处，形成水包油型乳液颗粒。将形成的乳液颗粒侵入多巴胺弱碱性溶液中，多巴胺发生聚合的同时粘合在ZIF-8颗粒表面，亲水改性。之后加入脂肪酶，利用聚多巴胺中大量的儿茶酚基团与脂肪酶表面氨基之间的反应将脂肪酶固定上4.2015.4.1—2015.4.25调控ZIF-8的孔道结构，采用SEM，TEM，BET等手段对其进行表征，并考察活性。5.2011.4.25—2011.6.10利用脂肪酶催化酯的水解，评价固定化脂肪酶的活性、温度稳定性、pH稳定性、循环稳定性和储存稳定性。6.2011.6.11—2011.6.20整理实验数据，完成毕业论文，准备论文答辩并完成答辩。六、可行性分析及已具备的实验条件由于所在课题组在固定化酶方面具有一定研究基础。在仿生矿化及仿生粘合固定化酶方面亦进行了较多的研究，取得了一系列的成果。因此所设定的一些实验目的是可以达到的。本实验室有紫外-可见分光光度计、冷冻干燥器、高速离心机、细胞破损仪、接触角仪等设备。所在单位能够提供扫描电子显微镜（SEM）、透射射电镜（TEM）、氮气吸附-脱附仪（BET）等分析测试仪器设备。可以满足酶的催化特性研究及固定化载体表征的要求。因此预期本实验可以顺利进行。参考文献：[1]MaS,ZhouHC.Metal-OrganicFrameworkCompositesProgressinChemistry[J].Chemical.Commun.,2010,46(1):44-53[2]LiJR,SculleyJ,ZhouHC.IntroductiontoMetal-OrganicFrameworks[J].ChemicalSocietyReview.,2012,112(2):869-932[3]DhakshinamoorthyA,GarciaH.CooperativeTemplate-DirectedAssemblyofMesoporousMetal-OrganicFrameworks[J].ChemicalSocietyReview.,2012,41(15):5262-5284[4]PhanA,DoonanCJ,Uribe-RomoFJ,etal.ConversionofdegummedsoybeanoiltobiodieselfuelwithimmobilizedCandidaantarcticali-pase[J].AccountsofChemicalResearch.,2010,43(1):58-67[5]VennaSR;CarreonMA.J.Am.ContinuousproductionofbiodieselfuelfromvegetableoilusingimmobilizedCandidaantarcti-calipase[J].ChemicalSociety,2010,132(1):76-78[6]LuebbersMT;WuT;ShenL,etal.ConversionofvegetableoiltobiodieselusingimmobilizedCandidaantarcticalipase[J].Langmuir,2010,26(19):15625-15633[7]ZahmakiranM.DaltonTrans.Industrialapplicationsofmetal-organicframeworks[J].ChemicalSocietyReview.2012,41(41):21690-12696[8]JaegerKE,EggertT.Lipasesforbiotechology[J].CurrOpinBiotechnol,2002,13(4):390-397.[9]小飞刘海洲，吴，牛佰慧等.脂肪酶在食品工业中的应用与研究进展[J].江苏农业科学，2008,33（5）：55-57.[10]朱明.生物柴油的现在与未来(上)[J].中国石油与化工经济分析,2006,16:41-45.[11]聂开立，王芳，邓利等.间歇及连续式固定化酶反应生产生物柴油[J]中国油料作物加工，2005，3（1）58-62.[12]SoumanouMM;BornscheuerUT.Improvementinlipasecatalyzedsynthesisoffattyacidmehylestersfromsunfloweroil[J].EnzymeandMicrobialTechnology,2003,33;97-103.[13]刘明明，吕文苗，史秀峰，范彬彬，李瑞丰等.不同方法合成的沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIF-8）的表征和催化性能[J]无机化学报.2014,30（3）579-584[14]杜淑慧,刘亚光,孔令寅,张健,刘海鸥,张雄福.大孔碳管支撑ZIF-8膜的制备研究[J].无机材料学报,2012,27(10):1105.[15]刘志勤,宋笛脂肪酶固定化及固定化脂肪酶的应用研究进展[J].农产品加工学刊，2012,280(5);0089[16]VennaSR,JasinskiJB;CarreonMA.J.Am.Porousmetal-organicframeworksasplatformsforfunctionalapplications[J]ChemicalSociety.2010,132(51);18030-18033[17]王英，周剑忠，黄开红，李莹，单成俊，张丽霞，黄自苏.固定化脂肪酶催化大豆油合成生物柴油生产工艺的研究[J].江苏农业科学,2007,7:210014选题是否合适：是□否□课题能否实现：能□不能□指导教师（签字）年月日选题是否合适：是□否□课题能否实现：能□不能□审题小组组长（签字）年月日