CN101781398B - 一种酶法连续生产聚(ε-己内酯)的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种酶法连续生产聚(ε-己内酯)的方法，该方法包括将ε-己内酯溶解于适当的有机溶剂中，配制成ε-己内酯的溶液；使所述ε-己内酯的溶液连续流经脂肪酶填充床以进行聚合反应，获得聚(ε-己内酯)。本发明还提供了一种用于连续生产聚(ε-己内酯)的脂肪酶填充床反应器，该反应器包括用于催化聚合反应的脂肪酶填充床、用于将ε-己内酯与有机溶剂进行混合的混合釜以及将混合后的ε-己内酯溶液送入脂肪酶填充床的蠕动泵。本发明的方法实现了连续化的生产，具有反应条件温和、能耗低、产物性能佳、生产成本低的优点。

Description

一种酶法连续生产聚(ε-己内酯)的方法
技术领域
本发明属于生物化工领域，具体地说，涉及一种酶法连续生产聚(ε-己内酯)的方法。 
背景技术
聚(ε-己内酯)具有非常广泛的应用，目前使用聚(ε-己内酯)的产品包括化妆用品瓶子、柔性包装材料以及树木种植和移植的容器等；同时，聚(ε-己内酯)与多种高聚物具有良好的相容性，可制备出多种性能优良的共混物，例如利用其与淀粉的共混物制造环保型购物袋等；另外，由于聚(ε-己内酯)具有非毒性、组织相容性以及对众多药物有高度渗透性，其生物医药的功能也变得日益显著。 
目前，聚(ε-己内酯)的合成主要化学法以及生物酶催化法在本体或者溶液条件下催化开环聚合反应来实现的，具体如下： 
Figure G2009100456615D00011
其中： 
化学法：化学法中用到的酸或者金属催化剂会残留在产物中，不仅会影响它的降解速率，降低产品性能，更因为其潜在的毒性限制了在生物医用材料领域的应用。 
生物酶催化：生物酶催化，尤其是其中的脂肪酶催化，由于反应条件温和、催化效率高、无酸或者金属催化剂残留等优点，获得越来越多的研究者的关注。研究者们报道的第一个能够被脂肪酶催化开环聚合的单体即为ε-己内酯，至今已研究了多种脂肪酶对开环聚合ε-己内酯的反应，例如：猪胰脂肪酶(porcine pancreatic lipase，PPL)、南极假丝酵母脂肪酶(Candida antartica lipase B，Novozyme 435TM)、Rhizomucor miehei(RM)以及荧光假单胞菌脂肪酶(Pseudomonas fluorescens lipase，PFL)，证实了有机溶剂、底物浓度和温度对反应有很大的影响，同时建立了脂肪酶催化聚合反应的反应模型。但是现有的研究都采用了密闭的反应容器进行批式反应，每批反应之间要进行过滤、蒸发、溶解、重沉淀的操作，才可获得产物；并且在批式反应中，一般会采用的震荡或是搅拌的方式使物料混合均 匀并且降低底物与酶之间的传质阻力，但是这些方式所产生的剪切力会导致酶的失活或是固定化酶颗粒的破碎，而导致酶的操作稳定性不高，重复利用率降低。 
在脂肪酶批式反应催化聚合ε-己内酯的反应过程中，操作工艺复杂以及重复利用率低，影响了其在工业化大规模生产中的应用。 
发明内容
本发明的目的在于，提供一种酶法连续生产聚(ε-己内酯)的方法，以简化生产聚(ε-己内酯)的操作工艺，提高转化率。 
本发明还有一个目的，在于提供一种用于连续生产聚(ε-己内酯)的脂肪酶填充床反应器。 
本发明提供的酶法连续生产聚(ε-己内酯)的方法包括以下步骤：将ε-己内酯溶解于适当的有机溶剂中，配制成ε-己内酯的溶液；使所述ε-己内酯的溶液连续流经脂肪酶填充床以进行聚合反应，获得聚(ε-己内酯)。 
根据本发明的一个优选实施例，使用的脂肪酶包括猪胰脂肪酶(PPL)、荧光假单胞菌脂肪酶(PFL)以及南极假丝酵母脂肪酶(Novozyme 435TM)。 
根据本发明的一个优选实施例，本发明提供的方法还包括对获得的聚(ε-己内酯)的反应液进行分离纯化的步骤，包括对聚(ε-己内酯)的反应液进行旋转蒸发处理，收集沉淀并溶于二氯甲烷，再使用甲醇沉淀，获得高纯度的聚(ε-己内酯)。 
本发明提供的脂肪酶填充床反应器包括用于催化反应的脂肪酶填充床、用于将ε-己内酯与有机溶剂进行混合的混合釜和将混合后的ε-己内酯溶液送入脂肪酶填充床的蠕动泵。 
根据本发明，所述提供的脂肪酶填充床包括上方的脱脂棉层、中间的脂肪酶层和下方的砂芯层，其中，所述脂肪酶层用于催化反应。 
本发明提供的生产方法采用脂肪酶作为催化剂避免了酸或者重金属催化剂随反应物的流动而流出反应器并残留在产物中，同时填充床反应器使得脂肪酶的操作稳定性大大提高，并且实现了连续化的生产，因此该方法具有反应条件温和，能耗低，产物性能佳，生产成本低的优点。 
附图说明
图1是本发明提供的脂肪酶填充床反应器的结构示意图。 
图2是本发明提供的脂肪酶填充床的结构示意图。 
图3是实施例1中获得的终产物的1H NMR图。 
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。 
本发明的下述实施例中，使用的脂肪酶填充床反应器的结构如图1所示，包括填充床1、混合釜2、环绕包裹填充床1的夹套4、蠕动泵6及与夹套4连接的加热器5，其中，混合釜2内有搅拌桨3，用于搅拌混合以获得ε-己内酯的溶液，并将混合好的ε-己内酯的溶液通过蠕动泵6进入填充床1中进行反应，其中，填充床1的结构如图2所示，包括3层，从上至下分别为脱脂棉层7、脂肪酶层8和砂芯层9，其中，脂肪酶层8用于催化反应，其中的脂肪酶可以选自猪胰脂肪酶(PPL)、荧光假单胞菌脂肪酶(PFL)以及南极假丝酵母脂肪酶(Novozyme 435TM)等脂肪酶，上述脂肪酶通过自然沉降的方式填充入反应柱中，反应柱的内径为0.5-2cm，高为4-60cm。 
本发明的下述实施例中，采用以下检测方法检测反应获得的产物的分子量及其分子量分布： 
采用Agilent 1100series液相色谱***，配备蒸发光散射检测器及waters HR3和HR4的GPC柱检测，其中， 
分析条件：流动相为四氢呋喃，流速为1ml/min，柱温30℃，进样体积20μL。蒸发光散射检测器的雾化温度为70℃，蒸发温度为100℃，氮气流速1.5SLM。 
采用标准相对分子质量的聚苯乙烯作为相对分子质量标准，其中聚苯乙烯分子质量为580g/mol，930g/mol，1260g/mol，1940g/mol，1790g/mol，4920g/mol，7200g/mol，10100g/mol，19900g/mol，29700g/mol。 
样品制备：取反应液50μL或反应产物50mg，用四氢呋喃稀释至1ml，采用一次性滤器，经0.45μm有机膜过滤，取滤液进样。 
本发明的下述实施例中，底物转化率表示为已反应的ε-己内酯占初始ε-己内酯的百分比，通过下式计算获得： 
C＝(no-nx)/no
其中，C为底物转化率；no为初始ε-己内酯的量；nx为最终ε-己内酯的量。 
实施例1-6、使用Novozyme 435TM脂肪酶催化ε-己内酯 
将ε-己内酯与有机溶剂在混合釜2中混合，获得ε-己内酯的溶液，然后将ε-己内酯的溶液以一定的流速流经蠕动泵6进入Novozyme 435TM脂肪酶的填充柱1中进行聚合反应，并收集获得的聚(ε-己内酯)的反应液，具体反应条件如表1所示。 
表1、Novozyme 435TM脂肪酶催化制备聚(ε-己内酯)的反应条件 
  实施例   混合温度   ε-己内酯   有机溶剂   流速   反应温度
  1   50℃   0.1mol   200ml甲苯   0.01ml/min   50℃
  2   50℃   0.4mol   200ml甲苯   0.3ml/min   50℃
  3   60℃   0.2mol   200ml异丙醚   0.005ml/min   60℃
  4   50℃   0.1mol   200ml甲苯   1ml/min   50℃
  5   30℃   0.1mol   200ml甲苯   0.01ml/min   30℃
  6   55℃   0.05mol   200ml己烷   0.01ml/min   55℃
实施例7、使用猪胰脂肪酶催化ε-己内酯 
在30℃下，将10.6mlε-己内酯与200ml异丙醚在混合釜2中混合，然后将ε-己内酯的溶液以0.01ml/min的流速流经蠕动泵6进入猪胰脂肪酶的填充柱1中进行聚合反应，填充柱1的内径为1cm、高为10cm，控制反应温度为60℃，收集获得的聚(ε-己内酯)的反应液。 
实施例8、使用荧光假单胞菌脂肪酶催化ε-己内酯 
在30℃下，将5.3mlε-己内酯与200ml异丙醚在混合釜2中混合，然后将ε-己内酯的溶液以0.01ml/min的流速流经蠕动泵6进入荧光假单胞菌脂肪酶的填充柱1中进行聚合反应，填充柱1的内径为0.5cm、高为16cm，控制反应温度为40℃，收集获得的聚(ε-己内酯)的反应液。 
实施例9、产物纯化 
分别对实施例1-8中获得的反应液中的底物的转化率、产物的重均分子量和分子量分布进行了检测，检测结果如表2所示。 
表2、纯化前反应液的检测结果 
  实施例   底物的转化率   产物的重均分子量   分子量分布
  1   99.8％   4520   1.6
  2   99.6％   15600   2.1
  3   98.3％   21430   1.8
  4   99.8％   7500   1.9
  5   95％   2653   2.2
  6   94％   20396   1.7
  7   99.8％   26562   1.5
  8   99.8％   4662   2.2
实施例1-8中获得的反应液通过旋转蒸发处理，并分别收集馏出液和沉淀，其中，收集的馏出液中包括溶剂与少量的小分子物质，可继续用于本发明中的连续反应。 
然后，将沉淀溶于二氯甲烷后，再通过甲醇沉淀，收集沉淀并对上述纯化后的产品进行检测，检测结果如表3所示。 
表3、纯化后反应液的检测结果 
  实施例   产物的重均分子量   分子量分布
  1   6700   1.2
  2   18230   1.5
  3   23500   1.1
  4   9201   1.4
  5   3502   1.6
  6   21940   1.1
  7   31200   1.2
  8   6325   1.7
为确定终产物，发明人对实施例1-8获得的终产物进行了1H NMR检测，结果显示获得的终产物均为聚(ε-己内酯)，其中实施例1的产物的1H NMR检测结果如图3所示。 
为检测高转化率的连续生产时间，发明人随机按实施例2和8的催化条件，进行了不间断的生产。 
结果显示，在连续反应了672h后，在上述催化条件下，脂肪酶填充床反应器仍能保持很高的转化率，维持在98％以上。 
虽然，在本发明中使用的脂肪酶填充床反应器的结构如图1所示，但只要使用的脂肪酶填充床反应器能用于连续生产，则也能实现本发明的目的，这对本领域的技术人员而言是显而易见的，因此，对本发明而言，不需要规定特定的脂肪酶填充床反应器的结构。 
本发明提供的生产方法采用脂肪酶作为催化剂避免了酸或者重金属催化剂随反应物的流动而流出反应器并残留在产物中，同时填充床反应器使得脂肪酶的操作稳定性大大提高，并且实现了连续化的生产，因此该方法具有反应条件温和，能耗低，产物性能佳，生产成本低的优点。 

Claims (3)

1.一种酶法连续生产聚(ε-己内酯)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A)将ε-己内酯溶解于适当的有机溶剂中，配制成ε-己内酯的溶液；
B)使所述ε-己内酯的溶液连续流经脂肪酶填充床以进行聚合反应，获得聚(ε-己内酯)；
其中，与所述ε-己内酯混合的所述有机溶剂包括：甲苯、异丙醚和己烷；所述ε-己内酯的溶液中ε-己内酯的浓度为0.05-2mol/L；所述脂肪酶包括猪胰脂肪酶、荧光假单胞菌脂肪酶以及南极假丝酵母脂肪酶；所述ε-己内酯的溶剂的流速为0.005-5ml/min，所述聚合反应的反应温度为20-70℃。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对获得的聚(ε-己内酯)的反应液进行分离纯化的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分离纯化步骤包括对获得的聚(ε-己内酯)的反应液进行旋转蒸发处理，收集沉淀并溶于二氯甲烷后，再使用甲醇沉淀，获得高纯度的聚(ε-己内酯)。 
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