一種酶法連續生產聚(ε-己內酯)的方法

2023-06-09 20:29:41

專利名稱：：一種酶法連續生產聚(ε-己內酯)的方法
技術領域：
：本發明屬於生物化工領域，具體地說，涉及一種酶法連續生產聚(e-己內酯)的方法。
背景技術：
：聚(e-己內酯)具有非常廣泛的應用，目前使用聚"-己內酯)的產品包括化妝用品瓶子、柔性包裝材料以及樹木種植和移植的容器等；同時，聚(e-己內酯)與多種高聚物具有良好的相容性，可製備出多種性能優良的共混物，例如利用其與澱粉的共混物製造環保型購物袋等；另外，由於聚(e-己內酯)具有非毒性、組織相容性以及對眾多藥物有高度滲透性，其生物醫藥的功能也變得日益顯著。目前，聚(e-己內酯)的合成主要化學法以及生物酶催化法在本體或者溶液條件下催化開環聚合反應來實現的，具體如下其中化學法化學法中用到的酸或者金屬催化劑會殘留在產物中，不僅會影響它的降解速率，降低產品性能，更因為其潛在的毒性限制了在生物醫用材料領域的應用。生物酶催化生物酶催化，尤其是其中的脂肪酶催化，由於反應條件溫和、催化效率高、無酸或者金屬催化劑殘留等優點，獲得越來越多的研究者的關注。研究者們報導的第一個能夠被脂肪酶催化開環聚合的單體即為e-己內酯，至今已研究了多種脂肪酶對開環聚合e-己內酯的反應，例如豬胰脂肪酶(porcinepancreaticlipase,PPL)、南極假絲酵母月旨肪酶(CandidaantarticalipaseB，Novozyme435)、Rhizomucormiehei(RM)以及假單胞菌脂肪酶(Pseudomonasfluorescenslipase,PFL)，證實了有機溶劑、底物濃度和溫度對反應有很大的影響，同時建立了脂肪酶催化聚合反應的反應模型。但是現有的研究都採用了密閉的反應容器進行批式反應，每批反應之間要進行過濾、蒸發、溶解、重沉澱的操作，才可獲得產物；並且在批式反應中，一般會採用的震蕩或是攪拌的方式使物料混合均勻並且降低底物與酶之間的傳質阻力，但是這些方式所產生的剪切力會導致酶的失活或是固定化酶顆粒的破碎，而導致酶的操作穩定性不高，重複利用率降低。在脂肪酶批式反應催化聚合e_己內酯的反應過程中，操作工藝複雜以及重複利用率低，影響了其在工業化大規模生產中的應用。
發明內容本發明的目的在於，提供一種酶法連續生產聚"-己內酯)的方法，以簡化生產聚"-己內酯)的操作工藝，提高轉化率。本發明還有一個目的，在於提供一種用於連續生產聚"-己內酯)的脂肪酶填充床反應器。本發明提供的酶法連續生產聚"-己內酯)的方法包括以下步驟將e-己內酯溶解於適當的有機溶劑中，配製成e-己內酯的溶液；使所述e-己內酯的溶液連續流經脂肪酶填充床以進行聚合反應，獲得聚(e_己內酯)。根據本發明的一個優選實施例，使用的脂肪酶包括豬胰脂肪酶(PPL)、假單胞菌脂肪酶(PFL)以及南極假絲酵母脂肪酶(Novozyme435)。根據本發明的一個優選實施例，本發明提供的方法還包括對獲得的聚(e_己內酯)的反應液進行分離純化的步驟，包括對聚(e-己內酯)的反應液進行旋轉蒸發處理，收集沉澱並溶於二氯甲烷，再使用甲醇沉澱，獲得高純度的聚(e_己內酯)。本發明提供的脂肪酶填充床反應器包括用於催化反應的脂肪酶填充床、用於將e_己內酯與有機溶劑進行混合的混合釜和將混合後的e_己內酯溶液送入脂肪酶填充床的蠕動泵。根據本發明，所述提供的脂肪酶填充床包括上方的脫脂棉層、中間的脂肪酶層和下方的砂芯層，其中，所述脂肪酶層用於催化反應。本發明提供的生產方法採用脂肪酶作為催化劑避免了酸或者重金屬催化劑隨反應物的流動而流出反應器並殘留在產物中，同時填充床反應器使得脂肪酶的操作穩定性大大提高，並且實現了連續化的生產，因此該方法具有反應條件溫和，能耗低，產物性能佳，生產成本低的優點。圖1是本發明提供的脂肪酶填充床反應器的結構示意圖。圖2是本發明提供的脂肪酶填充床的結構示意圖。圖3是實施例1中獲得的終產物的力NMR圖。具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發明作進一步說明。應理解，以下實施例僅用於說明本發明而非用於限定本發明的範圍。本發明的下述實施例中，使用的脂肪酶填充床反應器的結構如圖1所示，包括填充床1、混合釜2、環繞包裹填充床1的夾套4、蠕動泵6及與夾套4連接的加熱器5，其中，混合釜2內有攪拌槳3，用於攪拌混合以獲得e-己內酯的溶液，並將混合好的e-己內酯的溶液通過蠕動泵6進入填充床1中進行反應，其中，填充床1的結構如圖2所示，包括3層，從上至下分別為脫脂棉層7、脂肪酶層8和砂芯層9，其中，脂肪酶層8用於催化反應，其中的脂肪酶可以選自豬胰脂肪酶(PPU、假單胞菌脂肪酶(PFL)以及南極假絲酵母脂肪酶(Novozyme435)等脂肪酶，上述脂肪酶通過自然沉降的方式填充入反應柱中，反應柱的內徑為0.5-2cm，高為4-60cm。本發明的下述實施例中，採用以下檢測方法檢測反應獲得的產物的分子量及其分子量分布採用Agilent1100series液相色譜系統，配備蒸發光散射檢測器及watersHR3和HR4的GPC柱檢測，其中，分析條件流動相為四氫呋喃，流速為lml/min，柱溫30°C，進樣體積20yL。蒸發光散射檢測器的霧化溫度為7(TC，蒸發溫度為IO(TC，氮氣流速1.5SLM。採用標準相對分子質量的聚苯乙烯作為相對分子質量標準，其中聚苯乙烯分子質量為580g/mol，930g/mol，1260g/mol，1940g/mol，1790g/mol，4920g/mol，7200g/mol，10100g/mol，19900g/mol，29700g/mol。樣品製備取反應液50iiL或反應產物50mg，用四氫呋喃稀釋至lml，採用一次性濾器，經0.45m有機膜過濾，取濾液進樣。本發明的下述實施例中，底物轉化率表示為已反應的e-己內酯佔初始e-己內酯的百分比，通過下式計算獲得C=(n0_nx)/n0其中，C為底物轉化率；n。為初始e-己內酯的量；nx為最終e-己內酯的量。[OOSO]實施例1-6、使用Novozyme435"脂肪酶催化e_己內酯將e-己內酯與有機溶劑在混合釜2中混合，獲得e-己內酯的溶液，然後將e-己內酯的溶液以一定的流速流經蠕動泵6進入Novozyme435脂肪酶的填充柱1中進行聚合反應，並收集獲得的聚(e-己內酯)的反應液，具體反應條件如表1所示。表1、Novozyme435脂肪酶催化製備聚(e_己內酯)的反應條件tableseeoriginaldocumentpage5^MMl、使用豬胰脂肪酶催化e-己內酯在3(TC下，將10.6mle-己內酯與200ml異丙醚在混合釜2中混合，然後將e_己內酯的溶液以0.Olml/min的流速流經蠕動泵6進入豬胰脂肪酶的填充柱1中進行聚合反應，填充柱1的內徑為lcm、高為10cm，控制反應溫度為6(TC，收集獲得的聚"-己內酯)的反應液。^MM^、使用假單胞菌脂肪酶催化e_己內酯在3(TC下，將5.3mle-己內酯與200ml異丙醚在混合釜2中混合，然後將e_己內酯的溶液以0.Olml/min的流速流經蠕動泵6進入假單胞菌脂肪酶的填充柱1中進行聚合反應，填充柱1的內徑為0.5cm、高為16cm，控制反應溫度為4(TC，收集獲得的聚(e-己內酯)的反應液。實施例9、產物純化分別對實施例1-8中獲得的反應液中的底物的轉化率、產物的重均分子量和分子量分布進行了檢測，檢測結果如表2所示。表2、純化前反應液的檢測結果實施例底物的轉化率產物的重均分子量分子量分布199.8%45201.6299.6%156002.1398.3%214301.8499.8%75001.9595%26532.2694%203961.7799.8%265621.5899.8%46622.2實施例1-8中獲得的反應液通過旋轉蒸發處理，並分別收集餾出液和沉澱，其中，收集的餾出液中包括溶劑與少量的小分子物質，可繼續用於本發明中的連續反應。然後，將沉澱溶於二氯甲烷後，再通過甲醇沉澱，收集沉澱並對上述純化後的產品進行檢測，檢測結果如表3所示。表3、純化後反應液的檢測結果實施例產物的重均分子量分子量分布167001.22182301.53235001.1492011.4535021.66實施例產物的重均分子量分子量分布6219401.17312001.2863251.7為確定終產物，發明人對實施例1-8獲得的終產物進行了力NMR檢測，結果顯示獲得的終產物均為聚(e-己內酯)，其中實施例1的產物的力NMR檢測結果如圖3所示。為檢測高轉化率的連續生產時間，發明人隨機按實施例2和8的催化條件，進行了不間斷的生產。結果顯示，在連續反應了672h後，在上述催化條件下，脂肪酶填充床反應器仍能保持很高的轉化率，維持在98%以上。雖然，在本發明中使用的脂肪酶填充床反應器的結構如圖l所示，但只要使用的脂肪酶填充床反應器能用於連續生產，則也能實現本發明的目的，這對本領域的技術人員而言是顯而易見的，因此，對本發明而言，不需要規定特定的脂肪酶填充床反應器的結構。本發明提供的生產方法採用脂肪酶作為催化劑避免了酸或者重金屬催化劑隨反應物的流動而流出反應器並殘留在產物中，同時填充床反應器使得脂肪酶的操作穩定性大大提高，並且實現了連續化的生產，因此該方法具有反應條件溫和，能耗低，產物性能佳，生產成本低的優點。權利要求一種酶法連續生產聚(ε-己內酯)的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟A)將ε-己內酯溶解於適當的有機溶劑中，配製成ε-己內酯的溶液；B)使所述ε-己內酯的溶液連續流經脂肪酶填充床以進行聚合反應，獲得聚(ε-己內酯)。2如權利要求l所述的方法，其特徵在於，與所述e-己內酯混合的所述有機溶劑包括甲苯、異丙醚和己烷。3.如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述e-己內酯的溶液中e-己內酯的濃度為0.05-2mol/L。4.如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述脂肪酶包括豬胰脂肪酶(PPL)、假單胞菌脂肪酶(PFL)以及南極假絲酵母脂肪酶(Novozyme435)。5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述e-己內酯的溶劑的流速為0.005-5ml/min，所述聚合反應的反應溫度為20_70°C。6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括對獲得的聚(e_己內酯)的反應液進行分離純化的步驟。7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述分離純化步驟包括對獲得的聚(e_己內酯)的反應液進行旋轉蒸發處理，收集沉澱並溶於二氯甲烷後，再使用甲醇沉澱，獲得高純度的聚(e-己內酯)。8.用於權利要求1-7中任一項所述的方法的脂肪酶填充床反應器，其特徵至於，所述脂肪酶填充床反應器包括用於催化反應的脂肪酶填充床、用於將e-己內酯與有機溶劑進行混合的混合釜和將混合後的e_己內酯的溶劑送入脂肪酶填充床的蠕動泵。9.如權利要求8所述的反應器，其特徵在於，所述混合釜內有用於混合溶液的攪拌槳，所述填充床連接有控制反應溫度的加熱器。10.如權利要求8所述的反應器，其特徵在於，所述填充床包括上方的脫脂棉層、中間的脂肪酶層和下方的砂芯層，其中，所述脂肪酶層用於催化反應。全文摘要本發明提供了一種酶法連續生產聚(ε-己內酯)的方法，該方法包括將ε-己內酯溶解於適當的有機溶劑中，配製成ε-己內酯的溶液；使所述ε-己內酯的溶液連續流經脂肪酶填充床以進行聚合反應，獲得聚(ε-己內酯)。本發明還提供了一種用於連續生產聚(ε-己內酯)的脂肪酶填充床反應器，該反應器包括用於催化聚合反應的脂肪酶填充床、用於將ε-己內酯與有機溶劑進行混合的混合釜以及將混合後的ε-己內酯溶液送入脂肪酶填充床的蠕動泵。本發明的方法實現了連續化的生產，具有反應條件溫和、能耗低、產物性能佳、生產成本低的優點。文檔編號C12P1/00GK101781398SQ20091004566公開日2010年7月21日申請日期2009年1月21日優先權日2009年1月21日發明者張敏潔,林金萍,魏東芝申請人:華東理工大學