CN101974151B

CN101974151B - 一种生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法

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Publication number: CN101974151B
Application number: CN 201010522612
Authority: CN
Inventors: 赵黎明; 刘旭勤; 纪念; 夏泉鸣
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: CN101974151A

Abstract

本发明涉及一种生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法，该方法包括以下步骤：将生物质原料通过发酵转化得到谷氨酸，再经谷氨酸脱羧酶进行酶转化并提取纯化得到γ-氨基丁酸，最后经高压聚合得到生物基尼龙聚丁内酰胺。与现有技术相比，本发明无需以丁内酰胺为原料时的开环聚合，解决PA4大规模生产的原材料供应问题，同时，利用生物转化工艺取代化学高温高压过程，大大降低了生产成本，使得PA4的大规模应用成为可能。

Description

一种生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高分子生产工艺，尤其是涉及一种生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法。

背景技术

PA4又称聚丁内酰胺(polybutyrolactan)，聚酰胺4(polyamide 4)，是一种半透明或乳白色热塑性树脂，相对密度d＝1.22～1.24，熔点260～265℃。室温下溶于氯化锌或其他无机盐溶液，也能溶于过热水中，在0.1mol/dm³(0.1mol/L)的氢氧化钠、盐酸中于100℃发生水解，比其他尼龙有更好的热稳定性，且具有尼龙类树脂中最高的亲水性。主要用于合成纤维、人造革、合成纸等，用PA4制的人造革有弹性、多孔性、并无静电产生。亦可用注塑、挤塑的方法加工成塑料制品。

由于尼龙4具有与棉、丝极为相似的亲水性，且可作为拉丝纤维，成膜剂或其它成型化合物，其纤维商品的研究长期来受到重视。尼龙4比其它合成纤维更接近天然纤维，尼龙4的吸湿率曲线与棉的吸湿率曲线，两者于相对湿度45％时交叉。在此湿度以下棉的吸湿率比尼龙高，在此以上则尼龙4的吸湿率比棉高，两者的吸湿率性能接近，尼龙4可以替代棉纤维满足人类的相关需求。

尼龙4一般的生产工艺为：在催化剂存在下，丁内酰胺开环聚合生成线性高分子聚合物。在美国专利US4187370公开了一种由α-吡咯烷酮(丁内酰胺)制备尼龙4的工艺：将计算好的纯化好的2-吡咯酮加入一个装有真空蒸馏金额气体进口的反应器中，加入85.7％纯无水氢氧化钾，用氮气洗涤反应器，然后在减压的情况下蒸馏2-吡咯酮以除去吡咯酮和氢氧化钾反应生成的水，反应溶液冷却至30摄氏度，在真空条件下通入计算好的二氧化碳至溶液中，通过添加氮气使反应器达到常压。在搅拌的情况下将混合物加热，并在维持在50摄氏度下12小时，然后转移至另外一个容器中，在搅拌的情况下2％的硫酸水溶液计量加入产品反应混合物中直至PH为7，将反应物离心即可得到高分子量的尼龙4固体。该方法是属于典型的阴离子开环聚合方法。

尼龙4工业化生产的关键仍是丁内酰胺的来源，目前丁内酰胺主要利用化学法以化石基原料生产，具有多条生产工艺：塔费首先在1907年于实验室中，用丁二酰亚胺电解还原制得4-丁内酰胺，由于电耗大，产品收率低和原料不易得等原因.该法没有实现工业化；Reppe法以乙炔和甲醛为原料，在高温高压下加氢生成1，4-丁二醇，脱氢环化生成4-丁内酯，然后氨解反应生成丁内酰胺，Reppe法是最早实现工业化的生产方法，美国通用苯胺和胶片公司，德国的BASF公司均曾采用此路线生产4一丁内酰胺；顺丁烯二酸酐法，此法又有一步法和两步法，美国石油化学公司用一步法，用顺丁烯二酸酐(以下简称顺酐)与氢气、氯，加温加压一步得到丁内酰胺，日本三菱化学公司采用两步法，由顺酐催化加氢生成4-丁内酯，然后再氨化生成4-丁内酰胺；丙烯酸甲酯或乙酯与氢氰酸反应得到氰基丙邻甲酯或乙酯，然后再加氢得到丁内酰胺；另外从丙烯腈或丁二烯为原料都可以制备得到丁内酰胺。这些方法都须使用不可再生资源作为原料，经过高温高压反应生产得到丁内酰胺，这样使得丁内酰胺的生产成本居高不下，导致PA4的成本居高不下，大大限制了PA4的应用。

丁内酰胺不仅可做聚合物的单体，而且又是一种重要的工业溶剂和医药、化工原料。4-丁内酰胺全世界年消耗量约15万吨，主要生产商有美国通用苯胺和孜片公司(GAF)德国巴斯夫公司(BASF)、日本的三菱化学公司等。国内只有两家生产，年产量不足500吨。由于原材料的研制使得PA4这一优良的合成纤维户产品在我国尚未工业化生产。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无需以丁内酰胺为原料时的开环聚合、降低了生产成本的生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将生物质原料通过发酵转化得到谷氨酸，再经谷氨酸脱羧酶进行酶转化并提取纯化得到γ-氨基丁酸，最后经高压聚合得到生物基尼龙聚丁内酰胺。

生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法具体包括以下步骤：

发酵：生物质原料通过菌种发酵转化为谷氨酸，菌种经过扩大培养，接入发酵罐，发酵培养基中含有碳原、氮原、磷、无机盐及微量元素，发酵温度为30-40℃，发酵pH控制在6.5-8.0，发酵过程中利用液氨或氨水控制pH，同时补加碳原，必要时可以补加氮原，发酵接近终点时停止补加碳原，控制发酵残糖在1g/L以下；

酶转化：谷氨酸发酵液经过80-100℃灭活处理15min，加入谷氨酸脱羧酶，在pH3.0-5.0，温度30-45℃的条件下转化，以转化过程没有气泡发出为转化反应终点，得到富含γ-氨基丁酸(GABA)的谷氨酰氨脱羧酶酶解液；

提取纯化：富含γ-氨基丁酸(GABA)的谷氨酰氨脱羧酶酶解液进入膜分离系统进行过滤澄清，去除杂质，浓缩到2～10倍时，加透析水透析，最终滤液量为1～3倍酶解液量；将滤液泵入离子交换系统脱盐，脱盐后进入脱色树脂或活性炭柱脱色，脱色后的清液通过蒸发器浓缩，结晶，经过干燥得到GABA产品；

聚合：将GABA产品投入高压釜内，通氮气除去空气，加热至180-220℃，升压至1.0-2.0MPa，连续反应1～2h后缓慢将压力降至常压，将反应物水洗、离心、干燥得到PA4固体，即为产品。

所述的生物质原料为可再生生物质原料，包括淀粉水解糖、葡萄糖、糖蜜、蔗糖、菊芋水解糖、秸秆水解糖或玉米芯水解糖。

所述的发酵转化使用的菌种为谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌或钝齿棒杆菌。

所述的谷氨酸脱羧酶可以是经过培养的含有谷氨酸脱羧酶的菌液或菌体，也可以是不同分离纯化的谷氨酸脱羧酶如丙酮粉、固定化酶、纯酶。

所述的谷氨酸可以是含有谷氨酸的发酵液或谷氨酸发酵液过滤除菌后的清液，也可以是经过纯化后的谷氨酸或谷氨酸钠。

与现有技术相比，本发明无需以丁内酰胺为原料时的开环聚合，解决PA4大规模生产的原材料供应问题，同时，利用生物转化工艺取代化学高温高压过程，大大降低了生产成本，使得PA4的大规模应用成为可能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例中所有百分比如果没有特别说明的，都是质量百分比(w/w)

(1)谷氨酸的发酵，菌种：谷氨酸棒杆菌

种子培养基：葡萄糖2.5％，玉米浆3.0％，尿素0.8％，KH₂PO₄0.1％，MgSO₄0.05％，pH7.0，温度35℃，培养至OD≥1.0，pH在7.2左右，残糖≤0.8％，发酵培养基：葡萄糖8.0％，玉米浆0.2％，尿素0.1％，KH₂PO₄0.2％，MgSO₄0.05％，消泡剂0.05％，pH7.0，发酵过程补糖，利用液氨调节pH，控制pH在7.0。

发酵过程，取成熟种子500mL接入装有2.0L发酵培养基的5L发酵罐，控制搅拌转速为600rpm，风量为0.8vvm，35℃培养6小时，过程中如果溶氧低于10％，则增加风量使溶氧保持≥10％，6小时后培养温度改为38℃，开始流加50％浓度的葡萄糖，控制流加速度保持发酵液中的葡萄糖浓度在1％左右，流加至发酵28小时停止，继续运行发酵直至葡萄糖浓度≤0.1％。发酵结束，谷氨酸浓度达到14.0％。

(2)谷氨酸脱羧酶的发酵，菌种：大肠杆菌

种子培养基：蛋白胨1.0％，牛肉膏1.0％，NaCl 0.5％，pH7.0

发酵培养基：葡萄糖0.5％、蛋白胨2.0％、牛肉膏1.0％，氯化钠0.1％，pH7.0，培养温度35℃，培养时间15小时，发酵单位为400酶单位/ml发酵液，共收集500mL。

(3)谷氨酸的转化

将步骤(1)得到的谷氨酸发酵液，100℃处理15min，高温灭活后，共计3.5L，谷氨酸浓度为14％，将步骤(2)得到发酵液200mL离心，收集菌体，将菌体加入步骤(1)得到的灭活发酵液中，加水稀释使谷氨酸浓度为6％，35℃转化2小时，至无气泡放出后反应达到终点，L-谷氨酸被转化为γ-氨基丁酸。

(4)γ-氨基丁酸的纯化：

将步骤(3)得到富含γ-氨基丁酸的谷氨酰氨脱羧酶酶解液进入膜分离系统进行过滤澄清，用截留分子质量1000Da的有机超滤膜进行过滤澄清，料液温度为控制在50℃，操作压力为0.2MPa，膜表面流速为4.5m/s，浓缩1倍时加透析水，透析水量为2倍酶解液量，浓缩5倍后结束。总过滤收率为95～99％，浓缩倍数为5倍，滤液量为2.5倍酶解液，浓缩液量为0.5倍酶解液。滤液顺次泵入阳、阴离子交换树脂柱，柱温＜40℃，流速控制在4m/hr；脱盐清液泵入活性碳碳柱，温度和流速按碳柱要求设定；脱色液进入浓缩系统浓缩，然后进行一次结晶，离心收集晶体，80℃烘干得GABA产品。

(5)聚合

将100g步骤(4)得到的GABA投入小型高压釜内，通氮气除去空气，加热至200℃，升压至1.8MPa，连续反应1小时后缓慢将压力降至常压，将反应物排入水内，搅拌洗涤，去除没有反应的单体，离心，得到尼龙4固体烘干，称重共得50g固体。

(6)取步骤(5)聚合得到的尼龙4固体10g，进行二步固态缩聚以提高分子量，在通入氮气的条件下常压180℃反应24小时，PA4的相对粘度从2.05提高到3.13，分子量显著增加。

实施例2

取不同碳源进行谷氨酸发酵摇瓶实验，证明不同碳源生产谷氨酸。

菌种：谷氨酸棒杆菌，种子培养基：葡萄糖2.5％，玉米浆3.0％，尿素0.8％，KH₂PO₄0.1％，MgSO₄0.05％，pH7.0，温度35℃，培养至OD≥1.0，pH在7.2左右，残糖≤0.8％，可以转种，发酵摇瓶培养基：碳源6.0％，玉米浆0.2％，尿素0.1％，KH₂PO₄0.2％，MgSO₄0.05％，CaCO₃1.0％，pH7.0。发酵过程，取成熟种子10mL接入装有40mL发酵培养基的500mL摇瓶，200rpm，35℃培养36小时，测定谷氨酸含量，结果如表1所示。

表1

碳源	淀粉水解糖	葡萄糖	糖蜜	蔗糖	菊芋水解糖	秸秆水解糖
							谷氨酸％	3.5	3.7	2.5	3.8	2.0	1.5

实施例3

取市场上购买得到的谷氨酸钠600g，配制成6％的谷氨酸钠溶液，将步骤二得到发酵液200mL离心，收集菌体，将菌体加入6％的谷氨酸钠溶液中，35℃转化2小时，至无气泡放出后反应达到终点，L-谷氨酸钠被转化为γ-氨基丁酸。

实施例4

一种生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法，具体的实施过程如下：

发酵：淀粉水解糖经谷氨酸棒杆菌通过发酵转化为谷氨酸，谷氨酸棒杆菌经过扩大培养，接入发酵罐，发酵培养基中含有碳原、氮原、磷、无机盐及微量元素，发酵温度为30℃，发酵pH控制在6.5，发酵过程中利用液氨或氨水控制pH，同时补加碳原，必要时可以补加氮原(如尿素、硫酸铵等)，发酵接近终点时停止补加碳原，控制发酵残糖在1g/L以下，以方便后提取，降低成本。

酶转化：谷氨酸发酵液经过80℃灭活处理15min，加入谷氨酸脱羧酶，在pH为3.0，温度为30℃的条件下转化，以转化过程没有气泡发出为转化反应判断终点，加入的谷氨酸脱羧酶为经过培养的含有谷氨酸脱羧酶的大肠杆菌，得到富含γ-氨基丁酸(GABA)的谷氨酰氨脱羧酶酶解液。

提取纯化：富含γ-氨基丁酸(GABA)的谷氨酰氨脱羧酶酶解液进入膜分离系统进行过滤澄清，去除杂质，浓缩到2倍时，加透析水透析，最终滤液量为1倍酶解液量；将滤液泵入离子交换系统脱盐，脱盐后进入脱色树脂或活性炭柱脱色，脱色后的清液通过蒸发器浓缩，结晶，经过干燥得到GABA产品。

聚合：将GABA产品投入高压釜内，将所用的化学助剂如消光剂(TiO₂)、适量增白剂、链终止剂、稳定剂等在釜内混和，通氮气除去空气，加热至180℃，升压至2.0MPa，连续反应1h后缓慢将压力降至常压，将反应物水洗、离心、干燥即可得到PA4固体。可以根据需求进行二步固态缩聚以提高产物的分子量，将得到的PA4固体，在通入氮气的条件下于180℃反应2h，结束后将得到的固体进行干燥即得到分子量更高的产品。

实施例5

发酵：菊芋水解糖经黄色短杆菌通过发酵转化为谷氨酸，通过发酵转化为谷氨酸，黄色短杆菌经过扩大培养，接入发酵罐，发酵培养基中含有碳原、氮原、磷、无机盐及微量元素，发酵温度为40℃，发酵pH控制在8.0，发酵过程中利用液氨或氨水控制pH，同时补加碳原，必要时可以补加氮原(如尿素、硫酸铵等)，发酵接近终点时停止补加碳原，控制发酵残糖在1g/L以下。

酶转化：谷氨酸发酵液经过100℃灭活处理15min后，加入谷氨酸脱羧酶，在pH为5.0，温度为45℃的条件下转化，以转化过程没有气泡发出为转化反应判断终点，加入的酶为分离纯化的谷氨酸脱羧酶如丙酮粉、固定化酶、纯酶，得到富含γ-氨基丁酸(GABA)的谷氨酰氨脱羧酶酶解液。

提取纯化：富含γ-氨基丁酸(GABA)的谷氨酰氨脱羧酶酶解液进入膜分离系统进行过滤澄清，去除杂质，浓缩到10倍时，加透析水透析，最终滤液量为3倍酶解液量；将滤液泵入离子交换系统脱盐，脱盐后进入脱色树脂或活性炭柱脱色，脱色后的清液通过蒸发器浓缩，结晶，经过干燥得到GABA产品。

聚合：将GABA产品投入高压釜内，通氮气除去空气，加热至220℃，升压至1.0MPa，连续反应2h后缓慢将压力降至常压，将反应物水洗、离心、干燥即可得到PA4固体。可以根据需求进行二步固态缩聚以提高产物的分子量，将得到的PA4固体，在通入氮气的条件下与220℃反应2h，结束后将得到的固体进行干燥即得到分子量更高的产品。

Claims

1.一种生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将生物质原料通过发酵转化得到谷氨酸，再经谷氨酸脱羧酶进行酶转化并提取纯化得到γ-氨基丁酸，最后经高压聚合得到生物基尼龙聚丁内酰胺；所述的生物质原料为包括淀粉水解糖、葡萄糖、糖蜜、蔗糖、菊芋水解糖、秸秆水解糖或玉米芯水解糖的可再生的生物质原料；

生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法具体包括以下步骤：

酶转化：谷氨酸发酵液经过80-100℃灭活处理15min，加入谷氨酸脱羧酶，在pH3.0-5.0，温度30-45℃的条件下转化，以转化过程没有气泡发出为转化反应终点，得到富含γ-氨基丁酸（GABA）的谷氨酰氨脱羧酶酶解液；

提取纯化：富含γ-氨基丁酸（GABA）的谷氨酰氨脱羧酶酶解液进入膜分离系统进行过滤澄清，去除杂质，浓缩到2～10倍时，加透析水透析，最终滤液量为1～3倍酶解液量；将滤液泵入离子交换系统脱盐，脱盐后进入脱色树脂或活性炭柱脱色，脱色后的清液通过蒸发器浓缩，结晶，经过干燥得到GABA产品；

2.根据权利要求1所述的一种生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法，其特征在于，所述的发酵转化使用的菌种为谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌或钝齿棒杆菌。

3.根据权利要求1所述的一种生物基尼龙聚丁内酰胺的制备方法，其特征在于，所述的谷氨酸可以是含有谷氨酸的发酵液或谷氨酸发酵液过滤除菌后的清液，也可以是经过纯化后的谷氨酸或谷氨酸钠。