CN102002234B

CN102002234B - 一种保水剂的制备方法

Info

Publication number: CN102002234B
Application number: CN 201010514868
Authority: CN
Inventors: 朱瑞艳; 徐美娜; 杨娜; 徐志文
Original assignee: LEADING BIO-AGRICULTURAL Co Ltd
Current assignee: Leading Bio-agricultural Co., Ltd.
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: CN102002234A

Abstract

本发明涉及一种保水剂的制备方法。该方法包括让由枯草芽孢杆菌发酵生产得到的γ-聚谷氨酸发酵液、由所述发酵液得到的粗制γ-聚谷氨酸或精制γ-聚谷氨酸水溶液在无机酸或有机酸催化剂存在下与交联剂进行反应得到所述的保水剂。本发明的保水剂的吸水倍数是在蒸馏水中为400-1500倍，在生理盐水中为60-150倍。本发明采用微生物学技术制备的保水剂是环境友好型的保水剂，因此，必将在我国农业、林业及其它产业中发挥巨大的经济效益、环境效益与社会效益。

Description

一种保水剂的制备方法

【技术领域】

本发明属于高分子材料应用技术领域。更具体地，本发明涉及一种利用微生物发酵产生的高分子材料-γ-聚谷氨酸制备环境友好型保水剂的方法。

【背景技术】

我国人口占全世界人口的23％，而我国的水资源总量仅占全球的6％，我国人均水资源量仅有2200m³，只有世界平均水平的1/4。尽管水资源缺乏，目前我国的水资源利用的合理性依然较差。水资源的缺乏、不合理的利用及不合理的耕作，致使我国荒漠化土地已达到262万亩，达到国土资源总面积的27.3％。农业、工业和生活用水都是维持人类正常生活所必须的，其中农业用水占我国总用水量的73.4％，但是有效灌溉面积仅有46％。即使如此水利用效率依然很低，我国大部分地区所采取传统的大水漫灌方式，水资源利用率只有20％。尽管在抵御干旱和节约用水方面尽管采取了很多措施，但是耕地面积中有2/3是中低产田，直接影响我国的粮食生产。土地的荒漠化和水资源的不合理利用，已严重威胁到我国的粮食安全和水土保持。保水剂的研究开发能够部分缓解我国水资源的利用。

保水剂是利用强吸水性树脂制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物，它能迅速吸收比自身重数百倍甚至上千倍的去离子水、数十倍至近百倍的含盐水分，而且具有反复吸水功能。当水存在时，保水剂可以快速吸收储存水分，水缺乏时它又可以缓慢释放水分供作物吸收利用，减少了农业对地下水的反复利用。

目前，农用保水剂从原料上分主要有3种：丙烯基保水剂(聚丙烯酸型，聚丙烯酰胺型，聚丙烯腈型)、淀粉基保水剂(淀粉-聚丙烯酰胺型，淀粉-聚丙烯酸型)和生物高分子基保水剂。合成聚合物中聚丙烯酸和聚丙烯酰胺型所占比重较大，在国际上，法国、德国、日本、美国和比利时等国所生产的保水剂大多属于这类成分的产品；我国在这方面研发也比其他类型的保水剂早，而且转化的成果也很多；丙烯基保水剂作为农用保水剂从吸放水速率、降解速率和反复使用频率上都适合做农用保水剂，但是丙烯基保水剂的单体具有一定的毒性，少量残留的单体会影响丙烯基保水剂使用的安全性。淀粉基保水剂合成的主要形式有两种：一是将淀粉与丙烯腈接枝共聚再水解，或直接与亲水性单体(丙烯酸或丙烯酰胺)聚合再交联制得保水剂；在淀粉上引入亲水性基团，并使其有一定的交联度。另一种是先对淀粉进行部分交联，再引入羧甲基亲水性基团制得保水剂。该类型保水剂的优点是成本低，吸水速度快，缺点是凝胶强度和耐热性、耐盐性差，降解过快。

鉴于目前市场上农用保水剂的缺点，开发吸水速度快、保水性能好、对环境安全、成本低廉的保水剂是保水剂产品开发及商业化追求的目标。来源于天然的或生物合成的聚合物制备的保水剂引起了人们广泛关注。γ-聚谷氨酸是由微生物合成的一种高分子材料，是谷氨酸分子间以氨基和羧基缩合而成的高分子化合物，其相对分子质量范围为100kDa-2000kDa。由于γ-PGA侧链上大量羧基负电荷的排斥作用，使链的空间伸展特别大，即使在较低的浓度下，分子间也具有强烈的相互作用。由于羧基的亲水性及分子链的伸展性，所以γ-PGA对水的作用力很强，是制备水凝胶的一种理想材料；γ-聚谷氨酸具有生物可降解性，在完成保水作用之后，可被土壤中微生物分解，由于分子中含氮原子，分解后变成植物的肥料，因此，以γ-聚谷氨酸作为材料合成保水剂具有环境友好型的特征。

农用保水剂的吸水倍数在200-1500倍之间较合适(在0.9％生理盐水中的吸水倍数可达到30-150倍，约为去离子水中吸水倍数的10％)，大于1500倍或小于200倍的保水剂不适合在农业上使用，因此，制备合适吸水倍数的环境友好型保水剂成为农用保水剂开发的关键。

【发明内容】

[要解决的技术问题]

本发明的目的是提供一种保水剂的制备方法。

[技术方案]

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明涉及一种保水剂的制备方法。

该方法包括下述步骤：

由枯草芽孢杆菌(Bacillus subtillis)CGMCC No.2108发酵生产得到的γ-聚谷氨酸发酵液、由所述发酵液得到的粗制γ-聚谷氨酸或精制γ-聚谷氨酸水溶液在无机酸或有机酸催化剂存在下与交联剂进行反应得到所述的保水剂。

根据本发明的一种优选实施方式，所述的无机酸催化剂是盐酸、硝酸、硫酸或磷酸；所述的有机酸催化剂是柠檬酸、乙酸或草酸。

更优选地，所述的无机酸催化剂是盐酸；所述的有机酸催化剂是柠檬酸。

根据本发明的另一种优选实施方式，使用所述的发酵液时，发酵液中的γ-聚谷氨酸浓度是以质量百分计1-3.5％，所述交联剂的用量是发酵液质量的2-10％。

根据本发明的另一种优选实施方式，使用所述的粗制γ-聚谷氨酸或精制γ-聚谷氨酸水溶液时，所述水溶液的γ-聚谷氨酸浓度是以质量百分计4-12％，所述交联剂的用量是γ-聚谷氨酸质量的60％-100％。

根据本发明的一种优选实施方式，所述的交联剂是聚醇甘油醚类化合物。

优选地，所述的聚醇甘油醚类化合物选自聚乙二醇双缩水甘油醚或聚丙二醇双缩水甘油醚。

更优选地，所述的聚醇甘油醚类化合物是聚丙二醇双缩水甘油醚。

根据本发明，所述的聚丙二醇双缩水甘油醚的环氧值是0.08-0.35。

优选地，所述的聚丙二醇双缩水甘油醚的环氧值是0.08-0.09。

下面将更详细地描述本发明。

本发明涉及一种保水剂的制备方法。

该方法包括下述步骤：

让由枯草芽孢杆菌发酵(Bacillus subtillis)CGMCC No.2108生产得到的γ-聚谷氨酸发酵液、由所述发酵液得到的粗制γ-聚谷氨酸或精制γ-聚谷氨酸水溶液在无机酸或有机酸催化剂存在下与交联剂进行反应得到所述的保水剂。

本申请人的发明专利CN101109010B记载了一株产γ-聚谷氨酸的高产菌株枯草芽孢杆菌(Bacillus subtillis)CGMCC No.2108，还记载了该菌株的培养方法及适用的培养基。该γ-聚谷氨酸的最高产量可达34.1g/l，而且培养方法简便易行，所用培养基的原料来源广泛，价格低廉，有效降低了生产成本，适合大规模的工业化生产。

在本发明中，由所述菌株枯草芽孢杆菌发酵生产得到的γ-聚谷氨酸发酵液可以是发明专利CN101109010B中描述的γ-聚谷氨酸发酵液。

具体地，使用所述发酵液制备保水剂的方法如下：

按照发明专利CN101109010B记载方法制得的10-30g/Lγ-聚谷氨酸发酵液在盐酸、硫酸、柠檬酸、硝酸或乙酸等酸催化剂存在下(pH值4.0-6.0)，与聚缩水甘油醚类交联剂进行混合，所述交联剂的量是发酵液质量的2％-10％，所述物料在搅拌均匀后在温度40-60℃水浴中进行反应0-55h。该反应混合物用无水乙醇进行沉淀，无水乙醇的体积是该反应混合物的1-2倍，得到的沉淀物置于真空干燥器中干燥，或者在温度45℃-60℃下烘干至恒重，再使用粉碎机把干燥沉淀物粉碎至粒度80-100目的粉末，即为本发明的保水剂。

可以采用沉淀法从所述发酵液中分离得到粗制γ-聚谷氨酸：

按照γ-聚谷氨酸发酵液与无水乙醇的体积比1-2，所述的γ-聚谷氨酸发酵液在常温条件下用无水乙醇进行沉淀，分离与干燥后得到所述的粗制γ-聚谷氨酸。

将前面制备的γ-聚谷氨酸粗品用蒸馏水配制成质量浓度为4％-12％的γ-聚谷氨酸水溶液，在盐酸、硫酸、柠檬酸、硝酸或乙酸等酸催化剂存在下(pH值4.0-6.0)，与聚缩水甘油醚类交联剂进行混合，所述交联剂的量是γ-聚谷氨酸质量的60％-100％，所述物料在搅拌均匀后在温度25-60℃水浴中进行反应0-55h，然后直接置于真空干燥器中进行蒸发与干燥，或者在温度45-60℃下烘干至恒重，再使用粉碎机把干燥沉淀物粉碎至粒度80-100目，即为本发明的保水剂。

所述的γ-聚谷氨酸发酵液除γ-聚谷氨酸外还含有许多其它的物质，例如各种发酵副产物、培养过程中未消耗完的培养基等。因此，在用无水乙醇一次沉淀时，其中的杂质还会随γ-聚谷氨酸沉淀一起沉淀出来，因此粗制γ-聚谷氨酸粉末还含有这些杂质，此时聚谷氨酸的纯度为45-60％。

于是，可以采用与上述结晶方法相同的重结晶方法进行纯化，也可以采用其它方法进行纯化，得到所述的精制的γ-聚谷氨酸。

采用重结晶的方式由所述的粗制γ-聚谷氨酸得到精制的γ-聚谷氨酸是将所述的粗制γ-聚谷氨酸粉末溶于水中，按照前面描述的方式，让得到的γ-聚谷氨酸溶液用无水乙醇进行重结晶，这样重结晶步骤重复进行3-5次，得到所需要的精制的γ-聚谷氨酸，精制聚谷氨酸的纯度大于90％。

将前面制备的精制γ-聚谷氨酸用蒸馏水配制成质量浓度为4％-12％的γ-聚谷氨酸水溶液，在盐酸、硫酸、柠檬酸、硝酸或乙酸等酸催化剂存在下(pH值4.0-6.0)，与聚缩水甘油醚类交联剂进行混合，所述交联剂的量是γ-聚谷氨酸质量的60％-100％，所述物料在搅拌均匀后在温度25-60℃水浴中进行反应0-55h，然后直接置于真空干燥器中进行蒸发与干燥，或者在温度45-60℃下烘干至恒重，再使用粉碎机把干燥沉淀物粉碎至粒度80-100目，即为本发明的保水剂。

根据本发明的一种优选实施方式，所述的无机酸催化剂是盐酸、硝酸、硫酸或磷酸。

更优选地，所述的无机酸催化剂是盐酸。

所述的有机酸催化剂是柠檬酸、乙酸或草酸。

更优选地，所述的有机酸催化剂是柠檬酸。

所述的无机酸催化剂或所述的有机酸催化剂的使用量应该是使所述的γ-聚谷氨酸发酵液的pH值达到4.0-6.0，如果使所述的γ-聚谷氨酸发酵液的pH值或者高于6.0则不发生交联反应，若pH值低于4.0，则会引起底物聚谷氨酸的降解，最终导致合成保水剂产量和吸水倍数都降低。

所述无机酸催化剂或所述有机酸催化剂的浓度一般是0.1-1.0N，优选地0.2-0.8N，更优选地0.4-0.6N。

根据本发明的另一种优选实施方式，使用所述的发酵液时，发酵液中的γ-聚谷氨酸浓度是以质量百分计1-3.5％，所述交联剂的用量是发酵液质量的2-10％，优选地4-8％，更优选地5-6％。

所述的交联剂是聚醇甘油醚类化合物。

优选地，所述的聚醇甘油醚类化合物选自聚乙二醇双缩水甘油醚或聚丙二醇双缩水甘油醚。它们都是目前市场上销售的产品，例如聚乙二醇双缩水甘油醚为狮子山化工涂料厂生产的产品，聚丙二醇双缩水甘油醚为上海如发化工科技有限公司生产的产品。

根据本发明，所述的聚丙二醇双缩水甘油醚的环氧值是0.08-0.35。所述的环氧值是采用中华人民共和国国家标准GB 1677-81测定的。

优选地，所述的聚丙二醇双缩水甘油醚的环氧值是0.08-0.09。

根据本发明的另一种优选实施方式，使用所述的粗制γ-聚谷氨酸或精制γ-聚谷氨酸水溶液时，所述水溶液的γ-聚谷氨酸浓度是以质量百分计4-12％，所述交联剂的用量是γ-聚谷氨酸质量的60％-100％，优选地70-90％，更优选地75-85％。

保水剂的保水性能是用它的吸水倍数表征的。吸水倍数的测定方法如下：称取本发明的保水剂质量为W1，放入蒸馏水或生理盐水中，均匀分散并静置一定时间，让保水剂充分吸水后，将其放置在80-100目的网筛或滤布上，使自由水从所述的保水剂上滤去，然后称得质量为W2，并按照下述公式计算出吸水倍数：

吸水倍数＝(W2-W1)/W1

本发明保水剂的吸水倍数是在蒸馏水中为400-1500倍，在生理盐水中为60-150倍。

[有益效果]

本发明具有的有益效果如下：

采用本发明方法制备的保水剂的吸水倍数是在蒸馏水中为400-1500倍，在生理盐水中为60-150倍，因此完全符合农业生产的需要。本发明采用微生物学技术制备的保水剂是环境友好型的保水剂，因此，本发明的保水剂必将在我国农业、林业及其它产业中发挥巨大的经济效益、环境效益与社会效益。

【具体实施方式】

通过下述实施例将更详尽地说明本发明。

实施例1

在50mL具塞三角瓶中加入4.8g采用本说明书说明的γ-聚谷氨酸粗品，再加入20mL蒸馏水，充分溶解后，加入1.44g聚丙二醇双缩水甘油醚交联剂，搅拌均匀后，在柠檬酸酸催化剂存在下，在pH 4.8-5.0条件下在60℃水浴中让γ-聚谷氨酸与聚丙二醇双缩水甘油醚进行反应24h，所得物质在真空干燥器中进行蒸发与干燥24h，然后使用粉碎机粉碎至粒度80-100目，采用说明书描述的检测方法检测该聚合物在蒸馏水中吸水倍数为900倍，在生理盐水中吸水倍数为80倍。

该保水剂用于盆栽试验，结果见下表。每盆装蛭石600g，保水剂用量设置4个梯度(蛭石与保水剂的质量比)，播种前浇等量水400mL，每盆种50粒油菜，苗出齐后定植3株，重复4次。培养15天扣盆，扣盆时测量株高、鲜重，试验结果列于表1。

试验结果表明：蛭石和保水剂比例为400∶1-2400∶1时，对油菜鲜重有显著增加效果，增重效果达到70％-252％。

表1本实施例制备保水剂的实施效果

实施例2

在50mL的带塞三角瓶中加入2.8g γ-聚谷氨酸粗品，再加入20mL蒸馏水，充分溶解后，加入0.84g聚丙二醇双缩水甘油醚，搅拌均匀，然后在浓盐酸存在下，在pH5.1条件下在40℃水浴中让γ-聚谷氨酸与聚丙二醇双缩水甘油醚进行反应30h，所得物质在真空干燥器中进行蒸发与干燥24h，使用粉碎机粉碎至粒度80-100目，采用说明书描述的检测方法检测本实施例制备的保水剂在蒸馏水中吸水倍数为1200倍，在生理盐水中吸收倍数为105倍。

实施例3

在100mL的带塞三角瓶中加入50gγ-聚谷氨酸发酵液(γ-聚谷氨酸的含量为17g/L)，加入5g聚丙二醇双缩水甘油醚，搅拌均匀，然后在浓盐酸存在下，在pH4.8条件下在60℃水浴中让γ-聚谷氨酸与聚丙二醇双缩水甘油醚进行反应1h，然后用50mL无水乙醇进行沉淀，沉淀物置于50℃烘箱中干燥24h，再使用粉碎机粉碎至粒度80-100目，采用说明书描述的检测方法检测该保水剂在蒸馏水中吸水倍数为416倍，在生理盐水中吸水倍数为68倍。

实施例4

1)在100mL的带塞三角瓶中加入50gγ-聚谷氨酸发酵液(γ-聚谷氨酸的含量为19g/L)，加入5g聚丙二醇双缩水甘油醚，搅拌均匀，然后分别在盐酸、硫酸、醋酸、硝酸、磷酸、柠檬酸、草酸的存在下，在pH4.8的条件下在50℃水浴中让γ-聚谷氨酸与聚丙二醇双缩水甘油醚进行反应2h，然后用50mL无水乙醇沉淀，沉淀物置于50℃烘箱中干燥24h至恒重，再使用粉碎机粉碎至粒度80-100目，采用说明书描述的检测方法检测在不同酸催化剂条件下制备的保水剂的吸水倍数。

2)在50mL具塞三角瓶中加入4.4gγ-聚谷氨酸粗品，用蒸馏水充分溶解，使γ-聚谷氨酸的浓度达到9.2％，加入1.4g聚丙二醇双缩水甘油醚，搅拌均匀，然后分别在盐酸、硫酸、醋酸、硝酸、磷酸、柠檬酸、草酸的存在下，在pH4.8的条件下在60℃水浴中让γ-聚谷氨酸与聚丙二醇双缩水甘油醚进行反应23h，沉淀物置于50℃烘箱中干燥24h至恒重，再使用粉碎机粉碎至粒度80-100目，采用说明书描述的检测方法检测不同酸催化制备的保水剂的吸水倍数，这些试验的结果列于表2。

表2不同催化剂对保水剂吸水效果的影响

表2的结果表明，使用γ-PGA粗品制备的保水剂的吸水效果明显优于使用发酵液制备的保水剂的吸水效果；使用无机酸催化剂与使用有机酸催化剂制备的保水剂的吸水效果没有明显的差别，但在无机酸催化剂中，盐酸是非常优选的。在有机酸催化剂中，柠檬酸是非常优选的。

实施例5

取三个50mL具塞三角瓶中，分别在三角瓶中加入4.4g γ-聚谷氨酸粗品，加入20mL蒸馏水使γ-聚谷氨酸充分溶解，搅拌均匀后，再分别在每个三角瓶中加入1.44g的水、聚乙二醇双缩水甘油醚(环氧值为0.28-0.32)、聚丙二醇双缩水甘油醚(环氧值为0.08-0.095)，然后在盐酸存在下，在pH4.8-5.0的条件下在60℃水浴中进行反应20h，所得物质在真空干燥器中进行蒸发与干燥24h，再使用粉碎机粉碎至粒度80-100目，采用说明书描述的检测方法检测不同种类交联剂与γ-聚谷氨酸交联后的保水剂的吸水倍数。

这些试验的结果列于表3。

表3不同交联剂对保水剂吸水效果的影响

交联剂种类	吸水倍数(g/g)
		水	0
聚乙二醇双缩水甘油醚	280
		聚丙二醇双缩水甘油醚	1022

Claims

1.一种保水剂的制备方法，其特征在于该方法包括下述步骤：

由枯草芽孢杆菌(Bacillus subtillis)CGMCC No.2108发酵生产得到的γ-聚谷氨酸（γ-PGA）发酵液在无机酸或有机酸催化剂存在下与交联剂进行反应得到所述的保水剂；

发酵液中的γ-聚谷氨酸浓度是以质量百分计1-3.5％，所述交联剂的用量是发酵液质量的2-10%；

所述的交联剂是聚乙二醇双缩水甘油醚或聚丙二醇双缩水甘油醚；

所述的无机酸催化剂是盐酸、硝酸、硫酸或磷酸；所述的有机酸催化剂是柠檬酸、乙酸或草酸。

2.根据权利要求1所述的保水剂制备方法，其特征在于所述的无机酸催化剂是盐酸,所述的有机酸催化剂是柠檬酸。

3.根据权利要求1所述的保水剂制备方法，其特征在于所述的交联剂是聚丙二醇双缩水甘油醚。

4.根据权利要求1所述的保水剂制备方法，其特征在于所述的聚丙二醇双缩水甘油醚的环氧值是0.08-0.35。

5.根据权利要求4所述的保水剂制备方法，其特征在于所述的聚丙二醇双缩水甘油醚的环氧值是0.08-0.09。