CN102875721A

CN102875721A - 可形成偏酸性两水相体系的两种pH响应再生型聚合物及其制备方法与应用

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Publication number: CN102875721A
Application number: CN2012103985701A
Authority: CN
Inventors: 曹学君; 伏星; 刘晶晶
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-10-18
Also published as: CN102875721B

Abstract

本发明涉及可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _ADB，其粘均分子量为2.05×10⁵g/mol，等电点为3.8，由丙烯酸、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸丁酯为单体（摩尔比为23:7:1）经无规共聚而得到，以及可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _MDB，其粘均分子量为1.04×10⁴g/mol，等电点为3.1，由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸丁酯为单体（摩尔比为19:1:1）经无规共聚而得到。还涉及相关制备方法、形成的两水相体系和应用。本发明的可形成偏酸性两水相体系的两种pH响应再生型聚合物pH可逆溶解，回收率高，从而大大降低工业成本，利于两水相技术的推广，适于大规模推广应用。

Description

可形成偏酸性两水相体系的两种pH响应再生型聚合物及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及溶解可逆聚合物技术领域，更具体地，涉及pH响应再生型聚合物技术领域，特别是指可形成偏酸性两水相体系的两种pH响应再生型聚合物及其制备方法与应用。

背景技术

两水相体系一般是二种聚合物或一种聚合物与一种无机盐在水中以适当的浓度溶解，在一定条件下形成互不相溶的两相水溶液体系，被认为是生物下游工程中一种极有前途的分离单元操作，具有广阔的工业应用前景。两水相体系的形成主要是由于高聚物之间的不相溶性，在一定条件下即可分为二相。

由于两水相体系中的两相均是水溶液，两相中水分都占很大比例，因此对生物活性物质具有稳定保护作用，为生物分子提供了极好的温和环境。生物分子可以分配于两水相体系中，克服了有机溶剂萃取中生物产品容易失活和强亲水性物质难溶于有机溶剂的缺点，且环境友好，无生产安全问题，也不存在产品的有机溶剂残留。除此之外，两水相萃取过程操作条件温和，一般在常温常压下进行；两水相萃取过程易于放大。对于工业应用尤为有利；两水相体系之间的相间界面张力很小，大大低于传统有机萃取体系，溶质分配过程温和，有利于保持生物活性，使生物物质不易受到破坏，而且相间传质过程和平衡过程快速，能耗小。

尽管目前两水相体系的发展速度比较快，但形成两水相的聚合物的回收问题越来越受到重视。聚合物不能回收将大大增加两水相的工业成本，不利于两水相技术的推广。

因此，需要提供可形成偏酸性两水相体系的两种pH响应再生型聚合物，其回收率高，从而大大降低工业成本，利于两水相技术的推广。

发明内容

本发明的主要目的就是针对以上存在的问题与不足，提供可形成偏酸性两水相体系的两种pH响应再生型聚合物及其制备方法与应用，该可形成偏酸性两水相体系的两种pH响应再生型聚合物pH可逆溶解，回收率高，从而大大降低工业成本，利于两水相技术的推广，适于大规模推广应用。

为了实现上述目的，在本发明的第一方面，提供了一种可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _ADB，其特点是，所述的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _ADB的粘均分子量为2.05×10⁵g/mol，等电点为3.8，由式I所示化合物、式II所示化合物和式III所示化合物经无规共聚而得到，其中所述式I所示化合物、所述式II所示化合物和所述式III所示化合物的投料摩尔比为23：7：1，

在本发明的第二方面，提供了一种制备上述的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _ADB的方法，其特点是，将所述式I所示化合物、所述式II所示化合物和所述式III所示化合物按投料摩尔比23：7：1加入溶剂中，再加入引发剂，在惰性气体存在下进行聚合反应得到。

较佳地，所述溶剂为去离子水，所述引发剂为亚硫酸氢钠和过硫酸铵，所述惰性气体为氮气，所述聚合反应在55℃的温度、转速为200rpm的条件下振荡反应24小时而实现。

在本发明的第三方面，提供了一种可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _MDB，其特点是，所述的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _MDB的粘均分子量为1.04×10⁴g/mol，等电点为3.1，由式IV所示化合物、式II所示化合物和式III所示化合物经无规共聚而得到，其中所述式IV所示化合物、式II所示化合物和式III所示化合物的投料摩尔比为19：1：1，

在本发明的第四方面，提供了一种制备上述的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _MDB的方法，其特点是，将所述式IV所示化合物、式II所示化合物和式III所示化合物按投料摩尔比19：1：1加入溶剂中，再加入引发剂，在惰性气体存在下进行聚合反应得到。

在本发明的第五方面，提供了一种偏酸性两水相体系，其特点是，所述偏酸性两水相体系的pH范围为5.0-5.5，并包括根据上述的或上述的方法制备的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _ADB、以及上述的或上述的方法制备的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _MDB。

在本发明的第六方面，提供了上述的偏酸性两水相体系的制备方法，其特点是，将所述pH响应再生型聚合物P _ADB以及所述pH响应再生型聚合物P _MDB成比例溶解于氢氧化钠溶液（例如150mM）中，在室温下静置成相，成相的pH范围为5.0-5.5。

在本发明的第七方面，提供了上述的偏酸性两水相体系在分离生物产品中的应用。

更佳地，所述生物产品是抗生素或糖。分离糖的实例可以是上述的偏酸性两水相体系在可溶性固定化纤维素酶降解纤维素中的应用。抗生素可以是红霉素、螺旋霉素、去甲基金霉素或林可霉素。具体做法是：在上述两水相体系中加入抗生素，混合均匀后静置成相，抗生素将在上相或下相中富集。通过调节上述两水相中聚合物P _ADB和P _MDB的浓度比例，相体系的pH，相体系中盐离子的种类和浓度来调控抗生素在两水相体系中的分配。

在本发明中：丙烯酸、甲基丙烯酸和甲基丙烯酸丁酯均为市售品，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯由N,N-二甲基乙醇胺和甲基丙烯酰氯反应制得。

本发明的有益效果具体为：本发明的设计并合成的两种pH敏感再生型聚合物P _ADB和P _MDB，该两种聚合物混合可以在偏酸性范围形成两水相体系，P _ADB以丙烯酸、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸丁酯为单体，而P _MDB以甲基丙烯酸、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸丁酯为单体，以去离子水为溶剂，亚硫酸氢钠、过硫酸铵为引发剂，采用溶液聚合制备而成，两个聚合物都能够通过调节其溶液的pH值来达到聚合物的回收；聚合物P _ADB的等电点为3.8，回收率达98.0%，而聚合物P _MDB的等电点为3.1，回收率达97.1%。因此，可形成偏酸性两水相体系的两种pH响应再生型聚合物pH可逆溶解，回收率高，从而大大降低工业成本，利于两水相技术的推广，适于大规模推广应用。

具体实施方式

为更好的理解本发明的内容，下面结合具体实施例作进一步说明。其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。

实施例1聚合物P _ADB合成实例

在250ml的具塞三角烧瓶里加入120ml pH为7.0的去离子水，5ml丙烯酸、3.5ml甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、0.5ml甲基丙烯酸丁酯（摩尔比为23:7:1），加入引发剂亚硫酸氢钠、过硫酸铵各0.1235g，摇匀使其溶解。通入氮气10~15min，以保证三角瓶中只有惰性气体。用自封带密封三角烧瓶的口，并放在55℃的水浴摇床中，200rpm转速下振荡24h。反应结束后，将三角瓶底部的白色胶状固体取出，用乙醇、丙酮清洗，放于真空干燥箱干燥。干燥所得的白色固体即为本发明的聚合物P _ADB。

实施例2聚合物P _MDB合成实例

在250ml的具塞三角烧瓶里加入120ml pH为7.0的去离子水，加入5ml甲基丙烯酸、0.53ml甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、0.5ml甲基丙烯酸丁酯（摩尔比为19:1:1），加入引发剂亚硫酸氢钠、过硫酸铵各0.1235g，摇匀使其溶解。通入氮气10~15min，以保证三角瓶中只有惰性气体。用自封带密封三角烧瓶的口，并放在55℃的水浴摇床中，200rpm转速下振荡24h。反应结束后，将三角瓶底部的白色胶状固体取出，用3mol/L的NaOH溶液溶解后经过纱布过滤得到P _MDB滤液，再加入3mol/LHCl溶液至pH3.1,使P _MDB析出，放于真空干燥箱干燥。干燥所得的白色固体即为本发明的聚合物P _MDB。

实施例3聚合物的回收实验实例

首先称量空的离心管套管的重量。在离心管套管中加入1.25%(w/w)的聚合物溶液，滴加0.3mol/L HCl来调节pH，直到有固体析出，溶液变浑浊。继续滴加HCl直到沉淀完全析出，沉降，上清液变澄清。测定此时的溶液pH值，即为等电点。将离心管套管放入高速离心机中离心30min，转数为10000rpm。离心过后将上清液倒掉，放入真空干燥箱中干燥至恒重。干燥结束再次测定离心管套管的重量，与之前的差值就为回收的聚合物的质量。聚合物P _MDB的等电点为3.1，回收率达97.1%，而聚合物P _ADB的等电点为3.8，回收率达98.0%。

实施例4聚合物溶液成相实验实例

1g聚合物溶解在20ml150mM的氢氧化钠溶液中，分别配置出5%的P _MDB溶液和5%的P _ADB溶液。各取1ml上述溶液混合于2ml的刻度离心管中，振荡混匀，在室温下静止5h，即可得两水相体系，且成相的pH范围为5.0-5.5。

实施例5林可霉素在上述两相体系中的分配实验实例

在上述2ml两水相体系中加入6mg林可霉素和一定浓度的盐离子，溶解振荡混匀，静置成相。上下相林可霉素的浓度之比即为林可霉素在pH响应再生型聚合物P _ADB和P _MDB所形成的两相体系中的分配系数。已知在(NH₄)₂SO₄浓度40mM时，分配系数可达到0.12，MnCl₂浓度为50mM时，分配系数达到12.0。

实施例6红霉素在上述两相体系中的分配实验实例

在上述2ml两水相体系中加入10mg红霉素和一定浓度的盐离子，溶解振荡混匀，静置成相。上下相各取200μl溶液，稀释后照公知的方法测定上清液中的红霉素浓度，上下相红霉素的浓度之比即为红霉素在pH响应再生型聚合物P _ADB和P _MDB所形成的两相体系中的分配系数。已知在Mg₄SO₄浓度为10mM时，分配系数达到最大为0.13。

实施例7螺旋霉素在上述两相体系中的分配实验实例

在上述2ml两水相体系中加入10mg螺旋霉素和一定浓度的盐离子，溶解振荡混匀，静置成相。上下相各取200μl溶液，稀释后照公知的方法测定上清液中的螺旋霉素浓度，上下相螺旋霉素的浓度之比即为螺旋霉素在pH响应再生型聚合物P _ADB和P _MDB所形成的两相体系中的分配系数。已知在(NH₄)₂SO₄浓度为50mM时，分配系数达到最大为0.01。

实施例8去甲基金霉素在上述两相体系中的分配实验实例

在上述2ml两水相体系中加入10mg去甲基金霉素和一定浓度的盐离子，溶解振荡混匀，静置成相。上下相各取100μl溶液，稀释后照公知的方法测定上清液中的去甲基金霉素浓度，上下相去甲基金霉素的浓度之比即为去甲基金霉素在pH敏感再生型聚合物P _ADB和P _MDB所形成的两相体系中的分配系数。已知在MgCl₂浓度为110mM时，分配系数达到最小，为0.05。

实施例9可溶性固定化纤维素酶降解纤维素在上述两相体系中的应用实例

实验研究了在pH-pH响应再生型两水相体系中降解纤维素的催化反应，可回收相体系由pH敏感聚合物P _ADB和P _MDB组成，其中，纤维素酶通过EDC固定化在聚合物P _MDB上，通过调节相体系中产物的分配系数，发现在加入40mM(NH₄)₂SO₄时，产物的分配系数可以达到2.45。此时，不溶性底物和固定化酶主要分配在下相，而产物分配主要在上相，纤维素酶在下相催化纤维素反应生成还原糖，之后产物进入上相，从而解决了产物抑制作用。研究发现，初始底物浓度为0.5%(w/v)的条件下，在该pH-pH敏感再生型两水相中降解纤维素，54h后反应达到平衡，此时还原糖的产率能够达到70.57%，与同等条件下单水相中还原糖的产率相比，提高9.3%。

因此，本发明制备的两种pH敏感再生型聚合物P _ADB和P _MDB，该两种聚合物混合可以在偏酸性范围形成两水相体系。P _ADB以丙烯酸、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸丁酯为单体，而P _MDB以甲基丙烯酸、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸丁酯为单体，以去离子水为溶剂，亚硫酸氢钠、过硫酸铵为引发剂，采用溶液聚合制备而成。两个聚合物都能够通过调节其溶液的pH值来达到聚合物的回收；聚合物P _ADB的等电点为3.8，回收率达98.0%，而聚合物P _MDB的等电点为3.1，回收率达97.1%。

在使用两种pH敏感再生型聚合物P _ADB和P _MDB形成两水相体系分离生物产品中，其中红霉素在MgSO₄浓度为10mM时，分配系数达到0.13；螺旋霉素在(NH₄)₂SO₄浓度为50mM时，分配系数达到0.01；去甲基金霉素在MgCl₂浓度为110mM时，分配系数达到0.05；林可霉素在MnCl₂浓度为50mM时，分配系数达到12.0，糖在(NH₄)₂SO₄浓度为40mM时，产物的分配系数可以达到2.45。

综上所述，本发明的可形成偏酸性两水相体系的两种pH响应再生型聚合物pH可逆溶解，回收率高，从而大大降低工业成本，利于两水相技术的推广，适于大规模推广应用。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _ADB，其特征在于，所述的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _ADB的粘均分子量为2.05×10⁵g/mol，等电点为3.8，由式I所示化合物、式II所示化合物和式III所示化合物经无规共聚而得到，其中所述式I所示化合物、所述式II所示化合物和所述式III所示化合物的投料摩尔比为23：7：1，

2.一种制备根据权利要求1所述的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _ADB的方法，其特征在于，将所述式I所示化合物、所述式II所示化合物和所述式III所示化合物按投料摩尔比23：7：1加入溶剂中，再加入引发剂，在惰性气体存在下进行聚合反应得到。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述溶剂为去离子水，所述引发剂为亚硫酸氢钠和过硫酸铵，所述惰性气体为氮气，所述聚合反应在55℃的温度、转速为200rpm的条件下振荡反应24小时而实现。

4.一种可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _MDB，其特征在于，所述的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _MDB的粘均分子量为1.04×10⁴g/mol，等电点为3.1，由式IV所示化合物、式II所示化合物和式III所示化合物经无规共聚而得到，其中所述式IV所示化合物、式II所示化合物和式III所示化合物的投料摩尔比为19：1：1，

5.一种制备根据权利要求4所述的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _MDB的方法，其特征在于，将所述式IV所示化合物、式II所示化合物和式III所示化合物按投料摩尔比19：1：1加入溶剂中，再加入引发剂，在惰性气体存在下进行聚合反应得到。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述溶剂为去离子水，所述引发剂为亚硫酸氢钠和过硫酸铵，所述惰性气体为氮气，所述聚合反应在55℃的温度、转速为200rpm的条件下振荡反应24小时而实现。

7.一种偏酸性两水相体系，其特征在于，所述偏酸性两水相体系的pH范围为5.0-5.5，并包括根据权利要求1所述的或权利要求2～3任一所述的方法制备的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _ADB、以及权利要求4所述的或权利要求5～6任一所述的方法制备的可形成偏酸性两水相体系的pH响应再生型聚合物P _MDB。

8.一种根据权利要求7所述的偏酸性两水相体系的制备方法，其特征在于，将所述pH响应再生型聚合物P _ADB以及所述pH响应再生型聚合物P _MDB成比例溶解于氢氧化钠溶液中，在室温下静置成相，成相的pH范围为5.0-5.5。

9.根据权利要求7所述的偏酸性两水相体系在分离生物产品中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述生物产品是抗生素或糖。