假絲酵母脂肪酶催化合成高分子聚合物及其生物降解性能的研究.pdf

1、利用非水相中脂肪酶催化的酯化反應(yīng)來合成聚合物材料，其典型特征是催化活性高，能夠在溫和條件下加快反應(yīng)速度，對(duì)底物聚合反應(yīng)方式有高度選擇性，轉(zhuǎn)化率高，沒有副產(chǎn)物形成，環(huán)境友好，且無有毒物質(zhì)殘留，特別對(duì)一些功能性聚合物的合成，十分有效。并且，通過生物脂肪酶催化法合成的聚合物材料同樣可以由脂肪酶來生物降解回收，使聚合物材料達(dá)到可循環(huán)利用的目的，以減少環(huán)境污染，保持可持續(xù)發(fā)展。本論文研究了利用假絲酵母脂肪酶Candidasp.99-125催化合成

2、了多種功能性的高分子聚合物材料，以及利用同種脂肪酶來生物降解上述聚合物材料的應(yīng)用。主要工作如下:
　　 1.假絲酵母脂肪酶催化合成熱塑性聚酯
　　 利用以紡織物膜（綿綢）為載體的固定化假絲酵母脂肪酶Candidasp.99-125作為催化劑，以己內(nèi)酯和十五酸內(nèi)酯為反應(yīng)底物，用開環(huán)聚合的反應(yīng)方式，合成了線型脂肪族的聚己內(nèi)酯和聚十五酸內(nèi)酯產(chǎn)品。脂肪酶催化大環(huán)十五酸內(nèi)酯開環(huán)聚合的效果比催化小環(huán)己內(nèi)酯的效果要好。深入研究了有機(jī)相

3、中酶促酯化反應(yīng)的工藝條件，在溫度50℃時(shí)，采用固定化假絲酵母脂肪酶(5×5cm2)催化0.001mol(0.240g)十五酸內(nèi)酯，以甲苯作溶劑，0.5g變色硅膠作吸水劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)2％的正庚醇為引發(fā)劑，反應(yīng)時(shí)間144h后，十五酸內(nèi)酯單體的轉(zhuǎn)化率達(dá)到70％以上，聚十五酸內(nèi)酯的相對(duì)分子量為1500Da左右。
　　 在無溶劑條件下，利用固定化假絲酵母脂肪酶Candidasp.99-125作催化劑，以羥基脂肪酸和多元醇作為初始反應(yīng)底物，成

4、功的合成出了的3種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的星型聚合物，包括了蓖麻油酸的自聚反應(yīng)，三羥甲基丙烷與蓖麻油酸的縮聚反應(yīng)、以及季戊四醇與蓖麻油酸的縮聚反應(yīng)。脂肪酶催化季戊四醇與蓖麻油酸的聚合反應(yīng)效果最差，其相對(duì)分子量基本上在2000Da以下，而三羥甲基丙烷與蓖麻油酸的聚合反應(yīng)效果最好，得到的聚合物的相對(duì)分子量基本在2000Da以上，其最大分子量為5530Da。脂肪酶催化合成的這3種液態(tài)聚合物都具有一定的粘度。
　　 在無溶劑條件下，利用假絲酵母脂

5、肪酶Candidasp.99-125的粗酶粉作為催化劑，以癸二酸二乙酯和1，4-丁二醇為初始反應(yīng)底物，進(jìn)行了轉(zhuǎn)酯化的聚合縮合反應(yīng)，成功的合成出了高分子量的熱塑性聚酯——聚癸二酸丁二醇酯。當(dāng)溫度為70℃，底物單體摩爾比例保持為1∶1，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30％的脂肪酶作催化劑，第一階段常壓反應(yīng)24h，第二階段抽真空(200mbar)反應(yīng)48h之后，可以得到聚癸二酸丁二醇酯的相對(duì)分子量最高為15800Da。β-環(huán)糊精的空腔結(jié)構(gòu)能夠維持直鏈高分子聚合

6、物保持分子鏈伸展的穩(wěn)定狀態(tài)，防止高分子鏈與鏈之間的的纏繞絮凝。在向反應(yīng)體系中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的β-環(huán)糊精之后，對(duì)分子量的提高效果明顯，此時(shí)可以獲得聚癸二酸丁二醇酯產(chǎn)品的最高分子量為25990Da，其分子量分布為2.41。聚癸二酸丁二醇酯的熱穩(wěn)定性很好，不同分子量的聚合物的熱分解區(qū)間在350℃至500℃之間。聚合物結(jié)晶溫度（Tc）集中在37～40℃，熔融溫度(Tm)集中在56～60℃，過冷卻溫度為20℃左右。聚癸二酸丁二醇酯的冷卻結(jié)晶能

7、力非常強(qiáng)，是一種半結(jié)晶塑料，結(jié)晶度都在50％～66％，結(jié)晶形態(tài)為負(fù)球晶，球晶的尺寸大約為100～200μm。聚癸二酸丁二醇酯在玻璃態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能模量（E'）很高，約為109Pa以上，同時(shí)其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為-30℃。將聚癸二酸丁二醇酯作為增塑劑加入到PVC材料中時(shí)，PVC的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度由72.8℃降低將至44℃，其增塑增韌效果明顯，使PVC變得柔軟，改善其加工性能。加入10份的增塑劑時(shí)，PVC材料的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能都有所提高。因此

8、，聚癸二酸丁二醇酯的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能可以滿足作為增塑劑的使用要求。
　　 在無溶劑條件下，利用假絲酵母脂肪酶Candidasp.99-125的粗酶粉作為催化劑，以不同長度碳鏈的脂肪酸二乙酯(C1、C4、C6、C10)和二元脂肪醇(C4、C6、C8)為初始反應(yīng)底物，進(jìn)行了轉(zhuǎn)酯化的聚合縮合反應(yīng)，成功的合成出了一系列高分子量的脂肪族聚酯，包括可以作為光學(xué)部件使用的聚碳酸酯系，可以用作包裝材料的聚丁二酸二元醇酯和聚己二酸二元醇酯系，以

9、及可以用作增塑劑材料的聚癸二酸二元醇酯系的聚合物。聚合溫度設(shè)定為70℃，底物單體摩爾比例保持為1∶1，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30％的脂肪酶作催化劑，加入β-環(huán)糊精保持高分子鏈的伸展構(gòu)象，在第一階段為常壓反應(yīng)24h，第二階段為低真空度(200mbar)下抽真空反應(yīng)24h，第三階段為高真空度(6mbar)下抽真空反應(yīng)120h之后，可以得到聚癸二酸辛二醇酯的相對(duì)分子量最高為44600Da。延長第三階段聚合反應(yīng)的時(shí)間至192h時(shí)，能夠獲得聚癸二酸丁二醇酯

10、的最高相對(duì)分子量為62100Da的聚酯產(chǎn)品。合成的聚丁二酸己二醇酯、聚丁二酸辛二醇酯、聚己二酸己二醇酯、聚己二酸辛二醇酯、聚癸二酸丁二醇酯、聚癸二酸己二醇酯以及聚癸二酸辛二醇酯的耐熱穩(wěn)定性均較高，熱分解區(qū)間都在350℃至450℃之間。熔融溫度Tm集中在50～70℃之間，結(jié)晶溫度Tc在20～60℃的范圍內(nèi)，過冷卻溫度范圍在10～30℃。它們的冷卻結(jié)晶能力非常強(qiáng)，結(jié)晶度為56％～72％，結(jié)晶后形成的是一種負(fù)球晶，并且結(jié)晶速率非?？臁３司奂?/p>

11、二酸己二醇酯之外，其余6種脂肪族聚酯在玻璃態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能模量(E')均達(dá)到了109Pa以上，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)集中在較低的-29～-50℃之間。聚己二酸己二醇酯和聚癸二酸辛二醇酯的損耗角正切(Tanδ)在-90℃左右的范圍出現(xiàn)了β轉(zhuǎn)變的小峰。
　　 2.生物/化學(xué)結(jié)合二步法合成植物油基聚氨酯
　　 研究生物脂肪酶催化法與化學(xué)工藝耦合的二步法來合成植物油基聚氨酯。第一步生物脂肪酶催化法，利用脂肪酶催化油酸轉(zhuǎn)化成聚酯多元醇，

12、先經(jīng)過環(huán)氧化，然后再開環(huán)聚合的方式來合成。以30％的雙氧水7.5mmol作為環(huán)氧化劑，10ml甲苯作溶劑，固定化假絲酵母酶脂肪酶(3cm×3cm)在45℃時(shí)，催化底物0.005mol的油酸進(jìn)行環(huán)氧化反應(yīng)48h，可以生成環(huán)氧油酸的最高含量為61.64％。升溫至70℃時(shí)，當(dāng)環(huán)氧油酸在脂肪酶的催化下發(fā)生開環(huán)聚合48h，得到的聚酯多元醇為具有一定粘度的液態(tài)聚合物，其相對(duì)分子量在2000Da左右。第二步化學(xué)轉(zhuǎn)化法，在170℃時(shí)的氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將這種

13、天然油基的聚酯多元醇與2ml的異氰酸酯進(jìn)一步化學(xué)法聚合4h之后，則可以很容易的獲得植物油基的聚氨酯材料，其相對(duì)分子量為70000～80000Da左右。
　　 3.假絲酵母脂肪酶催化聚合物的生物降解性能
　　 利用假絲酵母脂肪酶Candidasp.99-125的粗酶粉催化聚癸二酸丁二醇酯進(jìn)行生物降解性測試。脂肪酶催化聚癸二酸丁二醇酯降解的速率較快，在經(jīng)過了21天的生物酶促降解反應(yīng)之后，聚酯剩余的相對(duì)分子量呈明顯減小的趨勢(shì)。