聚天冬氨酸生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

吳 飛

（銅陵化工集團(tuán)有機(jī)化工有限責(zé)任公司，安徽 銅陵 244003）

聚天冬氨酸（Polyaspartic acid，PASP）屬于聚氨基酸中的一類(lèi)。聚天冬氨酸因其結(jié)構(gòu)主鏈上的肽鍵易受微生物、真菌等作用而斷裂，最終降解產(chǎn)物是對(duì)環(huán)境無(wú)害的氨、二氧化碳和水。因此，聚天冬氨酸是生物降解性好的環(huán)境友好型化學(xué)品。在工業(yè)高度發(fā)達(dá)的今天，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視，聚天冬氨酸的合成與應(yīng)用備受世界各國(guó)的關(guān)注。

聚天冬氨酸可以改變鈣鹽的晶體結(jié)構(gòu)，是一種優(yōu)良的阻垢分散劑，可用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、鍋爐及油氣田水處理[1~2]；聚天冬氨酸具有良好的降粘作用[3]和緩蝕作用[4~5]；還可作為肥料增效劑，能促進(jìn)植物生長(zhǎng)[6]；它還具有優(yōu)良的保濕性能，可用于日用化妝品和保健用品的制造[7]；聚天冬氨酸可用于制備高吸水樹(shù)脂[8]；另外，由聚天冬氨酸制備的給藥載體材料已被廣泛地應(yīng)用于計(jì)劃生育、抗腫瘤等藥物上[9]。因此，聚天冬氨酸用途廣泛，市場(chǎng)容量很大，它的生產(chǎn)和使用必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 生產(chǎn)方法

聚天冬氨酸的合成路徑主要分為3個(gè)步驟：（1）由原料合成中間體聚琥珀亞酰胺（polysuccinimide，PSI）；（2）PSI水解制取聚天冬氨酸鹽；（3）聚天冬氨酸鹽的分離與純化。其中，中間體聚琥珀酰亞胺的合成是最關(guān)鍵的步驟。根據(jù)所用原料的不同PSI的合成方法可分為2大類(lèi)，一是以L- 天冬氨酸為原料直接進(jìn)行熱縮聚合；二是以馬來(lái)酸（酐）或富馬酸為原料，與氨氣、氨水、銨鹽或有機(jī)胺類(lèi)化合物反應(yīng)生成馬來(lái)酰亞胺，再進(jìn)行聚合。

1.1 以L- 天冬氨酸為原料

以L- 天冬氨酸為原料在有催化劑或無(wú)催化劑的條件下生產(chǎn)PASP，有固相縮聚（無(wú)溶劑）和液相縮聚（有溶劑）2種生產(chǎn)工藝，其合成路線如圖1所示。

圖1 以天冬氨酸為原料合成聚天冬氨酸路線

1.1.1 L- 天冬氨酸固相縮聚法

以L- 天冬氨酸為原料，在有或沒(méi)有催化劑的條件下進(jìn)行熱縮聚?？刹捎寐輻U式壓出機(jī)、捏合機(jī)、反應(yīng)釜、聚四氟乙烯盤(pán)等反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為150~350℃，最佳反應(yīng)溫度為220~280℃。當(dāng)PSI聚合過(guò)程中產(chǎn)生的水量全部移走時(shí)冷卻反應(yīng)混合物，再將催化劑水洗除去即可。

催化劑的加入，可降低反應(yīng)所需的溫度和反應(yīng)時(shí)間，節(jié)約能量?？蛇x的催化劑有磷酸、硫酸氫鈉、有機(jī)膦酸、磷酸二氫鈉、硫酸、對(duì)甲基苯磺酸、焦硫酸鹽、硼酸、鹽酸等?？傮w催化效果磷酸最好，硫酸氫鈉次之。

1.1.2 L- 天冬氨酸液相縮聚法

將L- 天冬氨酸與有機(jī)溶劑混合，加熱到140~260℃，反應(yīng)時(shí)間為1~5h。反應(yīng)過(guò)程中需不斷攪拌以防止固體凝固，同時(shí)不溶于有機(jī)溶劑的水可通過(guò)蒸餾移出。制得的固體產(chǎn)物通過(guò)傳統(tǒng)的過(guò)濾方法可從反應(yīng)溶劑中分離出來(lái)。

溶劑的加入顯著改善了反應(yīng)體系的傳熱、傳質(zhì)環(huán)境，降低了反應(yīng)所需溫度，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量。溶劑可選擇7~14個(gè)碳原子的高沸點(diǎn)烷醇，如庚醇、辛醇、異癸醇、正癸醇、十三烷醇、十四烷醇以及它們的混合物等。由于異癸醇的沸騰范圍和易分離性，可作為首選的溶劑。也可以從含有10~20個(gè)碳原子的高沸點(diǎn)烷烴中選取，如癸烷、十二烷、十三烷、十四烷、十五烷等。此外，苯、環(huán)丁砜及其混合物也可作為該過(guò)程的溶劑。由于過(guò)程中無(wú)溶劑損耗，因此溶劑可循環(huán)使用。

1.2 馬來(lái)酸酐法

以馬來(lái)酸酐為原料生產(chǎn)PASP，其合成路線與天冬氨酸法相比多了一步中間產(chǎn)物馬來(lái)酸/富馬酸銨鹽、馬來(lái)酰亞胺的生成，其合成路線[10]如圖2所示。

圖2 以馬來(lái)酸酐為原料合成聚天冬氨酸路線

1.2.1 以馬來(lái)酸酐、氨水為原料的固相縮聚法

馬來(lái)酸酐在50~55℃下加水溶解，當(dāng)溫度升至75℃左右時(shí)，緩慢滴加氨水溶液，直至n(氨)∶n(馬來(lái)酸酐)=1~1.5；將生成的馬來(lái)酸銨鹽抽真空干燥，得到馬來(lái)酸銨鹽晶體，再維持體系溫度110~120℃持續(xù)1h以徹底除去晶體中的水分；之后在真空狀況下升溫至162~193℃反應(yīng)4h，得到中間產(chǎn)物PSI；將PSI加堿水解，即可得到重均分子量約1000~4000的產(chǎn)物PASP。

該工藝開(kāi)辟了以馬來(lái)酸酐為原料制備PASP的新路線，顯著降低了原料成本，具有重大意義，但其缺點(diǎn)也較明顯。首先，氨水滴加過(guò)程中，氨的揮發(fā)損失比較多，造成了原料的浪費(fèi)和環(huán)境污染；其次，聚合前的除水過(guò)程需要消耗大量能量，生產(chǎn)成本增加；最重要的是該生產(chǎn)過(guò)程需要經(jīng)過(guò)熔融相，工業(yè)生產(chǎn)不易控制，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)副產(chǎn)水不易脫除等問(wèn)題。

1.2.2 以馬來(lái)酸酐、氨基化合物為原料的固相縮聚法

馬來(lái)酸/富馬酸與無(wú)機(jī)銨鹽在雙螺桿擠出機(jī)中混合2~20min，再升溫至160~220℃進(jìn)行熔融化反應(yīng)，生成PSI；將PSI在50~70℃堿性條件下水解轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的鹽；噴霧干燥獲得PASP細(xì)粉。其中氨基化合物可以是尿素、氨基甲酸、脲基銨鹽、碳酸銨、硫酸銨等。氨基化合物的種類(lèi)和用量對(duì)PASP重均分子量影響較大，一般選擇碳酸銨，比例控制在1∶1.2左右。

該過(guò)程避開(kāi)了馬來(lái)酸/富馬酸銨鹽生成過(guò)程中水的參與，節(jié)約了過(guò)程能耗；同時(shí)由于在一定溫度下銨鹽熱分解釋放出的氨很容易被馬來(lái)酸吸收，也可提高氨的利用效率。但該過(guò)程仍無(wú)法解決反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)高粘階段，易產(chǎn)生泡沫等問(wèn)題。

1.2.3 以馬來(lái)酸酐、氨水為原料的液相縮聚法

馬來(lái)酸（酐）或富馬酸與氨溶解于溶劑中，在130~300℃溫度下，攪拌反應(yīng)5~300min，可制得PSI。有2種方法可得到PASP：一是蒸發(fā)溶劑，再進(jìn)行NaOH水解得到聚天冬氨酸鈉鹽；二是將反應(yīng)混合物用水稀釋?zhuān)瑸V出PSI，再進(jìn)行NaOH水解得到聚天冬氨酸鈉鹽。為了確保反應(yīng)在液體環(huán)境或低粘度條件下進(jìn)行，最佳選擇為n（溶劑）：n（馬來(lái)酸酐）=1.3~2.2，反應(yīng)壓力為 0.5~4MPa。

其中，溶劑可選擇水、含醇基的有機(jī)溶劑或極性非質(zhì)子有機(jī)溶劑。優(yōu)選醇類(lèi)溶劑有單官能團(tuán)的伯醇、仲醇、叔醇，如甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、異丙醇、異丁醇等。優(yōu)選極性非質(zhì)子溶劑有N- 甲基甲酰胺、N,N- 二甲基甲酰胺、N,N- 二甲基乙酰胺、二甲亞砜等。

1.3 分析比較

從反應(yīng)介質(zhì)方面比較，固相聚合設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，但體系傳熱效率低，過(guò)程控制較為困難，反應(yīng)過(guò)程中生產(chǎn)的水在高粘度環(huán)境中不易逸出，導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)程中不可避免地有泡沫產(chǎn)生，并且最終產(chǎn)物分子量不高。液相聚合可有效改善反應(yīng)體系的傳熱效率，降低反應(yīng)溫度和時(shí)間，節(jié)約能耗，但同時(shí)也存在聚合溶解性弱，化學(xué)和熱穩(wěn)定性差、聚合方法不可控等問(wèn)題。

從原料方面比較，以馬來(lái)酸(酐)為原料制取的聚天冬氨酸，相對(duì)分子質(zhì)量較小，一般在800~15000，而且產(chǎn)率偏低，溫度高時(shí)容易導(dǎo)致產(chǎn)品顏色變深，產(chǎn)品的阻垢能力和分散能力較強(qiáng)，但在高分子吸水材料及化妝品等方面效果欠佳，該路線合成的產(chǎn)物主要用于植物生長(zhǎng)促進(jìn)劑、分散劑和水處理劑等方面。以L- 天冬氨酸作原料制取的聚天門(mén)冬氨酸，其相對(duì)分子質(zhì)量較大，從800~500000，用途十分廣泛，是日用化學(xué)品中理想的中間原料。對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量相近的產(chǎn)品，以L- 天冬氨酸為原料制取的聚天冬氨酸的生物降解性較好。

總之，不同的合成路線決定著聚天冬氨酸的分子量和分子結(jié)構(gòu)，從而決定產(chǎn)品的性質(zhì)和使用性能。最終使用何種路線，需考慮原料優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)品定位、市場(chǎng)前景等各方面綜合因素而決定，如對(duì)于高分子吸水材料、日用化學(xué)品及其他一些特殊用途的產(chǎn)品而言，以L- 天冬氨酸為原料的工藝路線較具優(yōu)勢(shì)。

2 技術(shù)進(jìn)展

1961年，Kovacs等[11]首次報(bào)道了真空條件下加熱L- 天冬氨酸到200℃反應(yīng)120h或加熱萘反應(yīng)100h制備PSI的反應(yīng)過(guò)程。

1973年，Neri等[12]報(bào)道了使用大量85%磷酸作為催化劑和溶劑，減壓下進(jìn)行L- 天冬氨酸的熱縮聚得到高分子量（大約20000~30000）PSI的方法。這種合成方法的缺點(diǎn)是從反應(yīng)混合物中分離出PSI有點(diǎn)困難，因?yàn)闅埓娴牧姿岷茈y除去。

1978年，Etsuo Kokufuta等[13]對(duì)Kovacs報(bào)道的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)描述，并提出該過(guò)程的最佳反應(yīng)溫度為163~218℃，最高轉(zhuǎn)化率為68%，聚合物的分子量隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。

20世紀(jì)80年代，Wheeler教授與Larry等人開(kāi)始著手研究聚天冬氨酸工業(yè)化制造技術(shù)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，其研制與應(yīng)用開(kāi)發(fā)變得十分熱門(mén)。美國(guó)Donlar公司以Larry P.Koskan[14~17]為首的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)以天冬氨酸為原料制備PASP的過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致、全面的研究，發(fā)表了一系列專(zhuān)利詳細(xì)闡述了在該領(lǐng)域的研究成果。于1996年建成了一套1.8萬(wàn)t·a-1的生產(chǎn)裝置，率先實(shí)現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。該公司榮獲當(dāng)年美國(guó)“綠色化學(xué)品總統(tǒng)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”。

1994年，Bayer公司 Gunther Boehmke等[18]用馬來(lái)酸酐和氨水在有增溶劑的條件下在130~135℃下反應(yīng)4h得到分子量在2000~4000的PASP。增溶劑的目的是增強(qiáng)馬來(lái)酸銨鹽在熔融態(tài)聚合物中的溶解度，其本身并不是溶劑。該方法是固相聚合向液相聚合思路轉(zhuǎn)變的過(guò)渡路線，具有重要意義。

1997年，Tomida等[19~21]考察了各種有機(jī)溶劑和酸催化劑對(duì)天冬氨酸的熱縮聚的影響，發(fā)現(xiàn)使用1,3,5- 三甲基苯和環(huán)丁砜作為混合溶劑，少量的磷酸作為催化劑，得到比較滿意的結(jié)果，轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%以上，產(chǎn)物分子量大約60000~70000。

1998年，Matthias等[22]報(bào)道了采用鹽酸作催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，采用鹽酸作為催化劑同樣可以大大縮短反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)還可避免磷酸的后續(xù)分離。但該專(zhuān)利中未見(jiàn)具體的反應(yīng)器設(shè)計(jì)與后續(xù)報(bào)道，可能由于鹽酸具有較強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)設(shè)備的要求較高。

2000年，Nakato等[23]在雙螺桿擠出機(jī)上，以磷酸為催化劑進(jìn)行天冬氨酸本體熱縮聚制備PSI的工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的嘗試，轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%。

2003年，黃君禮等[24]以馬來(lái)酐或富馬酸為主要原料，加入氨水或尿素或銨鹽溶液，以（915±50）MHz或（2450±50）MHz的微波頻率輻射，合成聚琥珀酰亞胺，再進(jìn)一步水解可生成分子量分布為500~50000的聚天冬氨酸。該方法采用微波輻射加熱，與傳統(tǒng)的加熱技術(shù)相比合成速率較快，產(chǎn)率高，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，能耗低。

2007年，韓國(guó)愛(ài)敬日化集團(tuán)[25~26]討論了以馬來(lái)酸酐為原料的液相聚合制備PASP方法中溶劑類(lèi)型對(duì)反應(yīng)操作的影響。該研究發(fā)現(xiàn)，聚合過(guò)程中泡沫產(chǎn)生的程度取決于溶劑的性質(zhì)。采用不含活性氫的極性溶劑，可有效避免泡沫的形成，但會(huì)加劇產(chǎn)物的熱降解，產(chǎn)物質(zhì)量低、顏色差；采用弱極性或非極性溶劑，可抑制但不能避免泡沫的形成。

2010年，曲濱鴻[27]嘗試了在離子液體體系中合成聚天冬氨酸，選用了3種離子液體AlCl3-NaCl-KCl、[Bmim]BF4、AlCl3-Et3NHCl作為反應(yīng)介質(zhì)，結(jié)果顯示三者中AlCl3-Et3NHCl效果最佳，產(chǎn)品產(chǎn)率可達(dá)35.5%。引入離子液體代替有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，為聚天冬氨酸反應(yīng)溶劑的選擇提供了一種新的思路。

2011年，楊士林等[28]以咪唑類(lèi)離子液體作為反應(yīng)介質(zhì)和L- 天冬氨酸混合，加溫至145~158℃并保持0.5~6h得到聚琥珀酰亞胺與離子液體的混合液體；將混合液體冷卻后加入去離子水使聚琥珀酰亞胺析出，聚琥珀酰亞胺洗滌后，用氫氧化鈉水溶液溶解，再用鹽酸調(diào)節(jié)pH值至3.0~3.5，用乙醇沉析，得到聚天冬氨酸沉淀，再經(jīng)過(guò)濾干燥后得到聚天冬氨酸，產(chǎn)率50%~70%。

總結(jié)聚天冬氨酸生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展歷程，是以提高轉(zhuǎn)化率、降低反應(yīng)難度和減少能耗為目標(biāo)，其研究思路主要圍繞催化劑和溶劑的從無(wú)到有，以及對(duì)兩者的篩選和合理搭配。從目前的情況看，磷酸作為催化劑效果較佳且比較常見(jiàn)，適合于各種溶劑。溶劑的選擇方面，先后對(duì)有機(jī)弱極性或非極性溶劑、有機(jī)極性溶劑、離子液體溶劑都有不同程度的研究。目前，以天冬氨酸為原料時(shí)，選擇碳酸異丙烯酯、異癸醇或環(huán)丁砜為溶劑最佳，以馬來(lái)酸（酐）為原料時(shí)，常用的溶劑有二甲基甲酰胺、二甲基亞砜等。

3 反應(yīng)過(guò)程中的影響因素

3.1 反應(yīng)溫度

反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率影響較大，在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中起決定性作用。例如，天冬氨酸在204℃時(shí)反應(yīng)5d，轉(zhuǎn)化率只有60%，而在241℃時(shí)反應(yīng)2h，轉(zhuǎn)化率可達(dá)到97%；馬來(lái)酐與銨類(lèi)物質(zhì)在150℃以下僅發(fā)生氨轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成馬來(lái)酸鹽和天冬氨酸及其鹽的混合物，只有提高到150℃以上才會(huì)發(fā)生縮聚反應(yīng)轉(zhuǎn)化為聚琥珀酰亞胺?？梢?jiàn)反應(yīng)溫度不僅影響轉(zhuǎn)化率，而且決定著聚合反應(yīng)是否發(fā)生，提高溫度能夠使聚合反應(yīng)發(fā)生并且加快反應(yīng)速度。

3.2 催化劑

在聚天冬氨酸合成過(guò)程中，催化劑可以降低反應(yīng)活化能加快反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時(shí)間。德國(guó)BASF公司制取聚天冬氨酸時(shí)，在160~200℃及無(wú)催化劑條件下反應(yīng)，產(chǎn)物完全轉(zhuǎn)化所需的時(shí)間為50 h；而在相同溫度下有催化劑存在時(shí)，獲得相同轉(zhuǎn)化率的時(shí)間僅為5 min~5 h，反應(yīng)時(shí)間縮短了10倍以上。催化劑還能提高聚合物的摩爾質(zhì)量，使用催化劑以后聚合物摩爾質(zhì)量提高了3倍。使用催化劑可使反應(yīng)在較低的溫度下進(jìn)行，改善產(chǎn)品的顏色，同時(shí)催化劑的存在還可明顯改善聚天冬氨酸產(chǎn)品的生物降解性。

3.3 反應(yīng)介質(zhì)

反應(yīng)介質(zhì)即溶劑，根據(jù)是否加入反應(yīng)介質(zhì)，聚合工藝可分為液相聚合和固相聚合，前文已有闡述和比較。如果在固相中反應(yīng)，反應(yīng)很容易進(jìn)行，但反應(yīng)不均勻；如果在溶劑中反應(yīng)，可以降低反應(yīng)物粘度，提高傳質(zhì)和傳熱速度，使反應(yīng)均勻徹底，加快反應(yīng)速度，提高產(chǎn)率。例如，天冬氨酸在加熱到188℃時(shí)開(kāi)始聚合反應(yīng)，加熱5h，產(chǎn)率只有27%，而在碳酸丙烯酯介質(zhì)中，聚合溫度下降到165℃，且只需反應(yīng)2h，產(chǎn)率達(dá)90%以上。使用溶劑還可以明顯改善產(chǎn)品的顏色，但使用溶劑將增大產(chǎn)品分離和純化難度，提高生產(chǎn)成本。

3.4 外部環(huán)境

影響聚天冬氨酸生產(chǎn)的外部環(huán)境主要有惰性氣體保護(hù)和反應(yīng)壓力兩方面因素。在聚天冬氨酸的合成過(guò)程中，合成反應(yīng)既可以在空氣條件下進(jìn)行，也可以在惰性氣體環(huán)境中完成。惰性氣體的通入，可降低系統(tǒng)分壓，防止反應(yīng)物質(zhì)在高溫下氧化及結(jié)焦，同時(shí)對(duì)反應(yīng)物及反應(yīng)產(chǎn)物起到保護(hù)作用，降低產(chǎn)品色度，改善產(chǎn)品顏色。聚琥珀酰亞胺聚合過(guò)程中發(fā)生脫水反應(yīng)，通入惰性氣體降低環(huán)境水蒸汽分壓，加速脫水進(jìn)程，能使產(chǎn)物平均摩爾質(zhì)量提高4.5%。常用的惰性氣體有氮?dú)?、二氧化碳等。與常壓情況相比，真空或負(fù)壓條件下更有利于水分的去除，產(chǎn)物平均摩爾質(zhì)量能提高2.5倍，產(chǎn)品顏色變?yōu)闇\黃甚至白色。

4 結(jié)語(yǔ)

聚天冬氨酸是近幾十年發(fā)展起來(lái)的新型綠色高分子化學(xué)品，由于其具有諸多優(yōu)良性質(zhì)，因而具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。進(jìn)行聚天冬氨酸產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)必將獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的社會(huì)效益。

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