1、毕业设计 开题报告 高分子材料与工程 L 型聚乳酸的合成 聚乳酸 (PLA)属于完全生物降解型高分子材料，它具有良好的生物可降解性、机械性能、物理性能以及生物相容性，正受到世人广泛的关注，但它高昂的成本极大地限制着它的应用。聚乳酸的合成主要有两条路线：一条是以乳酸为原料直接聚合法，另一条是由乳酸缩聚生成低分子量聚乳酸，缩聚物解聚得到丙交酯，丙交酯纯化后开环聚合得到聚乳酸。目前为止由于直接缩聚法合成的聚乳酸分子量低，使得聚合物强度低，易分解。一直以来，人们比较关注的还是丙交酯的开环聚合这一路线上。 L 一丙交酯作为乳酸 合成聚乳酸的中间产品，其生产成本和纯度直接影响聚乳酸产品的成本和性能。因此，
2、开发 L 一丙交酯提纯新技术 ,实现丙交酯的规模化生产十分重要。 实验表明，采用熔融分步结晶法可有效的脱除粗丙交酯中的水、乳酸及内消旋丙交酯 (M一丙交酯 )，得到符合要求的 L一丙交酯，利用短程蒸发法可有效脱除结晶母液中的有机物焦油，蒸发过程中的气相冷凝物再用熔融结晶法回收丙交酯，此时得到的结晶母液中富集了大量的乳酸和 M一丙交酯，根据 L一丙交酯和 M一丙交酯水解速度差异，通过水萃去除结晶母液中 M一丙交酯及可溶于水的乳酸。 聚乳酸（ PLA）是一种 以可再生的植物资源为原料经过化学合成制备的典型的可生物讲解高分子材料。聚乳酸也被称为聚丙交酯，是一种热塑性脂肪族聚酯，玻璃化转变温度和熔点分
3、别为 60 C和 175 C，在室温下是一种出于玻璃态的硬质高分子。聚乳酸不仅具有良好的机械强度、化学稳定性，还具有优良的完全生物降解性能、植物来源性、生物相容性、可吸收性以及染色性，已被广泛在服装、纺织、包装、农业、林业、土木建筑、医疗卫生用品、日常生活用品领域。 聚乳酸在高分子科学诞生之际就已出现，但经过了漫长曲折的发展道路。 Pelouze首先发现了乳酸线型二聚体 -乳酸 的形成，它是通过乳酸在高温（ 130 C）下脱水的酯化反应形成的。 1913年法国科学家 Nef首先用乳酸直接聚合合成了低分子量的粘稠体和质脆的玻璃体。1932年 Carothers等人证实可以用丙交酯开环聚合的方法得
4、到分子量仅仅只有几千的聚乳酸。1954年 Lowe又将其进一步完善。由于 PLA在潮湿的环境中会缓慢水解，不像其它聚酯纤维耐久性强， PLA未能进入实用领域。然而，当年 Carothers所认为的“易水解”缺点，正是目前科学家们普遍认为的可降解聚酯的优点，即存在酯兼得脂肪族高分子材料最易于生物降解。 1962年 美国的 Cyanamid公司发现用 PLA做成可吸收的手术缝合线，克服了以往用多肽制备的缝合线所具有的过敏性，且具有良好的生物相容性和可生物降解性。 1966年， Kulkarni等人发现高分子量的 PLA在人体内也是可降解的，从此 PLA作为短期组织替换材料和药物释放机制得到了广泛深
5、入的研究。最具有实用价值的 PLA纤维是 1970年左右美国 Ethicon公司制备的能够背人体吸收的手术缝合线， De Santis等分析了等规的 PLLA和它们的共聚物在医药学上的应用。而且人们发现 PLA也具有通用塑料的性能。因此， PLA分子量 的提高，促进了PLA应用领域的迅速扩大。 1987年 Leenslag等研究出高分子量的 PLA，其机械强度有了很大改善， PLA作为骨折内固定材料的研究开始显示出广阔的前景。 20世纪 90年代 PLA研究开发形成高潮。但是，利用丙交酯的开环聚合合成 PLA，由于聚合单体丙交酯成产和纯化的步骤冗长，成本高，限制了 PLA的商品化生产，使 PL
6、A得实际使用仅限于生物医学领域，而无法满足当今世界对此完全降解材料的需求。 合成高分子量的聚乳酸，需要化学纯度和光学纯度均很高的 L一丙交酯，国内外许多学者对丙交酯的合成与精制开展了大量 的研究工作。粗丙交酯中主要杂质有 M一丙交酯、乳酸、乳酸二聚体、乳酸三聚体以及水，其中乳酸及其二聚体和三聚体等为酸性，它们的存在会使聚乳酸分子链因酸解而遭到破坏，微量水也会使形成的丙交酯水解，严重影响聚乳酸分子量，M一丙交酯的存在大大降低聚乳酸的力学性能，因此，首先需要对粗丙交酯进行提纯。而长期以来，丙交酯的生产成本一直是制约聚乳酸大规模生产及推广应用的最重要因素之一。 通过文献可知各种最新的工艺，比如以合成
7、制备的粗丙交酯为原料，分别采用了熔融结晶法及水萃法对丙交酯提纯进行了实验研究。详细研究了熔融结晶过程中 结晶时间、结晶温差、发汗时间对产品浓度、结晶率、母液浓度、产品组分收率以及提纯能力的影响；水萃过程中研究了水萃时间、水萃温度、原料中乳酸含量对产品浓度、产品组分收率的影响。在上述研究基础上提出了可工业化的 L一丙交酯绿色提纯新工艺路线。 实验表明，采用熔融分步结晶法可有效的脱除粗丙交酯中的水、乳酸及内消旋丙交酯 (M一丙交酯 )，得到符合要求的 L一丙交酯，利用短程蒸发法可有效脱除结晶母液中的有机物焦油，蒸发过程中的气相冷凝物再用熔融结晶法回收丙交酯，此时得到的结晶母液中富集了大量的乳酸和
8、M一丙交酯，根据 L一丙交酯 和 M一丙交酯水解速度差异，通过水萃去除结晶母液中 M一丙交酯及可溶于水的乳酸。工艺过程产生的废渣和含乳酸的废水可送到残渣回收单元，最大限度的进行有效组分的回收，同时整个提纯过程没有使用任何有机溶剂，是名副其实的绿色工艺。 近年来 ,国际上许多研究表明 ,聚乳酸在空气、水和普通细菌存在不可完全分解为水和二氧化碳 ,形成良好的生态循环。聚乳酸具有良好的初期机械性能 ,熔点约 170 ,其膜材对氧、水汽具有良好的透过性 ,同时又具有较好的透明性 ,加之还具有较好的抗菌、防霉性能 ,使用寿命可达 23 年 ,因此 ,是一种良好的绿色材料。 聚乳酸除在医药行业中使用外 ,
9、聚乳酸或与其它材料共聚形成的生物降解塑料可用于生产缓释农药 ,延长农药的使用时间 ;用聚乳酸和淀粉制造的生物地膜 ,经微生物分解后可被土壤吸收 ,因而可以取代塑料薄膜用于农业生产 ,以减少白色污染。另外 ,乳酸聚合物可用于生产透明的、可生物降解的热塑性塑料 ,通过调整其组成及分子量来控制其货架寿命 ,在塑料食品器具、医用服装、个人卫生用品、婴儿尿布、垃圾袋及各种包装行业中都具有重要的应用。 在美国和日本 ,聚乳酸已用于纸涂层、透明塑料容器、发泡容器、薄膜、餐馆容器、儿童玩具等。世界许多著名的生物技 术公司、化工公司、农业公司已把聚乳酸作为一个环境友好且具有广泛应用前景的全新聚合物平台而加以大力
10、开发。例如 ,美国卡吉尔公司 (Cargill)与道公司 (Dow)共同投资生产聚乳酸以替代石油作为生产聚苯乙烯的原料。正是由于聚乳酸良好的应用前景 ,世界上乳酸需求量增加的非常快 ,年增长率高达 15%,到 1994 年已突破 12 万吨。主要的生产厂商有美国的 STERLING 化学公司、 ADM 公司和 CARGILL 公司、荷兰CCA 生化公司及其在巴西和西班牙的分厂以及日本的武藏野化学研究所等。乳酸的发展潜力巨大 ,被称为化工产品中沉睡的 巨人。 以辛酸亚锡为催化剂，分别以二甘醇、聚乙二醇、甲基丙烯酸羟乙酯为共引发剂 (coinitiator)引发 L 一丙交酯开环聚合，分别得到含羟
11、基和含双键的线形聚 L乳酸或嵌段共聚物。通过和甲基丙烯酰氯反应，在上述线形聚 L乳酸或嵌段共聚物链的末端引入双键，得到了链末端含双键的大分子单体。通过和丁二酸酐反应，得到末端为羧基的大分子单体。同样以辛酸亚锡为催化剂，分别以甘油、三甲醇丙烷、季戊四醇、甘露醇和山梨醇等多羟基化合物引发 L丙交酯开环聚合，得到星形的聚 L 一乳酸。实验证实，通过调节多羟基化合物和 L丙交酯的 配比，可以控制星形聚 L乳酸的分子量。发现反应时间对星形聚 L 一乳酸的分子量有一定的影响。随着聚合反应时间的增加，产物的分子量先是增加，后来趋于不变。过长的反应时间，会导致分子量下降。通过与甲基丙烯酰氯反应，在星形聚 L
12、哥 L 酸中也引入反应性双键。聚 L 一乳酸大分子单体结构中双键的存在经红外光谱图和高锰酸钾试验证 实。并进一步用碘值方法测定了双键含量。对聚 L 一乳酸太分子单体的热学性能 进行了初步的测定，发现以多羟基化合物为起始化合物的星形聚 L乳酸，其 k 接近于普通线形聚 L一乳酸，但随着星臂数的增多，在分子量相近的条件下 ，结 晶性和熔点降低。两端双键的PLLA-PEG PLLA 嵌段共聚物，由于分子链中引 入柔性 PEO，其 L 和 T。明显降低。 对部分聚 L-乳酸大分子单体进行交联反应，包括与甲苯一 2， 4二异氰酸酯交联固化、通过加入酰化剂 DMAP 进行交联固化和通过过氧化二苯甲酰 (B
13、PO)引发的交联固化。固化产物均不溶不熔。并且发现端基数对交联产物的性质有影响。溶解实验、凝胶含量测定表明，端基数目较多的大分子单体的交联产物有较高的凝胶含量，交联密度较大。热重分析、降解试验和拉伸试验表明，交联产物的耐热性和拉伸强度提高，降解速率减慢，其 变化趋势和交联样品的凝胶含量有关。 化学合成法的缺点是产品为外消旋乳酸即 DL-乳酸 ,另外 ,由于合成法所用的原料是乙醛和剧毒物氢氰酸 ,尽管美国食品和药物管理局 (FDA)已将合成乳酸列为安全品 ,但许多人还是对合成法生产的乳酸的安全性表示担心 4,因而合成法生产乳酸大大受到限制 ,此外其生产成本也较高。酶法生产乳酸虽可以专一性地得到旋
14、光乳酸 ,但工艺比较复杂 ,应用到工业上还有待于进一步研究。 微生物发酵法生产乳酸 ,可通过菌种和培养条件的选择而获得具有立体专一性的 D-乳酸或 L-乳酸或是两种异构体以一定比例混合的消旋体 ,以满足生产聚乳酸的需要。另外发酵法生产乳酸除能以葡萄糖、乳糖等单糖为原料外 ,还能以淀粉、纤维素为原料发酵生产乳酸 ,利用这些可再生资源生产不会导致大气中的二氧化碳的净增加 ,也就不会引起温室效应。因此 ,微生物发酵法生产乳酸因其原料来源广泛 ,生产成本低、产品光学纯度高、安全性高等优点而成为生产乳酸的重要方法。 乳酸发酵过程中由于不断生成乳酸而使发酵液 pH 逐渐降低 ,导致对菌体生长和乳酸合成产生
15、抑制作用 ,为此 ,必须采取添加碳酸钙的办法中和乳酸 ,这不仅增加了乳酸分离提取的难度 ,而且影响产品质量 ,并造成严重的污染。为了 提高乳酸生产率 ,改进分离过程 ,近年来围绕乳酸生产各个单元过程开展了许多研究 ,其中细胞的固定化技术就是其中的一个主要研究内容。与传统发酵相比 ,利用固定化微生物技术具有细胞负荷高、高效、生物催化剂可反复使用、高产量和转化率 ,易于实现催化剂与产物分离 ,从而实现工艺过程的自动化、连续化、降低生产成本等优点。细胞固定化技术由于可以提供高细胞浓度从而可以提高生产率。在固定化细胞颗粒或生物颗粒中 ,细胞被限制或固定在特定的载体中而保留了高的生物活性。连续操作中由于
16、不同清洗细胞而使细胞固定化会更为有效。在各种固定化技术中 ,天 然高分子和合成高分子的包埋法是研究最为活跃的微生物细胞固定化方法。 1985 年河合启 申请了固定化米根霉生产 L(+) 乳酸的专利 34,他先将根霉孢子在 15%的萄葡糖培养基中振荡培养 6天 ,然后收集菌体固定在聚丙烯酰胺上 ,加入 5%葡萄糖及一定浓度的无机盐 ,其最高产酸为16g/L。 1989 年 HangY.D.将根霉孢子悬浮液与 3%海藻酸钠混匀 ,然后滴入 3%的 CaCl2 的液体 ,制成海藻酸钠凝胶球 ,此固定化根霉分批发酵 9批 ,菌体活性基本不变 ,产乳酸最高为 65g/L,占所消耗糖的 72%。 1992
17、 年 Tamada 等将米根霉 细胞固定化到聚二甲基丙烯酸乙二醇为单体用射线诱导得到的高分子载体上 ,固定化后的乳酸产率大于 65%,固定化细胞得到的比产酸速率比游离菌高 1.8 倍。 Horitsu 等研究了固定化米根霉连续培养中不同浓度的各种离子对乳酸生产的影响。 Hang 等研究了反复间接发酵生产乳酸过程中固定化酶的稳定性。 以上各种成果及研究方法与本实验相似度极高，其中所应用的方法皆有互通之处，本实验将采用 L 乳酸 +已醇酸交酯共聚得到 L 型聚乳酸。其中进行多次实验，通过不同的溶液比例来获得 L 型聚乳酸并对其进行研究，其中将遇到各种问题可结合以上合成工 艺解决遇到的各种问题。 首
18、先配置好各种溶液的浓度， 2 天可完成一个浓度比例的实验，连续 6 天，完成 3 次浓度比例实验，最后进行对照，并结合实验完成论文。 参考文献 1. Kathleen Dillen, Jo Vandervoort, Guy Van den Mooter, Loes Verheyden, Annick Ludwig Factorial design, physicochemical characterisation and activity of ciprofloxacin-PLGA nanoparticles. International Journal of PharmaceuticsJ.
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