用于生产塑料的预聚物的酶催化生产方法与流程

本发明涉及基于单体化合物或寡聚体化合物的酶催化聚合作用的酶催化制备用于生产塑料的预聚物的方法，还涉及可从中获得的预聚物及其用于生产塑料和可从中获得的塑料制品的应用。具体地，本发明涉及酶催化生产用于生产聚酰胺塑料的带有聚酰胺键合结构的预聚物的方法。

背景技术：

塑料和塑料制品的目前的主要工业生产方法几乎无例外地基于传统的石油化工工艺，其中，使用矿物燃料在大型集成生产设备中产生大量的化学中间体，这些化学中间体被加工成单体、聚合物粗品、聚合物精制品和塑料加工的相应前体，例如颗粒、膜和半成品，它们可在塑料工业中最终被模塑成制成品或元件。

特别是由于资源的日益短缺和对越来越多地考虑环境和气候保护的日益增大的相关挑战，同样在消费品的工业生产领域，特别是在塑料工业中，存在着渐增的关注和需求来开发和建立具有改善的可持续性的新的生产途径。尤其是由于资源的日益短缺，存在相当多的关注来开发可替代方法，使得可能减少或甚至完全避免使用矿物燃料。这类新的软化学要求能够使用来自水溶液的前体，而不需要对目标物质的纯度有高的要求。

出于前述原因，对可替代方法的关注和需求增加，其中，在这些大规模的化学工艺中，石油化工原材料的使用可以减少，或者石油化工原材料可以被更具可持续性的原材料替代，因此为资源的日渐短缺提供可替代的资源和高能效的生产工艺，并因此从长远上能够确保对工业生产路线的保护。

由此，就生态观念而言得到改进的工艺管理，以及提供生产可持续性塑料的新方法，尤其是生产基于可再生原材料的生物塑料，构成了重要的研究课题。

现有技术说明

理论上，用于生产用于塑料工业的聚合物的聚合方法、例如缩聚是已知的，且在通常在大型工业中应用的化学聚合的传统石油化工方法中，在有机溶剂或熔融盐中或使用繁杂的无水反应器系统或通过共沸蒸馏来实施该工艺方法。

这些方法的缺点一方面在于生态观念下在复杂反应器系统中的繁杂的技术流程管理，另一方面在于对高纯度的前体的需求以及分离非极性有机溶剂系统的需求及其处理和回收的相关需求。

本发明的发明人已发现了一种用于制备预聚物的新的聚合方法，其适用于生产塑料，其中通过酶催化聚合实施存在于水溶液中的合适的单体和/或寡聚物的聚合来形成相应的预聚物，该预聚物从反应水溶液中沉淀出来。

本发明的方法特别适用于酶催化制备源自例如生物工程单体或寡聚体的预聚物，以便生产只能由传统的石油化工合成途径通过多个工艺步骤来制备、因此不具备经济合理性的生物塑料。

理论上，用于生产完全或部分基于生物基聚合物的生物塑料的方法(其中，已建立的方法的矿物原材料越来越多地被可再生原材料替代)是已知的。实例包括基于生物的聚乙烯(Bio-PE)、聚丙烯(Bio-PP)、聚酯和其他生物基聚合物。这其中，已经生产出了生物技术上、例如发酵生产的聚合物(预聚物，例如特别是通过发酵制备的聚酯)并用于生产生物物料。从WO 2009/092793中可获知重组制备的二氨基戊烷的实例，其中通过发酵制备的二氨基戊烷(DAP)通过以下步骤从含DAP的发酵液中分离：碱化和热处理发酵液，然后使用有机溶剂萃取DAP，最后从分离的有机相中分离出DAP。

WO 2013/044076 A1描述了发酵生产丙烯酸和其他羧酸化合物。

生物技术工艺用于生产聚合物在程序经济性和开发具有新的产品特征的塑料(迄今为止采用石油化工工艺难以获得)方面是特别有利的。

通常，酶催化聚合或酶促合成寡聚物的原理是已知的。例如，M.Andre的论文("Chemoenzymatische Herstellung von Peptiden und Acylpeptiden,spektralphotometrische,chromatografische und MALDI-ToF/MS Analysen der Produkte sowie Charakterisierung der tensidischen Eigenschaften"；2012)描述了二肽和寡肽的酶促合成以及后续酰化寡肽的合成及其作为表面活性剂的应用。

进一步地，酶催化聚合工艺在寡聚物的制备领域已经被描述，其被认为用于生产生物塑料。Gübitz和Paulo的综述文章("New substrates for reliable enzymes:enzymatic modification of polymer"；Current Opinion in Biotechnology,2003,14:577-582)提到了用于酶催化合成天然和合成聚合物的多种方法。

在J.Duwensee的论文("Lipasen-katalysierte Polykondensation in wasserhaltigen Reaktionssystemen"；2008)中特别描述了通过脂肪酶催化聚合反应制备用作例如包装材料或者用于医学工程的聚酯的方法。

Hilterhaus等人的出版物(“Reactor Concept for Lipase-Catalyzed Solvent-Free Conversion of Highly Viscous Reactants Forming Two-Phase Systems”；Organic Process Research&Development,2008,12,618–625)和Korupp等人的出版物(“Scaleup of Lipase-Catalyzed Polyester Synthesis”；Organic Process Research&Development,2010,14,1118–1124)描述了通过脂肪酶催化聚合反应生产聚酯的方法。

DE 102005026135 A1描述了在选自乳化剂和保护胶体的群组中的分散剂的存在下，通过羟基羧酸化合物变成聚酯的酶催化反应来制备聚合物水性分散体的方法。

所有这些已知方法的共同之处在于，用于制备寡聚物和可由其获得的聚合物的聚合反应迄今为止都在无水或非极性环境中实施。这通过例如使用无水反应器体系、从反应介质中产生的水的共沸蒸馏，或者通过在非极性有机溶剂中实施反应，或者使用非极性溶剂组分并相应地在至少两相(二元)溶剂体系(包括极性水相和非极性有机相)中实施反应来实现。

在Gübitz和Paulo描述的方法中，例如在利用氧化还原酶合成酚醛树脂聚合物和丙烯酸聚合物中，使用了胶束溶液。也曾提到过在漆酶催化合成聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠中添加表面活性剂，以形成乳液。然而，在使用胶束溶液时和在制备乳液的情况中，反应介质均包括由极性水相和非极性相构成的两相体系。其中提及的涉及进一步合成的聚合物的其他方法仅仅影响它们的表面修饰(例如聚酯、聚酰胺或聚丙烯腈的)。

在Duwensee(2008)的论文中描述的方法排他性地使用由非极性有机萃取相和水性(极性)反应相构成的二元溶剂体系。

在Hilterhaus等人和Korupp描述的方法中，在污水反应器系统中实施合成反应。

如上面已经提及的，一方面从程序经济性的角度以及另一方面从生态流程管理的角度来看，这是不利的。

尤其是，如果已知的和前面所描述的聚合方法使用生物工程单体或寡聚体作为起始原料来实施，那么就会产生这样的问题：这些生物工程起始材料一般出现在水性的反应介质中，然后为了在已知的聚合方法中使用而必须以高的纯度转移到无水介质中。相比之下，在本发明的方法中，由于反应体系的高选择性，高纯度的所得材料并非绝对必要。此外，单体的混合比例的精确调整(在化学反应中极其重要)在根据本发明的酶促聚合反应中不再必需。

根据本发明的新的酶催化聚合方法在单相(极性)水溶液中实施，相比较于已知方法，这是特别有利的，因为现在首次存在利用不含非极性溶剂的反应介质来操作的可能性。此外，当生物工程单体或寡聚体将被用作起始材料时，该新的聚合方法也特别合适，因为其可以在聚合反应中直接使用细胞分离后的水性的含单体/寡聚物的发酵上清液来生产预聚物，而不需要在使用前进行进一步纯化。这使得工艺步骤显著减少，并可由此获得改善的工艺效率和经济性。

尤其是，迄今为止尚未出现酶催化生产具有聚酰胺键合结构的生物基预聚物或酶催化生产用于生产基于生物基聚酰胺的所谓生物塑料的应用的描述。

要解决的目标

本发明的目的在于提供一种用于制备用于生产塑料的预聚物的新方法，其避免了现有技术中已知方法的缺点。此外，该新方法的特征在于改善的程序经济性。在本发明的另一方面，该新方法应适合提供具有高度可持续性的方法，并且其应适合用于基于可再生资源生产完全和/或部分地基于生物的单体或寡聚体的生物塑料。尤其是，该新方法应允许生产用于生产基于生物基聚酰胺的新型塑料的、具有聚酰胺键合结构的预聚物。

技术实现要素：

本发明涉及用于制备用于生产塑料的预聚物的方法，其中一种或多种不同的单体化合物和/或寡聚体化合物参与聚合反应，其特征在于，所述聚合反应在添加一种或多种用于催化该聚合反应的酶的单相(极性)水溶液中进行。

其中，以溶解的形式存在于水性反应介质中的所述单体化合物和/或寡聚体化合物作为起始材料通过酶催化反应而反应成更长的聚合物，直到达到使所形成的聚合物作为所谓预聚物从水性(极性)反应溶液中沉淀出来的链长。

其中，与可用作制备预聚物的可能的起始材料的寡聚物相对比，根据本发明的“预聚物”是指在聚合反应中由单体/寡聚物形成的分子(聚合物)具有这样的链长，即其中所形成的分子(聚合物)——与寡聚物相比——以所谓预聚物从水性反应溶液中沉淀，并随即从水性反应混合物中分离，以便随后在之后的反应步骤中反应成更长的线性或支链均聚物或共聚物、共混聚合物(塑料)。其中所形成的聚合物作为预聚物从含单体/寡聚物的水性反应溶液中沉淀出来的具体链长，一方面取决于所使用的原材料和从中可获得的预聚物的类型，另一方面取决于具体反应条件，例如温度、pH值或反应介质的组成。

根据本发明的预聚物通常可以是均聚物或共聚物。术语单聚物/共聚物对于本领域技术人员而言是众所周知的。

本发明特别优选的预聚物是具有聚酰胺(聚酰胺型)键合结构的那些预聚物。其中，聚酰胺或聚酰胺型键合结构表示通过通式的结构元素的键合结构。

也具有可能性但次优选的是具有聚酯型键合结构的预聚物。其中，聚酯型键合结构表示通过通式的结构元素的键合结构。

术语“塑料”是指传统意义上的聚合的固体制件，其由根据本发明形成的预聚物合成或半合成地形成。其中，该可获得的塑料可由线性和支化及交联链构成。

通常，塑料中的热塑性塑料、热固性塑料和弹性体这三个主要的组之间存在差别。根据本发明，热塑性塑料和热固性塑料是优选的，且热塑性塑料是特别优选的。

本发明的方法理论上适合用于制备预聚物，例如：聚酯(PES)，包括例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)和不饱和聚酯树脂(UP)等；聚酰胺(PA)，包括例如聚己内酰胺(Perlon、聚酰胺-6)、尼龙(聚酰胺6.6、聚环己烷己二酸酰胺)、PA 69(己二胺/壬二酸)、PA 612(己二胺/十二烷二酸)、PA 11(11-氨基十一酸)、PA 12(十二内酰胺或ω-氨基月桂酸)、PA 46(四甲撑二胺/己二酸)、PA 1212(十二烷二胺/十二烷二酸)、PA 6/12(己内酰胺/十二内酰胺)、PA 1010等；聚乙烯(PE)，包括高密度聚乙烯(PE-HD、HDPE)、低密度聚乙烯(PE-LD、低密度聚乙烯)、线性低密度聚乙烯(PE-LLD、LLDPE)、高分子量聚乙烯(PE-HMW)、超高分子量HDPE(PE-(UHMW))等；以及聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、聚甲醛(POM)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯醚(PPE)，聚醚醚酮(PEEK)等。

优选的是适合用于生产热塑性塑料的预聚物，例如尤其是聚酯(PES)、聚酰胺(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯醚(PPE)。

特别优选的是选自聚酰胺(PA)和聚酯(PES)的群组中的预聚物，最优选聚酰胺。

在本发明的方法中，本发明的预聚物通过催化聚合适宜的单体和/或寡聚体化合物来形成。其中，具有相同和/或不同链长的相同或不同单体和/或寡聚体化合物相互反应。这就是说，例如，单体或寡聚体化合物可以以单一的链长或以链长不同的组分来使用。使用两种或更多种不同单体和/或寡聚体化合物来相互反应也是可能的，其中一种单体或寡聚体化合物可包括均一的链长或链长不同的组分，且其中其他单体和/或寡聚体化合物也可以包括均一的链长或链长不同的组分。分别使用一种或多种单体化合物，或者一种或多种寡聚体化合物或寡聚体化合物和单体化合物来相互反应也是可能的。

单体或单体化合物一般指低分子量的反应性分子，其可结合来形成线性或支化的预聚物或聚合物。单体可以是单一物质，但是也可以是不同化合物的混合物，其在第一种情况中形成均聚物，在第二种情况中形成共聚物。寡聚物或寡聚体化合物一般指这样的分子，其由多个结构上相同或相似的单元(单体)构成，但是相比较于根据本发明的预聚物而言在水中或单相水性反应介质中仍然是可溶的，因此仍然可以作为在水性反应溶液中进行的酶促反应的反应物。

根据本发明，优选的单体和寡聚体化合物选自包括二元胺，羧酸，尤其是羟基羧酸、二羧酸和三羧酸，具有低、中、高链长的脂肪酸，氨基羧酸，己内酰胺，尤其是氨基己内酰胺，葡萄糖、内酯、多元醇、二醇、乙二醇、聚乙二醇、丙三醇、(二、三聚甘油)，单、二、三羧酸酯类等，和各自的衍生物，特别是其酯类衍生物，例如特别是氨基酸酯衍生物，以及它们的混合物的群组中。本发明的尤其优选的单体和寡聚体化合物是二元胺，二元羧酸，氨基羧酸，己内酰胺，特别是氨基己内酰胺，以及羧酸，尤其是柠檬酸、己二酸、癸二酸和琥珀酸。

二胺化合物的实例是线性或支化的二氨基烷烃(H₂N-(C)_n-NH₂；n≥4)，特别是C₄-C₂₈二氨基烷烃，特别是C₄-C₂₀二氨基烷烃，尤其是C₄-C₁₂二氨基烷烃，尤其是C₄-C₁₀二氨基烷烃，如二氨基丁烷、二氨基戊烷、二氨基庚烷、二氨基己烷、二氨基庚烷、二氨基辛烷、二氨基壬烷、二氨基癸烷、二氨基十一烷、二氨基十二烷等，例如1,4-二氨基丁烷、1,5-二氨基戊烷、1,6-二氨基己烷、1,7-二氨基庚烷、1,8-二氨基辛烷、1,9-二氨基壬烷、1,10-二氨基癸烷、1,11-二氨基十一烷、1,12-二氨基十二烷等。还包括的是所述二氨基烷烃的相应的结构异构体，以及任选被其它取代基例如羟基取代的那些二氨基烷烃。特别优选地，二氨基化合物选自由1,4-二氨基丁烷和1,5-二氨基戊烷组成的群组中。

二羧酸的实例是C₂-C₂₈烷二羧酸，特别是C₂-C₁₆烷二羧酸和C₄-C₂₈烷二羧酸，例如草酸(乙二酸)、胡萝卜酸(丙二酸)、琥珀酸(丁二酸)、胶酸(戊二酸)、肥酸(己二酸)、蒲桃酸(庚二酸)、软木酸(辛二酸)、杜鹃花酸(壬二酸)、皮脂酸(癸二酸)、十一烷二酸、十二烷二酸(癸烷-1,10-二羧酸)、巴西基酸(十三烷二酸)、十四烷二酸、类花生酸(十六烷二酸)等，以及它们相应的结构异构体；C₃-C₂₈烯二羧酸，特别是C₃-C₁₆烯二羧酸，及其相应的结构异构体以及上述提及的群组的那些，其可以被一个或多个，特别是一个或两个羟基、酮基或氨基取代，例如丙醇二酸、酒石酸、苹果酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸、谷氨酸、天冬氨酸、马来酸、富马酸和二苯基醚-4,4-二羧酸、萘-1,4-二羧酸、萘-2,6-二羧酸和六氢对苯二甲酸。还包括的是羧酸的相应的结构异构体以及可以任选被其它取代基取代的那些。特别优选地，二羧酸选自由1,6-己二酸和1,10-癸二酸组成的群组中。

三羧酸的实例例如是柠檬酸，异柠檬酸，乌头酸(1,2,3-丙烯三羧酸)，卡巴酸(1,2,3-丙烷三羧酸)，苯并三甲酸，例如均苯三酸、连苯三酸和偏苯三酸。

羟基羧酸的实例包括含有至少一个羧基以及一个或多个羟基的羧酸，例如α-、β-和γ-羟基羧酸。除了上述提及的羟基二、三羧酸以外，羟基羧酸的实例例如为乙醇酸、扁桃酸、乳酸、羟基丁酸、多羟基丁酸、甲羟戊酸、没食子酸、4-羟基丁酸、2-羟基苯甲酸(水杨酸)、4-羟基苯甲酸。还包括的是上述提及的化合物的那些，其可以任选被其它取代基取代。

氨基羧酸的实例包括含有至少一个羧基以及一个或多个氨基的羧酸。实例是C₁-C₂₀氨基羧酸，特别是C₂-C₂₀氨基羧酸，优选C₅-C₂₀氨基羧酸，例如α-、β-和γ-氨基酸，例如必需氨基酸丙氨酸，精氨酸，天冬酰胺，天冬氨酸，半胱氨酸，谷氨酰胺，谷氨酸，甘氨酸，组氨酸，异亮氨酸，亮氨酸，赖氨酸，甲硫氨酸，苯丙氨酸，脯氨酸，丝氨酸，苏氨酸，色氨酸，酪氨酸，缬氨酸；和衍生自氨基取代的一元、二元或三元羧酸(特别是如上所限定的)，例如衍生自被一个或多个氨基取代的上述提及的二元或三元羧酸的氨基羧酸，例如氨基己二酸；以及其各自的衍生物，特别是其氨基酸酯衍生物。还包括的是上述化合物的那些，其可以任选被其它取代基取代。

二羧酸酯的实例包括上述提及的二羧酸的酯，其形式上由如上定义的二羧酸与醇或酚组成。还包括的是所述二羧酸酯的相应的结构异构体以及可以任选被其它取代基取代的那些。

二醇的实例包括C₂-C₂₈烷二醇，特别是C₂-C₁₆烷二醇，例如1,2-、1,3-、1,4-烷二醇等，例如相应的乙烷、丙烷、丁烷二醇，例如1,2-乙二醇(乙二醇)、1,2-丙二醇(丙二醇)、1,3-丙二醇(1,3-丙烯乙二醇)、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇、新戊二醇等，以及它们相应的结构异构体，以及通过乙二醇如二甘醇、三甘醇、聚乙二醇等的缩合而产生的α,ω-二醇，以及例如二甘醇、环己烷二甲醇，2,2-双(4-羟基苯基)丙烷和2,2-双(4-羟基乙氧基苯基)丙烷。还包括的是上述化合物的那些，其可以任选被其它取代基取代。

在本发明的意义上，上述定义包括相应的可能的立体异构构型(对映异构体，非对映异构体及其外消旋体；α-、β-、γ-、D-、L-构型)。根据本发明，还包括上述化合物的衍生物，因为根据本发明的方法，其特定的官能团适合被应用。此外，本发明还包括上述化合物的那些，其可任选被其它取代基取代，只要相关的反应性基团的官能度不受损。

特别优选地，单体和寡聚体化合物选自二胺、二羧酸、氨基羧酸及其酯衍生物，羟基羧酸、己内酰胺和/或二羧酸酯的群组中。

在另一个特别优选的实施方案中，单体化合物选自一种或多种来自二氨基烷烃群组的二胺类化合物，特别是C₄-C₁₀二氨基烷烃，优选C₄-C₆二氨基烷烃；一种或多种二羧酸，特别是C₆-C₂₈二羧酸，优选C₆-C₁₀二羧酸；一种或多种三羧酸；一种或多种氨基羧酸，特别是C₂-C₂₀氨基羧酸，优选C₅-C₂₀氨基羧酸；一种或多种羟基羧酸和/或一种或多种己内酰胺，特别是氨基己内酰胺，各自如上所定义。

在另一个特别优选的实施方案中，选自二氨基烷烃群组中的单体化合物是1,5-二氨基戊烷，选自羧酸群组中的是柠檬酸、己二酸、癸二酸或琥珀酸，选自氨基羧酸群组中的是氨基己二酸及其酯衍生物，在每种情况下如上所定义，和/或其混合物。

非常特别优选的是适合用于制备具有聚酰胺键合结构的预聚物的那些单体和寡聚体化合物。

对于具有聚酰胺键合结构的预聚物的特别优选的制备，进一步优选从二胺、二羧酸、氨基羧酸及其酯衍生物，己内酰胺和氨基己内酰胺的群组中选择的单体和/或寡聚体化合物。其中，一方面优选选择二羧酸和二胺的混合物(其可以包含相同或不同的化合物，各自具有相同或不同的链长度)，其中，聚酰胺键合结构的两个相关基团，即羰基和酰胺基，由两种不同的组分形成，即一方面由二羧酸形成，另一方面由二胺形成。还优选从如上定义的氨基羧酸组中选择单体和/或寡聚体化合物(其中包含一种或几种氨基羧酸的混合物，每种具有相同或不同的链长度)，其中用于形成聚酰胺键合结构的两个相关基团实际上都存在于单一的结构单元中。

关于特别优选的二胺、羧酸(特别是二羧酸)和氨基羧酸，可以参考上述定义。

在用于制备具有聚酯型键合结构的预聚物(根据本发明其也是可能的)的方法中，单体和/或寡聚体化合物优选选自二羧酸和三羧酸及其衍生物的群组中，二元醇(二醇)和甘油的群组中，均如上所定义。优选的是一种混合物，其包含一种或多种羧酸化合物例如特别是柠檬酸、己二酸、癸二酸或琥珀酸，和一种或多种二醇例如特别是1,4-丁二醇和/或甘油。关于特别优选的二羧酸、三羧酸和二元醇(二醇)，可以参考上述定义。

本发明的方法的特征在于酶催化聚合。其中，原则上可以使用适合于催化所选单体和/或寡聚体化合物以变成所需预聚物的反应的所有的酶，特别是来自包括水解酶(酶类别EC3)、氧化还原酶(酶类别EC1)和裂解酶(酶类别EC4)的组中的酶。特别优选的是来自水解酶(酶类别EC3)的组中的酶。

来自水解酶组的合适的酶的实例包括例如肽酶(也是蛋白酶、蛋白水解酶)核酸酶、磷酸酶、糖苷酶、酯酶、脂肪酶、内酰胺酶、酰胺酶、(氨基)己内酰胺酶、聚酰胺酶、羧酸酯酶、羧肽酶、淀粉酶等，以及它们的混合物。

来自氧化还原酶组的合适的酶的实例包括例如氧化酶、脱氢酶和还原酶，例如醇脱氢酶、葡萄糖氧化酶、醛脱氢酶、二氢叶酸还原酶、亚硝酸盐还原酶、铁氧还蛋白-亚硝酸盐还原酶、亚硫酸盐氧化酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶、黄嘌呤氧化酶等，及其混合物。

优选地，在裂解酶脱羧酶组中，更优选L-或D-氨基己二酸脱羧酶。

来自水解酶组的优选酶是例如肽酶、磷酸酶、糖苷酶、酯酶、脂肪酶、内酰胺酶、酰胺酶、(氨基)己内酰胺酶、聚酰胺酶、羧基酯酶，及其混合物。

非常特别优选的是适合用于制备具有聚酰胺键合结构的预聚物的酶。

在用于制备具有聚酰胺键结构的预聚物的本发明的特别优选的方法中，酶优选选自酰胺酶、聚酰胺酶、内酰胺酶和(氨基)己内酰胺酶的群组中。非常特别优选的酶是来自地衣芽孢杆菌的蛋白酶“枯草杆菌蛋白酶A”。

在制备具有聚酯型键合结构的预聚物(根据本发明其也是可能的)的方法中，所述酶优选选自肽酶和蛋白酶的群组中。

本发明的方法的特征特别在于，聚合反应在单相(极性)水溶液中进行。在本发明的意义上，水溶液是亲水的水基反应溶液，其基本上不含非极性有机溶剂或萃取剂。其中，本发明的水性反应溶液特别地也不含其它非极性(亲脂性)溶剂组分。其中，术语“非极性有机溶剂或萃取剂”是指已知与水不混溶的那些溶剂。术语“其它非极性溶剂组分”是指适合在水性(极性)反应介质中形成非极性相的那些溶剂添加剂，例如特别是胶束形成物质或囊泡、脂质体和乳液形成物质。因此，所述水溶液可以例如也不含胶束、囊泡或脂质体形成物质，和/或可以不含这种胶束、囊泡和脂质体，以及乳液。

用已知方法在单相水性反应体系中实施一种工艺迄今为止是不可能的，这是因为单体彼此的反应通常与水的消除一起发生，因此会发生通过脱水使反应平衡向聚合物一侧的适当转移。

在酶催化聚合(其由于酶在水中的溶解性和活性而必须在水性介质中进行)的方法中，却可以实现消除水的聚合作用，因为所溶解的单体的或寡聚的起始原料稍稍地扩散进入蛋白分子(酶)中，因此在其活性位点经受这样的电荷转移，由此似是在由水性反应介质隔离的空间中或在蛋白分子的保护下，可以发生在聚合反应中必要且所期望的消除水的聚合作用。

然而，当在纯水性体系下进行时，发生了这样的效果，即在聚合反应中形成的聚合物在水中是不溶的，即便在相对短的链长度下也是如此，因此在该纯水性体系中沉淀，故而不再可用于通过聚合的进一步的链延伸。在先前已知的方法中，出于上述原因，预聚物的这种沉淀并非所期望的，并通过使用至少两相溶剂体系来避免，其中在极性的水相中不可溶的预聚物在非极性相中保持溶解。然而，与此相反，本发明的方法的明确的目标在于使形成的聚合物以所谓的预聚物从水性反应介质中沉淀出来，然后要么从中分离出预聚物，要么直接使用在该介质中的预聚物，如上文和下文所描述的。

根据本发明被用于缩聚反应中的水溶液尽管可以加入大量的极性溶剂，但是基本上由水组成。然后选择极性溶剂的加入，以便使单体和/或寡聚物就其在用于聚合反应的应激条件下的电荷而言存在于酶的活性位点上(从电荷的适当转移的意义上来说)，而不会损害酶的活性。

根据本发明所添加的极性溶剂包括例如甲醇和乙醇。优选加入乙醇。

从酶的活性位点上的电荷转移的意义上来说，添加表面活性物质也是可能的，例如添加乳化剂或表面活性剂。添加pH调节物质、缓冲剂或者盐或离子浓度的变化也是可能的。通过添加这类素质，可以有利地影响酶催化聚合反应从水解朝向预聚物合成的热力学平衡。

根据本发明的单相水性溶剂体系是指纯粹极性的溶剂体系，其与水完全地且均匀地混溶。优选地，这样的单相水性溶剂体系不含有任何非极性相或区域。

通过选择技术工艺参数例如合适的温度和压力设置、选择合适的反应时间以及通过所使用的大量的酶和/或单体/寡聚物(剩余/不足)，可以影响热力学反应平衡，由此使该工艺向合成预聚物的所需方向适当地转移。可以仅仅适当改变或者调整单个前述参数，或者适当改变或者调整几个参数的任意的相互组合。聚合反应在原理上是已知的反应方法，其以根据本发明用于制备具有聚酰胺型和聚酯型键合结构的预聚物的优选方法的一般反应方案的实例的形式图示于下文中。其中，在每种情况中，

R是氢和/或合适的取代基，其在n>1的情况下，在不同位置上可以是相同或者不同的，

n是≥1的整数，

m是≥1的整数。

由二胺和二羧酸的混合物酶催化合成具有聚酰胺型键合结构的预聚物：

由氨基羧酸化合物酶催化合成具有聚酰胺型键合结构的预聚物：

由二羧酸和二醇化合物酶催化合成具有聚酯型键合结构的预聚物：

由羟基羧酸化合物酶催化合成具有聚酯型键合结构的预聚物：

反应路线的上述图示仅仅表示基本反应原理的示例性图示，而不构成任何限制。

在根据本发明的聚合方法中形成的预聚物一般从水性反应溶液中沉淀出来，通过已知方法、例如离心或过滤从上清液中分离出来，然后任选地在接下来的步骤中被加工成热塑性塑料或热固性塑料，并任选地通过已知加工方法，例如在旋压工艺(纺丝工艺)或在热塑性塑料成型工艺中，尤其是在注塑、浇铸或挤出工艺中，进一步加工以获得塑料制品。

因此，本发明的方法优选包括以下步骤：

a)制备一种或多种单体或寡聚体化合物，例如通过发酵、酶促反应或化学合成，其中发酵和酶促反应是优选的，

b)分离含有溶解的单体或寡聚体化合物的水性上清液，

c)向含有单体或寡聚体化合物的水溶液中添加一种或多种酶，其催化单体或寡聚体化合物的聚合反应，

d)使预聚物从水性反应溶液中沉淀出来，

e)分离沉淀的预聚物，优选通过离心或过滤分离，

f)任选地，将预聚物进一步加工成塑料，和

g)任选地，将得到的塑料进一步加工成塑料制品，优选在旋压工艺或在热塑性塑料成型工艺中，尤其是在注塑、浇铸或挤出工艺中加工。

可替代地，可以使用来自于可购买获得的来源的单体和/或寡聚体化合物，例如石油化工生产的单体/寡聚体化合物，其之后被溶解在水中并直接提供在步骤c)中。

在根据本发明的一个特别优选的方法中，所使用的单体或寡聚体化合物通过生物技术工艺，特别是通过发酵或酶促反应的方式获得。从可持续性的工艺管理的角度来说，这是特别有优势的，这是因为通常使用的石油化工原材料借此可以被可持续性的生物技术生产的原材料所代替。由于使用根据本发明的方法，在水性反应介质中的工艺管理首次成为可能，使用通过发酵或酶促制备的起始原料是特别合适的。通常在用于本发明的单体和寡聚体化合物的发酵或酶促生产中，这些会溶解在水性发酵上清液中或者在水性反应介质中。如果有必要的话在除去细胞之后，这些通常不需要进一步的再处理，溶解于其中的单体或寡聚体化合物用于进一步处理，通过加入酶直接启动在该水性发酵上清液或反应介质中的聚合反应。在一定链长下，相应的预聚物从所述水性反应溶液中沉淀，并且可以分离并用于如上所述的进一步处理。

非常优选地，使用通过发酵获得的单体或寡聚体化合物，然后优选将它们直接在含水发酵上清液中供应给缩聚反应。

因此，根据本发明的方法特别适合用于由通过生物技术方法，特别是通过发酵制备的单体或寡聚体化合物制备预聚物。在其一个具体的实施方案中，可制备具有聚酰胺型键合结构的预聚物，其中作为单体化合物，例如二氨基苯被用作二胺化合物，其可使用重组微生物、例如属于谷氨酸棒杆菌属的重组细菌通过发酵来获得。

其中，由于可能使用具有高度可持续性的生物技术生产的原材料作为矿物燃料的替代物，可从中获得的预聚物出于本发明的目的也称为生物基预聚物，由这些生物基预聚物制造的热塑性塑料和热固性塑料称为生物基塑料或生物塑料。

本发明的另一个方面涉及通过本发明的方法可获得的预聚物用于生产塑料、特别是热塑性塑料或热固性塑料以及可由其获得的塑料制品的应用。其中，特别优选的实施方案涉及可通过本发明的方法获得的预聚物用于生产塑料(生物塑料)的应用。

本发明的另一方面涉及可通过本发明的方法获得的预聚物用于生产塑料和塑料制品的应用，其中，所述塑料制品通过旋压工艺、热塑性或热固性模塑成型工艺，特别是在注塑、浇铸或挤出工艺中获得。同样，本发明的特别优选的实施方案涉及分别的生物基预聚物和生物塑料。

本发明的其他方面涉及本发明的上述提及的用于生产纺织品、热塑性模塑制品、包装材料和建筑材料的应用，所有这些特别是通过使用本发明的生物塑料来生产。

通过具有聚酰胺型键合结构的预聚物的特别优选的制备方法，可由其获得的塑料(生物塑料)和塑料制品必然是聚酰胺基塑料(生物塑料)或塑料产品，其因此在本发明中是优选的。

本发明特别包含以下实施方案：

1.用于生产塑料的预聚物的制备方法，其中一种或多种单体或寡聚体化合物被用于发生缩聚反应，其特征在于，所述缩聚反应在单相水溶液中进行，其中加入一种或多种酶催化聚合反应。

2.根据实施方案1所述的方法，其特征在于，将预聚物从单相水性反应溶液中沉淀并分离出来，然后进一步加工成塑料。

3.根据前述实施方案中的任一项所述的方法，其用于制备用于生产塑料的预聚物，所述塑料选自热塑性塑料和热固性塑料的群组中。

4.根据前述实施方案中的任一项所述的方法，其特征在于，所述预聚物具有聚酰胺型或聚酯型的键合结构，所述预聚物优选是聚酰胺(PA)或聚酯。

5.根据前述实施方案中的任一项所述的方法，其特征在于，所述单体和/或寡聚体化合物选自包括二胺，羧酸，尤其是羟基羧酸、二元和三元羧酸、氨基羧酸，己内酰胺，尤其是氨基己内酰胺，内酯，二醇，丙三醇，以及其各自的衍生物和混合物的群组中。

6.根据前述实施方案中的任一项所述的方法，其特征在于，所述酶选自水解酶、氧化还原酶和裂解酶的群组中，尤其选自水解酶的群组中。

7.根据前述实施方案中的任一项所述的方法，其特征在于，

a)(i)所述预聚物具有聚酰胺型键合结构，以及

(ii)使用一种或多种二胺化合物和一种或多种二元羧酸化合物，一种或多种氨基羧酸或其酯，或己内酰胺，尤其是氨基己内酰胺的混合物作为单体或寡聚物，以及

(iii)使用水解酶，优选聚酰胺酶或氨基己内酰胺酶作为酶；或者其中

b)(i)所述预聚物具有聚酯型键合结构，以及

(ii)使用一种或多种二醇化合物，特别是1,4-丁二醇和/或丙三醇，与一种或多种羧酸化合物，特别是柠檬酸、己二酸和/或癸二酸、琥珀酸的混合物作为单体或寡聚物，以及

(iii)使用水解酶，优选蛋白酶或肽酶作为酶。

8.根据前述实施方案中的任一项所述的方法，其特征在于，单体或寡聚体化合物通过发酵，优选通过使用重组微生物的发酵来制备。

9.根据前述实施方案中的任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)制备一种或多种单体或寡聚体化合物，优选通过发酵或酶促反应制备，

b)将水性上清液与溶解于其中的单体或寡聚体化合物分离，

c)向含有一种或多种单体或寡聚体化合物的水溶液中添加一种或多种催化所述单体或寡聚体化合物的聚合反应的酶，

d)使预聚物从水性反应溶液中沉淀出来，

e)分离所沉淀的预聚物，优选通过离心或过滤分离，

f)任选地，将所分离的预聚物进一步加工成塑料，以及

g)任选地，将得到的塑料进一步加工成塑料制品，优选在旋压工艺或热塑性或热固性模塑成型工艺，特别是在注塑、浇铸或挤出工艺进行加工。

10.由根据前述实施方案中的任一项所述的方法可获得的预聚物用于生产塑料，以及由其中可获得的塑料制品，尤其是纺织品、热塑性模塑制品、包装材料和建筑材料的应用。

实施例

在下文中，通过实施例进一步说明本发明。对于本领域技术人员来说显然的是，该实施例仅仅是示例性的，并不会缩小本发明的范围。

在基于二羧酸和二胺的聚合产品合成中，使用来自EC组3的水解酶。使用可购买的来自地衣芽孢杆菌A的蛋白酶“枯草杆菌蛋白酶A”(Megazyme公司，订单号码：E-BSPRT)。酶储备溶液为300U/ml。该酶的最适pH为pH 7-7.5，pH稳定性在pH 5.5-10.0，最适温度为60℃。

除非另有说明，使用的所有溶液都应用在双蒸水(ddH₂O)中。使用2,6-己二酸和1,10-癸二酸作为二羧酸。在60℃下制备1,6-己二酸的1M溶液。将1,10-癸二酸溶于99.8％乙醇中成为200mM溶液，或制备为2.5mM水溶液。使用1,4-二氨基丁烷和1,5-二氨基戊烷作为二胺。制备各自为400mM的水溶液。

在预热的热摇动器(“Thermo Shaker Incubator”MS-100)中，在具有螺旋盖的试管内，在60℃和1500rpm搅动下进行酶促合成50-60小时。因此，将100μl酶溶液加入到1000μl的1,4-二氨基丁烷和62.2μl的200mM的癸二酸(在乙醇中)中。为了实现2.1ml的总体积，加入969μl的ddH₂O。

或者，将1000μl的1,4-二氨基丁烷或1,5-二氨基戊烷和100μl酶加入1000μl的2.5mM癸二酸溶液中，并填充ddH₂O。类似地，同样将500μl的1,6-己二酸溶液和100μl酶加入到1000μl的1,5-二氨基戊烷或1,4-二氨基丁烷中，并填充ddH₂O。

在己二酸的情况下，反应中的初始pH值为pH 5.5，在癸二酸的情况下为pH10.0。

为了后续分析，将合成的样品在旋转蒸发器上，在50毫巴减压和在60℃下蒸发。从蒸发的合成批料中，在每种情况下称量5-8mg，通过搅拌数小时再溶解在约1.5ml HFIP溶液(99.9％六氟异丙醇，0.1wt％三氟乙酸钾)中，然后过滤(PTFE膜，0.2μm)。通过HFIP凝胶渗透色谱(GPC HFIP)测定合成产物的分子量(Mn和MW)和分散度。取决于合成批料，可获得具有约700-1300道尔顿的较小质量的预聚物以及质量在100000和300000道尔顿之间的大的聚合物；分散度在每种情况下低于1.25。为了进一步分析，将蒸发的合成批料再溶解在约200μl HFIP溶液中，并在过量的冷甲醇中沉淀。形成的产品析出，弃去含有反应物的上清液。将样品干燥并使用HFIP-GPC以及IR光谱法重新检测，其中特别确证了700-1300道尔顿的预聚物的短的链长度。