一种医用级PHA及其制备方法与流程

本发明涉及生物降解高分子材料领域，具体涉及一种医用级pha及其制备方法。

背景技术：

1、聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，简称pha）是由微生物利用多种碳源发酵产生的高分子聚酯的总称，由于其具有良好的生物相容性、生物可降解性和热加工性能，已被广泛应用于生物医学材料和可降解塑料的生产。随着合成生物学技术在pha合成菌改造中的应用，以及社会经济发展对pha这类生物可降解材料潜在需求的日益增加，pha的生物发酵工艺取得了一定突破，而提取成本成为了限制pha商业化应用的关键要素。相较于菌株性能及发酵水平的不断提升，pha的分离纯化方法多样，但均面临难以兼顾经济效益、材料性能、绿色安全平衡，以及是否能真正应用于工业化生产的问题，尤其是提取高纯度的医用级pha原料目前存在一定的技术难度，这极大阻碍了pha的商品化发展。

2、传统的pha提取方法有：有机溶剂法、酶法、水相分离法、机械破碎法等。有机溶剂能够改变细胞膜的通透性，溶解细胞内pha颗粒，而其他非pha的细胞物质则不能被溶解，进一步通过过滤或离心等方法可将溶剂与细胞碎片等杂质分离，在溶剂蒸发后获得最终产品，或通过添加“其它溶剂”（如甲醇、乙醇或水）对聚合物进行沉淀，从而达到分离提取pha的目的。水相分离法是将含pha的微生物在溶液中加入酸碱等物质，实现菌体细胞的破碎，最后加入有机溶剂/酶进行pha的回收；机械破碎法则是通过机械运动所产生的剪切力将细胞破碎，使pha被释放出。酶裂解是通过添加可溶解细胞壁及细胞膜的生物酶，利用酶的靶向特异性消解细胞壁成分，破坏菌体的细胞壁和细胞膜结构，从而达到酶解破壁的效果。

3、有机相与水相提取是当前最常使用的pha提取纯化方法，有机相提取具有纯度高、材料分子量损失小等优势，但有机溶剂毒性强，会侵害人体，污染环境，多用于实验室小规模提取制备，不可用于工业大规模生产；水相提取成本较低，对环境相对友好，但回收率、纯度相对较低，通过优化工艺条件、多种方法结合使用可有效改善这些缺点，是目前工业化生产中最常使用的提取手段，但仍存在提取工艺过程较为复杂，杂质含量可控性差且会有一定分子量损失等问题。

4、cn1211489c公开了一种从细菌菌体内分离提取pha的方法，包括用有机溶剂五和/或四碳醇中的一种或几种破坏细胞壁并提取pha。cn109575264a涉及一种以有机溶剂戊内酯为溶剂提取pha的方法。cn115807044a采用表面活性剂进行破壁处理，制备得到的pha粗产品经预处理后配合采用萃取方式进行萃取，最终得到pha。

5、上述方法均为一次提取，由于菌体本身杂质成分极为复杂且占比较高，采用单一溶剂进行单次提取难以将其彻底去除，导致其产品pha纯度低于95%，且杂质成分复杂无法用于医学用途。特别是cn115807044a中，其采用的传统溶剂毒性较高，导致厂房设计需要符合有毒试剂标准，建造于使用成本更高，且可能的有毒溶剂残留导致其产品不适合用于食品药品与医疗领域。

6、因此开发一种简单高效、成本较低的医用级pha纯化方法具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术问题之一。

2、本发明提供一种医用级pha的制备方法，可制备出医用级pha，具有纯度高，毒性和杂质含量低的优点。

3、本发明提供一种医用级pha的制备方法，包括：

4、提供含pha原料；

5、使用第一溶剂对所述含pha原料进行提取，收集提取液，得到第一有机相；

6、将所述第一有机相与第二溶剂混合，使pha沉淀，收集得到第一沉淀；去溶剂；干燥；得到第一次纯化的pha；

7、其中，所述第一溶剂选自dmc（碳酸二甲酯）、nmp（n-甲基吡咯烷酮）、pc（聚丙烯碳酸酯）、dmso（二甲基亚砜）、乙酸中的一种或多种；

8、所述第二溶剂为乙醇或去离子水，优选为乙醇。

9、本发明采用不同溶剂二次提取的方式，利用不同杂质在不同溶剂中溶解度不同的性质可以更加有效地将原材料中的杂质分次移除，得到的产品纯度更高，且由于选用了低毒性溶剂，产品中有害残留更少，更符合医学用途的需要。

10、本发明中，所述含pha原料为工业级pha或粗提pha，其中pha的含量为50wt%以上。

11、在本发明一些实施例中，所述含pha原料中，pha的含量为85-95wt%。

12、在本发明一些实施例中，以g/ml计，所述含pha原料与所述第一溶剂的质量体积比为5%-10%，例如5%、6%、7%、8%、9%、10%。

13、研究发现，如果该质量体积比过低（例如低于5%），则大量pha溶解于第一溶剂中，回收率过低浪费严重；如果该质量体积比过高（例如高于10%），则pha溶液粘度太高难以混合且可能堵塞管道，而且溶解度与pha类似的杂质可能随pha一起析出，影响产物纯度。特别是当所述第一溶剂为dmc时，如果该质量体积比高于10%，则dmc当中pha浓度太高有可能变成凝胶状，会堵塞管道而且没法进行下一步处理。

14、在本发明一些实施例中，所述提取的温度为80-140℃，优选90-130℃。

15、具体地，当所述第一溶剂为dmc时，所述提取的温度为80-100℃，优选90℃。

16、具体地，当所述第一溶剂为nmp、pc或dmso、乙酸时，所述提取的温度为120-140℃，优选130℃。

17、具体地，所述提取的时间以充分提取pha为准，通常为1-5h，例如2-4h。

18、具体地，在所述提取后可通过离心等方式收集提取液。还可以将提取液过滤，得到所述第一有机相。

19、本发明所用第一溶剂毒性低、污染小，容易被去除，不易残留；特别是对pha的溶解度高，能够使含pha原料中大部分不溶性杂质被去除。

20、具体地，所述第一有机相与第二溶剂的体积比为3:1-1:3，优选为1:1。

21、选用上述第二溶剂尤其是乙醇，可使pha不溶于其中而沉淀，核酸、蛋白质等可溶的杂质留存于溶液中，进一步离心或压滤分离，即可得到所述第一沉淀。

22、具体地，将所述第一沉淀去溶剂的方法可为洗涤。例如用纯水或乙醇洗涤直至去除残留溶剂。优选地，当第一溶剂为dmc时，将所述第一沉淀用乙醇洗涤直至去除残留溶剂。dmc水溶性很低洗不干净，因此只能选乙醇洗涤。

23、具体地，可使用真空、冷冻或喷雾法干燥，得到第一次纯化的pha。此时第一次纯化的pha中pha含量≥99%，杂质或残留溶剂含量≤1%。

24、具体地，在本发明一些实施例中，所述医用级pha的制备方法包括：

25、提供含pha原料；

26、使用第一溶剂对所述含pha原料进行提取，离心，收集提取液，过滤，得到第一有机相；

27、将所述第一有机相与第二溶剂混合，使pha沉淀，分离，得到所述第一沉淀；洗涤去除残留溶剂；干燥；得到第一次纯化的pha。

28、优选地，在本发明一些实施例，所述pha的制备方法包括：

29、s1：向工业级pha中加入所述第一溶剂；搅拌混合的同时加热至80-140℃，提取2-4h；将提取后的溶液离心，去除底层沉淀物，将离心液过滤，得到第一有机相；以g/ml计，控制工业级pha质量与所述第一溶剂体积比为5-10%（w/v）；

30、s2：向所述第一有机相中加入等体积的乙醇，搅拌混匀使pha不溶于乙醇而沉淀，可溶的杂质留存于溶液中，离心或压滤分离，得到第一沉淀；使用纯水或乙醇洗涤第一沉淀，洗去残留的溶剂；使用真空、冷冻或喷雾法干燥第一沉淀，得到第一次纯化的pha；其中，当第一溶剂为dmc时，将所述第一沉淀用乙醇洗涤。

31、进一步地，为获得更高的纯度，所述医用级pha的制备方法还包括第二次纯化：

32、用第三溶剂溶解所述第一次纯化的pha，收集溶液；

33、将所述溶液与第四溶剂混合，使pha沉淀，收集得到第二沉淀；去溶剂；干燥；得到第二次纯化的pha；

34、其中，所述第三溶剂为dmc或dmso；

35、所述第四溶剂选自乙醇或灭菌的超纯水，优选为乙醇。

36、在本发明一些实施例中，以g/ml计，所述第一次纯化的pha与所述第三溶剂的质量体积比为5%-15%，例如5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%。

37、具体地，当所述第三溶剂为dmc时，以g/ml计，所述第一次纯化的pha与所述第三溶剂的质量体积比为5%-8%，优选5%。

38、具体地，当所述第三溶剂为dmso时，以g/ml计，所述第一次纯化的pha与所述第三溶剂的质量体积比为8%-12%，优选10%。

39、具体地，用第三溶剂溶解所述第一次纯化的pha时，所述溶解的温度为80-140℃，优选90-130℃。

40、具体地，当所述第三溶剂为dmc时，所述溶解的温度为80-100℃，优选90℃。

41、具体地，当所述第三溶剂为dmso时，所述溶解的温度为120-140℃，优选130℃。

42、具体地，所述溶解的时间为1-5h，可选2-4h。

43、具体地，在所述溶解后可通过离心等方式收集溶液，去除沉淀。还可以将离心液过滤，得到溶液。

44、具体地，所述溶液与第四溶剂的体积比为3：1-1：3，优选为1:1。

45、选用上述第四溶剂可使pha不溶于其中而沉淀，蛋白质、核酸等可溶的杂质留存于溶液中，进一步离心或压滤分离，得到所述第二沉淀。

46、具体地，将所述第二沉淀去溶剂的方法可为洗涤。例如用纯水或乙醇洗涤直至去除残留溶剂。优选地，当第三溶剂为dmc时，将所述第二沉淀用乙醇洗涤直至去除残留溶剂。

47、具体地，可使用真空、冷冻或喷雾法干燥，得到第二次纯化的pha。此时第二次纯化的pha中pha含量≥99.9%，杂质或残留溶剂含量≤0.1%。

48、具体地，所述医用级pha的制备方法还包括：

49、用第三溶剂溶解所述第一次纯化的pha，离心，将离心液过滤，收集溶液；

50、将所述溶液与第四溶剂混合，使pha沉淀，分离，收集得到第二沉淀；洗涤去除残留溶剂；干燥；得到第二次纯化的pha。

51、在本发明一些实施例，所述第二次纯化包括：

52、s3：将所述第一次纯化的pha与所述第三溶剂混合；加热至80-140℃，溶解2-4h；离心，去除沉淀，将离心液过滤，得到溶液；以g/ml计，控制所述第一次纯化的pha与所述第三溶剂的质量体积比为5-15%（w/v）；

53、s4：向所述溶液中加入等体积的乙醇，使pha沉淀，离心或压滤分离，得到第二沉淀；使用乙醇洗涤第二沉淀，洗去残留的溶剂；使用真空、冷冻或喷雾法干燥第二沉淀，得到第二次纯化的pha。

54、本发明所述pha无特殊限制，其中，根据单体碳原子数的不同，pha可以分为短链pha（由3到5个碳原子的单体组成）和中长链pha （由6到14个碳原子的单体组成）；另外，根据单体的不同排列方式，pha还可以分为均聚物、无规共聚物和嵌段共聚物。具体示例性地，pha可以为phb、p34hb、phbv、phbhhx、phbho、phbhn、p3hb4hb3hv、p3hb4hb5hv中的一种或多种。

55、本发明还提供上述方法制备的pha，其纯度≥99%，杂质及残留溶剂含量≤1%。

56、优选地，所述pha的纯度≥99.9%，杂质及残留溶剂含量≤0.1%，可作为医用级pha原料。

57、本发明方法使用低毒性、低污染有机溶剂，以工业级pha为原料，通过多级纯化的方式去除产品中的杂质。本发明方法完全使用低毒性安全溶剂，能够极大地降低操作人员健康风险，避免溶剂在产品残留造成的风险。通过本发明方法生产出的pha具有纯度高、有害残留物低的特性，完全符合医用标准。