張媛媛 孔繁樹 白換榮 石茜瑤 侯曉輝 鄧雅姍

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042)

0 引 言

發(fā)明問題解決理論(TRIZ)的英文縮寫是由俄文的拉丁文teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch首字母組成，翻譯成英文是theory of inventive problems solving，是當(dāng)今重要的創(chuàng)新方法之一．TRIZ由蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich Altshuller)于1946年創(chuàng)立，是一套實用的、以解決發(fā)明問題為主要目的的創(chuàng)新理論和方法體系[1]．經(jīng)過70多年的發(fā)展，TRIZ已在機械制造、航天航空、電子科技等諸多工程技術(shù)領(lǐng)域及社會科學(xué)、管理科學(xué)、生物科學(xué)等非技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，成為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的系統(tǒng)理論和方法工具，并創(chuàng)造出重大效益[2-3]．TRIZ理論目前在生物催化領(lǐng)域應(yīng)用還相對較少，主要難點在于如何將生物催化領(lǐng)域的技術(shù)問題表達(dá)成TRIZ問題，從而應(yīng)用TRIZ中的工具如發(fā)明原理、標(biāo)準(zhǔn)解等獲得TRIZ解決方案模型．本研究針對現(xiàn)有酶催化合成聚己內(nèi)酯工藝中存在的問題，應(yīng)用TRIZ理論，對其進(jìn)行功能分析，再利用因果分析法深入分析存在問題的深層次原因，找出關(guān)鍵點，轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵問題，利用沖突理論和沖突矩陣、裁剪獲得TRIZ解決方案模型，最后根據(jù)發(fā)明原理得到最終方案．

1 TRIZ解決問題的基本流程

TRIZ解決問題的基本流程包括：(1)將待解決問題表達(dá)成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題．(2)利用TRIZ分析工具(功能分析、因果分析、資源分析、物質(zhì)—場分析)進(jìn)行問題分析，找出矛盾．(3)利用TRIZ解題工具(40條發(fā)明原理和矛盾矩陣、四大分離原理、76個標(biāo)準(zhǔn)解、效應(yīng)數(shù)據(jù)庫等)求出普適解或模擬解[4-5]．

定義當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)中的沖突是什么，再根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)中最重要、最突出的矛盾(沖突)，構(gòu)建1或2對能反映整個系統(tǒng)關(guān)鍵問題的技術(shù)矛盾，歸結(jié)為39個工程參數(shù)，再查找矛盾矩陣表，找到相應(yīng)的解決該矛盾的發(fā)明原理集，在發(fā)明原理的指導(dǎo)下，找到實際問題的解決方案；如果是物理矛盾，運用四大分離原理和40條發(fā)明原理，在發(fā)明原理指導(dǎo)下找到問題的解決方案．

2 酶催化合成聚己內(nèi)酯工藝的問題描述

現(xiàn)有酶催化法制備聚己內(nèi)酯主要包括脂肪酶催化的己內(nèi)酯合成和脂肪酶催化的己內(nèi)酯聚合兩個工藝過程．合成工藝存在的主要問題是：(1)在己內(nèi)酯合成步驟，反應(yīng)體系中產(chǎn)物己內(nèi)酯和副產(chǎn)物乙酸濃度的增加使脂肪酶失活嚴(yán)重，存在產(chǎn)物抑制，從而影響催化效率，反應(yīng)30 h，環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率仍不足50%[6]．(2)脂肪酶在離子液體中催化己內(nèi)酯聚合，反應(yīng)24 h，單體轉(zhuǎn)化率可達(dá)80%，但反應(yīng)條件苛刻，需要氮氣保護(hù)，在有機溶劑苯中催化己內(nèi)酯聚合，可獲得高分子量聚己內(nèi)酯，但是存在酶用量大，反應(yīng)時間長(>48 h)等弊端[7-8]．

合成工藝的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)是環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率不低于70%，聚己內(nèi)酯分子量不低于2 000．現(xiàn)有酶催化法制備聚己內(nèi)酯工藝路線如圖1所示．

圖1 酶法聚己內(nèi)酯工藝路線簡圖

3 發(fā)明問題初始形勢分析

3.1 當(dāng)前系統(tǒng)的工作原理

在過氧化氫作用下，由脂肪酶催化乙酸乙酯水解轉(zhuǎn)化為過氧乙酸，進(jìn)而過氧乙酸氧化環(huán)己酮生成己內(nèi)酯，分離純化得到己內(nèi)酯產(chǎn)品；在有機溶劑或其他非水介質(zhì)中由脂肪酶催化己內(nèi)酯開環(huán)聚合，生成聚己內(nèi)酯．該系統(tǒng)存在的主要問題是：環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率低(<50%)，脂肪酶用量大，聚己內(nèi)酯產(chǎn)率低，成本較高．其限制條件是：反應(yīng)體系中產(chǎn)物己內(nèi)酯和副產(chǎn)物乙酸濃度的增加使脂肪酶失活嚴(yán)重，存在產(chǎn)物抑制．

3.2 目前解決方案仍存在問題和不足

以環(huán)己醇為原料經(jīng)醇脫氫酶(ADH)催化合成環(huán)己酮，再利用環(huán)己酮單加氧酶(CHMO)及南極假絲酵母脂肪酶A(CAL-A)催化環(huán)己醇3步串聯(lián)反應(yīng)合成聚己內(nèi)酯[9]．

目前的酶催化聚己內(nèi)酯合成路線如圖2所示．該方案得到的聚己內(nèi)酯分子量較低(<1 000)，還需通過進(jìn)一步化學(xué)聚合得到己內(nèi)酯(PCL)，才能滿足不同功能材料的需求．同時，該方案涉及3種酶，導(dǎo)致成本較高，而且CHMO等穩(wěn)定性較差，反應(yīng)產(chǎn)率較低，缺乏商品化酶制劑，限制其應(yīng)用．

圖2 目前的酶催化聚己內(nèi)酯合成路線

4 利用系統(tǒng)分析找出“酶催化合成聚己內(nèi)酯工藝”技術(shù)系統(tǒng)中存在的矛盾

4.1 功能分析

4.1.1組件分析

本研究中將“聚己內(nèi)酯合成工藝”定義為一個技術(shù)系統(tǒng)，其功能定義為：制備聚己內(nèi)酯．將系統(tǒng)和超系統(tǒng)的組件加以區(qū)分，系統(tǒng)組件有10個，分別是?；w、脂肪酶、過氧化氫、環(huán)己酮、過氧乙酸、己內(nèi)酯、乙酸、聚己內(nèi)酯、有機溶劑和水；超系統(tǒng)組件有2個，分別是反應(yīng)器和實驗臺面．

4.1.2相互作用分析

對系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件進(jìn)行兩兩相互作用分析，詳細(xì)結(jié)果列于表1．系統(tǒng)組件脂肪酶與系統(tǒng)組件?；w、過氧化氫、過氧乙酸、己內(nèi)酯、乙酸、聚己內(nèi)酯、水及超系統(tǒng)組件反應(yīng)器均存在相互作用．超系統(tǒng)組件反應(yīng)器與各個系統(tǒng)組件之間均存在相互作用．

表1 聚己內(nèi)酯合成工藝技術(shù)系統(tǒng)的相互作用分析

注：+. 兩個組件之間有相互作用；-. 兩個組件之間無相互作用；灰色部分表示同一組件之間不進(jìn)行相互作用分析

4.1.3功能模型

圖4 聚己內(nèi)酯生產(chǎn)成本高的因果鏈分析圖

根據(jù)聚己內(nèi)酯合成工藝技術(shù)系統(tǒng)的相互作用分析結(jié)果，對組件之間的具體功能進(jìn)行識別，并對其執(zhí)行功能的性能進(jìn)行評估，得出聚己內(nèi)酯合成工藝技術(shù)系統(tǒng)的功能結(jié)果列于表2．可知，?；w、脂肪酶、環(huán)己酮、過氧乙酸、反應(yīng)器、實驗臺面均執(zhí)行基本功能，過氧化氫、己內(nèi)酯、有機溶劑、水在執(zhí)行基本功能的同時還執(zhí)行有害功能．乙酸僅執(zhí)行有害功能．?；w、過氧化氫、環(huán)己酮、過氧乙酸、己內(nèi)酯均存在不足功能．

表2 聚己內(nèi)酯合成工藝技術(shù)系統(tǒng)的功能

根據(jù)聚己內(nèi)酯合成工藝技術(shù)系統(tǒng)的功能表將系統(tǒng)功能進(jìn)行圖形化表示，聚己內(nèi)酯合成工藝功能模型如圖3所示．模型清晰顯示了每一個功能，特別是有問題的功能(不足功能和有害功能)，主要包括：?；w、過氧化氫、己內(nèi)酯、有機溶劑、水、環(huán)己酮、過氧乙酸、己內(nèi)酯．

圖3 聚己內(nèi)酯合成工藝功能模型圖

4.2 因果鏈分析

4.2.1因果鏈分析圖

本研究的目標(biāo)是降低聚己內(nèi)酯生產(chǎn)成本，而初始缺點是項目目標(biāo)的反面，即初始缺點為：聚己內(nèi)酯生產(chǎn)成本高．聚己內(nèi)酯生產(chǎn)成本高的因果鏈分析如圖4所示．以初始缺點為起點，并分析造成此缺點的中間缺點，中間缺點既是上一層及缺點造成的原因，又是下一層及缺點造成的結(jié)果，逐層分析，最終找到末端缺點．

4.2.2確定關(guān)鍵點

根據(jù)聚己內(nèi)酯生產(chǎn)成本高的因果鏈分析圖，確定以下缺點為關(guān)鍵缺點：(1)體系中己內(nèi)酯的不斷積累；(2)反應(yīng)溫度不利于己內(nèi)酯的開環(huán)聚合；(3)有機溶劑的種類不利于聚合；(4)過氧化氫帶入體系的水過多不利于聚合；(5)體系中過氧化氫濃度高；(6)乙酸乙酯濃度低．

4.2.3確定關(guān)鍵問題及提出可能的解決方案

將關(guān)鍵點轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵問題，尋找可能的解決方案，并從各個關(guān)鍵問題出發(fā)，找出可能存在的矛盾，聚己內(nèi)酯生產(chǎn)成本高的因果鏈分析結(jié)果列于表3．體系中己內(nèi)酯的不斷積累和過氧化氫濃度高可能是造成聚己內(nèi)酯產(chǎn)率低、成本高的主要關(guān)鍵點，因此，關(guān)鍵問題是“如何將產(chǎn)生的己內(nèi)酯轉(zhuǎn)移”和“如何降低體系過氧化氫濃度”．針對前者，可能的解決方案是將己內(nèi)酯原位分離或用兩相體系將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到與酶分隔的另一相；針對后者，可能的解決方案是減少過氧化氫與乙酸乙酯的摩爾比．

表3 聚己內(nèi)酯生產(chǎn)成本高的因果鏈分析

注：RSM為響應(yīng)表面法.

5 利用TRIZ工具解決問題

5.1 利用技術(shù)矛盾原理提出方案

5.1.1矛盾的描述

為了提高聚己內(nèi)酯的產(chǎn)率(A)，本研究提高體系中己內(nèi)酯的濃度(C)，但同時會導(dǎo)致系統(tǒng)酶的活性(B)的降低．改善的參數(shù)為A；惡化的參數(shù)為B；A和B為技術(shù)沖突；C為物理沖突．

5.1.2問題模型

對應(yīng)39個通用工程參數(shù)，改善的參數(shù)A：26(物質(zhì)或事物的數(shù)量)；惡化的參數(shù)B：23(物質(zhì)損失)．39個通用工程參數(shù)列于表4．

表4 通用工程參數(shù)

5.1.3解決方案模型

對應(yīng)查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考發(fā)明原理為：3(局部質(zhì)量)、6(多用性)、10(預(yù)先作用)和24(中介物)．40條發(fā)明原理參數(shù)列于表5．

表5 發(fā)明原理參數(shù)

5.1.4提出方案

(1)使用3(局部質(zhì)量)：使系統(tǒng)中己內(nèi)酯的濃度緩慢增加，將原來一次性加入過氧化氫方式改為階段性加入或滴加過氧化氫．

(2)使用6(多用性)：使系統(tǒng)中的己內(nèi)酯具備多功能性，既是環(huán)己酮轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物又是聚己內(nèi)酯形成的底物，使己內(nèi)酯在同一反應(yīng)中既做產(chǎn)物又做底物，也就是說將己內(nèi)酯合成和己內(nèi)酯聚合2個工藝進(jìn)行合并，一鍋進(jìn)行，使己內(nèi)酯原位開環(huán)聚合．

(3)使用10(預(yù)先作用)：在向反應(yīng)體系加入過氧化氫之前，預(yù)先除掉部分的水，即使用濃度更高的過氧化氫，如濃度從30%提高到50%，減少體系中的水含量，有利于己內(nèi)酯聚合，提高聚己內(nèi)酯的產(chǎn)率．

(4)使用24(中介物)：不直接加入過氧化氫，而是加入葡萄糖氧化酶(GOD)和葡萄糖，利用GOD氧化葡萄糖原位產(chǎn)生的過氧化氫為氧化劑．

5.2 利用物理矛盾原理提出方案

5.2.1確定物理矛盾

提高C可以滿足提高A的要求；降低C以滿足減少產(chǎn)物抑制B的要求．

5.2.2采用分離原理提出方案

(1)空間分離．基于空間分離推薦的解決物理矛盾的發(fā)明原理：1(分割)、2(抽取)、3(局部質(zhì)量)、4(非對稱)、7(嵌套)和17(空間維數(shù)變化)．確認(rèn)合適的原理：3(局部質(zhì)量)．提出技術(shù)方案：使系統(tǒng)中己內(nèi)酯的濃度緩慢增加，將原來一次性加入過氧化氫方式改為階段性加入或滴加過氧化氫．

(2)時間分離．基于時間分離推薦的解決物理矛盾的發(fā)明原理：9(預(yù)先反作用)、10(預(yù)先作用)、11(事先防范)、15(動態(tài)特性)和34(拋棄或再生)．確認(rèn)合適的原理：9(預(yù)先反作用)和10(預(yù)先作用)．提出技術(shù)方案：首先使用9(預(yù)先反作用)，預(yù)先在體系中加入堿性物質(zhì)，將反應(yīng)過程中形成的過氧乙酸中和，從而減少乙酸濃度不斷升高導(dǎo)致的酶失活；其次使用10(預(yù)先作用)，在向反應(yīng)體系加入過氧化氫之前，預(yù)先除掉部分的水，即使用濃度更高的過氧化氫，如濃度從30%提高到50%，減少體系中的水含量，有利于己內(nèi)酯聚合，提高聚己內(nèi)酯的產(chǎn)率．

(3)條件分離．基于條件分離推薦的解決物理矛盾的發(fā)明原理：22(變害為利)、23(反饋)、6(多用性)、8(重量補償)、26(復(fù)制)和35(物理化學(xué)狀態(tài)變化)．確認(rèn)合適的原理：6(多用性)和35(物理化學(xué)狀態(tài)變化)．提出技術(shù)方案：首先使用6(多用性)，使系統(tǒng)中的己內(nèi)酯具備多功能性，既是環(huán)己酮轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物又是聚己內(nèi)酯形成的底物，使己內(nèi)酯既做產(chǎn)物又做底物，也就是說作為中間產(chǎn)物，將己內(nèi)酯合成和己內(nèi)酯聚合2個工藝進(jìn)行合并，一鍋進(jìn)行，使己內(nèi)酯原位開環(huán)聚合．其次使用35(物理化學(xué)狀態(tài)變化)，過氧化氫的加入方式可以從過氧化氫改成加入固體的尿素過氧化氫復(fù)合物，也可以起到充當(dāng)氧化劑的作用，因為是固體，不含水，有利于己內(nèi)酯聚合．

(4)整體與部分分離．基于整體與部分分離推薦的解決物理矛盾的發(fā)明原理：3(局部質(zhì)量)、17(空間維數(shù)變化)、19(周期性作用)、31(多孔材料)、32(改變顏色)和40(復(fù)合材料)．確認(rèn)合適的原理：19(周期性作)．提出技術(shù)方案：采取分次加入方式加入過氧化氫，每間隔一定的時間加入過氧化氫以減少過氧化氫對酶的抑制作用．

5.3 裁剪

根據(jù)因果鏈分析，導(dǎo)致系統(tǒng)問題的根本原因是體系中己內(nèi)酯濃度過高，因此，在功能模型上確定的最終沖突區(qū)域元件是己內(nèi)酯．裁剪后的聚己內(nèi)酯合成工藝功能模型如圖5．應(yīng)優(yōu)先裁剪最終沖突區(qū)域中的己內(nèi)酯．根據(jù)裁剪規(guī)則，如果系統(tǒng)或超系統(tǒng)中存在某一元件能夠取代當(dāng)前功能載體執(zhí)行相同或更好的功能，則當(dāng)前功能載體可以裁去．

圖5 裁剪后的聚己內(nèi)酯合成工藝功能模型

5.3.1問題模型

裁剪后的模型失去了原來己內(nèi)酯聚合形成聚己內(nèi)酯的功能．

5.3.2應(yīng)用沖突求解

希望改進(jìn)的特性為聚己內(nèi)酯產(chǎn)率[26(物質(zhì)或事物的數(shù)量)]；采用的措施是添加己內(nèi)酯；惡化的特性為操作復(fù)雜性增加[33(可操作性)]．

查矛盾矩陣得到可使用的發(fā)明原理為：10(預(yù)先作用)、25(自服務(wù))和35(物理化學(xué)狀態(tài)變化)．

(1)使用10(預(yù)先作用)：在向反應(yīng)體系加入過氧化氫之前，預(yù)先除掉部分的水，即使用濃度更高的過氧化氫，如濃度從30%提高到50%，減少體系中的水含量，有利于己內(nèi)酯聚合，提高聚己內(nèi)酯的產(chǎn)率．

(2)使用25(自服務(wù))：通過過氧酸氧化環(huán)己酮產(chǎn)生的己內(nèi)酯作為合成聚己內(nèi)酯的原料而不是直接向體系加入己內(nèi)酯．即：將己內(nèi)酯合成和己內(nèi)酯聚合2個工藝進(jìn)行合并，一鍋進(jìn)行，使己內(nèi)酯原位開環(huán)聚合．

(3)使用35(物理化學(xué)狀態(tài)變化)：過氧化氫的加入方式可以從過氧化氫改成加入固體的尿素過氧化氫復(fù)合物，也可以起到充當(dāng)氧化劑的作用，因為是固體，不含水，有利于己內(nèi)酯聚合．

6 討 論

利用TRIZ理論得到的全部技術(shù)方案及分析評價見表6．方案1：采用滴加或階段性加入過氧化氫的方式，使系統(tǒng)中己內(nèi)酯濃度緩慢增加，減少己內(nèi)酯對脂肪酶的抑制作用；該方案容易操作，可以實行．方案2：將己內(nèi)酯合成和己內(nèi)酯聚合2個工藝進(jìn)行合并，一鍋進(jìn)行，使己內(nèi)酯原位開環(huán)聚合；該方案減少了中間產(chǎn)物的分離純化過程，使工藝操作大大簡化，減少中間產(chǎn)物損失，有效降低操作成本，可以實行．方案3：預(yù)先在體系中加入堿性物質(zhì)，中和反應(yīng)過程中形成的過氧乙酸，從而減少對酶的抑制作用；該方案在實際操作中容易實現(xiàn)，但是可能會對聚合產(chǎn)生影響，可行性需驗證．方案4：加入GOD和葡萄糖，使過氧化氫原位生成．該方案向反應(yīng)體系引入新的酶和底物，會增加生產(chǎn)成本，實際工藝中不適合應(yīng)用．方案5：在向反應(yīng)體系加入過氧化氫之前，預(yù)先除掉部分的水，即使用濃度更高的過氧化氫，如濃度從30%提高到50%，減少體系中的水含量，有利于己內(nèi)酯聚合，提高聚己內(nèi)酯的產(chǎn)率．方案6：以固體的尿素過氧化氫復(fù)合物形式加入過氧化氫，代替原來的過氧化氫．

表6 各方案分析評價表

注：A為聚己內(nèi)酯的產(chǎn)率；B為系統(tǒng)酶的活性；C為己內(nèi)酯的濃度.

經(jīng)過綜合比較分析，最終采用方案2和6的綜合，一鍋法由環(huán)己酮高效合成聚己內(nèi)酯．最終方案形成的酶催化一鍋法聚己內(nèi)酯工藝如圖6所示．在過氧化氫(以尿素過氧化氫復(fù)合物的形式加入，實際參與反應(yīng)的是過氧化氫)存在下，由固定化脂肪酶催化乙酸乙酯過水解原位生成過氧乙酸，進(jìn)而過氧酸氧化環(huán)己酮生成己內(nèi)酯，檢測體系中己內(nèi)酯濃度，當(dāng)?shù)竭_(dá)聚合濃度時，加入有機溶劑，此時聚合反應(yīng)開始，即由固定化脂肪酶催化己內(nèi)酯原位開環(huán)聚合，生成聚己內(nèi)酯．

圖6 最終方案形成的酶催化一鍋法聚己內(nèi)酯工藝

近年來，TRIZ理論已在工程領(lǐng)域成功地用于解決工藝優(yōu)化等相關(guān)技術(shù)問題，取得了較好的效果．李齊春等[10]利用TRIZ分離原理有效解決了有機鋁聚合物制備過程中的物理矛盾，提高了聚合反應(yīng)穩(wěn)定性，并根據(jù)物-場分析法，利用乙醇消除丙酮對異丙醇鋁合成反應(yīng)的有害效應(yīng)，提高了合成反應(yīng)速度．蘇國宏[11]針對水溶性小麥蛋白生產(chǎn)工藝中“面筋與堿液混合效果不理想”的問題，充分利用TRIZ工具分析問題，提取技術(shù)參數(shù)，通過矛盾矩陣表查找發(fā)明原理，最終提出技術(shù)方案．劉闖等[12]將TRIZ創(chuàng)新方法應(yīng)用到化學(xué)工藝研發(fā)中，完善了聚醚醚酮復(fù)合材料制備工藝并提高了復(fù)合材料強度．筆者也將TRIZ中的沖突解決理論、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論、物質(zhì)-場模型等引入到制藥分離工程的教學(xué)過程中，并用以解決制藥分離工程中的實際問題,效果良好[13]．

7 總 結(jié)

TRIZ為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供了系統(tǒng)理論和方法工具，在工程技術(shù)領(lǐng)域甚至非技術(shù)領(lǐng)域都取得了很好的應(yīng)用成效．本研究運用TRIZ理論中的功能分析、因果分析確定酶催化合成聚己內(nèi)酯工藝中的關(guān)鍵問題，并利用沖突理論、發(fā)明原理等方法，得到解決問題的最終方案，進(jìn)而提出了一鍋法酶催化聚己內(nèi)酯合成工藝，可望有效提高產(chǎn)物產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本．本研究為其他產(chǎn)品的類似工藝改進(jìn)提供了參考，具有較好的啟發(fā)指導(dǎo)意義，推動TRIZ理論在研發(fā)過程中的普及和應(yīng)用．