基于Hnts-ILs催化/sc-CO2萃取双效体系的食品加工糖类副产物绿色转化研究

Ionic liquid provides a new resource platform for green transformation of carbohydrates from food processing byproducts. However, high energy consumption, separation of products emerging liquid phase loss and repeated or continuous use are the coming bottleneck for applications progress. Therefore, we designed supercritical CO2 (sc-CO2)/task-specific ionic liquid (ts-ILs) of biphasic systems as green catalytic system, considering media, catalysis, separation, and continuous catalyst as crucial characteristic. The key scientific problems are phase equilibrium of the sc-CO2/ts-ILs, catalytic and allocation behavior of sugar and products in the system. For the research approach and analysis method, the design, calculation, simulation and verification are combined with each other. The catalysis/extraction system was established with multiple sulfonic acid ionic liquid (multi-SO3H ts-ILs, Hnts-ILs, n=2, 4) and sc-CO2. The law of interaction between the three- system sc-CO2/Hnts-Ils/cellulose (monosaccharide, 5-HMF) is a systematic study. To understand the interrelation between composition, structure, catalysis and separation, we combined quantum chemistry and molecular simulation calculation as a method to couple the based continuous catalysis and the process of separation with the structure of acid, sc-CO2, Hnts-ILs and the product as a whole research.

离子液为食品加工糖类副产物的绿色转化提供了新的资源化平台，但在应用中出现新的瓶颈，如产物分离能耗高、易随液相流失、重复或连续使用困难等。为此，设计具备介质+催化+萃取+连续化特征的功能离子液（ts-ILs）催化/超临界CO2（sc-CO2）萃取双相双效体系。项目以ts-ILs/sc-CO2体系相行为、糖类及资源化产物在ts-ILs/sc-CO2体系中催化、分配等为关键科学问题，采用设计、计算、模拟和验证紧密结合的研究途径，用多位磺酸离子液（multi-SO3H ts-ILs，Hnts-ILs，n=2，4）与sc-CO2构建催化萃取体系，研究Hnts-Ils/sc-CO2/纤维素（单糖、5-HMF）三元体系的作用关系，获得基于该体系组成-结构-催化-分离的糖类资源化规律性认识，结合量子化学、分子模拟等计算，揭示多位酸、sc-CO2、催化剂、底物、产物、连续化进行催化反应与萃取分离的耦合基础。

在能源不足和资源短缺的今天，将农业废弃物、食品加工副产物等生物质糖类可再生资源替代石化资源作为原料转化为各种化学化工产品正成为节约传统资源保护环境的可持续发展战略的一个组成部分。项目以体系相行为、糖类及资源化产物在体系中催化、分配等为关键科学问题，采用设计、计算、模拟和验证紧密结合的研究途径。研究首先针对生物质糖类凝聚结构顽抗性解离，开展了超/亚临界CO2离子液（IL）、超声离子液、超声低共熔剂（DES）等体系的预处理研究；其次进行了多磺酸离子液体N，N二磺酸丁基三乙烯二胺硫酸氢盐(Bi-SO3H-IL，H2ts-ILs)、六亚甲基四胺磺酸丁基硫酸氢盐(Qu-SO3H-IL，H4ts-ILs)、酸性离子交换树脂等为催化剂的催化转化体系构建；再次基于IL、DES双水相体系（ATPS）催化转化及萃取分离5-HMF的集成体系构建，且进行了体系回收、可切换（pH驱动）等的生产-分离集成体系升级；最后采用甘蔗渣、蒜皮、葱根、小麦秸秆、西瓜皮等食品加工废弃物生物质糖类进行了应用和验证。相关研究结果在JCR1区、Top期刊等（Energy. Convers. Manage.，Bioresour. Technol.，Ultrason. Sonochem.）发表论文18篇，其中高被引论文1篇。申报相关发明专利9件，已授权1件。参与国际会议5次，重点参与主办1次，协办2次。培养研究生7名，其中毕业硕士生4名，在读且已开题的硕士生2名和博士生1名，招收博士后3名。在果蔬加工废弃物绿色资源化利用方面获江苏省科学技术奖二等奖2项，全国商业科技进步奖特等奖等，获江苏省333高层次人才中青年科学技术带头人等4项省级人才荣誉。本研究提出的预处理体系、催化转化体系、萃取分离体系等具有可设计性强、制备简单、成本低廉等优势，可用于生物质糖类资源化利用和转化，为中央厨房、果蔬加工等高质量发展提供可能的参考途径。