基于离子液体体系的甲壳素溶解分离过程基础研究

Ionic liquids are the academic frontier of international science and the hot pot of researches and it has excellent applications in many fields. Ionic liquids afford the opportunity and challenge for green chemical engineering processes. Chitin as resources renewable has played an important role in the wide applications in medicine, textile, and food and it has been high-valued by researchers from industries and academics. This project is intended to indicate the green dissolution and separation of chitin in different ionic liquid systems. The relationships between the function groups and hydrogen bonds, the interactions among ions, function groups and electric charges, as well as the effects of many parameters including the position, number and conformation on the dissolution and separation of chitin in ionic liquids will be simulated, respectively. Some characterizations will be introduced to detect the degree of polymerization and molecular weight of chitin. The mechanism of dissolution and regulation for chitin separation will be studied in monism or in binary ionic liquid systems. Besides, some other additives would be introduced to improve the separation of chitin. Based on the above mentioned, the functional ionic liquids, including biodegradable ionic liquids and acetate-based ionic liquids, used to dissolve chitin would be designed. The key problems of ionic liquids-chitin dissolution solution and supercritical CO2 regeratation of chitin/chitison will be investigated. The new methods and new theories of chitin separation will be obtained.

离子液体是国际科学前沿和研究热点，对天然高分子材料具有高效的溶解能力，为创建新型生物质绿色分离过程提供了机遇和可能。甲壳素作为可再生资源，由于其在医药、纺织和食品等领域的广泛应用而受到了工业界与学术界的高度重视。本项目面向甲壳素绿色生产的战略需求，以功能化离子液体，包括醋酸类离子液体、磷酸酯类离子液体和可降解离子液体，和虾壳、蟹壳中的甲壳素为研究对象，以离子液体和超临界二氧化碳为介质，开展离子液体溶解分离虾壳、蟹壳中的甲壳素、超临界二氧化碳再生甲壳素的关键科学问题研究，探索甲壳素在离子液体体系/超临界二氧化碳体系中的溶解分离作用机理，获得醋酸类、磷酸酯类和可降解等离子液体的溶解分离甲壳素的作用机理和调控机制，获得离子液体的离子对、离子簇的结构与甲壳素溶解性能的构效关系和超临界二氧化碳再生甲壳素的微观作用本质，获得温和条件下甲壳素高效溶解分离的新方法和新理论，为其工业化应用提供科学支撑。

本项目面向废弃虾壳资源化的战略需求，针对现有废弃虾壳利用技术污染严重、能耗大和水耗大等问题，开展了利用功能化离子液体溶解、分离及转化虾蟹壳中甲壳素的关键科学问题研究。开发了新型的绿色、高效的甲壳素制备及转化技术，获得了离子液体与甲壳素分离及转化性能之间的构效关系，揭示了离子液体与虾蟹壳中蛋白质、碳酸钙及甲壳素的相互作用机理及调控机制，为甲壳素纯化、甲壳素材料制备及甲壳素衍生物转化等提供了新方法和理论支撑。. 完成主要研究如下：（1）完成了20余种胆碱、醋酸及低共熔离子液体的合成纯化；（2）获得了所合成离子液体溶解分离甲壳素的构效关系及离子液体与各组分的作用机理和协同增强效应；（3）实现了金属低共熔离子液体中从虾壳一步制备甲壳素/金属复合物的方法及制备机理；（4）实现了酸性低共熔离子液体中从虾壳一步制备酰化甲壳素的方法及制备机理；（5）开发了有机酸-胆碱离子液体体系甲壳素分离工艺及工艺包。. 取得主要成果如下：（1）获得了离子液体体系中甲壳素溶解分离的作用机理和调控机制，建立离子液体结构与甲壳素溶解分离性能之间的构效关系；（2）获得了多功能低共熔离子液体中甲壳素复合物及衍生物的制备方法及形成机理，揭示了蛋白质、碳酸钙及甲壳素与低共熔离子液体的不同作用方式；（3）基于有机酸-胆碱离子液体工艺，建立了公斤级甲壳素制备装置，形成吨级生产工艺包，为甲壳素绿色生产提供了基础数据及理论支撑；（4）发表SCI文章16篇，出版英文书籍1本；申请发明专利18项，授权专利14项，获得软件著作权1项；2017年获得中国科学院科技促进发展奖1项；2016年项目负责人获得了山东省东营市“黄河三角洲学者”，并被聘为中国化工学会离子液体专业委员会、中国化学会化学热力学和热分析学术委员会和全国循环经济与生态工业学术委员会委员；在国际/国内会议做大会/邀请报告8次，培养副研究员4名，博士后1名，博士/硕士生各4名。