基于离子液体的抗生素发酵菌丝资源化过程的基础研究

Fermentation residue of antibiotics has the potential of inducing drug-resistance bacteria breeding, which attracted world-wide attention. As the main component of antibiotics residues, antibiotic mycelia, a renewable polymer is difficult to dissolve in conventional solvents, which limits the utilization of antibiotics residues. Ionic liquids as new-generation structure-adjustable solvent, afford the opportunity and challenge for green chemical engineering processes. This project is intended to indicate the key scientific points of the green dissolution of antibiotic mycelia in different ionic liquid systems, and explores the degradation and detoxification of bulk antibiotics (Penicillin G) in ionic liquids also. The dissociation mechanism of antibiotic mycelia in ionic liquids will be elaborated from the interactions of hydrogen bond，ions pair, function groups and the effects of many parameters including the position, number and conformation, respectively. The structure-function relationship and regulating law of ionic liquids composition to dissociation and spilling performance will be studied. The interaction and synergism of different function groups, ions and clusters will be discovered in binary or multiple ionic liquid systems. Degradation mechanism of antibiotics in ionic liquids with different structures will be investigated. High-efficiency comprehensive dissolution of antibiotic mycelia and its degradation models will be constructed. New theories and methods for antibiotic mycelia utilization will be set up, which can lay solid foundation for the preparation of novel composite degradable materials with antibiotic mycelia.

抗生素发酵菌渣因诱发耐药菌繁殖成为国际关注热点。其主要成分菌丝体为可再生高聚物，但在常规溶剂中难以溶解，制约了其资源化研究与应用。离子液体作为结构性质可调的新一代溶剂，为创建新型绿色过程提供了机遇和可能。本项目以功能化离子液体为介质，以典型大宗抗生素青霉素菌丝为研究对象，开展离子液体溶解菌丝体和抗生素在离子液体中降解脱毒的关键科学问题研究。重点探索菌丝体在离子液体体系中的氢键等作用解离机理，揭示离子液体活性基团的位点、数量和构象以及离子对、团簇结构与溶解性能的相互关系和协同作用本质，建立系统的功能化离子液体溶解菌丝体的影响因素和调控规律；研究不同离子液体结构对抗生素降解的影响变化规律及其降解机制，建立抗生素降解脱毒的预测模型，获得离子液体中菌丝体溶解利用的新理论和新方法，推动实现离子液体中抗生素菌丝的全组分资源化利用，并为进一步研究抗生素菌渣制备新型可降解复合材料奠定基础。

抗生素发酵菌渣因诱发耐药菌成为国际关注热点。其主要成分菌丝为可再生高聚物，但在常规溶剂中难以溶解，制约了其资源化研究与应用。离子液体作为结构性质可调的新一代溶剂，为创建新型绿色过程提供了机遇和可能。本项目以功能化离子液体为介质，以典型大宗抗生素青霉素菌丝为研究对象，重点研究菌丝在离子液体中溶解及抗生素在离子液体中降解脱毒等规律，为抗生素菌渣资源化利用和无害化处理提供科学依据。研究结果表明，多种亲水性离子液体在常温下对菌丝具有良好的溶解性能，且温度越高菌丝的溶解度越大。在[Bmim]Ac中获得了最佳的青霉素菌丝溶解效果，最佳溶解工艺条件为：温度90℃、[Bmim]Ac与菌丝质量比3.90:1、溶解时间60 min，在该条件下，菌丝的溶解率和溶解度分别达到84.70%（wt）和43.08 g/mol；在120℃时，菌丝的溶解率达到91.45%。DMSO等极性非质子溶剂和离子液体存在菌丝溶解协同效应，菌丝在DMSO/[Bmim]Ac复合溶剂中的溶解度提高了35.50%。采用溶剂化显色探针，以Kamlet-Taft溶剂化参数β和α分别表征离子液体阴离子和阳离子与溶解性能的关系，离子液体阴、阳离子结构对菌丝溶解性能均有显著影响，离子液体阴离子的氢键接受能力、阳离子的氢键给予能力均与菌丝溶解度间存在正相关的线性关系。采用核磁共振、红外光谱表征了菌丝的溶解机理，离子液体与菌丝间形成氢键是菌丝溶解过程的推动力，离子液体[Bmim]Ac的作用位点为Ac-中C=O与C-O的电负性氧原子与咪唑环中H2、H4、H5。研究了离子液体中青霉素的降解过程， pH、温度是影响青霉素降解的关键因素，青霉素在离子液体[Bmim]PF6中降解为3种产物，确定了降解产物结构，降解过程符合一级动力学方程，并推断了降解机理。基于离子液体菌丝高效溶解体系，建立了从溶解液中回收蛋白质、多糖等聚合物的回收工艺，回收产品中蛋白质和总糖质量分数分别为44.59%和48.47%。