[发明专利]离子聚合物及其在生物质处理中的用途

说明书

本发明提供了由阴离子和包含阳离子的聚合物主链组成的离子聚合物(IP)。本发明还提供了掺入膜中或附着于固体载体上的离子聚合物，以及该离子聚合物在生物质处理中的用途。

技术领域

本发明提供了由阴离子和包含阳离子的聚合物主链组成的离子聚合物(IP)。本发明还提供了掺入膜中或附着于固体载体上的离子聚合物，以及该离子聚合物在生物质处理中的用途。

背景技术

木质纤维素生物质(或简称生物质)主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，根据生物质的类型，它们是交联的、被捕获的(trapped)、或甚至是彼此非共价连接的、或彼此通过酸性残基共价连接的。化学键的选择性断裂导致形成不同类型的多糖和/或寡糖，例如，具有可变聚合度的β-葡聚糖、果聚糖、木聚糖、阿拉伯木聚糖、甘露聚糖、半乳聚糖、或其组合。

被宿主微生物选择性地利用以赋予健康益处的多酚和碳水化合物，包括一些多糖和寡糖，被称为益生元(Glenn R.Gibson,Nature Reviews GastroenterologyHepatologyvolume 14,pages 491-502(2017))。目前大多数用作益生元的寡糖是由天然来源水解产生的，其是通过对多糖及其组合进行水热水解、酶水解、或酸/碱水解而获得。

通过水热水解提取寡糖通常需要从原料中释放多糖，然后解聚，但是通常使用高温(190℃)，并且会形成糖脱水的副产物。化学溶剂方法的主要缺点是寡聚物的水解是不可持续的，并且需要通过大量渗析或超滤来除去化学品，花费昂贵。另外，由于细胞壁聚合物结构的不受控制的裂解，观察到副产物的形成。

可以更加有针对性地进行酶水解，以避免其他两个方法中的一些副产物的形成，但是该方法的效率低得多，反应时间长，需要进行额外的预处理和后处理，并且产率和生产率较低。所使用的酶纯度也是一个问题，其伴随着所观察到的导致副产物形成的背景活性。最后，由于所有这些缺点，用于益生元生产过程的酶水解通常比传统的水和酸/碱水解更昂贵。

作为常规无机酸水解的替代方法，还存在其他几种方法，例如使用固体酸催化剂，由于简化了下游处理，因此被认为对环境更加友好。例如，磺酸(-SO₃H)官能化的固体催化剂对纤维素水解显示出高效的催化性能，并且根据载体的形态表现出不同的催化作用。

作为进一步的选择，离子液体(IL)已用于生物质的处理中。研究证明了在纤维素的水解中使用离子液体的益处。由于纤维素中糖苷键的可接近性，纤维素的溶解能够增加反应速率。另一份报告再次建议了IL用作纤维素的溶剂的用途，但与固体酸催化剂一起用于纤维素的水解。尽管该体系证实了将纤维素转化为单糖的能力，但由于混合效率低导致多相催化的产率较低。US2010/0319862A1(The Board of Trustees of the Universityof Alabama)公开了一种涉及包含离子液体(IL)和分馏聚合物(例如聚亚烷基二醇)的多相(例如，双相)组合物在基本上不含水的情况下用于处理生物质的方法。

最近，含有酸性单元的IL在选择性解构生物质以及成分的同时催化转化方面显示出高性能。例如，US8,575,374B1(DeLong等人)公开了涉及将生物质溶解在包含离子液体溶剂和作为解聚催化剂的离子液体催化剂的均一溶液中的解聚方法。通过加热和搅拌离子液体溶剂和离子液体催化剂的溶液来促进解聚反应速率。然而，在用固体酸和/或IL水解期间的主要缺点是浸出和/或分离困难，这限制了它们的应用。