含有重金属螯合基的温敏聚合物及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种溫敏聚合物及其制备方法和应用，特别是一种含有重金属馨合基 的溫敏聚合物及其制备方法和在重金属污染生物质生物转化中的应用。
【背景技术】
[0002] 传统化工炼制利用不可再生的化石资源，创造了大量的物质财富，极大地促进了 社会发展与进步；但是，也产生了环境污染、全球变暖、化石资源日益枯竭等负面影响。世界 能源组织预测2030年的世界能源需求将是2005年的1. 5倍W上；2030年亚洲能源需求将 是2005年的2. 1倍W上；2030年二氧化碳排放量将是2002年的1. 5倍W上。国际能源网 公布2010年世界二氧化碳排放量为331. 6亿吨；其中，我国二氧化碳排放量为83. 3亿吨， 占世界份额的25. 1%，居世界第一位。目前，在美国和己西已经成功地利用玉米和甘薦大规 模生产乙醇。它的特点是生产方法简单，生产效率高。但由于把运些农作物利用于生产生 物燃料而使得谷物价格高涨，给还处于生活贫困尚未达到溫饱的发展中国家造成很大的负 面影响。地球上最广泛存在的生物质为木质纤维素。如果能把丰富的农林废渣等生物质资 源应用于生物燃料、生物材料的生产中，不仅不会造成粮食的紧缺，还可W达到振兴农业经 济，消减贫困的目的。我国年产农作物賴杆约6.6亿吨W上。W现有技术计算(纤维素含量 30%，糖化率60%，回收率90%)，我国有年产1亿吨W上单糖(主要指葡萄糖）的潜力。
[0003] 目前，我国±壤重金属污染严重，如何有效利用被重金属污染的生物质是我们研 究的重点之重。植物的根茎部分有很强的重金属富集能力。把重金属高富集生物质通过物 理、化学方法进行预处理，然后通过微生物发酵生成生物燃料可W把重金属从食物链中脱 离出来，既可W有效地修复被污染±壤，又可W减少人类对石油基资源的依赖，是一种非常 有潜力的处理方法。同时，转化被污染的生物质为有用物质也可W降低±壤修复的成本，被 回收的重金属可再利用，变废为宝。利用乙醇汽油亦可W减少雾靈程度，提高空气质量。但 是，生物质的预处理、糖化后，释放出来的重金属会对发酵产生抑制作用，降低发酵效率。同 时，由于发酵后发酵液中含有重金属，如何防止重金属排放造成的二次污染也必须考虑。目 前，对含重金属废水传统的处理方法有化学沉淀法、离子交换法、结晶、液一液萃取法和吸 附法等，但均具有处理成本高、易造成二次污染等缺点。邸TA、肥DTA等馨合剂可W降低重 金属的抑制作用，但是馨合剂的使用会提高试剂成本，同时，带来馨合剂回收的问题。
[0004] 溫度响应聚合物是智能聚合物中最为重要的类型之一。运类聚合物通常具有一个 最低临界溶液溫度（LCST)。在该溫度W下，聚合物在水中处于良好的溶解状态，当溫度升 至LCST及W上时，聚合物链和水之间的氨键作用被破坏，聚合物链开始脱水，随之产生链 段塌陷而聚集，相应的水溶液也从均相转变为非均相，且该过程一般具有可逆性。溫度敏感 树形聚合物结合了溫敏聚合物对溫度具有响应行为的特点W及树形聚合物非线形构造的 方式、大尺度、结构易于调节和功能化等特征，在智能材料和生物医药等领域有着重要的研 究价值和应用前景。但是，到目前为止，还没有关于溫敏聚合物在生物炼制中的应用方面的 研究，特别是关于重金属富集生物质的生物转化方面的研究。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的之一在于提供一种含有重金属馨合基的溫敏聚合物，提高W重金属 富集生物质为原料的发酵工艺效率及简化后续的重金属回收工艺。
[0006] 本发明的目的之二在于提供该溫敏聚合物的制备方法。
[0007] 本发明的目的之=在于提供该含有重金属馨合基的溫敏聚合物在重金属污染生 物质生物转化中的应用。
[0008] 为实现上述目的，本发明所采用的反应机理为：
根据上述反应机理，本发明采用如下技术方案： 一种含有重金属馨合基的溫敏聚合物，其特征在于该含有重金属馨合基的溫敏聚合物 的结构式为：
其中 100《m《1000,20《n《200,m/n= 5:1。
[0009] -种制备上述的含有重金属馨合基的溫敏聚合物的方法，其特征在于该方法的具 体步骤为： a.在冰盐浴条件下，将化合物2- (2-氨乙基氨基）乙醇溶于四氨巧喃中，再滴加漠乙 酸叔下醋的四氨巧喃溶液，混合物揽拌30min后，升至室溫，反应进行46h;结束后，用饱 和食盐水洗涂，二氯甲烧萃取，有机层用无水Na2S〇4干燥，经提纯、蒸干溶剂后，得到叔下基 保护的径乙基乙二胺=乙酸；所述的2- (2-氨乙基氨基）乙醇和漠乙酸叔下醋的摩尔比 为 1:3. 3; b.将步骤a所得叔下基保护的径乙基乙二胺S乙酸、4-二甲氨基化晚和S乙胺按 1:1. 5 :21的摩尔比溶于干燥的二氯甲烧中，在冰浴和惰性气体保护下，滴加甲基丙締酷氯 的二氯甲烧溶液，反应进行12小时；结束后，体系用饱和食盐水洗涂，二氯甲烧萃取，再用 无水Na2S〇4干燥；再经过分离提纯、蒸干溶剂后，得到单体MH;所述的叔下基保护的径乙基 乙二胺S乙酸与甲基丙締酷氯的摩尔比为1:3 ; C.将一代树枝化单体MG巧P步骤b所得的单体M田安5:1的比例溶于二甲基甲酯胺中， 在惰性气体保护下，在60化溫度下反应8小时；反应结束后，冷却至室溫，再经分离提纯， 蒸干溶剂后，得到含有叔下基保护的溫敏聚合物； d.将步骤C所得含有叔下基保护的溫敏聚合物溶于四氨巧喃中，在冰浴下，进行叔下 基脱保护反应；结束后，先蒸干溶剂，再加去离子水溶解，经透析、冷冻干燥，得到目标聚合 物含有重金属馨合基的溫敏聚合物。
[0010] 上述的含有重金属馨合基的溫敏聚合物在重金属污染生物质生物转化中的应用。
[0011] 上述的含有重金属馨合基的溫敏聚合物在减少微生物细胞内重金属的聚集，从而 降低重金属对发酵的抑制作用中的应用。
[0012] 利用含有重金属馨合基的溫敏聚合物馨合发酵液中的重金属及发酵后利用溫敏 聚合物的相变分离重金属的方法，包含如下步骤： (1) 重金属富集生物质糖化后，在糖化液发酵或同时糖化发酵过程中添加合成了肥DTA 馨合基的溫敏聚合物；在发酵同时，肥DTA馨合重金属，减少微生物细胞内重金属的聚集， 从而降低重金属对发酵的抑制作用； (2) 步骤（1)发酵结束后，分离微生物及其他固形物；在升溫回收生成物的同时，溫敏 聚合物发成相变，从而分离溫敏聚合物和重金属的馨合物； (3) 步骤（2)的溫敏聚合物和重金属的馨合物经盐酸等无机酸处理后，重金属从溫敏聚 合物上脱离； (4) 升溫步骤（3)的液体使溫敏聚合物发成相变，分离重金属及溫敏聚合物； (5) 步骤（4)中得到的重金属回收、再利用； (6) 步骤（4)中得到的溫敏聚合物再次利用到步骤（1)，重复使用。
[0013] 在没有利用溫敏聚合物的条件下，重金属对发酵的抑制性作用非常明显，发酵效 率急剧下降。本发明利用溫敏聚合物在发酵过程中馨合重金属，重金属被馨合基馨合在溫 敏聚合物上，由于溫敏聚合物的大分子量使重金属难W进入细胞内，从而极大地缓解了重 金属的抑制作用，提高了发酵效率。发酵后，利用溫敏聚合物的相变特性，相变分离重金属， 可W非常简单地分离重金属，从而简化重金属的分离工艺，有效提高发酵效率及简化重金 属回收工艺，提高重金属富集生物质在实际应用中潜在的经济效益和社会效益。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的聚合物PGmEDTA在DMSO-de中80化条件下的古NMR图谱。
[0015] 图2为本发明的溫敏聚合物在乙醇发酵中的作用，其中A为发酵过程中酵母OD的 变化；B为发酵过程中葡萄糖浓度的变化；C为发酵过程中乙醇浓度的变化。
[0016] 图3为肥DTA与溫敏聚合物PGl肥DTA在乙醇发酵中的比较，其中A为发酵过程中 酵母OD的变化；B为发酵过程中葡萄糖浓度的变化；C为发酵过程中乙醇浓度的变化。
[0017] 图4为肥DTA与溫敏聚合物PGl肥DTA对细胞富集儒离子的作用。
[001引图5为利用溫敏聚合物回收儒离子工艺的可行性。其中上清液1为：Cd:PGl肥DTA=I:1 ;上清液 2 为：Cd:PGl肥DTA=I:3。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，运些实例仅用于说明本发明而 不用于限制本发明的范围。
[0020] 实施例一： 1) 一代树枝化单体MGl的合成方法在前期工作中已报道。请参见化em.Commun. 2008 年，43 期，第 5523-5525 页。
[0021] 2)化合物2的合成：将化合物2- (2-氨乙基氨基）乙醇（0.57g，5.47mmol) 溶于干燥的THF(12mL)中，将体系放置在0化W下盐冰浴中，再将化合物漠乙酸叔下醋 (3.47g，17. 79mmol)溶于THF中，用注射器逐滴加入反应瓶中，揽拌30min后，将体 系放置在室溫下反应46h。反应结束后，用饱和食盐水洗涂，DCM萃取，再用无水Na2S〇4干 燥，粗产物经过硅胶柱层析提纯化exane/化OAc= 3/1)。蒸干溶剂后，得到叔下基保护的 肥DTA为无色液体（2.1g，80 %)，在冰箱中存放一天后变为无色晶体。古NMR(CDCI3): 5= 1.48 (S, 27H, (?), 2.81 扣 2H,細2)，2.82 - 2.85 (t, 4