本发明涉及一种功能基化后交联树脂及其制备方法和应用，属于树脂合成及其应用
技术领域：
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背景技术：
：dha(1，3-二羟基丙酮)是一种简单酮糖，带有甜味的白色粉末状结晶，易溶于水以及乙醇、丙酮和乙醚等有机溶，分子量90.08。dha具有热敏性与浓度增大黏度极具增大的特性，导致不可以对其直接进行结晶提纯，且dha的溶解度以及大量杂质的存在都会影响dha的结晶，浓缩过程的高温条件也会引起dha的大量降解。现有dha分离提取的方法有薄膜蒸发法、溶剂萃取法、膜分离法、醇沉蒸发-结晶法和浓缩结晶法等。薄膜蒸发适合热敏性物质蒸发，martin等针对dha热敏缺点，利用薄膜蒸发器建立了一种从有机溶剂中分离dha的分离方法；张小飞等人通过乙醛与dha发生可逆缩醛反应和甲苯同步萃取耦合的方法有效分离稀溶液中的dha，但相对繁琐的操作与反应条件，低dha浓度要求限制了其应用。马立娟等采用醇沉-蒸发法对发酵液进行同时除蛋白和脱盐操作然后结合结晶操作获得dha晶体；yamada等采用离子交换除盐，结合冰乙醇反溶剂结晶的方法获得dha产品；郑裕国等采用硅胶吸附层析柱吸附分离dha产品；上述三种技术基于dha结晶特性进行分离纯化，采用的提取介质和提取条件对dha造成的损失大，耗费乙醇、乙酸乙酯等有机溶剂量高，甘油等有机物影响dha的结晶条件与纯度，且缺乏高选择性的dha分离材料，难以高效的分离dha，限制了在工业领域的大规模应用。吸附法是一种高效的资源化处理技术，其设备与操作简单、富集因子高、无乳化现象、试剂消耗量低，最重要的一点是，可重复利用率高且吸附能力保持较好。吸附树脂作为一种新兴的吸附剂，与活性炭、分子筛、壳聚糖等相比，具有应用范围广、处理效率高、固液分离容易等特点。在发酵液体系中，dha含量可达50g/l以上，盐、甘油、乳酸、氨基酸、蛋白质等多种杂质浓度较高，均干扰树脂材料对dha的吸附容量与选择性，常规离子交换树脂、超高交联树脂等表现较差，难以有效富集dha且实现选择性吸附，吸附容量通常在50mg/g-80mg/g。因此，提供一种具备高效高选择性的吸附树脂用来吸附分离dha是十分必要的。技术实现要素：本发明针对发酵液体系杂质复杂含量高，dha本身化学结构与物理性质敏感，分离提取困难的问题，提供一种具备高效高选择性的吸附树脂用来吸附分离dha。本发明的技术方案：一种功能基化后交联树脂，该树脂是以氯球树脂为原料，通过路易斯酸催化采用傅克烷基化反应制备后交联树脂，并通过取代、酰化或酯化反应引入含氮、氧、硼元素的官能团获得的。其中氯球树脂为氯甲基聚苯乙烯二乙烯苯树脂。反应原理示意如下式所示：本发明的功能基化后交联树脂的制备方法，具体操作步骤如下：步骤一、将氯球置于溶胀剂中，在室温下溶胀12h，然后加入催化剂，室温下机械搅拌，然后在15min～30min内加热至80℃，保温反应4h，过滤，获得树脂，清洗，干燥，获得后交联树脂；步骤二、将后交联树脂置于溶胀剂中，在室温下溶胀2h，然后加入二苄氧羰基保护的脂肪胺中间体与缚酸剂，在22℃～80℃下机械搅拌反应1h～10h，过滤，对滤出物进行清洗，干燥，获得酰化树脂；步骤三、将酰化树脂置于溶剂中，在室温下溶胀2h，然后在惰性气体的保护下加入hbr的乙酸溶液，在22℃～80℃下机械搅拌反应1h～10h，过滤，清洗，干燥，获得取代树脂；步骤四、将取代树脂置于溶剂中，在室温下溶胀2h，向取代树脂中加入功能基分子与缩合剂，然后在22℃～80℃下机械搅拌反应1h～10h，过滤，清洗，干燥，获得功能基化后交联树脂。进一步限定，步骤一中溶胀剂为n,n-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、氯苯、1,2-二氯乙烷、硝基苯中的一种或几种的任意比例组合；催化剂为无水氯化锌、无水氯化铁、无水氯化铝中的一种或几种的任意比例组合。进一步限定，步骤二中溶胀剂为n,n-二甲基甲酰胺、1,2-二氯乙烷、硝基苯、水、盐酸、丙酮中的一种或几种的任意比例组合；二苄氧羰基保护的脂肪胺中间体的脂肪胺前体为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺或n,n-双(2-乙氨基)乙基-1，2-二胺；缚酸剂为碳酸钠、碳酸铯、吡啶、4-二甲氨基吡啶中的一种或几种的任意比例组合。进一步限定，步骤三中溶剂为甲醇、乙醇、乙酸乙酯中的一种或几种的任意比例组合；hbr的乙酸溶液的hbr浓度为20wt％～35wt％。进一步限定，步骤四中溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、氯苯、1,2-二氯乙烷、乙酸乙酯中的一种或几种的任意比例组合；功能基分子为含氮、氧、硼元素分子，含氮、氧、硼元素分子为没食子酸、对羧基苯硼酸、对羧基苯甲醛、五元单糖、六元单糖或氨基酸；缩合剂为hatu、hobt、pybop、tatu、dcc、cdi、edci中的一种或几种的任意比例组合。功能基化后交联树脂吸附分离dha的方法，该方法包括以下步骤：步骤1，预处理：向含dha微生物发酵液中加入壳聚糖乙酸水溶液和活性炭，搅拌后过滤，使用蒸馏水洗涤滤渣3次，收集滤液和洗涤液；步骤2，吸附分离：将功能基化后交联树脂湿法装柱，树脂柱的径高比为1:(10-40)，收集的滤液和洗涤液以流速1ml/min-10ml/min进行上柱吸附，待流出液dha含量为90g/l，停止上样；步骤3，脱附精制：使用脱附液以1bv/h流速逆流洗脱，检测流出液中dha含量，直至洗脱完全，收集洗脱液，进行真空浓缩，然后将浓缩液在-20～10℃下重结晶溶剂中获得白色dha晶体。进一步限定，含dha微生物发酵液中dha含量为1g/l～150g/l。进一步限定，壳聚糖乙酸水溶液是壳聚糖浓度为0.1％～0.5％，乙酸浓度为0.1％～5％的水溶液。进一步限定，脱附液为水、乙醇、丙酮、正丁醇、乙酸乙酯中的一种或几种的任意比例组合；重结晶溶剂为乙醇、正丁醇、正丙醇、乙酸乙酯中的一种或几种的任意比例组合。本发明具有以下有益效果：针对生物发酵dha分离纯化过程中，发酵液中除dha以外，还含有大量水分、底物甘油以及菌体、蛋白质、无机盐、色素等其他成分，且dha本身化学结构与物理性质与甘油相近，并对热、酸、碱性条件甚为敏感，分离提取困难的问题。本发明基于dha分子尺寸小，极性大、含一个酮羰基、两个羟基的化学结构特点，以聚苯乙烯树脂为原料，通过路易斯酸催化采用傅克烷基化反应调控后交联反应，赋予后交联树脂较高的比表面积与较小的微孔尺寸，然后通过引入含氮、氧、硼等官能团提高树脂的极性与选择性，优化树脂对dha的吸附性能，并配套高效脱附结晶工艺制备dha产品。本工艺避免了dha分离过程中dha稳定性差，杂质多，收率低等缺点，依托高效功能基树脂实现选择性吸附分离dha，有效降低发酵液中dha的提纯成本的同时，减少dha损失，获得高收率高纯度高品质的dha产品，在dha等生物发酵产品的分离制备领域具有广泛用途。附图说明图1为实施案例5制得的树脂对发酵液中dha的动态分离效果具体实施方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。本发明通过控制傅克烷基化反应试剂的种类、用量以及反应的时间、温度等条件，能够制备出一系列不同氯含量、不同孔径的高比表面积后交联树脂。围绕剩余氯甲基位点，通过调控功能基种类、缚酸剂种类以及反应的时间、温度等条件，引入有机胺、氨基酸、糖、多酚等功能基，制备高效吸附dha的功能基修饰后交联树脂。具体实施方式1：制备后交联树脂在装有搅拌器和温度计的250ml三口瓶中加入100ml的硝基苯和10g的氯球，室温下溶胀12h；加入1.2g的无水氯化铝，体系在常温下机械搅拌下混匀。体系升温到135℃，开始计时。反应4h后，停止反应；过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得后交联树脂。反应方程式如下所示：具体实施方式2：制备含氧功能基树脂步骤一：在装有搅拌器和温度计的100ml三口瓶中加入50ml的硝基苯和6g的氯球，室温下溶胀12h；加入1.2g的无水氯化铝，体系在常温下机械搅拌下混匀。体系升温到60℃，开始计时。反应4h后，停止反应；过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得后交联树脂。步骤二：取5g的后交联树脂和50ml的n,n-二甲基甲酰胺于100ml的三口烧瓶中，溶胀12h；然后加入2.5g的2,3,4-三羟基苯甲酸与1g的nahco3，体系在室温机械搅拌30min后升温至90℃，开始计时。反应10h后，停止反应。过滤出树脂，以1％盐酸在超声下清洗2次，而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得酰化树脂。反应方程式如下所示：具体实施方式3：制备含氮功能基树脂步骤一：在装有搅拌器和温度计的100ml三口瓶中加入50ml的硝基苯和6g的氯球，室温下溶胀12h；加入1.2g的无水氯化铝，体系在常温下机械搅拌下混匀。体系升温到60℃，开始计时。反应4h后，停止反应；过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得后交联树脂。步骤二：取5g的后交联树脂和50ml的n,n-二甲基甲酰胺于100ml的三口烧瓶中，溶胀12h；将体系温度控制在25℃，加入2.67g二苄氧羰基保护的二乙烯三胺与1.38g的cs2co3，升温至60℃下机械搅拌反应6h，过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得酰化树脂。步骤三：取5g酰化树脂和50ml的甲醇于100ml的三口烧瓶中，溶胀12h；在氮气保护条件下加入hbr的乙酸溶液(50ml)，25℃搅拌反应24h，过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h；获得取代树脂。反应方程式如下所示：具体实施方式4：功能基化后交联树脂(i)步骤一：在装有搅拌器和温度计的100ml三口瓶中加入50ml的硝基苯和6g的氯球，室温下溶胀12h；加入1.2g的无水氯化铝，体系在常温下机械搅拌下混匀。体系升温到60℃，开始计时。反应4h后，停止反应；过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得后交联树脂。步骤二：取5g的后交联树脂和50ml的n,n-二甲基甲酰胺于100ml的三口烧瓶中，溶胀12h；将体系温度控制在25℃，加入2.67g二苄氧羰基保护的二乙烯三胺与1.38g的cs2co3，体系在60℃下机械搅拌反应6h。过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得酰化树脂。步骤三：取5g酰化树脂和50ml的甲醇于100ml的三口烧瓶中，溶胀12h；在氮气保护条件下加入hbr的乙酸溶液(50ml)，25℃搅拌反应24h，过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得取代树脂。步骤四：取5g取代树脂和50ml的n,n-二甲基甲酰胺于100ml的三口烧瓶中，溶胀12h；加入1.23g没食子酸与2.72g缩合剂2-(7-偶氮苯并三氮唑)-n,n,n",n"-四甲基脲六氟磷酸酯(hatu)25℃搅拌反应24h，过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得功能基化后交联树脂(i)。反应方程式如下所示：具体实施方式5：功能基化后交联树脂(ii)步骤一：在装有搅拌器和温度计的100ml三口瓶中加入50ml的硝基苯和6g的氯球，室温下溶胀12h；加入1.2g的无水氯化铝，体系在常温下机械搅拌下混匀。体系升温到60℃，开始计时。反应4h后，停止反应；过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得后交联树脂。步骤二：取5g的后交联树脂和50ml的n,n-二甲基甲酰胺于100ml的三口烧瓶中，溶胀12h；将体系温度控制在25℃，加入2.67g二苄氧羰基保护的二乙烯三胺与1.38g的cs2co3，体系在60℃下机械搅拌反应6h。过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得酰化树脂。步骤三：取5g酰化树脂和50ml的甲醇于100ml的三口烧瓶中，溶胀12h；在氮气保护条件下加入hbr的乙酸溶液(50ml)，25℃搅拌反应24h，过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h；获得取代树脂。步骤四：取5g取代树脂和50ml的n,n-二甲基甲酰胺于100ml的三口烧瓶中，溶胀12h；加入1.14g对羧基苯硼酸与2.72g缩合剂2-(7-偶氮苯并三氮唑)-n,n,n",n"-四甲基脲六氟磷酸酯(hatu)25℃搅拌反应24h，过滤出树脂，用工业乙醇和纯水冲洗。而后用工业乙醇和纯水在超声下各清洗4次(每次30min)。清洗干净后，树脂移入70℃鼓风干燥箱内，干燥12h，获得功能基化后交联树脂(ii)。反应方程式如下所示：具体实施方式6：适应上述具体实施方式1～5制备的树脂提出发酵液中dha步骤一、预处理：取含dha微生物发酵液100ml，加入絮凝剂(1.5ml,1g/l壳聚糖溶液)与活性炭(1.5g)室温搅拌0.5h后过滤，蒸馏水洗滤渣3次，收集滤液。步骤二、吸附分离：分别使用具体实施方式1～5制得的树脂湿法装柱，树脂柱的径高比为1:40，树脂用量为500mg/20ml，收集的滤液和洗涤液以流速1ml/min进行上柱吸附，待流出液dha含量为90g/l，停止上样。步骤三、脱附精制：对每一个树脂柱使用脱附液以1bv/h流速逆流洗脱，dha初始浓度吸附温度为30℃，检测流出液中dha含量，吸附时间为24h直至洗脱完全，收集洗脱液，进行真空浓缩，然后将浓缩液在5℃下无水乙醇中获得白色dha晶体。测试结果如下表所示：具体实施方式比表面积(m2/g)dha的吸附量(mg/g)11475.190.52536.696.63593.5116.84597.4176.55613.7190.2由上表可知，在50g/l的dha水溶液中进行吸附实验，对氯甲基聚苯乙烯二乙烯苯树脂进行完全后交联反应所得的对照树脂1比表面积高达1475.1m2/g，但高比表面积并未带来吸附容量的显著提升，仅为90.5mg/g。而通过后交联反应调控结构基础上，引入含氧功能团制备的没食子酸树脂，吸附容量提升至96.6mg/g，引入二乙烯三胺后吸附容量进一步提升至116.8mg/g，所选官能团的修饰提高了树脂表面极性，提高了对dha的吸附能力。进一步于二乙烯三胺连接臂引入没食子酸所得树脂吸附容量达到176.5mg/g，而引入对羧基苯硼酸树脂达到了190.2mg/g，均显著提高了树脂对dha的吸附能力。并对dha吸附量大的具体实施方式4和具体实施方式5制得的树脂吸附分离精制获得的白色dha晶体进行对比，如下表所示：具体实施方式dha收率(％)dha纯度(％)48598.859099.1具体实施方式7：取dha发酵液清液50ml(50g/l)，以1bv/h的流速逆流通过装有33ml具体实施方式5制备的功能基化后交联树脂(ii)的树脂柱，树脂柱的径高比为1:40，收集流出液；采用蒸馏水作为脱附剂以1bv/h的流速逆流脱附2bv，收集流出液，并对流出液中dha含量进行检测，绘制功能基后交联树脂(ii)对发酵液中dha的动态分离效果如图1所示。由图1所示，树脂吸附1bvdha发酵液后，选择蒸馏水以2bv进行脱附可实现dha的高效再生，dha可完全脱附至流动相中，功能基后交联树脂可以高效吸附dha且脱附再生。综上所述，本发明针对发酵液体系杂质复杂含量高，dha本身化学结构与物理性质敏感，分离提取困难难题，通过设计制备了一类新型功能基改性树脂及构建了高效的吸附分离方法，有效降低成本，减少dha损失，获得高收率高纯度高品质的dha产品，对新型功能基树脂应用于发酵液dha分离回收具有重要的意义。当前第1页1 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技术特征：
1.一种功能基化后交联树脂，其特征在于，该树脂是以氯球树脂为原料，通过路易斯酸催化采用傅克烷基化反应制备后交联树脂，并通过取代、酰化或酯化反应引入含氮、氧、硼元素的官能团获得的。
2.如权利要求1所述的一种功能基化后交联树脂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将氯球置于溶胀剂中，在室温下溶胀12h，然后加入催化剂，室温下机械搅拌，然后在15min～30min内加热至80℃，保温反应4h，过滤，获得树脂，清洗，干燥，获得后交联树脂；
步骤二、将后交联树脂置于溶胀剂中，在室温下溶胀12h，然后加入二苄氧羰基保护的脂肪胺中间体与缚酸剂，在22℃～80℃下机械搅拌反应1h～10h，过滤，对滤出物进行清洗，干燥，获得取代树脂；
步骤三、将取代树脂置于溶剂中，在室温下溶胀12h，然后在惰性气体的保护下加入hbr的乙酸溶液，在22℃～80℃下械搅拌反应1h～10h，过滤，清洗，干燥，获得含氮功能基树脂；
步骤四、将含氮功能基树脂置于溶剂中，在室温下溶胀12h，向取代树脂中加入功能基分子与缩合剂，然后在22℃～80℃下机械搅拌反应1h～10h，过滤，清洗，干燥，获得功能基化后交联树脂。
3.根据权利要求2所述的一种功能基化后交联树脂的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中溶胀剂为n,n-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、氯苯、1,2-二氯乙烷、硝基苯中的一种或几种的组合；催化剂为无水氯化锌、无水氯化铁、无水氯化铝中的一种或几种组合。
4.根据权利要求2所述的一种功能基化后交联树脂的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中溶胀剂为n,n-二甲基甲酰胺、1,2-二氯乙烷、硝基苯、水、盐酸、丙酮中的一种或几种组合；二苄氧羰基保护的脂肪胺中间体的脂肪胺前体为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺或n,n-双(2-乙氨基)乙基-1，2-二胺；缚酸剂为碳酸钠、碳酸铯、吡啶、4-二甲氨基吡啶中的一种或几种组合。
5.根据权利要求2所述的一种功能基化后交联树脂的制备方法，其特征在于，所述的步骤三中溶剂为甲醇、乙醇、乙酸乙酯中的一种或几种组合；hbr的乙酸溶液的hbr浓度为20wt％～35wt％。
6.根据权利要求2所述的一种功能基化后交联树脂的制备方法，其特征在于，所述的步骤四中溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、氯苯、1,2-二氯乙烷、乙酸乙酯中的一种或几种组合；功能基分子为没食子酸、对羧基苯硼酸、对羧基苯甲醛、五元单糖、六元单糖或氨基酸；缩合剂为hatu、hobt、pybop、tatu、dcc、cdi、edci中的一种或几种组合。
7.如权利要求1所述的一种功能基化后交联树脂吸附分离dha的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，预处理：向含dha微生物发酵液中加入壳聚糖乙酸水溶液和活性炭，搅拌后过滤，使用蒸馏水洗涤滤渣3次，收集滤液和洗涤液；
步骤2，吸附分离：将功能基化超高交联树脂湿法装柱，树脂柱的径高比为1:(10-40)，步骤一收集的滤液和洗涤液以流速1ml/min-10ml/min进行上柱吸附，待流出液dha含量为90g/l，停止上样；
步骤3，脱附精制：使用脱附液以1bv/h流速逆流洗脱，检测流出液中dha含量，直至洗脱完全，收集洗脱液，进行真空浓缩，然后将浓缩液在-20～10℃下重结晶溶剂中获得白色dha晶体。
8.根据权利要求7所述的一种功能基化后交联树脂吸附分离dha的方法，其特征在于，所述的含dha微生物发酵液中dha含量为1g/l～150g/l。
9.根据权利要求7所述的一种功能基化后交联树脂吸附分离dha的方法，其特征在于，所述的壳聚糖乙酸水溶液是壳聚糖浓度为0.1％～0.5％，乙酸浓度为0.1％～5％的水溶液。
10.根据权利要求7所述的一种功能基化后交联树脂吸附分离dha的方法，其特征在于，所述的脱附液为水、乙醇、丙酮、正丁醇、乙酸乙酯中的一种或几种组合；重结晶溶剂为乙醇、正丁醇、正丙醇、乙酸乙酯中的一种或几种组合。
技术总结
本发明公开了一种功能基化后交联树脂及其制备方法和应用，属于树脂合成及其应用技术领域。本发明针对发酵液体系杂质复杂含量高，DHA本身化学结构与物理性质敏感，分离提取困难的问题。本发明基于DHA分子尺寸小，极性大、含一个酮羰基、两个羟基的化学结构特点，以聚苯乙烯树脂为原料，通过路易斯酸催化采用傅克烷基化反应调控后交联反应，赋予后交联树脂较高的比表面积与较小的微孔尺寸，然后通过引入含氮、氧、硼等官能团提高树脂的极性与选择性，优化树脂对DHA的吸附性能，并配套高效脱附结晶工艺制备DHA产品。本发明依托高效功能基树脂实现选择性吸附分离DHA，有效降低发酵液中DHA的提纯成本的同时，减少DHA损失。
技术研发人员：姜龙;徐超;咸漠;靳超;刘耀杰;柳林杰
受保护的技术使用者：中国科学院青岛生物能源与过程研究所
技术研发日：.11.26
技术公布日：.02.28
