高表面积固体和这些固体在用于实现液体基提取或酶促反应的方法中的应用技术

本公开涉及一种多孔液体或多孔液体酶，其包含高表面积固体和基本覆盖高表面积固体的液膜。所述多孔液体或多孔液体酶可与流体接触，所述流体与液膜不混溶从而形成液体‑流体界面。所述液膜可促进物质或底物跨过液体‑流体界面的传质。本公开还提供利用本公开的多孔液体或多孔液体酶进行液体基提取和酶促反应的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高表面积固体和这些固体在用于实现液体基提取或酶促反应的方法中的应用
本公开提供多孔液体(porousliquids)和多孔液体酶(porousliquidenzymes)及其使用方法。特别地，本公开的多孔液体可用于从工作流体中吸收或提取物质，且本公开的多孔液体酶可用于催化与工作流体中的底物(substrate)的反应。
技术介绍
在许多工艺(包括石油化学相关工艺，如液体基提取(liquid-basedextraction)和生物转化)中，跨过液体/流体界面的相互作用或质量传递起到重要作用，其中流体(也称为工作流体)可以是液体或气体。在液体基提取中，使含有需要分离和脱除的物类的工作流体与适当的液体(即提取或吸收要脱除的物类的液体)接触。为简单起见，必须脱除的物类可被称为污染物。液体和液体/流体接触器的适当选择允许污染物从工作流体向液体传质以便分离和脱除。在许多重要的工业应用中已实施液体基吸收/提取(Liquid-basedabsorption/extraction)。例如，通过使液态胺或苛性碱溶液(液体)与烟气(工作流体)接触，从烟气中脱除二氧化碳。酸性CO2分子跨过烟气/液体界面传递(即传质)到碱性胺(或苛性碱溶液，如KOH)中以选择性地与其反应并从气体料流(工作流体)中脱除。这种方法非常有益于脱除CO2，但该方法目前受困于为了控制粘度必须用水大幅度稀释胺和低的气液接触器效率。因此，该方法需要大型接触器和再生器。类似地，多年来已通过液体基相互作用进行从湿天然气中脱除水分子。使湿气体(工作流体)与二醇基液体(glycol-basedliquid)(液体)(如三乙二醇(TEG)液体)接触。水分子跨过TEG/天然气界面传递到液体中(传质)，其中通过与TEG分子的氢键合优先吸收水分子，由此导致从气体料流中脱除水分子(即天然气的脱水)。液体基提取的另一重要实例是从糖的水溶液中脱除反应抑制剂，如糠醛。由植物废料制成的糖含有糠醛，其对糖转化成生物燃料有害。因此，在将糖转化成生物燃料之前，必须从糖中脱除抑制剂糠醛。有效的液体基提取需要污染物跨过液体/流体界面的有效传质。液体基提取/吸收法的效率取决于跨过液体/流体界面的传质速率，其极大地受到液体和流体之间的界面表面积影响。因此，液体和流体之间的高表面积有利于可盈利的/高效的操作。如上文提到，许多商业方法通过在具有一个或多个接触器的塔中剧烈混合工作流体与液体来实现更高的表面积，所述接触器被设计为提高在固定体积中的流体与液体之间的表面积。但是，这种方法需要大量材料并消耗大量能量。即使如此，显著量的液体和流体仍由于差的表面积/体积比而没有相互作用。因此，显著量的液体和流体仍未使用并且低效。对高能混合和大体积容器的需要以及大量未使用的流体-液体通常使得现行方法的资本支出和运行支出高。因此，在液体基提取方法中需要提高工作流体和液体之间的表面积(即界面表面积)。这可通过降低所需液体-流体接触器尺寸而降低提取方法中的所需材料体积并降低资本支出和运行支出。除分子分离外，跨过液体/流体界面的传质对反应和产品升级至关重要。例如，在生物转化中，使用酶(生物催化剂)与烃类反应以生成高价值产品。因此，酶可用于除去杂原子或转化油组分以改进油及其精炼产品的产率和品质。酶的使用提供低压和低温的潜在加工优点。酶的利用不需要氢气，并与炼油厂操作相比具有低化学成本和最小化设备投资。但是，大多数天然酶表现出较低催化效率或与原生的水溶液相比在有机溶剂中变性。许多酶促反应(enzymaticreactions)用已固定在底物(substrate)上的酶进行，这是改进酶在有机溶剂中的稳定性的最常见方法之一。采用固定化酶的附加优点包括：(1)生物催化剂的多次重复使用；(2)酶容易与产物分离；(3)反应器设计的灵活性；(4)再生载体的能力；(5)在水性和有机溶剂中都可操作的可能性；和(6)使用柱式反应器在连续模式中运行的可能性。因此，当前的研究大多集中于用于酶固定化(enzymeimmobilization)的常见策略，包括经由疏水/离子相互作用吸附、共价键合、交联、截留(entrapment)等。(“StrategiesforStabilizationofEnzymesinOrganicSolvents,”ACSCatalysis2013,3:2823-2836)。但是，这些固定化方法在工业应用中面对规模化和可行性的许多限制。特别地，上文提到的固定化方法通常耗时、劳动密集、高成本并且需要有毒的化学品和复杂程序。因此，需要用于固定酶的高效、更简单和更低成本的方法，其不需要有毒化学品。专利技术概述本公开描述了多孔液体和多孔液体酶和使用其的方法。特别地，本专利技术人出乎意料地发现，本公开的多孔液体的使用是从工作流体中吸收或提取物质的成本有效和极其高效的方法。类似地，本公开的多孔液体酶的使用是催化与工作流体中的底物的反应的成本有效和非常高效的方法。特别地，本公开的一个方面提供一种多孔液体或多孔液体酶(即制品)，其包括高表面积固体和包封固体或浸注在固体表面粗糙或纹理内以基本覆盖高表面积固体的液体(例如高表面积固体的表面或表面积的至少30％、至少50％、至少70％或至少90％被浸注或包封的液膜覆盖)。工作流体与浸注或包封液体不混溶并形成液体-流体界面。本公开的液体在液体/流体界面处与工作流体相互作用。高表面积固体的固体表面可能必须化学和/或物理官能化以保留浸注液体和/或被液体包封。物理官能化包括固体表面的纹理化或粗糙化。化学官能化包括影响液体在固体上的可湿性的任何表面化学变化。在某些方面中，高表面积固体包括粗糙表面、纹理表面(例如具有固体特征阵列(amatrixofsolidfeatures)的表面)的至少一种或两者都包括。例如，可能粗糙的表面可包括在表面上的微米结构和/或纳米结构。在另一实施方案中，高表面积固体是具有粗糙和/或纹理表面的纤维。在某些实施方案中，多孔液体包括浸注在高表面积固体的至少一部分纹理内的液体。这在本文中被称为液体浸注表面(liquidinfusedsurface)、浸注液体(infusedliquid)等。当液体覆盖纹理的整个顶面时，其在本文中被称为液体包封固体(liquidencapsulatedsolid)、包封(encapsulation)等。液体浸注表面和液体包封固体在本文中都可被称为液体浸渍固体(liquidimpregnatedsolid)。在一些实施方案中，液膜可包括酶和/或是促进至少一种物质或底物跨过与流体形成的液体-流体界面的传质的膜，所述流体与液膜不混溶。在一些实施方案中，高表面积固体的表面积大于0.001m2/g(例如大约0.001m2/g至大约45m2/g)。高表面积固体的表面积S/高表面积固体的体积，S/V，大于180m-1、大于500m-1或大于1000m-1。对于这种计算，表面积S包括由该结构的向内和向外表面积提供的表面积。但是，考虑到难以计入微观表面粗糙度，S的计算假设向内和向外的表面是光滑的。例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔液体或多孔液体酶，其包含：/n高表面积固体；和/n涂布高表面积固体的表面积的至少30％的液膜。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181108 US 62/757,206;20181108 US 62/757,2091.一种多孔液体或多孔液体酶，其包含：
高表面积固体；和
涂布高表面积固体的表面积的至少30％的液膜。


2.权利要求1的多孔液体，其中所述高表面积固体包含以下至少一种：
粗糙表面、纹理表面或两者；
大于0.001m2/g的固体的表观表面积的总和；或
它们的组合。


3.权利要求1的多孔液体，其中所述高表面积固体包含足够紧密间隔的固体特征阵列以稳定地将液体容纳在它们之间，以使所述固体特征具有大约0.1μm至1000μm的平均尺寸和/或大约0.1μm至500μm的在它们之间的平均距离。


4.权利要求1的多孔液体，其中所述高表面积固体包括绒棉、玻璃、玻璃棉、聚乙烯、不溶性纤维、聚乙烯棉、石英、石英棉、纤维、聚合物纤维、3D打印结构或其组合。


5.权利要求1的多孔液体，其中所述高表面积固体由不与液膜反应的材料制成。


6.权利要求1的多孔液体，其进一步包含与所述液膜接触的流体，其中所述流体与液膜不混溶从而形成液体-流体界面。


7.权利要求1的多孔液体，其进一步包含大于180m-1的S/V，其中S是所述高表面积固体的表面积，且V是所述高表面积固体的体积。


8.权利要求1的多孔液体，其进一步包含与所述液膜接触的流体和至少150m-1的性能指数PI。


9.权利要求6的多孔液体，其中所述液膜促进至少一种物质或底物跨过液体-流体界面的传质。


10.权利要求1的多孔液体，其中所述液膜包含以下至少一种：
胺；
单乙醇胺；
四亚乙基五胺；
碱金属氢氧化物；
氢氧化钾；
氢氧化钠；
氢氧化锂；
二醇；
三乙二醇；
酶；
不大于1400μm的从粗糙或纹理的底部到液膜顶面的厚度；或
它们的组合。


11.一种进行液体基提取的方法，所述方法包括：
使(1)包含高表面积固体和液膜的多孔液体，其中：i)液膜涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·S·耶加内，P·科图诺夫，P·S·诺思罗普，X·张，G·皮洛尼，N·马，R·J·科尔比，李秋子，Z·M·萨默斯，M·S·艾德，
申请(专利权)人：埃克森美孚研究工程公司，
类型：发明
国别省市：美国;US