[发明专利]一种含纤维素的生物质生产羟甲基糠醛的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种关于含纤维素的生物质为原料制备5-羟甲基糠醛的方法。

背景技术

世界各国对能源的巨大需求、石化资源的日益消耗以及全球气候变暖等问题再次激发了人们对可再生能源的兴趣，生物燃料成为首要的“新生力量”，受到国内外研究者的重视。生物资源蕴藏量极大，据估计植物每年贮存的能量约相当于全世界人类能耗的10倍，而作为能源的利用量不到其总量的1％。

一种生物质基液体燃料——2，5-二甲基呋喃受到众多研究者的关注，Nature和Science上多次发表文章探讨2，5-二甲基呋喃的制备过程及替代乙醇的可行性(Nature，2007，447，914-915，982-985，Sciences，2006，312，1933-1937)。与乙醇相比，2，5-二甲基呋喃能量密度高40％，沸点高20℃，而且与水不相溶，分离过程能耗低，产品安全、低毒，是一种新型的液体生物燃料。

生物质基2，5-二甲基呋喃主要通过两个反应得到：首先葡萄糖或果糖在盐和酸的催化作用下，生成中间化合物5-羟甲基糠醛，然后经过催化加氢过程将5-羟甲基糠醛转化为2，5-二甲基呋喃。5-羟甲基糠醛是生产2，5-二甲基呋喃的重要中间体，同时，5-羟甲基糠醛在医药方面也具有许多用途，如作为防治神经退行性疾病和认知损害，治疗心血管病，制备抗心肌缺血的心血管病的药物，受到研究人员的广泛关注。但是，葡萄糖和果糖生产5-羟甲基糠醛，原料来源有限，生产成本较高，因此以纤维素为原料生产5-羟甲基糠醛的工艺开发具有重要的战略意义。

纤维素反应生成5-羟甲基糠醛的报道只有离子液体和N，N-二甲基-乙酰胺/氯化锂这两种溶剂体系。美国威斯康星大学的Ronald T.Raines等(J.AM.CHEM.SOC.2009，131，1979-1985)利用N，N-二甲基-乙酰胺/氯化锂溶剂体系，在催化剂的作用下，可以将纤维素生成羟甲基糠醛的收率提高到90％以上，但是所用溶剂N，N-二甲基-乙酰胺沸点高，汽化热大，而且和大多数溶剂互溶性极好，所以它与生成的羟甲基糠醛分离提纯困难而且成本高昂；由于离子液体可以大量溶解纤维素，自从Haibo Zhao等在离子液体中由葡萄糖生产羟甲基糠醛成功后，利用离子液体生产羟甲基糠醛的报道大量涌现，不过，离子液体价格昂贵，回收利用极为困难，产业化开发可行性极小。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本的由含纤维素的生物质生产5-羟甲基糠醛的生产方法。

由于纤维素中存在大量的结晶结构，使得纤维素不溶于常规的有机和无机溶剂，所以纤维素降解为羟甲基糠醛的关键在于选择适当的溶剂体系。这种溶剂必须能溶解或溶胀纤维素，便于纤维素的反应，同时还必须适合纤维素反应生成羟甲基糠醛的酸性条件，另外沸点最好在100-150℃之间，便于反应在常压下进行，又必须保证溶剂和产品分离经济性和技术可行性。

本发明选择氯化锌水溶液作为纤维素的反应体系，首先，由于氯化锌是一种路易斯酸，可以在溶液中加入其它酸性催化剂，这是纤维素等糖类降解生成羟甲基糠醛的前提条件；其次，氯化锌水溶液在一定的浓度下可以溶解纤维素，在较大范围浓度下可以溶胀纤维素，这为纤维素的快速反应提供条件；再次，氯化锌水溶液的沸点高于100℃，可以在常压或加压的工艺中进行产品的生产。

本发明的具体操作步骤如下：

按氯化锌：催化剂：水为40-70∶0.1-10∶20-60的质量比配制反应液，将干燥含纤维素的生物质原料与反应液按1∶5～200的质量比混合，在80-140℃反应20min-20h，反应后用提取剂将羟甲基糠醛从反应体系中提取出来，然后浓缩干燥，精制得到羟甲基糠醛产品。

如上所述的含纤维素的生物质原料是纤维素微晶、麦秆、稻秆、玉米秆、高粱秆、甘蔗渣、玉米芯、木屑、稻壳、麸皮或棉籽壳等，但是不局限于上述原料。

如上所述的催化剂是指布朗斯特酸、CrCl₂和CrCl₃等的一种或几种。

如上所述的布朗斯特酸优选硫酸、磷酸、盐酸等无机酸，苯磺酸、苯甲酸、醋酸、马来酸等有机酸，酸性大孔树脂、酸性分子筛、硫酸负载二氧化硅或硫酸负载氧化铝等固体酸。

如上所述的提取剂是指能将羟甲基糠醛和无机盐分开的溶剂，优选丙酮、丁醇、2，5-二甲基戊酮或1，4-二氧六环等。

如上所述的精制是指结晶，结晶溶剂为乙醇、丙酮、乙酸乙酯、苯、甲苯、氯仿、石油醚或乙醚，优选乙醇、丙酮、乙酸乙酯或甲苯。

本发明的优点：

本方法主要有以下特点：