[发明专利]一种以木质生物质为原料制备5-羟甲基糠醛的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种木质生物质转化为化学品的方法，特别涉及一种以木质生物质为原料制备5-羟甲基糠醛的方法，具体地，本发明涉及一种以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-羟甲基糠醛的方法。

背景技术

目前，化石燃料，主要是石油、煤和天然气等，仍是世界范围内最主要的燃料来源。但由于化石资源不可再生的特点，煤、石油、天然气等属于一次性不可再生能源，据测算，目前的化石能源，将在未来100年内消耗殆尽，显然化石能源已不能满足人类日益增长的能源需求。

在此背景下，考虑到能源的可持续性、来源广泛性、安全性等，以可再生生物质资源生产能源和化学品的研究已成为能源研究领域的热点问题。自然界中木质生物质潜在量十分巨大，每年由光合作用产生的植物纤维量可达1800亿吨，相当于全世界每年能源消费总量的10倍，其完全可以满足目前人类的能源需求，因此木质生物质的利用，已成为未来能源的发展趋势之一。

植物纤维的主要成分为纤维素(40％～50％)、半纤维素(15％～25％)以及木质素(15～30％)。纤维素、半纤维，木质素通过氢键相互交联，形成稳定的结构，使其转化变得非常的困难。

最常用的植物纤维转化方法是水解，包括无机酸水解和酶水解。其将植物纤维转化为单糖等小分子，然后再将这些单糖小分子转化为羟甲基糠醛、糠醛、乙酰丙酸等有价值的平台化合物。在所述平台化合物中，5-羟甲基糠醛是一种重要的平台化合物，其可用于替代目前高分子产业中众多的单体来实现聚合物的生产，除此之外，5-羟甲基糠醛还可用于生产2，4-二甲基呋喃，作为燃料添加剂使用。因此直接以植物纤维为原料来生产5-羟甲基糠醛，一直是研发重点。

无机酸水解，其利用酸或碱先进行预处理，脱除半纤维素和木质素，再利用无机酸作为催化剂，在高温高压下进行反应。典型的无机酸水解工艺如WO2007/051269A1所示，木质纤维素材料在反应器(10)的不同水平层进料，并与木质素有机溶剂、水和极稀的强无机酸溶液接触，以得到液相的水解提取物和固相的未反应和未溶解的材料，将受控的蒸汽流体注入反应器(10)的不同的水平层，以提供有机溶剂和强无机酸的足够的温度，并生成所希望的产物(糖)，液相流在反应器(10)不同的水平层上再循环，其剩余部分从反应器(10)取出，经溶剂蒸发而突然冷却以得到浓缩物，通过倾析转移木质素，而浓缩物被转移到后续工艺步骤。

无机酸水解工艺的固有缺陷是，水溶液中羟甲基糠醛不太稳定，极易水合降解生成乙酰丙酸，由此导致此方法生产的效率不高。另外，由于使用酸作为催化剂在高温高压下反应，对反应容器的耐腐蚀性以及耐压性都有较高要求。

另一利用植物纤维的方法是酶水解。典型的木质纤维素酶水解工艺如WO2009/046524所示，所述酶水解工艺包括：a)使用第一酶制剂将原料进行第一个酶水解过程，获得挥发性成分流和低粘性流出流；b)使用第二酶制剂将低粘性流出流进行第二个酶水解过程，获得富含糖的工艺流。所述第一酶制剂具有大约50％至大约90％的半纤维素活性和大约50％至10％的纤维素酶活性，所述第二酶制剂包含β-葡萄糖苷酶和纤维素酶，其中β-葡萄糖苷酶和纤维素酶优先作用于纤维二糖和纤维素的β-1，4键。

酶水解法虽然具有无机酸水解法所不具有的优点，但是由于酶解的反应速率缓慢，并且容易受到来自各种生物质组分的影响而使酶失去活性，这大大限制了酶水解法的工业应用。

近年来，一种新的转化植物纤维原料的方法被开发出来。利用离子液体作为溶剂，可在较温和的条件下实现植物纤维的转化。

Binder等“Simple chemical transformation of lignocellulosic biomass into furans for fuels and chemicals，Binder，J.B et al，Jounal of the America Chemical Society，2009，131(5)：1979-1985”利用DMAc-LiCl体系，以CrCl₃和HCl为催化剂，实现了玉米秸秆的转化，获得的羟甲基糠醛以及糠醛的收率分别为48％和34％。