[发明专利]一种钨基固体酸在生物质糖类制备乳酸及乳酸酯中的应用

说明书

本发明涉及化工催化技术领域，尤其一种钨基固体酸在生物质糖类制备乳酸及乳酸酯中的应用，本发明采用含钨元素的盐类与钡、钙、铅、铝、铬、铒、锡、锗、铌、钽的氯盐、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、草酸盐进行水热合成反应，制备得到多组分钨基固体酸催化剂，其具有制备简单、价格低廉、水热稳定性好、易于回收重复利用等优点；多组分钨基固体酸不仅可以催化单糖类的果糖、葡萄糖转化为乳酸或乳酸酯，同时还可以催化蔗糖、麦芽糖、淀粉、纤维素等多糖甚至木材、玉米秸秆等含有纤维素的生物质发生水解反应，进而催化转化为乳酸或乳酸酯，从而实现单催化剂对多个连续步骤进行反应，转化的生物质糖类范围广泛，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及化工催化技术领域，尤其是一种钨基固体酸在生物质糖类制备乳酸及乳酸酯中的应用。

背景技术

乳酸是一种重要的化工原料，被广泛应用于食品、化工、医药、化妆品等领域。乳酸可以作为合成聚乳酸(PLA)的原料，PLA通过生物降解，能循环利用，减少对自然环境的污染。此外，乳酸甲酯、乳酸乙酯、乳酸丙酯，这类乳酸酯类也是重要的精细化工原料，可用作酒类添加剂、压制药片的润滑剂、药物中间体等，同时，其具有无毒、溶解性好、不易挥发、可生物降解等特点，是一种极具开发价值与应用前景的优良溶剂。因此，乳酸及其酯类的生产技术的研究成为学术界的一个热点，有着十分重要的意义。

目前工业上的乳酸主要是以葡萄糖为原料采用生物发酵法制备，该方法存在原料价格高、生产周期长、反应条件苛刻等缺点。与之相比，以自然界中广泛存在的木质纤维素类生物质资源(比如秸秆、木材、甘蔗渣等)为原料，采用化学催化转化技术制取乳酸，则既能实现生物质的资源化利用，又具有时间短、效率高等优点。

化学催化转化生物质糖类生成乳酸需要经过下述步骤：(1)生物质多糖水解为葡萄糖；(2)葡萄糖经异构化反应转化为果糖；(3)果糖经逆羟醛缩合缩合反应转化甘油醛和二羟基丙酮；(4)甘油醛和二羟基丙酮发生脱水转化为丙酮醛；(5)丙酮醛水合重排为乳酸。如果上述反应发生在含有低碳醇的溶剂中，则乳酸会与低碳醇发生酯化反应生成相应的乳酸酯类。上述诸多反应中，甘油醛、二羟基丙酮的脱水反应及丙酮醛重排转化为乳酸均较容易实现，葡萄糖的异构化反应及果糖的逆醛醇反应则较难实现高效定向转化。

部分研究发现采用强碱如NaOH、Ca(OH)₂、Ba(OH)₂、Sr(OH)₂去催化葡萄糖或纤维素的转化，可以得到的20％-50％的乳酸。然而，在以强碱性水溶液为介质的催化体系中，强碱一方面会腐蚀反应釜，另一方面会和乳酸反应生成乳酸盐，因此不适合工业化生产。

少量均相路易斯酸能够一步催化生物质糖类转化为乳酸，2013年，陕西师范大学董文生等则发现铒离子(Er³⁺)对糖类转化为乳酸具有特别的催化效果，其中Er(OTf)₃转化纤维素得到的乳酸收率高达89％。厦门大学王野等报道了利用Pb²⁺及钒氧根离子(VO²⁺)的盐类能够催化转化纤维素生成乳酸，最高收率分别达到70％和67％的乳酸。

相比于均相催化剂，非均相催化剂具有易分离、可回收的优点。2010年，Holm等以Sn-β分子筛为催化剂转化蔗糖，在水溶液中得到约30％的乳酸，采用甲醇作为溶剂时，则得到高达68％的乳酸甲酯。然而，Sn-β分子筛制备周期长，制备工艺复杂，成本高昂，难以大规模用于生物质的催化转化。

发明内容

为了解决上述现有技术的问题，本发明提供了一种钨基固体酸在生物质制备乳酸及乳酸酯中的应用。

具体是通过以下技术方案得以实现：

一种钨基固体酸在生物质糖类制备乳酸及乳酸酯中的应用，包括以下制备步骤：