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CN102321055A - 一种以木质生物质为原料制备5-羟甲基糠醛的方法 - Google Patents

一种以木质生物质为原料制备5-羟甲基糠醛的方法 Download PDF

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CN102321055A
CN102321055A CN201110301933A CN201110301933A CN102321055A CN 102321055 A CN102321055 A CN 102321055A CN 201110301933 A CN201110301933 A CN 201110301933A CN 201110301933 A CN201110301933 A CN 201110301933A CN 102321055 A CN102321055 A CN 102321055A
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China
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ionic liquid
reaction
hydroxymethyl furfural
cellulose
mierocrystalline cellulose
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CN201110301933A
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Inventor
李会泉
张剑
曹妍
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Institute of Process Engineering of CAS
Original Assignee
Institute of Process Engineering of CAS
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Abstract

本发明涉及一种以富含纤维素的生物质为原料制备5-羟甲基糠醛(HMF)的方法。所述方法包括以下步骤:1)将富含纤维素的生物质原料用离子液体预处理,分离除去半纤维素及木质素,得到纤维素。2)将步骤1)得到的纤维素溶于离子液体中,加入催化剂,加热到100~160℃,机械搅拌下反应10min~8h。3)反应结束后,加入稀释剂稀释反应溶液,然后加入萃取剂将5-HMF萃取至有机相。4)利用减压蒸馏除去有机相,即可得到产品5-羟甲基糠醛。本发明的方法简单、可行,有效地降低了植物纤维转化为5-羟甲基糠醛过程中木质素等对反应的影响,简化了5-羟甲基糠醛的分离提纯过程,提高了5-羟甲基糠醛的制备效率。

Description

一种以木质生物质为原料制备5-羟甲基糠醛的方法
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 intofurans for fuels and chemicals,Binder,J.B et al,Jounal of the America ChemicalSociety,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%。
Zhang  等“Direct conversion of glucose and cellulose to5-hydroxymethylfurfural in ionic liquid under microwave irradiation,TetrahedronLetters,2009,50(38):5403-5405”在微波加热的条件下利用离子液体作为介质,CrCl3作为催化剂,实现了玉米秸秆,稻草以及松木的转化。5-羟甲基糠醛的收率以及糠醛的收率分别为45%-52%和23%-31%。
CN 101289817A公开了一种在离子液体中高效水解纤维素的方法,以可溶解纤维素的离子液体为溶剂,以≥1摩尔当量的水为反应物,以催化量至化学计量的无机酸为催化剂,纤维素在常压下于70℃~100℃反应2分钟~9小时,反应结束后,用冷水淬灭反应、用碱中和,即得纤维素水解液。对水解液中总还原糖和葡萄糖进行化学定量分析,结果表明还原糖产率最高可达73%,对应的葡萄糖产率达到53%。
CN 101333777A公开了一种在离子液体中高效水解木质纤维原料的方法,以离子液体为溶剂,以≥1摩尔当量的水为反应物,以催化量至化学计量的无机酸或有机酸为催化剂,农作物秸秆、松木粉等木质纤维原料在常压下于不高于100℃的温度下反应2分钟~34小时,反应结束后,用冷水淬灭反应、用碱中和,即得水解液;对水解液中总还原糖进行化学定量分析,结果表明还原糖产率最高可达81%,水解效率达到58%。
上述研究虽然成功地实现了以植物纤维为原料直接制备5-羟甲基糠醛,但是由于在反应过程中植物纤维的各组分,包括纤维素、半纤维素以及木质素均在体系中参与反应,故导致反应生成的产物成分复杂,为反应的后续分离带来困难。同时,体系存在的多种物质也可能会对5-羟甲基糠醛的收率造成影响,这也限制了其工业应用。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的之一在于提供一种以离子液体为介质,实现将木质生物质中的纤维素转化为5-羟甲基糠醛的方法。
在普通的富含纤维素的植物纤维中,同时存在半纤维素和木质素。为提高5-羟甲基糠醛转化的效率,减小5-羟甲基糠醛的分离成本,有必要预先分离植物纤维的三组分,再各自进行转化。
本发明的一种以离子液体为介质,实现将木质纤维素转化为5-羟甲基糠醛的方法,具体步骤如下:
1)将干燥粉碎后的植物纤维用离子液体进行预处理,除去半纤维素以及木质素,得到的纤维素用水洗涤后干燥。
2)将步骤1)所得到的纤维素按照4wt%~20wt%加入离子液体中,再加入催化剂,升温到反应温度60~160℃,反应10min~8h。
3)向步骤2)所得到的反应混合物中加入稀释剂和萃取剂,通过萃取的方式将混合液中的5-羟甲基糠醛萃至有机相中。
4)将步骤3)所得到的含有5-羟甲基糠醛的萃取相利用减压蒸馏的方式蒸除有机溶剂,得到5-羟甲基糠醛产品。
作为优选,所述方法包括以下步骤:
1)将离子液体与木质生物质混合,在80~140℃下普通油浴或微波条件下加热4-48h,过滤分离得到滤液,向滤液中加入水/DMSO(二甲基亚砜)混合溶剂洗涤萃取多次,过滤分离得到固体物质为纤维素;
2)将步骤1)所得到的纤维素按照4wt%~20wt%加入离子液体中,再加入催化剂,加热到反应温度60~160℃,反应10min~8h,得到反应混合液;
3)向步骤2)所得到的反应混合液中加入稀释剂和萃取剂,充分混合后,静置,萃取分离,得到含有5-羟甲基糠醛的萃取相;
4)将步骤3)所得到的含有5-羟甲基糠醛的萃取相通过减压蒸馏脱除有机溶剂,得到5-羟甲基糠醛产品。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,所述步骤1)中木质生物质原料包括木屑、秸秆、农作物种子皮壳和残渣中的一种或多种。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,所述步骤1)中含有植物纤维原料的离子液体反应液浓度(质量浓度)优选3~8%,进一步优选3~6%,更优选4~6%。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,所述步骤2)中纤维素的质量浓度为4wt%-20wt%,优选5wt-15wt%,更优选6wt%-10wt%。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,所述步骤2)中所用的催化剂为含铬(II)和铬(III)的化合物,例如铬的卤化物及其水合物,硝酸盐等。所述卤化物优选氯化物。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,所述步骤2)中所用的催化剂比例为1mol%-25mol%(以纤维素脱水葡萄糖为基准),优选4mol%-20mol%,优选为6mol%-15mol%。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,所述步骤2)中的反应温度为60~160℃,优选为70~150℃,更优选90~130℃,反应时间为10min~8h,优选30min~6h,更优选为2h-6h。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,所述的能够溶解纤维素和木质素并实现纤维素转化的离子液体为咪唑卤盐,优选地,所述的咪唑卤盐为咪唑氯盐。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,其中所述的咪唑卤盐的阳离子具有下式(I)结构:
Figure BDA0000095302670000061
在该结构式中,R1和R2为C1-C20烷基、烯基或芳基,R3、R4、R5独立地选自氢、C1-C20烷基、烷氧基、烯基和芳基;
优选地,所述的咪唑卤盐的阳离子具有式(II)结构:
该结构式中,R1和R2为C1-C20烷基、烯基或芳基;
更优选地,所述的咪唑卤盐的阳离子具有式(III)结构:
Figure BDA0000095302670000063
该结构式中,R1为C1-C20烷基、烯基或芳基。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,所述步骤3)中所用的稀释剂为低沸点的溶剂,例如水、甲醇、乙醇等或其混合物。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,所述步骤3)中所用的稀释剂加入比例为0.5∶1~5∶1,优选为1∶1~2∶1。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,所述步骤3)中所用的萃取剂为低沸点非极性溶剂,优选甲基异丁酮、乙酸乙酯、乙醚等或其混合物。
根据本发明所述的以离子液体为介质将木质生物质中的纤维素转化为5-HMF的方法,所述步骤3)中所用的萃取剂加入比例为5∶1~30∶1,优选为8∶1~25∶1,更优选10∶1~20∶1。
本发明具有如下优点:
1、与传统浓酸脱水制备5-HMF的方法相比,本发明避免了无机酸的使用,因此反应器无需使用抗腐蚀性材料;
2、与传统水溶液的反应相比,本发明5-HMF的收率显著提高,反应条件温和,工艺简单,成本低;
3、与申请号为200980115239.0的专利相比,本发明直接利用植物纤维作为原料,大大降低了原料中的工艺成本;
4、与申请号为200980122910.4的专利相比,本发明利用离子液体作为转化植物纤维的介质,避免了使用N,N-二甲基甲酰胺等高沸点的有机溶剂;
5、本方法利用离子液体先将植物纤维中的纤维素分离出来,然后再进行转化,有效地降低了反应过程中反应的复杂程度,减少了反应混合物中其他反应产物的含量,有利于产品5-HMF的分离。
附图说明
图1为本发明的用离子液体处理植物纤维原料并实现纤维素向5-羟甲基糠醛转化的流程示意图
图2为纤维素降解产品的液相谱图
具体实施方式
为便于理解本发明,本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅用于帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
称取松木屑约10.0g,离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐(AmimCl)与DMSO的混合溶液(质量比6∶1)50.0g,放入圆底烧瓶中,微波加热至100℃,强烈机械搅拌4小时。反应结束,使用300目不锈钢滤网过滤分离,向滤液中加入水析出纤维素和木质素。将该混合物用DMSO/水溶液(1∶1v)洗涤8次,用200目尼龙滤布过滤分离得到松木纤维素和含有木质素的洗涤液。将松木纤维素放入真空干燥箱,60℃烘干24h,得到纤维素产品3.0g。将所得的纤维素加入30ml离子液体中,并加入CrCl3·6H2O0.2g,搅拌下加热至120℃,反应6小时。反应结束后,向其中加入100ml水,稀释反应混合物,利用500ml萃取剂甲基异丁酮分五次萃取溶液中的产品。减压蒸馏所得的含有5-HMF的萃取相,5-羟甲基糠醛的收率可达50%。
实施例2
以松木屑为原料,1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐为反应介质,纤维素的制备同实施例1。称取3.0g所得的纤维素加入30ml离子液体中,并加入CrCl3·6H2O0.2g,搅拌下加热至100℃,反应8小时。反应结束后,向其中加入30ml水,稀释反应混合物,利用800ml萃取剂甲基异丁酮分五次萃取溶液中的产品。减压蒸馏所得的含有5-HMF的萃取相,5-羟甲基糠醛的收率可达45%。
实施例3
以松木屑为原料,1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐为反应介质,纤维素的制备同实施例1。称取3.0g所得的纤维素加入40ml离子液体中,并加入CrCl3·6H2O0.2g,搅拌下加热至140℃,反应1小时。反应结束后,向其中加入60ml水,稀释反应混合物,利用300ml萃取剂甲基异丁酮分五次萃取溶液中的产品。减压蒸馏所得的含有5-HMF的萃取相,5-羟甲基糠醛的收率可达55%。
实施例4
以松木屑为原料,1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐为反应介质,纤维素的制备同实施例1。称取3.0g所得的纤维素加入30ml离子液体中,并加入CrCl3·6H2O0.18g,搅拌下加热至90℃,反应12小时。反应结束后,向其中加入40ml水,稀释反应混合物,利用500ml萃取剂乙酸乙酯分五次萃取溶液中的产品。减压蒸馏所得的含有5-HMF的萃取相,5-羟甲基糠醛的收率可达47%。
实施例5
以松木屑为原料,1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐为反应介质,纤维素的制备同实施例1。称取2.5g所得的纤维素加入30ml离子液体中,并加入CrCl3·6H2O0.2g,搅拌下加热至100℃,反应8小时。反应结束后,向其中加入40ml乙醇,稀释反应混合物,利用500ml萃取剂甲基异丁酮分五次萃取溶液中的产品。减压蒸馏所得的含有5-HMF的萃取相,5-羟甲基糠醛的收率可达52%。
实施例6
以甘蔗渣为原料,1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐(AmimCl)为介质,纤维素的制备同实施例1,称取2.0g纤维素溶于25ml离子液体中,加入CrCl3·6H2O 0.35g,搅拌下加热至140℃,反应40分钟。反应结束后,向其中加入45ml水,稀释反应混合物,利用500ml萃取剂甲基异丁酮分五次萃取溶液中的产品。减压蒸馏所得的含有5-HMF的萃取相,5-羟甲基糠醛的收率可达42%。
实施例7
以松木屑为原料,以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐为反应介质(BmimCl)。纤维素的制备同实施例1。称取3.0g所得的纤维素溶于30ml离子液体中,加入CrCl3·6H2O 0.25g,搅拌下升温至140℃,反应40分钟。反应结束后,向其中加入100ml水,稀释反应混合物,利用500ml萃取剂乙酸乙酯分五次萃取溶液中的产品。减压蒸馏所得的含有5-HMF的萃取相,5-羟甲基糠醛的收率可达45%。
实施例8
以松木屑为原料,以离子液体1-甲基-3-甲基咪唑氯盐为反应介质(BmimCl)。纤维素的制备同实施例1。称取2.8g所得的纤维素溶于30ml离子液体中,加入CrCl3·6H2O 0.22g,搅拌下升温至130℃,反应60分钟。反应结束后,向其中加入50ml水,稀释反应混合物,利用500ml萃取剂乙酸乙酯分五次萃取溶液中的产品。减压蒸馏所得的含有5-HMF的萃取相,5-羟甲基糠醛的收率可达45%。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺条件和工艺流程,但本发明并不局限于上述详细工艺条件和工艺流程,即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺条件和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (8)

1.一种以植物纤维为原料制备5-羟甲基糠醛的方法,其特征在于,所述方法包括步骤如下:
1)将干燥粉碎后的植物纤维用离子液体进行预处理,除去半纤维素以及木质素,得到的纤维素用水洗涤后干燥。
2)将步骤1)所得到的纤维素按照4wt%~20wt%加入离子液体中,再加入催化剂,升温到反应温度60~160℃,反应10min~8h。
3)向步骤2)所得到的反应混合物中加入稀释剂和萃取剂,通过萃取的方式将混合液中的5-羟甲基糠醛萃至有机相中。
4)将步骤3)所得到的含有5-羟甲基糠醛的萃取相利用减压蒸馏的方式蒸除有机溶剂,得到5-羟甲基糠醛产品。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
1)将离子液体与木质生物质混合,在80~140℃下普通油浴或微波条件下加热4-48h,过滤分离得到滤液,向滤液中加入水/DMSO混合溶剂洗涤萃取多次,过滤分离得到固体物质为纤维素;
2)将步骤1)所得到的纤维素按照4wt%~20wt%加入离子液体中,再加入催化剂,加热到反应温度60~160℃,反应10min~8h,得到反应混合液;
3)向步骤2)所得到的反应混合液中加入稀释剂和萃取剂,充分混合后,静置,萃取分离,得到含有5-羟甲基糠醛的萃取相;
4)将步骤3)所得到的含有5-羟甲基糠醛的萃取相通过减压蒸馏脱除有机溶剂,得到5-羟甲基糠醛产品。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述步骤1)中木质生物质原料包括木屑、秸秆、农作物种子皮壳和残渣中的一种或多种;
优选地,所述步骤1)中含有植物纤维原料的离子液体反应液浓度(质量浓度)优选3~8%,进一步优选3~6%,更优选4~6%。
4.如权利要求1-3之一所述的方法,其特征在于,所述步骤2)中纤维素的质量浓度优选为5-15%,更优选6wt%-10wt%;
优选地,所述步骤2)中所用的催化剂为含铬(II)和铬(III)的化合物,例如铬的卤化物及其水合物,硝酸盐等;所述卤化物优选氯化物;
优选地,所述步骤2)中所用的催化剂以纤维素脱水葡萄糖为基准,其比例为1mol%-25mol%,优选4mol%-20mol%,优选为6mol%-15mol%;
优选地,所述步骤2)中的反应温度优选为70~150℃,更优选90~130℃,反应时间优选30min~6h,更优选为2h-6h。
5.如权利要求1-4之一所述的方法,其特征在于,所述离子液体为咪唑卤盐,优选地,所述的咪唑卤盐为咪唑氯盐。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述的咪唑卤盐的阳离子具有下式(I)结构:
Figure FDA0000095302660000021
其中,R1和R2为C1-C20烷基、烯基或芳基,R3、R4、R5独立地选自氢、C1-C20烷基、烷氧基、烯基和芳基;
优选地,所述的咪唑卤盐的阳离子具有式(II)结构:
Figure FDA0000095302660000022
其中,R1和R2为C1-C20烷基、烯基或芳基;
更优选地,所述的咪唑卤盐的阳离子具有式(III)结构:
Figure FDA0000095302660000031
其中,R1为C1-C20烷基、烯基或芳基。
7.如权利要求1-6之一所述的方法,其特征在于,所述步骤3)中所用的稀释剂为低沸点的溶剂,优选水、甲醇、乙醇或其混合物。
8.如权利要求1-7之一所述的方法,其特征在于,所述步骤3)中所用的稀释剂加入比例为0.5∶1~5∶1,优选为1∶1~2∶1;
所述步骤3)中所用的萃取剂为低沸点非极性溶剂,优选甲基异丁酮、乙酸乙酯、乙醚等或其混合物;
所述步骤3)中所用的萃取剂加入比例为5∶1~30∶1,优选为8∶1~25∶1,更优选10∶1~20∶1。
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