我国是农业大国，农业生产每年都会产生大量的废弃物，其中大部分没有得到充分利用，且给生态环境造成了严重压力。如何通过高效的分离提纯、催化转化技术，将所谓的“农业废弃物”转化成高附加值的“生物质产品”，实现变废为宝？针对这一问题，十大菠菜导航网化学学院郭勇副研究员领衔研发了“生物质转化制备塑料单体——呋喃二甲酸”项目。
经过广泛调研，项目团队发现，从生物质资源中提炼转化得到的2,5-呋喃二甲酸（FDCA）与传统的石油化工产品对苯二甲酸具有高度相似的结构组成。对苯二甲酸是一种塑料单体，通过聚合反应就可以得到生活中常见的PET材料。但是PET的合成主要是由不可再生的石油获取，整个过程会产生大量碳排放。相比之下，FDCA可以由可再生的生物质获取，由它合成的聚2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）材料对各种气体的阻隔性更强，比PET更轻便，且可促使塑料工业大量减少“碳足迹”，非常具有应用价值。
图片说明：FDCA与PTA在聚酯材料合成方面的比较与优势
基于此，该项目围绕生物基材料开发、生物基平台化合物合成、连续化生产工艺优化三大科学技术问题，提出了玉米秸秆等生物质热解转化葡萄糖单体、单糖高效转化生产5-羟甲基糠醛(HMF)、HMF氧化制备FDCA等方法，创新了高纯度平台化合物HMF生产、FDCA连续化生产、催化材料和工艺优化等技术，研发了HMF生产及纯化一体式装置、连续式微反应器生产呋喃二甲酸工艺，提升了对生物质资源的利用率，降低了污染物及碳排放。
图片说明：生物质合成FDCA路线示意图
传统的葡萄糖脱水和HMF氧化反应是在釜式反应器中进行，生产效率低，产品分离困难，催化剂合成效率低。为扩大PEF市场、降低成本，项目团队创新开发了连续化生产的催化剂和工艺，打通了从葡萄糖到2,5-呋喃二甲酸的连续化合成路线。针对葡萄糖脱水反应，实现了合成和分离一体化连续生产，可以得到高纯度的5-羟甲基糠醛。后续的HMF氧化反应则是在微通道反应器中进行，既实现了连续化生产工艺，又解决了氧化反应危险性高的难题。
值得一提的是，在研究合成路线的过程中，项目团队发现，利用HMF作为平台化合物，在提高反应效率的同时并没有带来过于繁琐的合成步骤，而HMF不仅可以作为FDCA的合成原料，更可以合成其他众多高附加值的化学品，是一种优秀的生物质平台化合物。
自国家提出“双碳”政策后，生物基材料愈发受到重视，在聚酯生产中，FDCA被广泛用作生物基聚酯和各种其他聚合物合成的前体，是对苯二甲酸的可再生、绿色替代品，目前已被列入生物基工业产品生产的前10位生物精炼碳水化合物衍生物。据介绍，预计到2027年，FDCA市场规模可达百万吨级，市场潜力巨大。
截至目前，十大菠菜导航网团队完成了从生物质出发经HMF转化生产FDCA关键技术的实验室开发。目前，FDCA的工业化发展仍处于起步阶段，行业内拥有成熟的生物基FDCA生产技术的企业并不多。“从当前研究成果来看，我们的项目水平居于行业前列，后续根据中试放大的结果，还有更进一步的空间。”郭勇说。