【文献解读】Ind. Eng. Chem. Res.木质纤维素催化分馏技术的工业化

木质纤维素的催化分馏技术也就是我们俗称的木质素优先降解法，是木质素催化降解技术中最为高效便捷的一种方法。这种技术提出五年以来，各种催化体系层出不穷，木质素单体的产率也不断提高。然而，迄今为止，这种技术仍然停留在实验室阶段。比利时鲁文大学的Bert F. Sels教授课题组在这一研究领域的有着深厚的研究基础，发表过几十篇相关研究和综述论文。最近，这一课题组也在尝试将这一技术进行工业化。然而路漫漫其修远兮，在工业化的过程中，他们也遇到了诸多困难。今天他们将这一技术在工业化过程遇到的难点进行总结，在Ind. Eng. Chem. Res.上发表了一篇前瞻性论文，以期对后人在这一技术的工业化过程中予以借鉴和指导。

如图1所示，木质纤维素的催化分馏技术以木质素纤维素为原料，优先降解木质素而保留碳水化合物的本身结构。这一过程因其极高的木质素单体产率和选择性，以及木质素未经分离便可直接降解而闻名。然而这一过程涉及到有机化学，催化化学，化学工程等诸多领域，要想实现工业化任重而道远。经过多年的努力，现在这一过程已经实现了50L的放大反应，然而进一步的放大实验还有待考量。通过对反应过程中各个环节的探索，作者总结出几个未来工业化过程中将要重点面对的关键环节，即木质纤维素原料的选择，氢气压力与来源，催化剂设计和溶剂的选择。当然反应器的设计也是一大难点。

木质纤维素原料的选择

原料是影响这一反应过程的重要因素。在实验室研究阶段，不同原料的种类，及其化学成分，杂质含量和木质素结构对后续反应的影响都有了很深入的研究。然而涉及到工业化过程，原料的物理性质便显得尤其重要。例如，木屑的尺寸这一看似简单的问题却给这一技术的放大过程带来了很多难题。

通常来讲，木屑的尺寸越小，其木质素溶解的速率就越快，越利于反应进行。然而，木质素尺寸如果过小有会造成催化剂孔道的堵塞，同时木屑的粉碎过程也是一个极度耗能的过程。木屑的尺寸如果过大则会影响搅拌效率。较大的木屑也可能在连续反应器中诱发沟道现象。一项最新研究表明，对于超过2mm的杨木颗粒，扩散传质将会成为木质素溶解过程的主要阻力。此外，需要认识到的是，在反应过程中，由于木质素(和半纤维素)的提取，原料的颗粒形态和颗粒孔道结构会发生变化，最终导致不同的扩散现象的产生。

因此，作者建议，未来的研究工作中，以下几方面的研究对于未来的工业化过程必不可少：(i)研究不同溶剂、溶质体系中的扩散效应；(ii)原位研究结构退化的生物质在不同的溶剂系统中的变化；(iii)调查不同的孔隙结构在软木/硬木/草本作物中的分布和(iv)通过基因工程改变生物孔隙度和细胞壁厚度。

氢气压力

木质纤维素的催化分馏技术往往需要在较高的氢气压力下进行。这是因为木质素降解过程中形成的活性中间体可以被氢气迅速反应，形成稳定的木质素单体。然而过高的氢气压力意味着对反应设备的安全性有着较高的要求，通着高压设备往往价格不菲。为了降低反应压力，不同的课题组也做了许多尝试，例如在反应过程中加入酸碱助剂，利用氢转移试剂或者溶剂。然而这些反应体系同时又引入了其它问题，例如溶剂的回收和对催化剂稳定性的影响。总的来说，未来的研究应该集中在通过改变不同溶剂体系的压力和温度来平衡溶剂化木质素的提取速率和催化还原速率

催化剂的设计

木质纤维素的催化分馏技术归根结底是一个催化反应过程，催化剂的好坏对这一过程有着至关重要的作用。虽然目前文献报道的催化体系已经有几十种，但目前为止还是以贵金属催化剂为主。当然，如果催化剂能够一直保持稳定并确保较高的回收利用率，使用贵金属催化剂也未尝不可，这就需要设计合成更加稳定高效的催化剂。

催化剂的失活和再生实验对于工业上来说至关重要，而目前这方面的研究还很匮乏。同时，这一反应过程中原料的不完全反应造成的催化剂回收困难也是未来工业化过程中必须解决的难点。设计带有磁性的催化剂或者根据原料与催化剂密度和尺寸的差异实现高效分离或许是未来最为可行的催化剂回收分离方案。

溶剂的选择

溶剂的选择直接影响到反应的效率，绿色和安全性。随着现代化工对可持续发展的日益重视，有毒且易燃的溶剂体系必须要避免。同时，溶剂能否回收再利用也是工业上十分关心的问题，这在实验室研究阶段确实最为缺乏的。

尽量减少溶剂用量或者直接利用反应产物作为溶剂或许是一个很容易被忽视的问题。早在19世纪20年代便有人提出这一观点，但至今却仍未有更加深入的研究。

反应器的设计

目前这一反应过程所使用的的反应器主要包括反应釜和连续流动反应装置。如图3所示，这两种反应器各有所长又都有不可避避免的缺陷。釜式反应器在实验室较为常用，主要是它操作简便，原料与催化剂可以充分混合接触，同时溶剂的用量也很少。但是，釜式反应器中催化剂经过长期的机械搅拌往往物理稳定性较差，同时原料与催化剂充分混合后分离较为困难。连续流动反应器则完美解决了催化剂与原料的分离问题，同时不需要机械搅拌也使得催化剂的稳定性大大增强。但是流动反应器中溶剂的消耗量巨大。

总结

文末，作者对木质纤维素的催化分馏技术在最近五年内取得巨大成就进行了赞赏，同时也对未来这一技术的工业化进程进行了展望。在最初的五年中，这一技术的研究还停留在实验室的基础研究阶段，未来这一技术将逐渐走向工业，这就需要更多化学工程，生物工程等领域的人参与进来。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c02294

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