【解读】乐军组Chem. Eng. J：双相体系中硫酸选择性催化果糖-葡萄糖混合物中果糖转化制备5-羟甲基糠醛

第一作者和单位：郭文泽 格罗宁根大学

通讯作者和单位：乐军 格罗宁根大学

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128182

关键词：BrØnsted酸，果糖，葡萄糖，5-羟甲基糠醛，动力学，微反应器

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本工作对双相体系中硫酸选择性催化果糖-葡萄糖混合物中果糖转化制备5-羟甲基糠醛（HMF）进行了系统的实验与动力学建模研究。实验考察了间歇反应器中的单水相和水-甲基异丁基酮（MIBK）双相溶剂体系中硫酸催化果糖、葡萄糖和HMF转化的反应性能和动力学行为。通过产物分析和ESI-MS质谱解释并证实了果糖、葡萄糖和HMF在水中直接分解生成过量的甲酸和humins，据此提出了比现有文献更加完善的水相中糖转化的反应网络。基于该网络和单水相实验的反应结果进行了动力学建模，并考虑了间歇反应器温升和水溶液体积的变化，得到了反应动力学参数。进一步在此动力学模型中嵌入HMF 在两相中的平衡萃取，并考虑反应温度下因密度变化和双相溶剂部分互溶造成的体积变化，可准确预测果糖和葡萄糖在双相体系中的反应结果。为实现双相体系中选择性催化转化混合糖中的果糖（保持葡萄糖基本不转化）并获得最优的HMF收率，借助动力学模型对过程参数和连续反应器模型进行设计和优化，最终采用连续弹状流微反应器对高果糖玉米糖浆（一种混合果糖-葡萄糖的大宗工业原料）反应制备HMF进行过程强化和放大，获得了96%的果糖转化率和80%以上的HMF收率，并保持95%以上的葡萄糖未被转化。

背景介绍

5-羟甲基糠醛（HMF）是一种重要的生物基平台化合物，可用于生产多种燃料、聚合物单体和高附加值化学品，是架构生物炼制和化石炼制的重要桥梁。HMF由酸催化C6糖（果糖或葡萄糖）脱水制得，其中果糖比葡萄糖更易转化且具有更高的HMF 收率。然而，技术经济分析结果显示由于在自然界中更高的储量和远低于果糖的价格，葡萄糖作为工业原料更具吸引力。在此背景下，为了提高从葡萄糖（或富含葡萄糖的纤维素生物质）制备HMF的收率，将葡萄糖异构化（生成果糖-葡萄糖混合物）与果糖脱水制备HMF相耦合，并最大限度保持葡萄糖未转化和回收，可从总体上提高葡萄糖制备HMF的生产效率（Fig. 1）。葡萄糖异构化是在酶、Lewis酸或碱的催化下进行的可逆反应，该过程已经具备成熟的工业化背景，典型的例子是高果糖玉米糖浆（一种食品工业中广泛应用的增甜剂）的生产。近年来，由于低廉的价格和高可用性，研究者们正在尝试将高果糖玉米糖浆应用来生产高价值呋喃衍生物。果糖或葡萄糖的脱水通常在BrØnsted酸催化下和水溶液中进行，后者作为一种绿色低成本溶剂在工业上更受欢迎。为了减少水中HMF的副反应，往往采用水-有机溶剂双相体系来原位萃取HMF以提高其收率。对于异构化得到的果糖-葡萄糖混合物，直接分离葡萄糖和果糖具有较大的难度，因此葡萄糖的回收应在脱水反应后（此时葡萄糖仅存在于水相而HMF主要在有机相）进行。所以在脱水反应这一步骤中，选择性催化果糖-葡萄糖混合原料中的果糖反应生成HMF，并最大限度保持葡萄糖未转化，是葡萄糖高效制备HMF的总体流程的关键（Fig. 1）。为了在实现该目标的同时优化HMF收率，深层次的混合糖脱水反应动力学的分析及模型建立至关重要。

Fig. 1. Concept of the integrated process for HMF production from glucose or glucose-rich cellulosic biomass.

由于在产物分离和催化剂回收再利用上的简便性，多相催化往往比均相催化更受欢迎。然而，糖脱水所需的水热反应条件下固体催化剂的弱稳定性仍是待解决的问题。除此之外，因反应过程中产生的积碳（humins）易堵塞催化剂孔道和覆盖活性位，需要对催化剂进行频繁的再生处理。因此，对于工业化HMF生产，高效稳定的均相催化体系不失为一种理想的选择。在无机酸（如硫酸、盐酸或磷酸）或有机酸（如甲酸或乙酸）催化下果糖或葡萄糖脱水的反应动力学模型已被广为报道。典型的反应网络涉及果糖或葡萄糖脱水生成HMF，HMF水解生成等摩尔量的甲酸（FA）和乙酰丙酸（LA），以及HMF、果糖或葡萄糖直接缩合反应生成humins。然而，越来越多的文献指出在糖转化过程中观察到了过量的FA生成（相对于LA），这表明在糖转化过程中可能存在有其他的生成FA的反应路径。截至目前，大部分文献中的动力学模型仅仅假设生成的FA与LA等摩尔量。这些模型虽然能（较）准确地预测反应结果（如糖转化率和HMF 收率），但是却未能描述过量的FA生成。这一遗失的反应路径可能在某些条件下（如高温下）成为主要反应步骤从而导致模型失真。此外，FA（和LA）作为弱酸可能在糖转化反应中起一定的催化作用，因此对他们的准确定量很有必要。到目前为止，对果糖-葡萄糖混合物脱水生成HMF的动力学研究鲜见报道，且尚未有研究者尝试将单独的果糖和葡萄糖的脱水动力学相结合用于预测。除此之外，将HMF在双相体系中的萃取与水相中糖类反应动力学相结合的研究工作也未见报道。该动力学模型的建立对水-有机溶剂双相体系中选择性转化果糖-葡萄糖混合物中的果糖生成HMF这一过程的条件优化和反应器设计具有重要的意义。

在HMF制备流程的反应器开发方面，微反应器是一个理想的选择。相较于传统的连续搅拌反应器和管式反应器，微反应器具有卓越的传热和传质性能，且便于放大生产规模。特别是对于水-有机溶剂双相体系，在微反应器中可以轻易调控生成弹状流流型来实现较均匀的停留时间分布和强化HMF萃取效率。目前，微反应器已经被越来越多地用于转化糖类来制备呋喃基衍生物（HMF或氯甲基糠醛），然而，微反应器应用于果糖-葡萄糖混合糖来选择性转化果糖制备HMF 的研究尚未见报道。

研究目标

1） 研究硫酸催化果糖、葡萄糖和HMF 在水中的动力学行为和反应路径，探明过量甲酸的来源，建立完善的反应网络；

2） 建立果糖-葡萄糖混合物在水-MIBK双相溶剂体系中制备HMF的动力学模型，并进行过程优化和连续反应器设计来实现选择性转化混合糖中的果糖并实现最优HMF收率；

3） 采用微反应器强化选择性转化混合糖（高果糖玉米糖浆）中的果糖制备HMF 的过程。

图文精读

本工作首先在间歇反应器中通过单相实验研究水中硫酸催化糖类和HMF转化的反应动力学，并比较果糖、葡萄糖及其混合物的反应行为（Fig. 2）。结果表明果糖的反应活性远大于葡萄糖，且在两者混合物的反应中，果糖和葡萄糖分别独立进行反应，两者之间无明显的相互作用。因此，通过调控反应条件来选择性转化混合糖中的果糖是可行的。实验考察了反应温度、底物浓度和硫酸浓度对底物转化率和HMF收率的影响。结果发现升高温度可提高最优的HMF收率，这意味着总体上生成HMF的反应活化能高于HMF的副反应活化能。酸浓度对最优的HMF收率几乎无影响，表明糖转化涉及的各反应步骤对酸浓度具有相似的反应级数。在相同的条件下，底物浓度对转化率（和HMF收率）无明显的影响，表明了糖转化在总体上是对底物的一级反应。

Fig. 2. Results on the conversion of (a) fructose, (b) glucose, (c) fructose-glucose mixture and (d) HMF in water in the laboratory batch reactor. Other reaction conditions: 135 ◦C, 0.05 M H₂SO₄ and 0.1 M substrate (glucose, fructose or HMF). In the figure legend, Glc, Fru, Man, FA and LA denote glucose, fructose, mannose, formic acid and levulinic acid, respectively. Symbols denote the experimental data and lines are for the model values.

为提高HMF收率，进一步在间歇反应器中以果糖-葡萄糖混合物为原料进行了水-MIBK双相实验（Fig. 3）。通过原位萃取HMF来减少其副反应，HMF收率大大增加。同时，由于在反应温度下两相部分互溶导致水相体积减少，水相中酸浓度增加，因此双相实验的反应速率相对单相实验略有增加。实验同时考察了反应温度和酸浓度对果糖-葡萄糖混合物在两相体系中反应的影响，结果与单相实验的结论相一致。值得指出的是，在实验研究的温度（117-155 ᵒC）和酸浓度（0.005-0.25 M）范围内，可以通过调整适合的反应时间来避免葡萄糖过度反应（转化率<10%），从而实现选择性果糖转化（转化率>95%）。

Fig. 3. Effect of initial organic to aqueous volume ratio (O/A) on the conversion of fructose-glucose mixture in the water-MIBK biphasic system in the batch reactor: (a) HMF yield as a function of O/A; (b) substrate conversion and product yield at O/A = 4. Other reaction conditions: 135 ◦C, 0.05 M H₂SO₄, 0.1 M glucose and 0.1 M fructose.

HMF水解生成等摩尔量的甲酸（FA）和乙酰丙酸（LA）。然而，在所有的单相和双相实验结果中均观察到了过量的FA生成（Fig. 2和Fig. 3）。从FA/LA与底物转化率的关系中（Fig. 4）可以看出，以HMF为底物时，该比值较低（1.1-1.3）；而以糖类为底物时，在反应初期，FA的生成量远大于LA，而随着转化率的升高，该比值逐渐降低。该过量的FA或许可以归结为LA的消耗（LA与糖类、HMF、humins或自身相互作用；LA分解为甲酸或者其他副产物）或其他的反应路径（如糖类和HMF直接分解生成FA）。然而，考虑到反应初期只有少量的humins、HMF和LA生成，LA在humins上的吸附，或者LA与糖类、HMF之间的相互作用可忽略不计。此外，实验表明LA在反应温度下十分稳定，排除了LA的分解或与自身的聚合。因此，我们认为LA的消耗可忽略不计，即过量的FA最有可能来源于糖类和HMF的直接分解。

Fig. 4. Molar ratio of FA to LA as a function of the conversion of different substrates for all monophasic and biphasic experiments in batch reactors. The insert shows the data of a representative monophasic experiment under a reaction temperature of 135 ᵒC using the aqueous feed with 0.05 M H₂SO₄ and 0.1 M substrate. The unity line (at an FA/LA molar ratio of 1) is included as a reference.

为了支撑以上的推断，进一步采用ESI-MS分别分析了单相实验中以果糖、葡萄糖和HMF为底物的反应产物 （Fig. 5.），并在结果中发现了一系列果糖、葡萄糖和HMF分解生成FA的中间产物，如 [C6sugar-H₂O-2FA + H]⁺ （m/z = 71.05） 、[C6sugar-2H₂O-FA + H]+ （m/z = 99.04）以及[HMF-FA + H]⁺ （m/z = 81.03）和 [HMF-HCHO + H]⁺ （m/z = 97.03）。因此，质谱分析结果进一步证实了糖类和HMF直接分解生成FA。

Fig. 5. ESI-MS spectra of the aqueous product sample collected after the reaction of (a) glucose, (b) fructose and (c) HMF in water in the batch reactor. Other reaction conditions: 135 ᵒC, 0.05 M H₂SO₄, 0.1 M substrate (glucose, fructose or HMF), 1 h reaction time. The inset in (a) shows a magnified view of m/z region at 70–100.

通过对实验和ESI-MS结果的分析，我们提出了相较于以往文献更加完善的混合糖在水相以及水-MIBK双相体系中的反应网络 （Fig. 6），即除了糖脱水生成HMF、HMF水解生成FA和LA、糖和HMF直接反应生成humins，还包括了糖和HMF直接分解生成FA及humins。基于该网络和单相实验结果，进行了动力学建模，并考虑了间歇反应器温升和水溶液在反应温度下的体积变化，得到了动力学参数 (如活化能及典型温度下的速率常数，见Table 1)。在双相反应中，逐渐提高搅拌速率至400 rpm以上后反应速率和HMF收率不再变化，表明此时间歇反应器内反应不再受传质限制，HMF萃取速率远大于生成速率，两相中的HMF浓度可视为处于平衡状态。因此，进一步在动力学模型中嵌入HMF 在两相中的平衡萃取，并考虑反应温度下密度变化和双相溶剂部分互溶造成的体积变化，可以准确预测果糖和葡萄糖在双相体系中的反应结果。

Fig. 6. Proposed reaction network for the conversion of fructose-glucose mixture catalyzed by sulfuric acid in monophasic (water) and biphasic (water-MIBK) systems. An additional extraction of HMF (as well as that of FA and LA; not shown for brevity) to the organic phase is present in the biphasic system. Symbol meanings are explained in the text.

Table 1. Kinetic parameter values at 135 ᵒC for the proposed reaction network.

采用该动力学模型对反应过程参数（温度和有机相/水相体积比O/A）进行优化（Fig. 7），结果表明高温有利于提高最优HMF收率，但同时也促进了葡萄糖转化。为了在果糖大量转化（转化率>95%）的基础上将葡萄糖转化率控制在较低的水平（<5%），同时保证高hmf收率，本文选择155 ᵒC作为最优的反应温度。同时，增大有机相含量可促进HMF的萃取从而提高HMF的收率。当提高O/A至4以上后，HMF收率不再明显增加，考虑到有机相的成本和回收问题，本文采用O/A=4作为最优值。因糖脱水涉及的各反应均是对酸浓度的一级反应，改变酸浓度对最优HMF收率无影响。为保证合适的反应速率，考虑到过高的酸浓度可能带来的腐蚀和污染问题，本文采用0.05 M 硫酸作为合适的酸浓度，如此可以在155 ᵒC下20 min内保证果糖完全转化。

Fig. 7. Modelled glucose conversion and HMF yield in an ideal batch reactor as a function of the fructose conversion in the water-MIBK system by varying (a) the reaction temperature and (b) initial O/A ratio. Other reaction conditions (unless otherwise stated): reaction temperature of 155 ◦C, 0.05 M H₂SO₄, 0.5 M fructose and 0.5 M glucose, O/A = 4 (fed at 20 ◦C).

在最优反应条件下，假设过程不受传热传质限制，进一步采用动力学模型考察了连续反应器中的返混程度对选择性果糖转化和HMF收率的影响（Fig. 8），结果表明低或无返混（如理想活塞流反应器模型）有利于提高反应速率和HMF收率以及果糖优先转化。

Fig. 8. (a) Modelled conversions of fructose and glucose in the water-MIBK biphasic system in different continuous flow reactor configurations and (b) the corresponding HMF yield as a function of fructose conversion. Other conditions: reaction temperature of 155 ᵒC, 0.05 M H₂SO₄, 0.5 M fructose and 0.5 M glucose, initial organic to aqueous volumetric flow ratio of 4 (fed at 20 ᵒC).

系统过程优化的结果表明理想的连续反应器应满足良好的传热传质性能、较低的返混且易于过程放大。该结论促使我们采用弹状流微反应器对混合糖（高果糖玉米糖浆）转化过程进行过程强化，在155 ᵒC、0.05 M H₂SO₄和O/A=4下，可得到96%果糖转化率和80%以上的HMF收率，并保持95%以上的葡萄糖未转化率 (Fig. 9)。微反应器内的实验结果与此前建立的的双相动力学模型预测结果吻合良好，进一步验证了微反应器内具有良好的热质传递性能，可保证反应在动力学区间进行。

Fig. 9. Conversion of (a) 10 wt% HFCS-55 (0.26 M fructose and 0.20 M glucose) and (b) 10 wt% HFCS-90 (0.42 M fructose and 0.05 M glucose) in slug flow microreactors. Other reaction conditions: reaction temperature of 155 ᵒC, 0.05 M H₂SO₄ and an initial organic to aqueous volumetric flow ratio of 4 (fed at ca. 20 ᵒC). Error bars represent the standard deviation based on experiments in at least duplicate.

相关研究成果

W. Guo, H.J. Heeres, J. Yue, Continuous synthesis of 5-hydroxymethylfurfural from glucose using a combination of AlCl₃ and HCl as catalyst in a biphasic slug flow capillary microreactor, Chem. Eng. J. 381 (2020) 122754.

R.M. Abdilla-Santes, W. Guo, P.C.A. Bruijnincx, J. Yue, P.J. Deuss, H.J. Heeres, High-Yield 5-Hydroxymethylfurfural Synthesis from Crude Sugar Beet Juice in a Biphasic Microreactor, ChemSusChem 12 (2019) 4304-4312.

心得与展望

葡萄糖异构化生产果糖-葡萄糖混合物已经具有成熟的工业化生产背景（如高果糖玉米糖浆、高蔗糖甜菜汁的生产等），然而对混合糖的进一步高价值化转化尚处于初步探索阶段。本工作提出了优先转化混合糖中的果糖来制备HMF，并最大限度保持葡萄糖不转化以利于其回收再异构化，从而提高葡萄糖制备HMF的总体效率的概念。为实现该目标，本工作进行了关于混合糖转化制HMF的实验和动力学建模研究，通过动力学模型对双相体系中混合糖转化的过程参数进行优化并探讨了连续反应器的设计，最终采用双相弹状流微反应器平台强化了工业混合糖转化制备HMF，该过程具有与现有工业混合糖生产链相结合，并对其进行高价值化升级改造的潜力。

课题组负责人介绍

乐军，博士，荷兰格罗宁根大学科学与工程学院副教授。1997年天津大学本科，2008年获法国萨瓦大学和中科院大连化学物理研究所联合培养博士学位。2009-2014年在荷兰埃因霍温大学从事博士后研究，2014年加入荷兰格罗宁根大学。现课题组主要从事化工过程强化及其在生物质催化转化制高附加值燃油及化学品的研究。

个人主页：http://www.rug.nl/staff/yue.jun/

文末编辑：Hiphone；Kelvin

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