【文献解读】J. Environ. Manage. 硫酸铁催化微藻两步法制5-HMF

背景介绍

5-羟甲基糠醛(HMF) 被称作“万能中间体”，由于可用于制备生物燃料和可再生聚合物的多功能性而受到广泛研究。此前，大量的研究集中于通过陆生生物质如纤维素、木质素等为原料来制备HMF。与高等陆生生物质相比，微藻是一种原核单细胞水生生物质，具有资源易得、不与粮争地、光合效率高，产量大等优势，极大的拓展了生物质来源，被称为第三代生物质。微藻生物质细胞结构和组成更为简单，主要富脂质、含碳水化合物和蛋白质，木质素含量很低，需要的预处理工艺较少，且在水热条件下无需对湿微藻原料进行干燥处理以节约能耗成本。基于此，韩国釜庆大学的Gwi-Taek Jeong进行了使用硫酸铁为催化剂促进小球藻两步法制备HMF的研究。

图文解读

首先，作者设计了Box–Behnken三因素（温度、反应时间、催化剂负载量）三水平的正交实验，探究该实验参数对小球藻转化的影响，结果如表1所示。在170 °C，10 min，40%催化剂负载量的条件下，小球藻转化为果糖的效果最好，果糖产率为68.38%（单糖总产率为83.75 %）。而在170 °C，40 min，40%催化剂负载量的条件下得到最高的HMF产率为9.47%。实验所得到的果糖产率的二次多项式回归模型为：1180.889 + 12.589 TEMP +494.277 CAT +6.811 TIME - 1.530 TEMP·CAT - 0.033 TEMP·TIME - 0.761 CAT·TIME - 0.033 TEMP² -189.482 CAT² - 0.025 TIME²。HMF产率的二次多项式回归模型为：188.135–2.329 TEMP - 40.557 CAT - 1.143 TIME + 0.289 TEMP · CAT + 0.007 TEMP · TIME + 0.144 CAT · TIME + 0.007 TEMP² - 5.252 CAT² + 0.001 TIME²。果糖和HMF模型预测值与实验值的相关性系数分别为0.951和0.981，有效性得到了验证。各单因素相互作用分析表明，各反应因素对果糖和HMF产率的作用排序为：温度>催化剂负载量>反应时间。

在使用小球藻成功制备出HMF后，作者优化反应工艺，使用两步法将小球藻转化为HMF。首先，通过热转化的方式将小球藻转化为单糖，所得到的单糖进一步在水热条件下转化为HMF。在两步法工艺中，不同反应温度和时间下的HMF产量如图6所示，在170 °C，60 min，60%催化剂负载量的条件下，HMF产率最高可达到37.23%。

结论

本文使用硫酸铁为催化剂，对其催化小球藻制备HMF进行了研究。使用两步法转化的工艺中，在170 °C，60 min，60%催化剂负载量的条件下，HMF产率最高可达到37.23%，说明使用廉价易得的微藻生物质为原料来制备高附加值的化学品具有可行性。本文的研究拓宽了单细胞微藻生物质的转化利用范围，为微藻高值化利用提供了新思路。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112919

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