浙江工商大学：将玉米秸秆转化为 5-羟甲基糠醛（HMF）

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引入球磨（BM）预处理结合微波水热（MHT），将玉米秸秆转化为高附加值化学品5-羟甲基糠醛（HMF）。采用Box-Behnken设计和响应面方法优化BM预处理的关键参数。首先选择BM转速为580 rpm，BM时间为360 min，球固比为60:1。然后对预处理后的玉米秸秆进一步进行MHT。

结果表明，BM预处理玉米秸秆可使HMF产量比原料提高约2倍。在214 °C下150 min后观察到最高的HMF产率为3.46±0.02 wt%。此外将BM-MHT与传统方法的潜力进行了比较，并验证了其7.5倍的优势。最后证明BM-MHT从玉米秸秆中生产HMF的潜在利润为每吨26,303美元。BM-MHT是玉米秸秆状生物质增值的有前景的选择。

玉米是世界上分布最广泛的粮食作物之一，仅次于小麦和水稻。在玉米规模化种植的过程中，不可避免地会产生大量的玉米秸秆，这是一种常见的农业废弃物。随着全球对碳排放的关注，此类农业废弃物的处理和处置也是当前全球关注的问题。过去，焚烧是秸秆处理的主要方式，但随着环境污染和环境意识的提高，秸秆焚烧逐渐被废除。

目前，秸秆利用的主要方式是施肥、饲料和燃料。然而，上述处理方法均不能最大限度地利用玉米秸秆等农业废弃物的资源化利用，并可能造成一定的环境危害。因此，寻找绿色道路是玉米秸秆等农业废弃物处理的新发展方向。

5-羟甲基糠醛（HMF）是一种重要的平台化学品，可用于制备2,5-呋喃二甲醛、2,5-呋喃二甲酸、乙酰丙酸等高附加值化学品。在医药、能源、高分子等领域具有很好的应用前景。HMF通常由葡萄糖和果糖脱水形成。玉米秸秆中含有大量由葡萄糖单体聚合而成的纤维素，具有转化生产HMF的结构单元，是HMF生产的理想原料。目前，HMF的工业生产主要依靠可食用生物质，成本高，容易产生资源浪费。玉米秸秆大量生产，但目前没有适当的处置方法。从玉米秸秆生产HMF不仅可以缓解农业废弃物处理的压力，还可以获得高附加值的化学品，这是一个绿色高效的发展方向。

玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。它具有很高的抵抗力，阻碍了高价值的过程。关于将秸秆直接转化为HMF的研究表明，该途径不太可行，难以达到预期的结果。为了提高木质纤维素生物质的可用性，浙江工商大学环境科学与工程学院研究团队已经开发并应用了一系列物理，化学和生物预处理方法以及组合预处理模式。

球磨（BM）是一种绿色高效的机械化学预处理方法，其物理形式通过碰撞，摩擦和剪切力有效地减小纤维素的粒径和结晶度，以提高纤维素的可及性。就其内部结构而言，BM预处理已被证明可有效促进植物细胞壁中多糖的解聚和可溶性低聚糖的增加。此外，BM预处理有效促进交联纤维素-半纤维素-木质素配合物的解离。使用BM作为预处理技术可以有效提高木质纤维素生物质废物转化为高价值产品的效率，并已得到广泛验证。

综上所述，BM预处理可有效提高玉米秸秆的可及性。然而，在BM预处理过程中仅增加了玉米秸秆对HMF的潜力，而实际上并没有产生HMF。仍然需要通过水热法将玉米秸秆转化为HMF。近年来，微波水热（MHT）法因其加热均匀、可控、能效高等优点而受到广泛关注。

同时，MHT法可有效破坏纤维素的分子间氢键，提高水解速率。Sert等比较了常规加热和微波加热下纤维素的产物产量和碳效率。在深共晶溶剂作用下，在160 °C停留1min，微波加热可达到89.36%的碳效率。乙酰丙酸、HMF、糠醛和甲酸的收率分别为69.82%、2.29%、3.28%和13.96%。然而，在150 °C下停留1h后，传热加热的碳效率仅为62%。乙酰丙酸、HMF、糠醛和甲酸的收率分别为48.24%、2.08%、1.10%和9.65%。

因此，MHT可以有效提高纤维素转化效率，应用MHT改善木质纤维素生物质废弃物可以有效挖掘其潜在价值。同样，许多研究表明，MHT可以有效提高HMF生物质转化的产量。然而，尚未进行研究通过分别优化BM和MHT条件来提高HMF从玉米秸秆转化的潜力，也没有研究阐明BM-MHT方法在多大程度上提高了HMF从玉米秸秆转化的效率。因此，有必要进一步探索BM-MHT将玉米秸秆转化为HMF的潜力。

本研究探讨了BM预处理联合MHT将玉米秸秆靶向转化为HMF的潜力。本研究旨在为秸秆废弃物的高价值回收利用提供一种新的增值途径。

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s13399-022-03648-x#author-information

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