胡 丞，白麗莉

（1.中國石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045；2.中國石化 北京燕山分公司，北京 102500）

隨著社會的發(fā)展，資源和環(huán)境已然成為制約人類可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素，生物合成及資源利用技術的開發(fā)將成為解決這一問題的關鍵之一。而開發(fā)綠色可再生生物質資源，替代傳統(tǒng)的石油資源，是當今社會發(fā)展和研究的重點［1］。其中，以生物質資源為原料合成的2，5-呋喃二甲酸（FDCA），具有與對苯二甲酸相似的結構，且在自然界易降解，主要用于合成聚酯、尼龍、環(huán)氧樹脂等高性能可降解聚合物［2］。尤其是FDCA 與乙二醇聚合所得聚2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF），具有比聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）更優(yōu)異的力學、熱性質及更好的阻氣性能［3］。

FDCA 合成方法主要有化學法［4-7］和生物法［8-9］，其中化學法研究相對較成熟，主要是以5-羥甲基糠醛（HMF）［4］、糠酸糠醛［5］、己糖二酸［6］、二甘醇酸［7］等為原料，通過選擇性氧化、或脫水環(huán)化制備得到，其中，HMF 高效轉化是主流方法，而生物酶催化或工程菌株生物催化，因生產效率相對較低，多處于研發(fā)階段。以上幾種原料的起始原料又均可由生物質資源得到，可有效減少碳排放，大大降低FDCA 生產成本。FDCA 在理化性質、可降解性能及應用價值方面表現出來的優(yōu)異特性，使其發(fā)展前景廣闊。目前，國內外高校、研究機構及從事生物基化學品開發(fā)的國際公司都對FDCA 合成技術的開發(fā)研究給予了極大的關注。

本文在傳統(tǒng)FDCA 催化氧化合成工藝基礎上，對當前FDCA 合成的新技術、新工藝、新路線及其應用前景進行全面概述。

1 FDCA 合成新工藝

1.1 化學-酶法氧化合成FDCA

現有以HMF 制備FDCA 的工藝，起始原料為高品質的果糖，而化學-酶法新工藝則采用新的化學路線結合全新而獨特的酶工藝，將酶催化的選擇性與化學催化的高效性相結合，利用纖維素平臺化合物葡萄糖制取FDCA。

在纖維素生物質利用方面，芬蘭MetGen 公司開發(fā)的PURECO ?系列酶產品，能夠將木質原料轉化為高附加值的化學品。他們開發(fā)了化學-酶法工藝制備5-羥甲基呋喃（5-HMF），工藝路線如圖1 所示。以葡萄糖為原料，通過酶催化合成，葡萄糖轉化率高達90%以上，而利用果糖只有約60%的轉化率。

圖1 化學-酶法工藝路線Fig.1 Chemical-enzymatic process.

圖2 為以葡萄糖為原料經HMF 合成FDCA 的傳統(tǒng)工藝與MetGen 公司工藝的對比。從圖2 可發(fā)現，化學-酶催化工藝所得產品的產率可達到87.0%，而傳統(tǒng)工藝所得產品的產率僅有20%，且化學-酶催化合成工藝流程短、步驟相對簡單［10-11］?；瘜W-酶法氧化路線取得的最新進展使其向生物基產業(yè)化方向邁出了重要的一步。

圖2 以葡萄糖為原料經HMF 合成FDCA 傳統(tǒng)工藝與MetGen 公司工藝對比Fig.2 Contrast conventional process with MetGen process of synthesis FDCA from 5-hydroxymethylfurfural(HMF) using glucose as raw material.

華南理工大學報道了一種酶催化HMF 選擇性氧化合成高附加值2，5-呋喃二醛（DFF）、5-羥甲基糠酸（HMFCA）、5-醛基糠酸（FFCA）及FDCA 的新方法，并分別采用了醇氧化酶、黃嘌呤氧化酶、漆酶及脂肪酶等進行氧化催化反應［12-13］。該酶法具有過程簡單、選擇性高、反應條件溫和、環(huán)境友好、產率高等優(yōu)點，有效地克服了化學法及已報道的酶催化法的諸多缺點。同時，提出用綠色的新型介質（深度共熔溶劑（DES））分離HMF及DFF 混合物的新概念。經DES 萃取三次后，DFF 純度由76%（w）提高至97%（w）；DES 的應用可為化合物的高效分離提供新的思路［14］。

化學-酶法氧化新路線合成FDCA，有效降低了原料成本，提高了反應的選擇性和轉化率，并完成了酶體系的構建、工藝路線的驗證等工作，具有一定的工業(yè)化應用前景，但酶成本較高、酶催化體系機理仍需進一步深入研究。

1.2 醛糖酸新工藝路線合成FDCA

醛糖酸可以由果膠或非糧食碳水化合物制備，以醛糖酸為原料通過化學催化制備FDCA 是實現生物質資源高效利用的重要途徑。芬蘭技術研究中心（VTT）開發(fā)了一種環(huán)境友好且經濟的新方法，從植物糖中制取FDCA，將其用于生產飲料瓶、涂料、工業(yè)樹脂等［15］。該新工藝流程見圖3。工藝主要利用非食用的低值廢棄碳水化合物為原料，制得果膠，然后通過生物-化學催化制得醛糖酸，再經固體酸催化劑及生物基溶劑催化制得FDCA［16］。該反應過程與傳統(tǒng)工藝相比，反應時間短、減少了有毒廢物的產生、投資少，已經引起業(yè)界極大的興趣。

圖3 VTT 合成FDCA 新工藝Fig.3 The new proess of FDCA synthesized with VTT.

美國密歇根州立大學公開了一種采用醛糖酸為原料制備FDCA 的方法［17］，該方法利用醛糖酸如半乳糖二酸、甘露糖二酸、葡糖二酸等為原料，醛糖酸在酸性催化劑存在下，經脫水、環(huán)化生成FDCA，糖醛酸主要從果膠或大型藻類所含化合物氧化獲得，工藝過程見圖4。該方法不通過HMF 氧化途徑，而是先形成C6二酸即醛糖酸，再脫水氧化制備FDCA。實驗步驟包括：1）從甜菜渣中萃取果膠；2）果膠通過水解制得半乳糖醛酸；3）半乳糖醛酸通過催化氧化制得半乳糖二酸；4）半乳糖二酸經脫水環(huán)化制得FDCA；5）純化回收FDCA。

圖4 密歇根州立大學合成FDCA 的新工藝Fig.4 The new process of FDCA was synthesized with Michigan State University’s technology.

以醛糖酸為原料制備FDCA，是一條高效、簡單的合成路線，是實現生物基資源有效利用的高效途徑之一。

1.3 荷蘭Avantium 公司YXY 技術

利用生物催化或化學催化技術將生物基糖轉化為塑料或其他化學品，是生物質資源實現100%利用的高效手段。荷蘭Avantium 公司利用玉米、甘蔗或淀粉為原料，開發(fā)了合成FDCA 和PEF 系列產品的YXY 技術平臺，并于2011 年使之商業(yè)化［18］。

YXY 技術通過兩步化學催化實現糖的轉化，關鍵核心在于生物基FDCA 的合成［19］，主要包括：1）生物質在醇體系下進行催化脫水，制備得到烷氧基甲基糠醛、5-甲氧基甲基糠醛和乙酰丙酸；2）烷氧基甲基糠醛在酸性體系下發(fā)生催化氧化得到FDCA；3）聚合得PEF。具體工藝流程見圖5。

由上可知，韓國以堪輿為主題的漢文小說，往往與“報恩”有著千絲萬縷的關系，無論是地師為報他人恩德為其占地，還是婢女奚得吉地后報地師或主家的恩德，都體現了古代朝鮮人民對個人品德操守的看重以及對滴水之恩涌泉相報的價值理念。

圖5 Avantium 公司研發(fā)的YXY 工藝流程Fig.5 YXY technology process developed by Avantium company.

YXY 技術平臺的開發(fā)，具有劃時代意義。該平臺除合成了FDCA 和PEF 外，還推出了如呋喃羧酸、乙酰丙酸等性能優(yōu)異的生物基產品和燃料。Avantium 公司成功開發(fā)了一系列的基礎原料如乙酰丙酸甲酯（ML），在萬噸級范圍的FDCA 工業(yè)裝置上聯(lián)產ML 可實現規(guī)模效益。

當前，YXY 生產FDCA 使用的原料為果糖漿，該原料在美國可從玉米中提取，在歐洲可從小麥中提取，仍以糧食為原料。為此，Avantium 公司積極推進開發(fā)第二代糖，即非糧食為原料的YXY 技術，該技術目前已開發(fā)成功，正在試驗性生產階段［20］。

1.4 全細胞催化合成FDCA

全細胞催化，即生物轉化，是利用生物有機體為催化劑實現化學轉化的過程，轉化效率主要取決于細胞內特種酶的活性，當前多通過基因工程構建不同合成需求的工程菌，從而達到對底物選擇性的要求，制備得到高純、高收率的生物基化學品。當前針對FDCA 合成過程，各國科學家開展了大量關于生物轉化的研究工作。

Wierckx 等［21］提出了一種全細胞生物轉化生產FDCA 的生物方法，通過氧化還原酶HmfH，催化完成5-HMF 全細胞轉化，將來自細菌Cupriavidus basilensisHMF14 的HmfH 基因功能性引入Pseudomonas putidaS12 中，通過基因HmfT1和adh 的表達，各自編碼為HMF 或它的衍生物和醛脫酶轉運器，提高了轉化速率。利用這種最佳的全細胞生物催化劑，在控制pH 條件下，可以定量地生成FCDA，超過100 g/L，FDCA 的提純可采用離心、沉淀及溶劑萃取。Koopman 等［22］使用全細胞的生物催化方式，將HmfH 基因（編碼轉化HMF 合成FDCA 的氧化還原酶）導入到Pseudomonas putidaS12 中，采用分批次加料培養(yǎng)，HMF 轉化合成FDCA 的產率為97%，分離純化方式使用酸沉淀和溶劑萃取的形式，回收率為76%，純度為99.4%（w）。具體反應過程如圖6 所示。

圖6 以HMF 為起始原料全生物轉化制備FDCAFig.6 The biosynthesis of FDCA used HMF as material.

普拉克生物化學有限公司在專利中提出了基因修飾細胞和使用修飾細胞的方法［23］，這種生物轉化可用于生產FDCA 和處理含木質纖維素的材料。通過新基因修飾的細胞改善和提高呋喃化合物的生物催化轉化能力，并有利于及時脫除轉化過程中對細胞有害的中間體，如HMF 及呋喃前體等，提高FDCA 的收率。

大連理工大學彭孝軍團隊利用解鳥氨酸拉烏爾菌Raoultella ornithinolyticaBF60 進行全細催化HMF 合成FDCA［24］。他們首先通過表達HmfT1 基因和Mrad2831 基因促進HMF 轉運進入Raoultella ornithinolyticaBF60 胞內，然后通過軟件同源建模，利用HMF 對菌株進行脅迫、通過高通量篩選技術，得到了在高濃度HMF 體系下可正常代謝生產FDCA 的菌株，并通過菌株固定化技術，實現了菌種的反復利用，FDCA 總產量可達165.94 mmol/L。

與化學合成法對比，全細胞生物合成法合成FDCA 的成本低、綠色無污染，且反應溫度低，但也存在著反應時間周期長（一般超過2 d）、反應步驟繁多、HMF 存在細胞毒性及細胞基因定向改造難度大等問題，還有待進一步深入研究。

1.5 與CO2 羰基化反應制備FDCA

隨著可再生生物質資源的推廣和應用，以生物質資源為原料，尤其是木質纖維素資源，利用CO2，合成生物基化學品，既能有效減少不可再生資源的消耗，又能減少溫室氣體的排放，起到碳捕集、利用的效果。因此，以秸稈等木質纖維素為原料合成糠醛，經氧化制得糠酸，再與CO2羰基化合成2，5-FDCA 的路線得到了越來越多的關注。

2016 年3 月9 日，《Nature》雜志發(fā)表了以CO2和非食用植物材料，如農業(yè)廢棄物和草等，制備新塑料的新成果［25］。該技術為現有的石油煉制塑料提供了低碳的可替代方案。該研究小組重點關注PET 替代物PEF，實驗材料是糠醛，主要來源為玉米芯等農作物的殘留物；并嘗試使用糠醛和CO2生產FDCA，通常這種方法需要昂貴的化學試劑參與反應，且能耗大，研究人員通過將碳酸鹽與CO2和糠酸（糠醛衍生物）混合，并使其處于200℃環(huán)境下，形成一種熔融的鹽來解決這一瓶頸問題，反應5 h 后熔融的鹽混合物會有89%轉化為FDCA，具體工藝路線如圖7 所示。

圖7 以生物質資源和CO2 為原料合成FDCA 和PEFFig.7 The synthesis of FDCA and 2，5-furardigarate glycol polyester(PEF) used biomass resources and CO2 as raw materials.

浙江大學公開了一種利用呋喃甲酸連續(xù)化制備FDCA 的工藝［26］，該工藝以呋喃甲酸為原料，將其溶于溶劑后與CO2混合進入裝有過渡金屬負載型催化劑的固定床中進行反應，再經減壓塔分離后，即可制得FDCA，該過程通過循環(huán)操作可提高整體反應收率至95%以上。

以秸稈類木質纖維素為原料，通過與CO2發(fā)生羰基化反應合成FDCA 是一條環(huán)保、經濟、高效的解決方案，在當前“雙碳”減排的大背景下具有非常重要的意義。

1.6 電化學催化氧化合成FDCA 新路線

電化學催化主要是通過電極電勢的改變，促使電子轉移，為化學反應提供反應推動力的方法。該方法在FDCA 合成上的應用主要是通過HMF 電化學催化氧化常溫下進行［27］。該過程無需添加任何氧化劑、反應條件溫和，因此被認為是一種綠色環(huán)保的合成方法。

用于電化學催化氧化HMF 制備FDCA 的催化劑也由最初的Pt，Pd，Au 等貴金屬催化劑的研究逐步拓展至過渡金屬類催化劑的研究，以降低制備成本。浙江大學［28］采用H 型雙電化學池反應器，以質子交換膜隔離為陰極室和陽極室，采用氫氧化鈉等堿性水溶液為電解液，以活性炭負載氧化態(tài)或還原態(tài)銅鎳雙金屬催化劑為HMF 電化學催化氧化催化劑，用于制備FDCA，產率最高可達到90.0%，該方法可極大地降低反應過程中電極的析氧反應和催化劑失活效應、電流效率高、反應過程選擇性高、產品收率高。Gao 等［29］以Ni 和Se 為活性金屬負載制備了NiSe@NiOx核殼納米線結構的電催化劑，能極大地提高催化劑的分散性，增加反應的活性位點，提高FDCA 的轉化率。

采用電化學催化制備FDCA 過程，最重要的是電催化劑活性、選擇性和穩(wěn)定性，通過不斷地對催化劑進行改性優(yōu)化提高使用壽命、降低生產成本是該技術工業(yè)化有望應用的關鍵所在。

1.7 光催化氧化合成FDCA

隨著光催化技術的不斷發(fā)展，采用光催化技術制備FDCA 的研究也開始逐步開展。但由于光催化過程選擇性氧化控制難度較大，使其研發(fā)一直處于起步階段。

Zhang 等［30］以鎢酸鹽水合物和三聚氰胺為原料，經焙燒合成WO3/g-C3N4復合物催化劑，用于HMF 制備DFF，在可見光照射下，選擇性為87.2%，轉化率最高只有27.4%。整體選擇氧化的深度不夠。Xu 等［31］充分利用g-C3N4催化活性位點多、比表面積大、熱穩(wěn)定和化學性質均較高及電子結構可調的優(yōu)點，為提高光催化氧化活性，采用與金屬硫代卟啉（具有特定的能級結構和氧化還原特性）相結合的方法，制備得到CoPz/g-C3N4（鈷配位硫代卟啉），用于光催化氧化HMF 制備FDCA，該過程以空氣中的氧氣為氧化劑，在常壓太陽光照射下進行反應，通過調節(jié)溶液pH，可得到不同的反應產物。在pH=4.01 時，生成的是DFF；而當pH=9.18 時，則會生成FDCA，收率可高達96.1%，選擇性為97.0%。

光催化氧化合成FDCA，具有環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的特點，但與化學/生物催化相比，利用該技術合成FDCA 的研究報道仍較少，尤其是在關于高活性催化劑和催化機理的探究方面需要進一步深入研究。

1.8 基于傳統(tǒng)HMF 合成FDCA 路線的新方法

針對以HMF 為原料合成FDCA 的工藝過程，研究者也在現有工藝、路線及選擇方案基礎上做了大量的改進優(yōu)化，形成了基于傳統(tǒng)HMF 合成FDCA 的新方法。

Yi 等［32］采用一鍋法，以葡萄糖或果糖為原料，添加四乙基溴化銨（TEAB）、甲基叔丁基醚（MTBE）、水三相體系，通過反應萃取制得FDCA，具體過程為：糖首先在TEAB 或水相（Ⅰ相）中被轉化為5-HMF，然后HMF 被萃取到MTBE（Ⅱ相）中，進行萃取、轉移和純化后，進入水相（Ⅲ相）中，在此HMF 被轉化為FDCA。實驗結果表明，以果糖和葡萄糖為原料，FDCA 的總產率分別為78%和50%。

Nishita 等［33］采用新型催化劑，以果糖為原料，制得HMF 和FDCA 等呋喃化合物。首先使用固體酸催化劑進行果糖脫水、在兩相條件下選擇性生成HMF；然后采用Ru-K-OMS-2 催化劑，HMF 脫水氧化制得FDCA。研究發(fā)現在堿性和非堿性體系下，FDCA 的產率分別達到93.4%和66%。

Triebl 等［34］利用文獻數據和簡單的工藝模型設計了兩種不同的以 HMF 為原料制備FDCA 的工藝。第一種工藝包括混合懸浮、混合產物分離、過濾及結晶，從溶劑中分離得到固體FDCA。經計算FDCA 合成成本最低為3 157 $/t，如果使用純氧為氧化劑，則FDCA 合成成本可降到2 458 $/t；第二種方案主要是結合FDCA 的高熔點特性，采用三辛胺為溶劑，這一方案估計FDCA 合成成本為3 885 $/t。同時，敏感性分析表明，催化劑的選擇性和轉化率對FDCA 合成價格的影響較小，主要取決于裝置規(guī)模、催化劑和HMF 成本的影響。

目前，由生物質平臺化合物HMF 通過脫水催化氧化制備FDCA 的實驗室研究已經比較成熟，所用催化劑主要為貴金屬、金屬氧化物、多種鹽或生物催化類，且多需要在堿性或有機溶劑體系下進行。雖然HMF 的化學性質不穩(wěn)定、不易儲存、易分解或聚合，但目前FDCA 合成工藝仍以HMF 化學法制備工藝為主，研究的也比較深入，該過程能夠獲得較高的FDCA 產率，也是最接近工業(yè)化量產的合成途徑［35］。

2 FDCA 的研究進展及應用前景

隨著國家“禁塑令”的實施，全球對于可降解材料的需求劇增。而目前市面上大規(guī)?；目山到獠牧?，如聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯等，應用領域受到局限，多被用于日常包裝、吸管及地膜等領域，在工程塑料應用領域較少。而基于生物基FDCA 合成的PEF 聚酯在成本與性能上，均具有替代傳統(tǒng)石油基PET的可能性，且有著比PET 更優(yōu)異的性能，如在食品飲料領域，由于PEF 具有較高的氣體阻隔性，相比PET 可以實現更長時間的保鮮；在包裝領域，由于PEF 具有比PET 更高的強度，因此可以有效降低包裝材料的質量，節(jié)約材料成本和運輸成本。同時目前以PEF 為原料生產飲料瓶的工業(yè)化生產線，已經完全沿用了PET 加工工藝，相較PET 纖維成形工藝，PEF 也展現出了極大的競爭優(yōu)勢和生產效率，且整個過程可實現全生物基塑料的使用、回收、再利用。

而下游加工技術和催化劑選擇性是決定FDCA生產效率的關 鍵。2016 年，Avantium 公司和BASF 公司 雙方簽署成立合資公司Synvina，旨在將Avantium 公司開發(fā)的YXY 技術商業(yè)化，他們通過將生產FDCA 的分離技術和催化劑選擇性進行改善后，FDCA 的合成成本可降低至1 000 $/t。在2019 年1 月，Avantium 公司收購了Synvina 公司的100%所有權，為YXY 技術的商業(yè)化創(chuàng)造了新的途徑。2020 年初，Avantium 公司計劃在荷蘭建設一個5 000 t/a 的FDCA 和PEF 生產廠，該工程計劃于2023 年啟動。YXY 技術的商業(yè)化已成功證明了FDCA 工業(yè)化生產規(guī)?？刹捎矛F有的PET生產設備，通過改造脫水工序及部分氧化、凈化工序即可達到用于生產PEF 聚酯材料的目的，所以YXY 技術具有非常好的實用性條件。同時其他幾家國外公司，如杜邦、阿徹丹尼爾斯米德蘭公司、伊士曼化工公司和VTT 研究中心等均已經在FDCA 商品化產品技術研發(fā)方面取得了重大突破。

在國內，FDCA 和PEF 的商業(yè)化還處于研發(fā)攻堅克難階段。2021 年科技部下發(fā)“十四五”國家重點研發(fā)計劃，提出要發(fā)展低成本生物基工程塑料的制備與產業(yè)化，FDCA 及PEF 包含在其中。充分顯示了生物基FDCA 及其聚酯作為一種高端工程塑料對于推動我國聚酯行業(yè)轉型升級發(fā)展的重要性。當前FDCA 商業(yè)化研發(fā)成為了國內學者研發(fā)的主要方向，如中國科學院寧波研究所的朱錦教授帶領項目組以生物質非糧食作物為原料合成FDCA 和PEF，目前已成功打通制備及加工改性的整個技術鏈條，但工業(yè)化仍面臨一些亟需攻關的工程技術難題。

因此，伴隨著YXY 技術及各企業(yè)和研究機構關于FDCA 和PEF 技術的發(fā)展，很可能會引起聚酯全產業(yè)鏈深層次的創(chuàng)新，這對傳統(tǒng)石油基類材料，尤其是PEF 材料，將會帶來革命性的沖擊，隨著PEF 商品化、產業(yè)化技術發(fā)展的不斷成熟，在未來PEF 將很大程度上取代PET 市場，成為可應用于各領域的全新材料。盡管目前仍存在著許多技術障礙，且加工成本較高，但仍很難抵御PEF迅猛的發(fā)展形勢。

FDCA 作為一種具有“剛性”平面結構的生物基高分子芳環(huán)單體，可與二醇、二胺等單體進行聚合，是一個性能優(yōu)異的新型生物基高分子合成材料［36］。從目前的研究結果來看，以糖類為原料的HMF 路線是規(guī)?；苽銯DCA 的最可行的路線；從長遠可持續(xù)發(fā)展的角度來看，以纖維素為起始原料合成FDCA 將是主要發(fā)展方向，而這個過程中，打通纖維素到糖合成工藝和技術，是FDCA 發(fā)展的關鍵。

3 結語

FDCA 作為一種重要的生物基平臺化合物，受到了許多研究者的關注，尤其是在取代傳統(tǒng)PTA合成PEF 方面，應用前景大好。加上當前開發(fā)生物質資源利用、深加工技術，減少化石資源消耗，已成為國內外企業(yè)和科研院所的研究熱點；尤其是以木屑、秸稈等生物質資源為原料，經生物或化學催化合成生物基單體及聚合物，已經成為了當前材料領域發(fā)展的重要方向。

FDCA 合成的主要技術難點在于原料轉化后糖的高效選擇性脫水及高效經濟的催化氧化技術及工藝路線的開發(fā)。就催化氧化過程而言，構建綠色高效穩(wěn)定的催化體系是制約該領域發(fā)展的關鍵問題之一，更應在催化劑體系的研究上取得突破，拓展技術開發(fā)路線，如廉價金屬、非金屬體系等催化材料；用水相溶劑替代有機溶劑，實現無堿、無鹵素條件下的選擇氧化和氧化裂解。同時，應借助反應動力學和現代原位譜學等表征方法，開展反應機理和催化劑構效關系方面的研究。這些都將對生物質催化氧化制備有機二元酸的應用起到重要的作用，也是生物質體系催化氧化研究的主攻方向之一。