用户前沿丨Renewable Energy：高重力条件下纤维素乙酰丙酸丁酯的强化合成！

近日，法国国立应用科学学院&法国国立卡昂高等工程师学院&法国国家科学研究中心等，在能源顶级期刊《Renewable Energy》上发表了题为“Enhanced butyl levulinate synthesis from cellulose under high-gravity Conditions: Catalyst and solvent optimization”的重要研究成果。该团队研究了在高重力条件下（80 g/L）纤维素转化为乙酰丙酸丁酯的过程，同时提高反应条件（20 bar，200℃）对糖中间体进行分析，揭示了葡萄糖苷和果糖苷作为乙酰丙酸丁酯主要中间体的作用，而不是葡萄糖和果糖异构化产物。这些发现加深了对纤维素转化为生物燃料的理解，为优化工业应用中的效率和可扩展性提供了途径。

全球化学工业正向更可持续的方向转变，生物质是最有前景的富碳原料之一，因为它在世界范围内易于获取、可再生且具有成本效益，木质纤维素生物质有望成为高价值生物燃料的良好原料。然而，其主要成分纤维素的增值利用受到诸多限制，包括其难降解性和腐殖质的形成。目前，纤维素高效解聚为生物基燃料添加剂，例如乙酰丙酸烷基酯，已成为研究的重点。乙酰丙酸烷基酯的生产途径有两种：一种是乙酰丙酸，另一种是原料LCB、糖聚合物（例如半纤维素或纤维素）或糖单体（例如葡萄糖）（图1）。第一种途径对应于乙酰丙酸酯化。第二种途径是糖分馏（纤维素、葡萄糖或果糖）的醇解。由于纤维素的性质难以控制，因此其应用开发较少，需要克服一些挑战，例如溶剂和催化剂的选择。

该团队通过高浓度纤维素负载（80g/L），研究了金属硫酸盐催化剂Fe₂(SO₄)₃·xH2O和Al₂(SO₄)₃·18H₂O的催化效果，选择这些催化剂是基于其价格低廉及其在高温（180-220 ?C）下的优异稳定性，这对于纤维素的解聚至关重要。基于γ-戊内酯作为助溶剂对乙酰丙酸丁酯生产的影响，对其进行了评估。在相同条件下对不同底物分子（纤维素、葡萄糖、果糖）进行的实验结果，提出了一条总体反应路径。图2展示了整个反应的装置图。

图1 以不同的生物质为原料生产

乙酰丙酸烷基酯

图2 纤维素解聚的实验装置

文中利用SCION 456-GC&SCION LC6000，对图2反应装置下进行解聚产物进行定性定量，456-GC主要对挥发性产物乙酰丙酸正丁酯 (BL)、甲酸正丁酯 (BF)等进行分析，LC6000主要对葡萄糖 (GLU)、果糖苷 (FRU)、丁基葡萄糖苷、丁基果糖苷、羟甲基糠醛 (HMF) 和乳酸 (LA)等进行分析。通过对实验结果的反馈，从而对反应条件进行优化。值得一提的是，图3显示了基于验结果的可能反应路线。尽管维持足够高的温度对于纤维素键的断裂是必要的，但反应途径在较低温度下转向有利于果糖异构化的可能性仍有待探索。

图3 纤维素经葡萄糖苷途径解聚为

乙酰丙酸丁酯途径

《Csendes V F, Perera S, Devouge-Boyer C, et al. Enhanced butyl levulinate synthesis from cellulose under high-gravity Conditions: Catalyst and solvent optimization[J]. Renewable Energy, 2025: 123298.》

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