生物基推荐 | 中科院宁波材料所张建研究员：颠覆性生物质转化技术研究应戒除浮躁、守正务实！

作为生物基芳香类关键单体，呋喃二甲酸（FDCA）最为熟知的应用就是合成PEF聚酯，其优异的阻隔性能可实现与石油基PET聚酯的错位发展。 FDCA的关键原料5-羟甲基糠醛（HMF）有望在今年实现千吨级连续生产，为FDCA规模化生产及应用带来了发展新动力。应当清醒地看到，FDCA相关的若干核心技术问题仍未得到有效解决，需要凝聚更广泛的社会力量攻克产业化难关。

2023年6月7-9日，第八届国际生物基产业论坛暨产业应用展览会在上海成功举办，本次大会以“把握生物基产业新机遇”为主题。

中科院宁波材料所张建研究员出席大会并就呋喃二甲酸规模化应用的挑战与思考发表了精彩演讲。

以下为张建研究员的演讲内容，经编辑、修改后发出。

大家好，今天与大家分享我们关于呋喃二甲酸规模化应用的思考，报告共分为三个部分：第一部分是呋喃二甲酸的研究背景，   主要阐述发展方向上可能形成的几点共识；第二部分主要从专利分析的角度，尝试对呋喃二甲酸的发展现状进行客观描述；第三部分针对呋喃二甲酸存在的若干关键技术问题，汇报一下我们的研究进展。

人类活动对全球的动植物生态系统影响巨大， 塑料 等 包装材料的大规模使用极大的影响了植物传播和动物迁徙，也直接冲击 了 生物多样性和物种进化。 就现阶段而言，推广可降解材料或采用木质、竹制材料代替塑料，可以在一定程度上减轻危害，但生物基包装材料也只是一个过渡方案，最终解决还是需要引导消费者形成及时回收的好习惯。

低碳显然是未来全球产业发展的重点方向，尤其要借助颠覆性技术突破去引领新产业和传统产业新变革。 我国政府也 提出把农业绿色发展和工业革新相结合，进一步的落实化工产能的等量或者减量置换 ， 加速发展战略性新兴产业。 从产业布局角度来看，生物（质）化工有望与传统的煤、石油、天然气和盐化工共同形成安全清洁生产体系，这实际上是对生物质产业提出了更高的要求。生物质资源众多，催化转化的切入点之一就是对碳-碳键、碳-氧键进行“剪裁”来获得二元酸、二元醇， 不仅 要完整利用生物质中碳元素， 还要 尽量保留 活性 氧元素，通过 创制 新结构分子 去发现优异 性能 。 在众多的生物基二元酸当中，呋喃二甲酸具有刚性的芳香环结构。呋喃二甲酸的合成路线大约有 9种， 其中 HMF氧化制备FDCA相对比较成熟 ， 反应、 分离 、 精制 等环节 都有较好的技术积累 ， 主要还是 受限于 HMF的规模化量产。

我们的工作主要围绕 HMF氧化制备FDCA展开 ，近十年尝试解决了一系列技术难题之后才发现 ,  真正的研究工作才刚刚开始，主要包括知识产权体系构建、回收利用技术、联产可行性、政策持续性、新分子创制、产品碳足迹等。参照我们与浙江糖能科技共同编制的 2021年HMF及其衍生物技术专利的分析报告 ， 1972年到2022年全球HMF专利 里中国专利占比约 2/3。 在该领域中国的优势比较明显，基础研究上并行、关键合成技术领跑，研究队伍包括大连化物所、宁波材料所、过程所、陕西煤化所、中科大、浙江大学、华南理工大学等优势单位。在 HMF相关研究上国内外 侧重点不同， 国内主要是在 HMF的合成技术路线开发, 国外更关注FDCA合成工艺开发。 把 HMF 与 PTA 相关专利数量进行对比，实际上 HMF 及其衍生物研究仍处于技术储备期，未来FDCA生产工艺也必然会呈现多样化特征。从专利矩阵来看，在热催化、酶催化和电催化三个路线上还没有任何一家机构形成全覆盖，电催化发展速度极快且更符合碳中和要求。关于FDCA合成技术的具体论述可参考我们最近的两篇综述[ J. Energy Chem.   54 (2021) 528;  Progress in Chemistry   34 (2022) 1661]。

2017年 ， 我们在 5-羟甲基糠醛合成 技术 的 积累已 基本满足 了 工程化 研究 要求 ， 发起 成立了浙江糖能科技有限公司 并致力于开发HMF规模化 生产 工艺 。 随后又用了四年的时间对工艺优化和商业化流程进行探索， 今年6月 刚刚建成了 设计产能为 2000吨 /年的 HMF 中试 生产线 ， 下半年将 与 国内优势产业机构 合作开发万吨 级 生产工艺包， 期望 在未来两年内实现 HMF万吨 以上的连续 生产， 为 呋喃二甲酸 的规模化生产及应用奠定坚实基础 。 作为科研人员，我们始终谨记自身的本职工作，那就是开发安全、清洁、稳定的工艺，戒骄戒躁、守正务实，必须在规模化阶段之前解决关键技术难题。

原料选择在HMF-FDCA-PEF技术链条中至关重要，结晶果糖生产成本相对较高，未来必然要选用更廉价可靠的原料。我们对葡萄糖、蔗糖、琼脂糖等进行研究发现， HMF生成 必须要经过果糖脱水过程， 因此必须要实现 果糖到 HMF 步骤 的反应动力学调控 , 才有可能实现高产率。 根据新材料技术成熟度等级划分和定义的国家标准，只有实现专利功效矩阵图全覆盖、掌握产业化制备工艺技术（等级7），才能在具备稳定生产的前提下制定产品成本优化方案（等级 8 ），因此过早地宣传“低成本”是缺乏客观依据的。

最后让我们关注另一个更大的“PEF”（Product Environmental Footprint，产品环境足迹），其主要目的是通过生命周期模拟相关材料和能源在供应链中对环境影响和废弃物排放流程。评价范围涵盖资源开采初级原料和能源生产、产品生产使用到废弃再生的全生命周期，具体评价指标包括 16 项，因此 还有很多 重要的 事情需要 我们耐心 去做。