“双碳”背景下生物基含碳聚合物大展身手
近年来，生物质呋喃二甲酸二甲酯（FDCA）、呋喃二甲酸二甲酯（FDME）作为一种备受瞩目的生物基原料，在化工和材料领域崭露头角。作为重要的生物基化学品，其独特的化学结构赋予了FDCA/FDME优异的性能，作为聚合物、溶剂、树脂等的原料，为众多领域提供了广阔的应用前景。FDCA/FDME的产业链涵盖了从生物质原料供应商到生物转化技术提供商，再到FDCA/FDME生产商以及下游应用企业的完整链条。随着全球对可持续和环保产品的需求的增长，生物质FDCA/FDME作为一种可再生资源的衍生物，其市场潜力巨大。
在应用领域方面，FDCA/FDME主要用于生产聚呋喃酸乙二醇酯（PEF）等新型高性能生物聚合物，并在表面活性剂、环氧树脂等领域展现出广阔的应用前景。FDCA/FDME是唯一一种具有刚性芳香结构的生物基二酸/二酯单体，与PTA相比，碳足迹可以降低40-50%，是实现“双碳”目标的重要途径之一。
随着能源危机和环境污染问题的日益严峻，我国在多个重点规划中提出了低成本生物基工程塑料的开发与产业化进程。PEF在力学性能、耐高温性、阻气性等方面均优于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），有望替代全球五大工程塑料之一的PET，在食品包装、电子家电、汽车以及服装纺织等多个领域发挥重要作用。此外，PEF在高阻隔性包装材料、高性能纤维和工程塑料领域展现出广阔的应用前景。这种低碳生物基材料PEF与“碳达峰”和“碳中和”的双碳政策高度契合。因此，加速PEF的工业化生产和应用变得迫在眉睫。
全球首创！果糖经HMF、DFF三步法制FDME
长兴岛中试基地百吨级果糖三步法制呋喃二甲酸二甲酯中试项目，首次创造性的提出果糖经HMF、DFF三步法制FDME的新工艺路线，该项目首次创新性地提出了通过果糖经由5-羟甲基糠醛（HMF）和2,5-二羟甲基呋喃（DFF）的三步法合成FDME的新工艺路线。这一新工艺具有多重优势：首先，它采用果糖糖浆作为原料，有效降低了原料成本；其次，选择DFF替代HMF作为氧化酯化反应的原料，显著减少了整个工艺过程中的分离成本，并大幅减少了纳米金催化剂的使用量；此外，预计FDME的吨成本将被控制在2万元以下，甚至有望降至1.6万元，这将满足满足PEF生物基聚酯新材料的规模化合成要求。
其中，在果糖脱水制HMF阶段，开发了新型催化体系，配套开发了连续反应新工艺，使得果糖转化率超过99%，HMF的选择性极高，收率可达88%。同时连续反应装置易放大，已完成实验室吨级实验，并取得小试阶段的成效。在HMF选择氧化制DFF阶段，进一步发展了新催化体系，该体系对胡敏素具有很强的耐受性。DFF与胡敏素易于分离，从而确保了高纯度的DFF，满足氧化酯化要求。通过使用5升反应釜，实现了吨级规模的放大，并成功达到了小试阶段的成效。在DFF氧化酯化制FDME阶段，研发了高效的纳米金催化剂，并配套开发了新型反应器，该反应器便于催化剂的更换和补加。DFF转化率超过99%，FDME选择性超过97%。与HMF相比，DFF的氧化酯化速率显著提高，从而大幅提升了催化剂的时空收率。
未来可期 打造生物质应用领域的亮丽名片
呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF)及其生物基单体呋喃二甲酸（FDCA)、乙二醇（EG）是国家大力鼓励发展的生物基含碳聚合物和含碳化学品。中试验证成功后，果糖三步法制备呋喃二甲酸二甲酯（FDME）工艺技术的应用，将会影响现有聚酯产品的格局，使得生物基原料比重大幅度提高，破除西方对中国材料原料的限制。该技术的实现将贯穿整个产业链，连接产品原料（如菊芋种植和果糖生产）与下游产品PEF（包括FDME和乙二醇聚合）。在下游产品领域，FDME和乙二醇聚合制备生物基PEF聚酯技术，以及PEF的下游应用，如纺丝和成膜技术，已经由国内外企业和研究机构所掌握，其中包括BASF、杜邦、可口可乐、大连化物所、宁波材料所等知名企业和院所。在产品原料方面，百万吨级的果糖可以通过淀粉加工获得，而更大规模的果糖生产则需依赖非粮食生物基原料，其中菊芋是最理想的原料。菊芋能够在盐碱地和荒漠地区种植，有效避免了与粮食作物争地的问题。
预计在2030年左右，欧美及其他发达国家将开始对我国化学产品征收碳税。届时，基于石油和煤炭的化学产品将承受较重的碳税负担。以大连地区为例，对苯二甲酸（PTA）的年产能已超过1700万吨，预计将遭遇重大挑战。随着我国实施双碳政策，生物基材料产业正迅速崛起，PEF聚酯产业迎来了发展的黄金时期。果糖三步法生产FDME的新工艺在中试阶段完成后，将与中科院大连化物所的生物基乙二醇技术和PEF聚合技术相结合，形成一套完整的全生物基PEF聚酯生产技术，打造大连市乃至辽宁省在生物质应用领域一张闪亮的名片。该技术实现落地转化后，将极大推动区域聚酯产业的高质量发展，显著提升聚酯产业的抗风险能力。
