无有机溶剂双相亚临界水-CO2半连续系统强化糠醛生产与回收的创新研究

为解决传统糠醛生产中有机溶剂的环境污染和回收难题，研究人员开发了一种基于亚临界水-CO2（subW-CO2）的双相半连续系统。通过优化压力（50-200 bar）和催化剂CrCl3，实现了46.3%的糠醛产率，并通过CO2相选择性提取获得高纯度糠醛（35 g/L）。该技术避免了有机溶剂的使用，降低了能耗和成本，为绿色生物精炼提供了新策略。

　　

在生物质转化领域，糠醛（furfural）作为一种高附加值平台化合物，广泛应用于燃料、农药和溶剂生产。然而，传统生产工艺依赖有机溶剂（如CPME）形成双相系统以抑制糠醛降解，不仅成本高昂，还面临溶剂回收和环境污染的挑战。此外，现有技术中糠醛产率普遍停留在40-70%，且高温高压条件（如230°C/120 bar）进一步增加了能耗。如何开发一种高效、环保且经济的糠醛生产方法，成为生物精炼领域亟待突破的瓶颈。

针对这一问题，西班牙布尔戈斯大学（Universidad de Burgos）的研究团队创新性地提出了一种无有机溶剂的双相系统——亚临界水-CO₂（subW-CO₂）半连续反应体系。该系统利用CO₂的双重功能：溶解于水相形成布朗斯特酸（Br?nsted acid）催化木糖脱水，同时作为选择性萃取剂将糠醛从水相转移至气相。相关成果发表于《Journal of Cleaner Production》，为绿色化学提供了重要范式。

研究采用三项关键技术：1）亚临界水反应器（180°C/50-200 bar）结合半连续CO₂流动（10 mL/min）实现动态萃取；2）CrCl₃作为路易斯酸（Lewis acid）催化剂促进木糖异构化；3）气相冷凝系统定量回收CO₂相中的糠醛。通过对比传统微波辅助CPME双相系统（MW water:CPME），全面评估了产率、能耗和溶剂回收效率。

压力对糠醛产率的影响
在50 bar条件下，半连续系统1.5小时即达到46.3%糠醛产率，显著高于200 bar的35.3%。高压虽提升CO₂对糠醛的溶解度（286 vs. 62 kg/m³），但伴随更严重的降解反应（CS因子0.95时产率下降26%）。

有机溶剂的替代性验证
添加CPME的三相系统（subW:CPME:CO₂）产率达55.4%，但糠醛在CPME中浓度仅1.2 g/L，远低于CO₂相的35 g/L。MW水-CPME系统虽获60%产率，但后续蒸馏纯化成本增加4倍。

半连续系统的核心优势
CO₂相分离效率达40%（50 bar），糠醛浓度提升10倍，且无需有机溶剂后处理。能耗分析显示，每克糠醛生产成本仅3.6欧元，较MW系统（39.1欧元）降低89%。

该研究证实，半连续subW-CO₂系统通过协同利用亚临界水的催化活性和CO₂的绿色萃取特性，突破了传统工艺的溶剂依赖瓶颈。其意义在于：1）环境友好性：避免有机溶剂使用，减少碳足迹；2）经济性：CO₂可循环利用，降低纯化能耗；3）可扩展性：200 mL反应体积的验证为工业放大奠定基础。未来通过集成微波预处理和低温CO₂液化回收，有望进一步优化该技术的综合性能。