一份葡萄糖合成两种化学材料…无需外加氢气的低碳催化技术揭秘
成功实现葡糖酸和山梨醇同步生产…有望通过室温工艺降低能源消耗与碳排放
利用单一葡萄糖即可同时生产两种高附加值化学材料的低碳催化技术，已由韩国本土研究团队开发完成。该技术无需外部供给氢气或高压设备，即可在室温下实现反应，为环保型生物化工工艺提供了新的可能性。
韩国化学研究院表示，由首席研究员 Hwang Youngkyu、高级研究员 Oh Gyeongryeol、高级研究员 Kim Jihun 等组成的研究团队，开发出一种循环型低碳催化技术，可利用葡萄糖同时生产洗涤剂、医药原料“葡糖酸”和甜味剂、化妆品原料“山梨醇”。这一消息于15日对外公布。
研究成果已于今年1月发表在催化领域国际学术期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上。
利用葡萄糖内部氢源同步生成两种物质
葡糖酸和山梨醇是全球年产量达数百万吨的代表性生物基化学材料。葡糖酸主要用于洗涤剂、医药品及金属清洗剂等领域，山梨醇则被用作甜味剂和化妆品原料等。
但在传统工艺中，以葡萄糖为原料时，两种产品必须分别独立生产。尤其是山梨醇的制备，需要在100℃以上高温和10个大气压以上高压氢气条件下进行，能源消耗和成本较高，同时伴随大量碳排放。
利用不均等化反应制备葡糖酸和山梨醇的新型环保葡萄糖转化工艺技术与现有技术的比较。以往需要分别通过氧化或加氢反应将葡萄糖转化，必须在约100℃以上的高温和10个大气压以上的高压气体条件下进行，工艺成本和环境负担很大。研究团队开发了在无需外部供给氢气和氧气的常温常压条件下运行的葡萄糖不均等化反应，通过内部循环利用反应过程中产生的氢气，实现了葡糖酸和山梨醇的同步生产，该技术还可扩展为适用于半乳糖、甘露糖、木糖等多种糖类的环保工艺。研究团队提供
View original image为解决上述问题，研究团队引入了利用葡萄糖分子内部氢源的“内部氢转移（Internal Hydrogen Transfer）”反应。具体而言，在葡萄糖转化为葡糖酸的过程中产生的氢气，并不向外排放，而是直接转移到其他葡萄糖分子上，将其还原为山梨醇。通过这种方式，无需外部供给氢气或氧气，就能在同一套反应系统中同时生产两种产品。
实验结果显示，当投入100个葡萄糖分子时，可生成50个葡糖酸分子和50个山梨醇分子，实现了50比50的选择性。
通过铂–锡催化剂提升氢传递效率
该工艺的核心是一种由铂（Pt）和锡（Sn）构成的异质双金属催化剂。研究团队将两种金属按3比1的比例结合，从而精确调控反应速度。
韩国化学研究院研究团队。上排从左至右依次为：高级研究员 Kim Jihun、博士后研究员 Ali Awad、高级研究员 Oh Gyeongryeol、UST学生研究员 Kirolla Kolmizaeva、首席研究员 Hwang Youngkyu。韩国化学研究院提供
View original image若仅使用铂，反应会过于迅速，导致氢气以气体形式大量损失；而加入锡后，反应速率得到调节，氢传递效率大幅提高，从而构建出可将生成氢气循环用于其他反应的循环型反应系统。
此外，与既有研究通常在1%～5%低浓度葡萄糖条件下进行不同，本次研究在36%高浓度葡萄糖环境中同样验证了反应的稳定性。
实现接近工业水平的生产效率…有望应用于环保化工工艺
在生产效率方面，也达到了可用于工业应用的水平。研究团队以“每天每升反应器体积生产约1.5千克以上产品”为指标进行实验，结果表明，与传统高温高压工艺相比，该技术具备足够的竞争力。
在反应结束后，研究团队采用电力驱动的分离技术——双极膜电渗析，将葡糖酸和山梨醇高纯度分离。分离工艺成本约为每千克产品150韩元，经济性较高。
该技术不仅适用于葡萄糖，还可利用木材来源糖类如木糖（Xylose）等，扩展应用于木糖醇等多种生物基化学材料的生产。
首席研究员 Hwang Youngkyu 表示：“本研究提出了一种回收利用葡萄糖内部氢源的循环型化学工艺模型。该工艺以植物资源替代石油原料的同时，大幅降低碳排放，有望为化学工业向环保转型作出贡献。”
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