本發(fā)明涉及新型催化反應(yīng)體系開發(fā)領(lǐng)域，特別涉及到一種綠色溶劑體系中纖維素催化轉(zhuǎn)化制備5-羥甲基糠醛(5-HMF)的方法，同時(shí)，該方法能夠拓展到催化一系列的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制備5-HMF。

背景技術(shù)：

5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,5-HMF)，是一種結(jié)構(gòu)式中含有活潑醛基、羥基和呋喃環(huán)的生物質(zhì)基平臺化合物，通過進(jìn)一步的反應(yīng)可以衍生出眾多的下游產(chǎn)品,是連接生物質(zhì)化學(xué)和石油化學(xué)的關(guān)鍵中間體。目前，用于制備5-HMF的生物質(zhì)基碳水化合物主要包括果糖，葡萄糖和纖維素。其中，以果糖和葡萄糖為原料制備5-HMF雖然產(chǎn)率較高，但原料價(jià)格昂貴，同時(shí)大量使用可食用性果糖和葡萄糖對食品供應(yīng)產(chǎn)生一定的競爭。因此，以價(jià)格低廉、資源豐富的纖維素為原料高效制備5-HMF成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

纖維素是由D-葡萄糖以β-1,4糖苷鍵組成的大分子線性聚合物，分子間存在巨大的氫鍵作用力，難溶解于一般溶劑中。近年來，在常溫下完全由離子組成、原則上可無限次循環(huán)使用的一類綠色有機(jī)溶劑—離子液體(Ionic Liquids,ILs)，對纖維素表現(xiàn)出良好的溶解能力，因而在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域內(nèi)受到廣泛關(guān)注。ILs溶劑體系中，催化轉(zhuǎn)化纖維素制備5-HMF主要涉及到以下反應(yīng)：(1)纖維素在離子液體中降解為纖維低聚體；(2)纖維低聚體水解為葡萄糖；(3)葡萄糖異構(gòu)化為果糖和(4)果糖脫水生成5-HMF。纖維低聚體水解和果糖脫水反應(yīng)的順利進(jìn)行需要有酸性位點(diǎn)的存在，而葡萄糖異構(gòu)化過程往往需要有堿性或者Lewis酸性位點(diǎn)的存在。因此，面對如此復(fù)雜的反應(yīng)步驟，如何有效的實(shí)現(xiàn)纖維素的轉(zhuǎn)化，提高反應(yīng)過程的選擇性以及5-HMF的產(chǎn)率，是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的課題。通常，采用串聯(lián)多步催化反應(yīng)，在每一步涉及的反應(yīng)中添加所需要的催化劑，可實(shí)現(xiàn)纖維素的高效轉(zhuǎn)化，得到較高產(chǎn)率的5-HMF。但是，這類反應(yīng)體系通常采用昂貴的ILs或者強(qiáng)極性非質(zhì)子溶劑，導(dǎo)致每步所使用的催化劑分離再生困難，穩(wěn)定性低，且反應(yīng)所得到的5-HMF分離萃取困難，反應(yīng)體系難以實(shí)現(xiàn)綠色化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種綠色溶劑體系中，生物酶催化劑和化學(xué)催化劑聯(lián)用催化纖維素轉(zhuǎn)化制備5-HMF的方法。選取負(fù)載Fe₃O₄納米粒子的硅基介孔分子篩SBA-15為磁性載體，固定纖維素酶得到生物酶催化劑；以鋯的醇鹽為前驅(qū)體，通過水解和硫化反應(yīng)，將ZrO₂/SO₄^2-型固體超強(qiáng)酸負(fù)載在SBA-15，制備化學(xué)催化劑。兩種催化劑分別用于水溶液中催化降解纖維素到葡萄糖，和醇溶劑/水的混合體系中催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)得到的葡萄糖得到5-HMF，兩步催化反應(yīng)串聯(lián)起來可實(shí)現(xiàn)綠色溶劑體系中纖維素到5-HMF的高效轉(zhuǎn)化。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種綠色溶劑體系中催化纖維素轉(zhuǎn)化制備5-羥甲基糠醛的方法，包括如下步驟：

A、生物酶催化劑的制備：

A1、按比例將氯化鐵水合物(FeCl₃·6H₂O)和醋酸鈉(NaAc)加入到乙二醇中，超聲形成混合均勻的溶液；然后取干燥后的硅基介孔分子篩SBA-15分散在上述溶液中，在攪拌的條件下，向混合體系中逐滴加入聚乙二醇(PEG)，混合均勻后的溶液加入高壓反應(yīng)釜中反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，所得固體經(jīng)水和乙醇洗滌，離心收集，真空干燥，得到負(fù)載有磁性Fe₃O₄的SBA-15(Fe₃O₄@SBA-15)；

A2、取步驟(1)所得Fe₃O₄@SBA-15分散在檸檬酸緩沖溶液中，混合均勻后，在攪拌的條件下向混合體系中加入纖維素酶(cellulase)，反應(yīng)體系在一定溫度下實(shí)現(xiàn)纖維素酶的負(fù)載，產(chǎn)物經(jīng)離心收集，真空干燥得到生物酶催化劑(cellulase-Fe₃O₄@SBA-15)。

步驟A1中，所述SBA-15、FeCl₃·6H₂O、NaAc、PEG、乙二醇的比例為0.2-10g：0.1-6.5g：1-40g：0.4-20g：30-200mL；反應(yīng)溫度為100-300℃，反應(yīng)時(shí)間為6-48h；真空干燥的溫度為40-120℃。

步驟A2中，所述檸檬酸緩沖溶液pH范圍為2.0-4.8。

步驟A2中，所述Fe₃O₄@SBA-15、cellulase、檸檬酸緩沖溶液的比例為10-100mg：0.4-5.0mg：1-10mL；反應(yīng)溫度為0-10℃，反應(yīng)時(shí)間為12-96h；真空干燥的溫度為20-50℃。

B、化學(xué)催化劑的制備：

B1、取干燥后的硅基介孔分子篩SBA-15分散在有機(jī)溶劑中，在攪拌的條件下，向混合體系中逐滴加入可水解鋯鹽溶液，反應(yīng)體系水解反應(yīng)完全后，所得產(chǎn)物經(jīng)洗滌、離心收集，真空干燥，得到SBA-15負(fù)載單層的氧化鋯產(chǎn)品(1ML-ZrO₂@SBA-15)；

B2、取步驟(1)所得1ML-ZrO₂@SBA-15替代步驟(1)中硅基介孔分子篩SBA-15，重復(fù)步驟(1)中的水解反應(yīng)，得到SBA-15負(fù)載兩層的氧化鋯產(chǎn)品(2ML-ZrO₂@SBA-15)；

B3、將步驟(2)所得的2ML-ZrO₂@SBA-15浸泡在硫酸溶液中，浸泡結(jié)束后，離心所收集產(chǎn)物，真空干燥后置于馬弗爐內(nèi)，程序升溫到煅燒溫度，煅燒，得到SBA-15負(fù)載的2ML-ZrO₂/SO₄^2-型固體超強(qiáng)酸(2SZ@SBA-15)；

步驟B1中，所述有機(jī)溶劑為正己烷、環(huán)己烷、正丙醇或異丙醇；可水解鋯鹽為正丙醇鋯或異丙醇鋯。

步驟B1中，所述SBA-15、可水解鋯鹽、有機(jī)溶劑的比例為0.2-10g：1.0-58.5g：10-600mL；水解反應(yīng)溫度為50-120℃，反應(yīng)時(shí)間為6-48h；真空干燥的溫度為40-120℃。

步驟B2中，所述1ML-ZrO₂@SBA-15、可水解鋯鹽、有機(jī)溶劑的比例為0.2-10g：0.6-28.5g：10-600mL，水解反應(yīng)溫度為50-120℃，反應(yīng)時(shí)間為6-48h；真空干燥的溫度為40-120℃。

步驟B3中，所述硫酸溶液的濃度范圍為0.005-0.25mol/L。

步驟B3中，所述2ML-ZrO₂@SBA-15、硫酸溶液的比例為0.2-1.8g：10-90mL，浸泡時(shí)間為4-24h；真空干燥的溫度為60-150℃；升溫速率為1.0-10℃/min，煅燒溫度為400-1200℃，煅燒時(shí)間1-10h。

C、將步驟A制得的生物酶催化劑和步驟B制得的化學(xué)催化劑應(yīng)用于串聯(lián)催化降解纖維素制備5-HMF的反應(yīng)：

C1、生物酶催化劑cellulase-Fe₃O₄@SBA-15催化降解纖維單體得葡萄糖的步驟：

首先將纖維素經(jīng)離子液體處理得到纖維單體，然后按比例將纖維單體和檸檬酸緩沖溶液混合均勻，再加入步驟A制得的生物酶催化劑cellulase-Fe3O4@SBA-15，催化降解纖維單體得到葡萄糖；

C2、將步驟C1所得反應(yīng)產(chǎn)物通過外加磁場作用力分離生物酶催化劑，得新的反應(yīng)體系；

C3、化學(xué)催化劑2SZ@SBA-15催化降解葡萄糖制備5-HMF的步驟：

將步驟C2所得反應(yīng)體系中加入一定量的醇溶劑，待體系溫度上升到所需溫度后，加入步驟B制得的化學(xué)催化劑，反應(yīng)結(jié)束，得到5-HMF。

步驟C1中，所述檸檬酸緩沖溶液的pH＝3.6-6.0，反應(yīng)體系催化降解的溫度為20-80℃，時(shí)間為12-48h。

步驟C1中，所述纖維單體，檸檬酸緩沖溶液，生物酶催化劑cellulase-Fe3O4@SBA-15的用量比為20-100mg：1-10mL：20-100mg。

步驟C3中，所述醇溶劑為正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇或叔丁醇，反應(yīng)體系溫度為80-180℃,反應(yīng)時(shí)間為4-12h。

所述醇溶劑，化學(xué)催化劑2SZ@SBA-15，步驟C2所得反應(yīng)體系溶劑的用量比為9-90mL：20-100mg：1-10mL。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)催化劑性質(zhì)方面：首先，將有生物催化活性的纖維素酶固定在磁性Fe₃O₄@SBA-15上所制備的生物酶催化劑cellulase-Fe₃O₄@SBA-15，不但保持了生物酶的高催化反應(yīng)活性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)該催化劑的重復(fù)使用；其次，所制備的化學(xué)催化劑不但有超強(qiáng)酸性(酸和Lewis酸)，同時(shí)具有一定的堿性，在催化降解反應(yīng)所得到的葡萄糖制備5-HMF反應(yīng)過程中酸中心、Lewis酸中心以及堿性位點(diǎn)協(xié)同作用，顯著地提高了葡萄糖的異構(gòu)化程度，5-HMF的產(chǎn)率和選擇性。本發(fā)明中兩類催化劑串聯(lián)使用，可有效催化降解纖維素得到較高產(chǎn)率的5-HMF。

(2)催化反應(yīng)體系方面：生物酶催化劑cellulase-Fe₃O₄@SBA-15催化降解纖維單體得到葡萄糖的催化反應(yīng)在酸性的水溶液中進(jìn)行，待反應(yīng)結(jié)束后，依靠外界磁場的作用力，可實(shí)現(xiàn)催化劑的分離；后續(xù)化學(xué)催化劑2SZ@SBA-15催化降解反應(yīng)所得到的葡萄糖制備5-HMF反應(yīng)過程在醇溶劑/水的綠色溶劑中進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物5-HMF的有效分離提純。本發(fā)明中兩步串聯(lián)反應(yīng)體系所使用的溶劑均為綠色可再生溶劑，結(jié)合兩類催化劑的高催化反應(yīng)活性，可實(shí)現(xiàn)綠色溶劑體系中纖維素到5-HMF的高效轉(zhuǎn)化。

(3)本發(fā)明采用技術(shù)，制備工藝簡單、易操作，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中所制備生物酶催化劑的磁滯回線圖(a，左上方插入圖片為透射電鏡圖，右下方插入圖片為磁分離效果圖)和廣角X射線衍射圖(b)。

圖2實(shí)施例1中所制備生物酶催化劑的固體紫外圖。

圖3為實(shí)施例1中所制備化學(xué)催化劑的掃描電鏡(a)和透射電鏡(b)圖。

圖4為實(shí)施例1中所制備化學(xué)催化劑的廣角(a)和小角(b)X射線衍射圖。

圖5為實(shí)施例1中SBA-15載體以及各步驟中所制備樣品的氮?dú)馕浇馕角€(a)和孔徑分布圖(b)。

圖6為實(shí)施例1中SBA-15載體以及各步驟中所制備樣品的XPS能譜圖。

圖7為實(shí)施例1中所制備化學(xué)催化劑的NH₃(a)和CO₂(b)程序升溫解吸附圖。

圖8為實(shí)施例1中所制備化學(xué)催化劑的原位吡啶紅外圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

實(shí)施例1

(1)生物酶催化劑的制備

將0.1g的FeCl₃·6H₂O和1.0g的NaAc加入到30mL乙二醇中，超聲形成混合均勻的溶液；然后取0.2g干燥后的硅基介孔分子篩SBA-15分散在上述溶液中，在攪拌的條件下，向混合體系中逐滴加入0.4g PEG，混合均勻后的溶液加入高壓反應(yīng)釜中，在100℃下反應(yīng)6h后，所得固體經(jīng)水和乙醇洗滌，離心收集，40℃真空干燥后得到負(fù)載有磁性Fe₃O₄的SBA-15(Fe₃O₄@SBA-15)。

取10mg上一步驟所得Fe₃O₄@SBA-15分散在1mL，pH＝2.0檸檬酸的緩沖溶液中，混合均勻后，在攪拌的條件下向混合體系中加入0.4mg的cellulase，反應(yīng)體系在0℃下反應(yīng)12h后，所得產(chǎn)物經(jīng)離心收集，20℃真空干燥得到生物酶催化劑cellulase-Fe₃O₄@SBA-15。

(2)化學(xué)催化劑的制備

0.2g經(jīng)干燥后的硅基介孔分子篩SBA-15分散在10mL正己烷中，在攪拌的條件下，向混合體系中逐滴加入1.0g的正丙醇鋯。反應(yīng)體系在在50℃下水解6h后，所得產(chǎn)物經(jīng)蒸餾水洗滌3-5次、離心收集和40℃真空干燥得到SBA-15負(fù)載單層的氧化鋯產(chǎn)品(1ML-ZrO₂@SBA-15)。

0.2g上一步驟所得1ML-ZrO₂@SBA-15重新分散在10mL正己烷中，在攪拌的條件下，向混合體系中逐滴加入0.6g的正丙醇鋯。反應(yīng)體系在在50℃下水解6h后，所得產(chǎn)物經(jīng)蒸餾水洗滌3-5次、離心收集和40℃真空干燥得到SBA-15負(fù)載兩層的氧化鋯產(chǎn)品(2ML-ZrO₂@SBA-15)。

將0.2g上一步驟所得的2ML-ZrO₂@SBA-15浸泡在10mL，0.005mol/L的硫酸溶液中，浸泡4h后離心所收集產(chǎn)物經(jīng)60℃真空干燥后置于馬弗爐內(nèi)，以1.0℃/min的升溫速率從室溫升高到400℃，并在400℃溫度下保持1h，得到SBA-15負(fù)載的2ML-ZrO₂/SO₄^2-型固體超強(qiáng)酸(2SZ@SBA-15)。

由圖1中所制備的磁性載體Fe₃O₄@SBA-15的磁滯回線圖(a)中可得到其磁強(qiáng)度為60.5emu g^-1，同時(shí)從插入的透射圖可以清晰看到納米狀Fe₃O₄顆粒的存在，通過外加磁場的作用力，該磁性載體可輕易與混合體系分離。同時(shí)，廣角X射線衍射圖(b)中可以看出所制備的磁性載體Fe₃O₄@SBA-15出現(xiàn)了Fe₃O₄納米顆粒的特征衍射峰，再次證明了Fe₃O₄的成功負(fù)載。

由圖2中所制備的生物酶催化劑的固體紫外圖可以看出其在280nm波長處有紫外吸收峰，證明纖維素酶成功負(fù)載在磁性載體Fe₃O₄@SBA-15上。

由圖3掃描電鏡圖可以看出所制備的化學(xué)催化劑為短棒狀，其長度約為1μm左右，直徑約為360nm左右；從透射電鏡圖中可以清楚的觀察到固體催化劑表面分布大量有序的介孔，孔徑約為4.8nm左右。

由圖4中廣角X射線衍射圖中可以看出所制備的化學(xué)催化劑只有SBA-15載體的特征衍射峰，并未出現(xiàn)所負(fù)載ZrO₂的特征峰，這種現(xiàn)象可能是由于所負(fù)載的ZrO₂以膠體狀態(tài)出現(xiàn)，且顆粒很小，導(dǎo)致其特征峰難以被檢測到。小角X射線衍射圖證明所制備的化學(xué)催化劑的介孔結(jié)構(gòu)仍保留了高度有序的典型六角對稱性。

在圖5(a)，中氮?dú)馕浇馕綄儆诘湫偷慕榭捉Y(jié)構(gòu)，其中，SBA-15載體在負(fù)載磁性的Fe₃O₄納米顆粒和ZrO₂后，其比表面積均有一定程度的下降，同時(shí)，孔徑分布圖(b)也體現(xiàn)了負(fù)載過程中孔徑的下降規(guī)律。最終，所制備的用于負(fù)載生物酶的磁性載體Fe₃O₄@SBA-15的比表面積為439.6cm²g^-1，同時(shí)其孔徑集中分布在6.1nm左右；所制備的化學(xué)催化劑比表面積為268.8cm²g^-1，同時(shí)其孔徑集中分布在4.9nm左右，和透射電鏡觀察所得到的結(jié)果基本一致。

在圖6中，F(xiàn)e₃O₄@SBA-15的XPS能譜圖中Fe 2p信號峰的出現(xiàn)，證明了磁性的Fe₃O₄納米顆粒成功負(fù)載在硅基介孔分子篩SBA-15上；2ML-ZrO₂@SBA-15的XPS能譜圖中Zr 3d信號峰的出現(xiàn)，證明了ZrO₂成功負(fù)載在SBA-15上；通過進(jìn)一步的硫化作用，S 2p信號峰的出現(xiàn)證明成功制備了固體超強(qiáng)酸2SZ@SBA-15化學(xué)催化劑。

由圖7中(a)NH₃和CO₂(b)程序升溫解吸附曲線可以計(jì)算出所制備的化學(xué)催化劑的酸度值為0.42mmol g^-1，堿度值為0.03mmol g^-1，證明所制備的2SZ@SBA-15化學(xué)催化劑是一種酸堿雙功能化固體催化劑。

由圖8中2SZ@SBA-15化學(xué)催化劑的原位吡啶紅外光譜圖中可以看出，所制備的催化劑同時(shí)有布朗斯特酸(1542cm^-1)和路易斯酸(1447cm^-1)活性位點(diǎn)的特征峰，證明該方法所制備的固體催化劑的同時(shí)含有B酸和L酸兩種酸性位點(diǎn)。以上表征證明，該發(fā)明可以成功制備出一種含有B/L酸性、堿性位點(diǎn)的固體催化劑，L酸性位點(diǎn)和堿性位點(diǎn)的存在可很大程度上提高葡萄糖的異構(gòu)化，從而增強(qiáng)催化劑活性。

(3)催化活性測試，即生物酶催化劑和化學(xué)催化劑應(yīng)用于串聯(lián)催化降解纖維素制備5-HMF的反應(yīng)：

由于纖維素分子之間存在大量的氫鍵，為了更大限度的提高生物酶催化活性，纖維素首先經(jīng)過離子液體(1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽)的預(yù)處理，來破壞其分子間的氫鍵系統(tǒng)。首先，將2g離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯和0.1g的纖維素晶體加入到25mL的單口燒瓶中，體系在120℃的油浴鍋中，1200r/min的轉(zhuǎn)速下反應(yīng)1h后，加入3mL的甲醇促使反應(yīng)結(jié)束，離心收集得到纖維單體。然后，20mg纖維單體加入1mL,pH＝3.6的檸檬酸緩沖溶液，混合均勻后，向該體系中加入20mg的生物酶催化劑cellulase-Fe₃O₄@SBA-15，反應(yīng)體系在20℃下反應(yīng)12h。反應(yīng)結(jié)束后，通過外加磁場作用力分離生物酶催化劑，然后在反應(yīng)體系中加入9mL的異丙醇，待體系溫度上升到80℃后，加入20mg的化學(xué)催化劑，反應(yīng)4h。纖維單體降解得到的葡萄糖用高效液相(HPLC)配置示差折光檢測器及氨基柱進(jìn)行檢測，所得產(chǎn)物定容到容量瓶當(dāng)中，后稀釋到5000倍，檢測條件為：柱溫：65℃；流動(dòng)相為0.001M H₂SO₄；流速為0.55mL/min；進(jìn)樣量為20μL。最終所得產(chǎn)物5-HMF用HPLC配置紫外檢測器及C18柱進(jìn)行檢測，稀釋倍數(shù)同葡萄糖。檢測條件為：柱溫：30℃；流動(dòng)相為水和甲醇，比例為3:7；流速為0.7mL/min；檢測波長為283nm；進(jìn)樣量為20μL。

葡萄糖樣品標(biāo)準(zhǔn)曲線為y＝3.3607x+207.2643，5-HMF樣品標(biāo)準(zhǔn)曲線為y＝0.0019x+3.4903(y表示葡萄糖或5-HMF對應(yīng)的濃度，單位為mg/L，x表示峰面積)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線可以計(jì)算出葡萄糖或5-HMF的濃度，換算成摩爾濃度。產(chǎn)物產(chǎn)率計(jì)算公式為Y(摩爾產(chǎn)率)＝n₁/n_o×100，n₁代表反應(yīng)所得葡萄糖或5-HMF的摩爾產(chǎn)率，n_o代表反應(yīng)底物纖維素中所含葡萄糖的摩爾量。計(jì)算結(jié)果表明產(chǎn)物能達(dá)到較高的產(chǎn)率，葡萄糖產(chǎn)率為86.2％，5-HMF產(chǎn)率為43.6％。

(4)再生性能測試

本發(fā)明中，生物酶催化劑通過外加磁場的作用可實(shí)現(xiàn)催化劑的快速有效分離，化學(xué)催化劑的回收可通過離心、分離、干燥得到。將兩類回收得到的催化劑重新投入到上述催化試驗(yàn)中，測試其催化效果；以此方法進(jìn)行四次再生試驗(yàn)。所測得的催化產(chǎn)物檢測方法和試驗(yàn)條件同上述催化試驗(yàn)。

結(jié)果表明：再生過程中催化劑活性損失較低，再生一至五次試驗(yàn)過程中，葡萄糖的產(chǎn)率依次為86.1％、85.9％、85.5％、85.1％、84.0％，5-HMF的產(chǎn)率依次為43.2％、42.7％、42.3％、42.0％和41.4％。

實(shí)施例2

(1)生物酶催化劑的制備

將4.0g的FeCl₃·6H₂O和20g的NaAc加入到120mL乙二醇中，超聲形成混合均勻的溶液；然后取5.0g干燥后的硅基介孔分子篩SBA-15分散在上述溶液中，在攪拌的條件下，向混合體系中逐滴加入10g PEG，混合均勻后的溶液加入高壓反應(yīng)釜中，在200℃下反應(yīng)24h后，所得固體經(jīng)水和乙醇洗滌，離心收集，80℃真空干燥后得到負(fù)載有磁性Fe₃O₄的SBA-15(Fe₃O₄@SBA-15)。

取50mg上一步驟所得Fe₃O₄@SBA-15分散在5mL，pH＝3.6檸檬酸的緩沖溶液中，混合均勻后，在攪拌的條件下向混合體系中加入2.5mg的cellulase，反應(yīng)體系在5℃下反應(yīng)48h后，所得產(chǎn)物經(jīng)離心收集，35℃真空干燥得到生物酶催化劑cellulase-Fe₃O₄@SBA-15。

(2)化學(xué)催化劑的制備

5.0g經(jīng)干燥后的硅基介孔分子篩SBA-15分散在300mL正己烷中，在攪拌的條件下，向混合體系中逐滴加入25g的正丙醇鋯。反應(yīng)體系在在80℃下水解30h后，所得產(chǎn)物經(jīng)蒸餾水洗滌3-5次、離心收集和80℃真空干燥得到SBA-15負(fù)載單層的氧化鋯產(chǎn)品(1ML-ZrO₂@SBA-15)。

5.0g上一步驟所得1ML-ZrO₂@SBA-15重新分散在300mL正己烷中，在攪拌的條件下，向混合體系中逐滴加入15g的正丙醇鋯。反應(yīng)體系在在80℃下水解30h后，所得產(chǎn)物經(jīng)蒸餾水洗滌3-5次、離心收集和80℃真空干燥得到SBA-15負(fù)載兩層的氧化鋯產(chǎn)品(2ML-ZrO₂@SBA-15)。

將1.0g上一步驟所得的2ML-ZrO₂@SBA-15浸泡在50mL，0.1mol/L的硫酸溶液中，浸泡15h后離心所收集產(chǎn)物經(jīng)80℃真空干燥后置于馬弗爐內(nèi)，以5.0℃/min的升溫速率從室溫升高到800℃，并在800℃溫度下保持5h，得到SBA-15負(fù)載的2ML-ZrO₂/SO₄^2-型固體超強(qiáng)酸(2SZ@SBA-15)。

(3)催化活性測試，即即生物酶催化劑和化學(xué)催化劑應(yīng)用于串聯(lián)催化降解纖維素制備5-HMF的反應(yīng)：

纖維素經(jīng)ILs預(yù)處理得到纖維單體過程同實(shí)施例1。后將50mg纖維單體加入5mL,pH＝4.8的檸檬酸緩沖溶液，混合均勻后，向該體系中加入50mg的生物酶催化劑cellulase-Fe₃O₄@SBA-15，反應(yīng)體系在50℃下反應(yīng)24h。反應(yīng)結(jié)束后，通過外加磁場作用力分離生物酶催化劑，然后在反應(yīng)體系中加入50mL的正丁醇，待體系溫度上升到120℃后，加入50mg的化學(xué)催化劑，反應(yīng)8h。過程中所得葡萄糖和5-HMF產(chǎn)率計(jì)算方法同實(shí)施例1結(jié)果表明，在串聯(lián)的催化反應(yīng)體系中，葡萄糖產(chǎn)率為87.2％，5-HMF產(chǎn)率為44.5％，證明該催化體系的催化性能較高。

(4)再生性能測試

再生性能分析測試方法同實(shí)施例1。結(jié)果表明：再生過程中催化劑活性損失較低，再生一至五次試驗(yàn)過程中，葡萄糖的產(chǎn)率依次為87.1％、86.9％、86.5％、86.1％、85.0％，5-HMF的產(chǎn)率依次為43.8％、43.0％、42.4％、41.5％和40.7％。

實(shí)施例3

(1)生物酶催化劑的制備

將6.5g的FeCl₃·6H₂O和40g的NaAc加入到200mL乙二醇中，超聲形成混合均勻的溶液；然后取10g干燥后的硅基介孔分子篩SBA-15分散在上述溶液中，在攪拌的條件下，向混合體系中逐滴加入20g PEG，混合均勻后的溶液加入高壓反應(yīng)釜中，在300℃下反應(yīng)48h后，所得固體經(jīng)水和乙醇洗滌，離心收集，120℃真空干燥后得到負(fù)載有磁性Fe₃O₄的SBA-15(Fe₃O₄@SBA-15)。

取100mg上一步驟所得Fe₃O₄@SBA-15分散在10mL，pH＝4.8檸檬酸的緩沖溶液中，混合均勻后，在攪拌的條件下向混合體系中加入5.0mg的cellulase，反應(yīng)體系在10℃下反應(yīng)96h后，所得產(chǎn)物經(jīng)離心收集，50℃真空干燥得到生物酶催化劑cellulase-Fe₃O₄@SBA-15。

(2)化學(xué)催化劑的制備

10g經(jīng)干燥后的硅基介孔分子篩SBA-15分散在600mL正己烷中，在攪拌的條件下，向混合體系中逐滴加入58.5g的正丙醇鋯。反應(yīng)體系在在120℃下水解48h后，所得產(chǎn)物經(jīng)蒸餾水洗滌3-5次、離心收集和120℃真空干燥得到SBA-15負(fù)載單層的氧化鋯產(chǎn)品(1ML-Zr@SBA-15)。

10g上一步驟所得1ML-Zr@SBA-15重新分散在600mL正己烷中，在攪拌的條件下，向混合體系中逐滴加入28.5g的正丙醇鋯。反應(yīng)體系在在120℃下水解48h后，所得產(chǎn)物經(jīng)蒸餾水洗滌3-5次、離心收集和120℃真空干燥得到SBA-15負(fù)載兩層的氧化鋯產(chǎn)品(2ML-Zr@SBA-15)。

將1.8g上一步驟所得的2ML-Zr@SBA-15浸泡在90mL，0.25mol/L的硫酸溶液中，浸泡24h后離心所收集產(chǎn)物經(jīng)150℃真空干燥后置于馬弗爐內(nèi)，以10℃/min的升溫速率從室溫升高到1200℃，并在1200℃溫度下保持10h，得到SBA-15負(fù)載的2ML-Zr/SO₄^2-型固體超強(qiáng)酸(2SZ@SBA-15)。

(3)催化活性測試，即生物酶催化劑和化學(xué)催化劑應(yīng)用于串聯(lián)催化降解纖維素制備5-HMF的反應(yīng)：

纖維素經(jīng)ILs預(yù)處理得到纖維單體過程同實(shí)施例1。后將100mg纖維單體加入10mL,pH＝6.0的檸檬酸緩沖溶液，混合均勻后，向該體系中加入100mg的生物酶催化劑cellulase-Fe₃O₄@SBA-15，反應(yīng)體系在80℃下反應(yīng)48h。反應(yīng)結(jié)束后，通過外加磁場作用力分離生物酶催化劑，然后在反應(yīng)體系中加入90mL的異丁醇，待體系溫度上升到180℃后，加入100mg的化學(xué)催化劑，反應(yīng)12h。過程中所得葡萄糖和5-HMF產(chǎn)率計(jì)算方法同實(shí)施例1結(jié)果表明，在串聯(lián)的催化反應(yīng)體系中，葡萄糖產(chǎn)率為85.8％，5-HMF產(chǎn)率為43.5％，證明該催化體系的催化性能較高。

(4)再生性能測試

再生性能分析測試方法同實(shí)施例1。結(jié)果表明：再生過程中催化劑活性損失較低，再生一至五次試驗(yàn)過程中，葡萄糖的產(chǎn)率依次為85.5％、85.1％、84.5％、84.1％、83.0％，5-HMF的產(chǎn)率依次為43.2％、43.0％、42.6％、42.1％和40.2％。

所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。