HMF指5-羥甲基糠醛，是由還原糖脫水形成的有機(jī)化合物。HMF 可以通過(guò)酸催化果糖、葡萄糖和纖維素等碳水化合物脫水制得。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 39514—2020，HMF 屬于一種生物基化學(xué)品。按產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)劃分，生物基材料分為生物質(zhì)原料、中間體（生物基單體、生物基平臺(tái)化合物）、生物基終端產(chǎn)品三大類。其中， HMF 是唯一一種具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的生物基平臺(tái)化合物，可以通過(guò)加氫、氧化脫氫、酯化、鹵化、聚合、水解以及其它化學(xué)反應(yīng)。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局制定的《國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類與代碼》（GB/T4754-2017），中國(guó)把生物基材料行業(yè)歸入化學(xué)纖維制造業(yè)（國(guó)統(tǒng)局代碼 28）中的生物基材料制造（C263），其統(tǒng)計(jì) 4 級(jí)碼為（C2831）生物基化學(xué)纖維制造與（C2832）生物基、淀粉基新材料制造。其中，“ 單體原料 5-羥甲基糠醛（ HMF ）；生物基平臺(tái)化合物 2,5- 呋喃二甲酸（ FDCA ）；FDCA 下游聚合產(chǎn)品”生產(chǎn)歸入生物基、淀粉基新材料制造中其他列入該分類的產(chǎn)品制造活動(dòng)。

2011-2021 年，中國(guó) HMF 及其衍生產(chǎn)品領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，2019 年達(dá)到最高值 78 項(xiàng)。2021 年，中國(guó) HMF 及其衍生產(chǎn)品專利申請(qǐng)為 60 項(xiàng)，專利授權(quán)為 4 件。

2012- 2021 年中國(guó) HMF 及其衍生產(chǎn)品領(lǐng)域 相關(guān)技術(shù)專利申請(qǐng)及授權(quán)數(shù)量

根據(jù)智慧芽的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó) HMF 及其衍生產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量最多的機(jī)構(gòu)是中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，為 42 項(xiàng)；其次是中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，申請(qǐng)數(shù)量為 26 項(xiàng)。

截至 2022 年中國(guó)科研機(jī)構(gòu) HMF 及其衍生產(chǎn)品領(lǐng)域 相關(guān)技術(shù)專利申請(qǐng)人T OP10 （單位：項(xiàng)）

 

根據(jù)智慧芽的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó) HMF 及其衍生產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量排名第一的專利為C07D307（雜環(huán)化合物，含五元環(huán)，含有 1 個(gè)氧原子作為僅有的雜環(huán)原子〔2〕[2006.01]），申請(qǐng)數(shù)量為 412 項(xiàng)，占 TOP10 技術(shù)專利數(shù)量的 62.52%。其次是 B01J23（不包含在 B01J21/00 組中的，包含金屬或金屬氧化物或氫氧化物的催化劑（B01J21/16 優(yōu)先）〔2〕[2006.01]），專利數(shù)達(dá)到了 68 件，占比為 10.32%。

      截止到2021 年中國(guó) HMF 及其衍生產(chǎn)品領(lǐng)域熱門(mén)技術(shù)  TOP10 分布

HMF 及其衍生產(chǎn)品位于生物基材料產(chǎn)業(yè)鏈中游，可用于合成多種有機(jī)化合物和新型高分子材料，包括醫(yī)藥、樹(shù)脂類塑料、柴油燃料添加物等。HMF 目前的主要衍生品包括：2,5-呋喃二甲酸（FDCA）、2,5-四氫呋喃二甲醇（THFDM）、2,5-呋喃二甲醇（FDM）、2,5-呋喃二甲醛（DFF）等。

2,5-呋喃二甲酸（FDCA）是一種非常穩(wěn)定的化合物。在堿性條件下能溶于水，酸性條件下為白色粉末狀固體，是制備高性能生物基塑料的重要單體。FDCA 的合成技術(shù)路線主要包括HMF路線、己糖二酸路線、糠醛路線和二甘醇酸路線，其中，HMF 路線最受重視，已取得了顯著的進(jìn)展。

FDCA 與傳統(tǒng)的石油基單體對(duì)苯二甲酸在結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)上相似，因此可以取代對(duì)苯二甲酸來(lái)制造聚酯、聚酰胺等聚合物新材料。例如以 FDCA 為單體，加入乙二醇通過(guò)直接酯化法或酯交換法可合成PEF。

FDCA 被美國(guó)能源部確定為建立未來(lái)“綠色”化學(xué)工業(yè)的 12 種最具潛力的生物基平臺(tái)化合物之一。FDCA 已被建議作為一種重要的可再生結(jié)構(gòu)單元，因?yàn)樗梢蕴娲鷮?duì)苯二甲酸（PTA），用來(lái)合成聚酯和其他含有芳族的聚合物。

FDCA 的產(chǎn)品信息

FDCA 的合成路線

PEF，全稱是 polyethylene furanoate（PEF），中文全稱是聚 2,5－呋喃二甲酸乙二醇酯。PEF 是一種生物基聚酯，以 FDCA 為單體加入乙二醇（MEG）合成。聚乙烯呋喃酸酯 PEF 是一種 100%可回收的生物基聚合物，使用源自植物的可再生原材料生產(chǎn)。PEF 被稱為下一代聚酯，具有取代聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）的巨大潛力。與 PET 相比，PEF 具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括更低的碳足跡（降低 40%-50%）、更優(yōu)的阻隔性、更好的耐熱性、更優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度。

PEF 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（87℃），比 PET 高，氣體阻隔性（對(duì) CO2 和 O2 的阻隔性）比 PET 提高了十幾倍。此外，PEF 還具有輕量化、可回收特性。

單體 FDCA （ 2,5 －呋喃二甲酸）和 MEG （乙二醇）合成 成 PEF

HMF 目前的主要應(yīng)用市場(chǎng)是精細(xì)化工和生物基環(huán)保等功能性材料。此外，歐盟法規(guī)已經(jīng)將 HMF 列入食用香料清單，未來(lái)在香料領(lǐng)域前景可期。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明 HMF 作為飼料具有提高動(dòng)物和魚(yú)體免疫力，殺菌消炎的作用，未來(lái)可以將其應(yīng)用到飼料當(dāng)中。此外，HMF 具有抗氧化、抗腫瘤等藥理作用。

目前，HMF 的本身應(yīng)用相對(duì)較少，然而它可以轉(zhuǎn)化為其他更有用的化合物，其中 FDCA 的潛在應(yīng)用市場(chǎng)最大，已被提議作為聚酯生產(chǎn)中對(duì)苯二甲酸的替代品。

HMF 的應(yīng)用場(chǎng)景分析

近年來(lái)，以 FDCA 為主的聚酯獲得國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。國(guó)外荷蘭、希臘、比利時(shí)、日本和美國(guó)等國(guó)家的科學(xué)家做了大量開(kāi)創(chuàng)性的工作。國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所、浙江大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)、中科院理化所、中科院寧波材料所等科研院校在呋喃聚酯的合成和性能評(píng)價(jià)方面也做了大量研究工作。國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)如杜邦、巴斯夫、盛虹集團(tuán)、恒逸集團(tuán)、南山集團(tuán)、中石化、中石油等對(duì)呋喃聚酯表現(xiàn)出強(qiáng)烈的興趣，部分已經(jīng)開(kāi)展研發(fā)和中試放大工作。

FDCA 應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括：1）作為單體合成聚酯、聚氨酯、聚酰胺等聚合物；2）合成增塑劑；3）合成新型半芳香尼龍/半生物基芳綸/氨綸和聚醚；4）合成不飽和樹(shù)脂；5）熱固性塑料和涂料等領(lǐng)域。呋喃基高分子在生物基工程塑料、生物基纖維及生物基包裝材料上擁有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

據(jù) Grand view Research 估算，2020 年 FDCA 作為單體，其聚酯在 PET 生產(chǎn)替代中使用具有最大的市場(chǎng)潛力，占全球消費(fèi)量的 60%以上。另一方面，由于 FDCA 與生物基乙二醇制備的 100%可再生聚酯 PEF，具有優(yōu)異的阻隔性能，在薄膜和碳酸軟飲料瓶子應(yīng)用領(lǐng)域受到較大關(guān)注。

第二大應(yīng)用領(lǐng)域是聚酰胺，截止 2020 年，潛在應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模為 8 萬(wàn)噸，并有望在新型生物基產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮重要作用。除此之外，由于可替代鄰苯二甲酸酯類增塑劑，增塑劑是其另一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域。

2020 年 全球 FDCA 可替代應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模占比（單位：%）

 

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)關(guān)于 HMF 的合成研究文獻(xiàn)比較多，合成工藝路線也較多，截止目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有已投產(chǎn)的 HMF 及其衍生物大規(guī)模量產(chǎn)的項(xiàng)目，但國(guó)內(nèi)企業(yè)及科研院所經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累，逐步突破 HMF大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，使 HMF 及其衍生物生產(chǎn)成本大幅下降，逐步達(dá)到商業(yè)化水平。目前百噸級(jí)、千噸級(jí)項(xiàng)目已陸續(xù)投產(chǎn)，部分頭部企業(yè)正在投建 HMF 及其衍生物萬(wàn)噸級(jí)產(chǎn)線，建成后將推動(dòng) HMF產(chǎn)業(yè)及生物基產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

國(guó)外在 HMF 領(lǐng)域的研究起步較早。美國(guó)企業(yè)阿徹丹尼爾斯米德蘭公司在 2005 年就申請(qǐng)了從果糖制備 2,5-（羥甲基）糠醛（HMF）、其衍生物和乙酰丙酸以及從 2,5-（羥甲基）糠醛制備 2,5-雙-（羥甲基）呋喃的專利，同時(shí)在 2015 年的時(shí)候和杜邦合作，研究生產(chǎn) FDCA 及其衍生物以及由其制成的聚合物的方法。目前國(guó)外代表公司有：AVA、杜邦、巴斯夫、Corboin 等。

國(guó)內(nèi)關(guān)于 HMF 及其衍生物的產(chǎn)業(yè)化研究起步較晚，研究?jī)?nèi)容主要集中在 HMF 和其衍生物的制備上，研究的重點(diǎn)在于催化劑上。包括： 包含金屬或金屬氧化物或氫氧化物的催化劑（B01J23）、 催化劑活化的一般方法（B01J37）、 包含分子篩的催化劑（B01J29）等。

目前 HMF 項(xiàng)目的合成原料主要來(lái)自 果糖或纖維素 （通過(guò)水解成果糖）。國(guó)內(nèi) HMF 代表供應(yīng)企業(yè)主要有： 中科國(guó)生（杭州）科技有限公司、合肥利夫生物科技有限公司、浙江糖能科技有限公司。

中科國(guó)生建設(shè)計(jì)產(chǎn)能為 500 噸的 HMF 項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)始投產(chǎn)， 并且中科國(guó)生正在江蘇省著手建設(shè)萬(wàn)噸級(jí) 級(jí) HMF 及其衍生物連續(xù)化產(chǎn)線，項(xiàng)目建成后至 2026 年前后，中科國(guó)生有望成為全球頭部規(guī)模的 HMF及其衍生物供應(yīng)商。糖能科技在建設(shè)計(jì)產(chǎn)能為千噸級(jí)的 HMF 中試項(xiàng)目，預(yù)計(jì)在 2022 年底投產(chǎn)；合肥利夫也可生產(chǎn) HMF，但其產(chǎn)品生產(chǎn)成本較高，其 HMF 產(chǎn)品主要用于合成 PEF 及其中間體 FDCA。此外， 中國(guó)石油化工公司在 HMF 領(lǐng)域擁有數(shù)量最多的專利，但沒(méi)有觀察到中國(guó)石油化工公司有相關(guān)項(xiàng)目投產(chǎn)。此外 浙江恒瀾科技有限公司（恒逸石化上市公司子公司）也在HMF 領(lǐng)域擁有相關(guān)專利，尋求在生物基材料領(lǐng)域取得突破。

在過(guò)去幾十年時(shí)間里 HMF 一直被產(chǎn)業(yè)界、科學(xué)界長(zhǎng)期關(guān)注，但在過(guò)去受制于其成本以及對(duì)生物基產(chǎn)品需求不足，因此此未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。全球碳中和趨勢(shì)影響下，國(guó)際大廠杜邦、巴斯夫、AVA、Corbion 等不斷進(jìn)行投入研發(fā)，國(guó)內(nèi)的中國(guó)科學(xué)院大連化物所、大連理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院寧波材料所等科研院所也在加強(qiáng)研發(fā)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)和市場(chǎng)的快速發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)科研院所獲得較大技術(shù)突破，其 HMF 領(lǐng)域技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)彎道超車，未來(lái)將推動(dòng)生物基材料價(jià)格大幅下降，達(dá)到終端應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)計(jì) 2022 年國(guó)內(nèi) HMF 市場(chǎng)需求將超過(guò)百噸。并且 HMF 是唯一具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的生物基平臺(tái)化合物，其下游產(chǎn)品理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石化產(chǎn)業(yè)的全面替代，未來(lái)伴隨其產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展成熟，需求將獲得指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

針對(duì) FDCA 的研究美國(guó)開(kāi)始較早，我國(guó)在 2010 年左右才開(kāi)始布局研究，但近年來(lái)發(fā)展速度較快，工藝開(kāi)發(fā)均有較大突破。

當(dāng)前國(guó)際上實(shí)現(xiàn) FDCA 生產(chǎn)的代表性企業(yè)有 Avantium Holdings NV、Synbias、CarboneScientific、V&V Pharma Industries、Tokyo Chemical Industry、Novamont SPA、Chemsky，AvalonIndustries AG、Corbion NV 和 AstaTech Inc.等。

從專利申請(qǐng)情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)在 FDCA 領(lǐng)域布局科研機(jī)構(gòu) 及大型 企業(yè)包括：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（12 件）、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（10 件）、 廈門(mén) 大學(xué)（5 件）、中國(guó)石油化工股份有限公司（加上 旗 下石油化工科學(xué)研究院合計(jì)14 4 件）。

而目前國(guó)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn) FDCA 量產(chǎn)的企業(yè)主要包括 ：中科國(guó)生（杭州）科技有限公司、 合肥利夫生物科技有限公司、綿陽(yáng)高新區(qū)達(dá)高特科技有限公司、莆田達(dá)凱新材料有限公司。

2021 年 2 月 28 日，哈爾濱市工信局與莆田達(dá)凱新材料有限公司，通過(guò)“云視頻”就投資 120 億元在哈市建設(shè)年產(chǎn) 20 萬(wàn)噸生物基呋喃二甲酸聚酯纖維項(xiàng)目簽署了框架合作協(xié)議。該項(xiàng)目采用先進(jìn)生產(chǎn)工藝將秸稈、木屑、廚余、廢棄棉制品等含有纖維素的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制得呋喃二甲酸（酯）單體，通過(guò)聚合、紡絲工藝，制成生物基聚酯纖維，可廣泛應(yīng)用在紡織品、液體包裝、薄膜、片材、工程塑料等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)廢物再生利用。

2022 年 年 5 月，中科國(guó)生（麗水）新材料科技有限公 司“生物基平臺(tái)化合物 HMF 及其衍生物開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”正式投產(chǎn)，項(xiàng)目占地面積5 000m 2 2 ，項(xiàng)目 具備 年產(chǎn)50 00 噸 HMF 、0 20 噸  FDCA 、5 5 噸  PEF 的生產(chǎn)能力；據(jù)公開(kāi)信息顯示，中科國(guó)生已實(shí)現(xiàn)單筆噸級(jí) FDCA 訂單的交付能力；待其 正在著手籌建的萬(wàn)噸級(jí) HMF 及其衍生物產(chǎn)線項(xiàng)目投產(chǎn)后，中科國(guó)生或?qū)⒊蔀槿蝾^部 FDCA 供應(yīng)商。

我國(guó) FDCA 及其聚酯研究及產(chǎn)業(yè)布局企業(yè)

目前，國(guó)內(nèi) THFDM 的 主要供應(yīng)企業(yè)包括：中科國(guó)生（杭州）科技有限公司、浙江糖能科技有限公司，此外還有少數(shù)企業(yè)可以小批量供應(yīng) THFDM，包括：上海麥克林生化科技有限公司、蘇州潤(rùn)森藥物科技有限公司等。

中科國(guó)生在已實(shí)現(xiàn) HMF 連續(xù)化規(guī)模化量產(chǎn)后，同時(shí)加快 HMF 下游產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，并已 實(shí)現(xiàn)了 FDCA和 THFDM 等關(guān)鍵單體的規(guī)?；a(chǎn)。浙江糖能科技有限公司在前期實(shí)現(xiàn) 5-羥甲基糠醛示范生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)后，也著手開(kāi)始從 5-羥甲基糠醛加氫一步制備 THFDM 的工業(yè)實(shí)驗(yàn)。

THFDM 下游應(yīng)用研究目前較少， THFDM 的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍處于試驗(yàn)階段。產(chǎn)業(yè)方正積極對(duì)接下游化工企業(yè)，推動(dòng)生物基 THFDM 聚合物的小試及中試驗(yàn)證。從 THFDM 的專利申請(qǐng)情況及相關(guān)研究文獻(xiàn)來(lái)看， 目前 THFDM 的 主要 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用 方向 為：1 1 ）呋喃醚類化合物的合成，例如合成 2,5-四氫呋喃二甲醇烷基醚；2 2 ）合成增塑劑，例如 2,5-四氫呋喃二甲醇二酸酯；3 3 ）油品添加劑，例如 2,5-四氫呋喃二甲醇脂肪酸二酯，有效提升柴油的十六烷值并提高油品的潤(rùn)滑性；4 4 ）參與生物基共聚物合成，其具有含氧的四氫呋喃環(huán)剛性結(jié)構(gòu)以及對(duì)稱性的二醇官能團(tuán)，合成共聚物時(shí)，在剛性、阻隔性、耐熱性等方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。     

了解目前國(guó)內(nèi) PEF 處于項(xiàng)目大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化前階段。主要供應(yīng)企業(yè)有：合肥利夫生物科技有限公司、中科國(guó)生（杭州）科技有限公司。PEF 是由 FDCA 加己二醇聚合而來(lái)，主要用于食品包裝、藥品包裝、薄膜材料、紡織纖維等領(lǐng)域，也可與其他聚酯材料摻雜用作改性，上游原材料 FDCA 的成本、純度、產(chǎn)能等影響因素對(duì)于 PEF的發(fā)展具有重大影響，因此對(duì)于上游高質(zhì)量原材料 HMF、FDCA 的穩(wěn)定供應(yīng)成為 PEF 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。從 PEF 相關(guān)專利申請(qǐng)情況來(lái)看，目前 PEF 的應(yīng)用研究領(lǐng)域包括阻隔涂層、纖維、氧氣阻隔膜、塑料合金、飲料瓶和模制品。