BRPI0813157B1 - Method of purification of hmf from a mixture containing reagents and products of the synthesis of hmf from fruit - Google Patents

Description

MÉTODO DE PURIFICAÇÃO DE HMF A PARTIR DE UMA MISTURA CONTENDO REAGENTES E PRODUTOS DA SÍNTESE DE HMF A PARTIR DE

FRUTOSE

Referência Cruzada ao Pedido Relacionado Este pedido é baseado em e reivindica o benefício de prioridade do Pedido de Patente Provisória U. S. de número 60/944.629 (Procuração n° 010253-0013) depositado em 18 de junho de 2007, cujos conteúdos inteiros estão aqui incorporados por referência.

Campo da Invenção Campo Técnico Esta divulgação relaciona-se a um método para purificar hidroximetilfurfural. Mais particularmente, esta divulgação relaciona-se a um método para purificar hidroximetilfurfural que envolve a adsorção e dessorção de uma mistura aquosa contendo componentes de uma mistura de síntese de hidroximetilfurfural através de uma ou mais resina(s) polimérica(s) não funcional(ais), em certos casos opcionalmente seguido por separação cromatográfica sobre uma resina de troca catiônica.

Introdução Um produto principal na desidratação catalisada produção ácido da frutose é o 2-hidroximetil-5- furfuraldeído, também conhecido como hidroximetilfurfural que é abreviado como HMF. A estrutura do HMF é apresentada abaixo: Hidroximetilfurfural O HMF tem sido relatado como possuindo propriedades antibacterianas e anticorrosivas. O HMF é também um componente chave, ou como um material inicial ou como um intermediário, na síntese de uma ampla variedade de compostos, tal como diálcoois, dialdeídos, ésteres, éteres, haletos e ácidos dicarboxílicos de furfuril. Um exemplo de ácido dicarboxílico que pode ser derivado de HMF é o ácido levulínico. Uma reação importante de HMF é a oxidação orgânica ao ácido 2,5-furandicarboxílico, um composto que foi sugerido para uso como um monômero na produção de plásticos. 0 HMF está também atualmente sob investigação como um tratamento de anemia falciforme. Em resumo, o HMF é um composto químico importante e um método de síntese em grande escala para produção de quantidades significantes de HMF sem impurezas, subprodutos e material inicial remanescente tem sido procurado por quase um século.

Um método para a síntese de HMF compreende passar uma solução de frutose aquosa através de um reator de fluxo térmico para se obter uma mistura de frutose não reagida e HMF. Por este método, reações adicionais tais como condensação, reidratação, reversão e outros rearranjos podem ocorrer, resultando em um excesso de subprodutos indesejados. É desejável remover os subprodutos que podem interferir na purificação de HFM. Um subproduto, humina, é um sólido macio de coloração marrom à preta que é quase completamente insolúvel em água, bases, ácidos e solventes orgânicos de todos os tipos. Ela reveste as laterais dos recipientes de reação e serve como um isolante térmico eficiente, causando assim fraca transferência de calor. A humina também induz emulsificação da fase aquosa com vários solventes ,de extração, complicando também desta forma a recuperação do HMF.

Geralmente, a mistura reacional também contém um solvente orgânico que extrai HMF da fase aquosa. Entretanto, embora a etapa de extração possa remover um pouco do HMF, continua a haver uma quantidade significante de HMF na fase aquosa, que também contém a frutose não reagida e outras impurezas, tal como a humina. A fim de aumentar o rendimento da reação, é desejável remover o HMF da fase aquosa. Várias técnicas para purificação de HMF a partir das soluções aquosas são conhecidas. A Patente Inglesa de número 600.871 descreve um método de produção de HMF em um autoclave a 130-230°C. O HMF é recuperado da mistura reacional aquosa por extração com um solvente orgânico adequado tal como acetato de etila. A Patente U. S. de número 2.929.823 descreve a produção de HMF a partir de soluções de açúcar aquosas a temperaturas de 250°C a 380°C usando-se tempos de reação muito curtos, da ordem de 0,1 a 180 segundos. O HMF é extraído em um solvente orgânico, tal como furfural, alcoóis imiscíveis em água, cetonas, éteres, ésteres e hidrocarbonetos halogenados ou misturas destes. O solvente orgânico pode ser adicionado à mistura reacional aquosa durante a reação ou após a reação.

Um outro método para a produção de HMF a partir de frutose envolve a conversão de soluções de frutose aquosas de 10 a 50% em peso em um sistema de reator de duas fases no qual a solução de frutose aquosa é combinada com DMSO (dimetilsulfóxido) ou PVP (polivinilpirrolidona) . O HMF é purificado por extração contínua em uma fase orgânica, tal como metilisobutilcetona, 2-butanol, ou uma mistura destes.

Entretanto, uma desvantagem associada com os métodos mencionados acima é que a frutose e a humina de baixo peso molecular são também extraídas na fase orgânica. Consequentemente, a pureza do HMF derivado destes métodos é questionável.

Um outro procedimento de duas fases é descrito em DE-OS n° 30 33 527. Aqui, sob temperaturas abaixo de 100°C, frutose contendo soluções aquosas são decompostas com resinas de troca iônica ácidas, na presença de um solvente orgânico imiscível em água capaz de dissolver HMF. Entretanto, um problema com este procedimento é a necessidade de usar um grande excedente do solvente orgânico, uma relação volumétrica de cerca de 7:1, quando comparada à fase aquosa, exigindo alto custo para remover os solventes e a geração de resíduo excessiva.

Para superar os problemas mencionados acima, a Patente U. S. de número 4.740.605 descreve um método para purificar HMF eluindo-se a mistura reacional aquosa de HMF, frutose e subprodutos através de uma resina de troca iônica e fracionando-se o eluente. Entretanto, algumas das frações contêm misturas de frutose e HMF, que devem ser subsequentemente eluídas em outras colunas a fim de aumentar o rendimento de HMF da mistura reacional.

Em resumo, em muitos métodos conhecidos para sintetizar HMF a partir da frutose, uma grande quantidade de frutose permanece na camada aquosa pós-reação. Consequentemente, devido a problemas associados na separação de quantidade relativamente pequenas de HMF em comparação à quantidade de frutose presente, é ainda difícil obter alta pureza de HMF. Há ainda uma necessidade, portanto, por um método de purificação de HMF a partir de misturas reacionais aquosas que elimine ou reduza os problemas citados acima.

Sumário da Divulgação A fim de superar os problemas acima mencionados, a divulgação fornece um método de purificação de HMF a partir de uma mistura reacional aquosa usando pelo menos duas colunas, pelo menos uma da qual contém uma resina não funcional que adsorve preferencialmente HMF. Em diferentes modalidades, a segunda coluna pode conter ou uma resina de troca catiônica fortemente ácida ou uma resina polimérica não funcional diferente que preferencialmente adsorve furfural. A ordem de uso não é importante, entretanto, os exemplos ilustram o uso de resina polimérica não funcional adsorvente de HMF primeiro quando a segunda resina é uma resina de troca catiônica, e o uso de resina polimérica não funcional adsorvente de furfural primeiro quando duas resinas polimêricas não funcionais são usadas em sequência. Em ambos os casos, a frutose é removida a partir da mistura aquosa contatando-se a mistura aquosa em uma coluna contendo uma resina polimérica não funcional que adsorve HMF, e então se lavando a coluna com água para remover a frutose.

Em uma modalidade geral, são divulgado métodos de purificação, pelo menos parcialmente, do HMF a partir de uma mistura contendo reagentes e produtos da síntese de HMF a partir da frutose que inclui: contatar uma primeira resina polimérica não funcional que adsorve preferencialmente HMF em relação à frutose com uma solução aquosa contendo a mistura de reagentes e produtos da síntese de HMF por um tempo suficiente para adsorver a maior parte de HMF a partir da mistura sobre a resina polimérica não funcional; contatar a resina polimérica não funcional com água até que a maior parte da frutose da mistura seja removida da resina polimérica não funcional enquanto uma maior parte do HMF da mistura permanece adsorvida à resina polimérica não funcional; contatando-se a resina polimérica não funcional com um solvente orgânico.

Em um caso exemplar, o HMF é eluído de tal coluna com acetona, a acetona é removida, redissolvida em solvente aquoso, e o HMF é então também purificado dos subprodutos contaminantes contatando-o com a segunda coluna de troca catiônica, que é eluída com água para separar de forma cromatográfica os componentes.

Em outra modalidade geral, é divulgado um método de purificar pelo menos parcialmente o HMF a partir de uma mistura contendo reagentes e produtos da síntese de HMF a partir da frutose que inclui: contatar uma primeira resina polimérica não funcional que absorve preferencialmente furfural em relação ao HMF com um solvente aquoso contendo a mistura de reagentes e produtos da síntese de HMF por um tempo suficiente para adsorver uma maioria de furfural a partir da mistura sobre a primeira resina polimérica não funcional; contatar a primeira resina polimérica não funcional com um fluxo de água até que uma maioria de HMF e frutose da mistura sejam removidos da resina polimérica não funcional em uma primeira fração enquanto uma maior parte do furfural da mistura permanece adsorvida à resina polimérica não funcional, e coletar a primeira fração; contatar uma segunda resina polimérica não funcional que adsorve preferivelmente HMF em relação â frutose com a primeira fração por um tempo suficiente para adsorver uma maior parte de HMF da primeira fração sobre a segunda resina polimérica não funcional; contatar a segunda resina polimérica não funcional com água até que uma maior parte da frutose da primeira fração seja removida da segunda resina polimérica funcional enquanto uma maioria do HMF da mistura permanece adsorvido à segunda resina polimérica não funcional; e contatar a segunda resina polimérica não funcional com um solvente orgânico em uma quantidade suficiente para dessorver a maioria do HMF da segunda resina polimérica não funcional e coletar o HMF dessorvido em uma primeira solução eluída contendo o solvente orgânico.

Em certas modalidades exemplares, a primeira resina polimérica não funcional que adsorve preferivelmente HMF é Lewatit® S7768.

Em certas modalidades exemplares, a segunda resina de troca catiônica é uma resina fortemente ácida selecionada a partir do grupo consistindo de FINEX® CS13GC293 e Mitsubishi® UBK555.

Em uma outra modalidade exemplar, onde duas resinas polimêricas não funcionais são usadas, a primeira ou segunda resina polimérica não funcional que adsorve preferivelmente furfural é Lewatit® VPOC1064.

Uma vantagem dos métodos descritos aqui se encontra na remoção da frutose a partir da mistura aquosa antes do fracionamento dos componentes restantes da mistura aquosa para remover quaisquer outras impurezas que possam estar presentes, por exemplo, materiais do polímero humina.

Uma outra vantagem é que os métodos que usam duas resinas poliméricas não funcionais produz um produto de alta pureza com redução substancial em furfurai usando-se materiais baratos em um procedimentos de duas etapas.

Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 é um gráfico mostrando a análise de HPLC das frações coletadas a partir de uma coluna de resina polimérica não funcional que adsorve preferivelmente HMF usado no Exemplo 1. A Figura 2 é um gráfico mostrando a análise de HPLC das frações coletadas da coluna de troca catiônica usada no Exemplo 2. A Figura 3 ê um gráfico mostrando a análise de HPLC das frações coletadas da coluna de troca catiônica usada no Exemplo 3. A Figura 4 é um gráfico mostrando a análise de HPLC das frações coletadas da coluna de troca catiônica usada no Exemplo 4. A Figura 5 é um gráfico mostrando a análise de HPLC das frações coletadas da coluna de troca catiônica usada no Exemplo 5. A Figura 6 é um gráfico mostrando a análise de HPLC das frações coletadas da coluna de troca catiônica usada no Exemplo 6. A Figura 7 é um gráfico mostrando a análise de HPLC das frações coletadas da coluna de troca catiônica usada no Exemplo 7. A Figura 8 é um gráfico mostrando a análise de HPLC das frações coletadas a partir de uma coluna de troca catiônica após a primeira adsorção e dessorção de HMF em uma primeira resina polimérica não funcional. A Figura 9 é um gráfico mostrando a análise de HPLC das frações coletadas a partir de uma resina polimérica não funcional que adsorve preferivelmente furfural.

Descrição Detalhada da Divulgação Antes de descrever a presente invenção em detalhes, certos termos que possuem significados geralmente compreendidos por aqueles habilitados na técnica são, todavia, definidos aqui por melhor distinguir nuances significando que podem ser aplicados a diferentes modalidades da invenção. É compreendido que as definições aqui fornecidas são objetivadas para abranger o significado ordinário compreendido na técnica sem limitação, a menos que tal significado seja incompatível com as definições aqui fornecidas, em cujo caso, o controle das definições fornecidas. A expressão "separação cromatográfica" e variações desta referem-se à separação, baseada em velocidade, de espécies químicas sobre um material sorvente cromatográfico de fase estacionária sólida através da separação diferencial das espécies entre a fase estacionária e a fase eluente móvel. Consequentemente, a separação cromatográfica pode ser executada pelo uso de uma única fase móvel sem uma exigência por mudanças nas condições do eluente. Com relação a isto, a separação cromatográfica pode ser caracterizada como um "processo de separação contínua" porque as espécies que estão sendo separadas estão em movimento contínuo. A expressão "separação adsortiva/dessortiva" ou "cromatografia adsortiva/dessortiva" e variações destas pretendem especificamente a distinção da separação cromatográfica, e referem-se a um processo onde as espécies químicas são separadas por imobilização de uma espécie em um sorvente de fase sólida enquanto move uma outra espécie preferivelmente com o eluente sob uma primeira condição de eluente, então mudando-se as condições do eluente a uma segunda condição onde a espécie imobilizada é dessorvida do sorvente para separação preferivelmente com o eluente. Consequentemente, as duas características que distinguem fundamentalmente a separação cromatográfica da separação adsortiva/dessortiva são que no último caso (i) uma primeira condição de eluente é selecionada para executar, o mais próximo possível, a completa imobilização de pelo menos uma espécie no material cromatográfico, e (ii) há uma mudança a uma segunda condição de eluente selecionada para fazer com a que a espécie imobilizada torne-se móvel. Nesse aspecto, a separação adsortiva/dessortiva pode ser caracterizada como um processo de separação "descontínuo" ou "em etapas".

Qualquer um habilitado na técnica irá reconhecer que dependendo da seleção de eluente e espécies químicas, o mesmo material cromatográfico de fase sólida pode ser usado para executar separação cromatográfica, separação adsortiva/dessortiva ou ambas. Por exemplo, em uma primeira etapa para separar uma mistura contendo as espécies A, B e C, um material de troca iônica pode ser empregado como uma fase estacionária sorvente em conjunção com um eluente a um primeiro pH selecionado para fazer com que as espécies A e B sejam imobilizadas no sorvente enquanto a espécie C separa-se preferivelmente com a fase eluente móvel executando-se assim a separação adsortiva/dessortiva das espécies A e B da espécie C. Em uma segunda etapa, as condições do eluente podem ser mudadas a um segundo pH o que faz com que as espécies A e B se separem preferivelmente com a fase móvel. Se a mudança no pH também causar a separação diferenciada das espécies A e B entre a fase móvel e a fase estacionária, então as espécies A e B se moverão a diferentes velocidades sobre a fase estacionária e serão separadas cromatograficamente sobre o mesmo material de troca iônica. A expressão "resina polimérica não funcional" significa um material estrutural polimérico tal como poliestireno, que ele próprio não possui nenhum grupo orgânico funcional que não ligações CC, C=C e CH, que foi entrecruzado para formar uma matriz porosa, e que não foi derivatizado para incluir quaisquer metades orgânicas ou inorgânicas adicionais. Uma característica de resinas poliméricas não funcionais é que elas não são reativas e não contém nenhuma espécie iônica ou de outra forma espécies de moléculas passíveis de solvatação que poderiam formar ligações de hidrogênio ou ligações iônicas em um ambiente aquoso. Por conseguinte, a única interação molecular entre as moléculas em contato com as resinas poliméricas não funcionais são as forças de Van der Waals.

Voltando-se agora a presente descoberta, o HMF é tipicamente sintetizado a partir da frutose, por desidratação na presença de um catalisador ácido. Embora muitos sistemas de solvente possam ser usados para a reação, o solvente mais econômico é água embora o uso de água no lugar de um solvente orgânico aumente a ocorrência de produtos de reação não desejados tais como o furfural, formas poliméricas de HMF e/ou furfural (huminas detectadas nas amostras como "corpos coloridos" ou "cores subjetivas") e produtos de degradação variados. Também, sob condições aquosas típicas, a reação não é finalizada porque com excesso de água, a reação ocorre de maneira oposta e em equilíbrio, uma quantidade significante de reidratação ocorre tão tipicamente que uma grande quantidade de frutose permanece na mistura reacional. Por conseguinte, os reagentes e produtos da síntese de HMF irão incluir minimamente frutose e HMF e provavelmente também incluirão furfural e huminas.

Tipicamente, no passado, a purificação de HMF a partir dos reagentes e outros produtos tem se apoiado na destilação e/ou extração líquida bifásica ou na separação cromatográfica por troca catiônica. Conforme aqui divulgado, foi descoberto de forma surpreendente que resinas poliméricas não funcionais são altamente efetivas na separação de HMF de outros reagentes e produtos da síntese de HMF. Pelo fato dos reagentes iniciais e produtos da síntese de HMF, frutose, furfural, HMF e huminas serem similares em tamanho e polaridade, é surpreendente que estas espécies possuam capacidades substancialmente diferentes ao serem adsorvidas às resinas poliméricas não funcionais. Além disso, geralmente, resinas poliméricas não funcionais não são adequadas para separação de componentes principais, como HMF e frutose, a partir das misturas reacionais, mas em vez disso são tipicamente usadas para remover traços de impurezas. Entretanto, em uma modalidade preferida da presente divulgação, foi descoberto que a resina não funcional, Lewatit®S7768, é idealmente adequadas para separar a maior parte de frutose do HMF e outros subprodutos sem a necessidade por fracionamento extensivo. Dependendo da concentração de HMF, vários volumes de leito da mistura aquosa de HMF podem ser carregados na coluna, antes de lavar a coluna com eluente, para remover a frutose enquanto se deixa o HMF na coluna. O eluente na primeira coluna pode ser qualquer solvente que permita que frutose elua da resina embora não se elua o HMF. Em uma modalidade, o primeiro eluente é água deionizada, embora outras soluções tais como soluções aquosas de sais inorgânicos, sais orgânicos e materiais de tamponamento podem ser usados para o primeiro eluente.

Na realidade, foi descoberto que o HMF em uma solução aquosa pode ser adsorvido quase quantitativamente a certas resinas poliméricas não funcionais enquanto a frutose e o furfural fluem substancialmente através de tais resinas sem adsorção. Após adsorção, o HMF pode se dessorvido da resina polimérica não funcional contatando-o com os solventes orgânicos, especialmente solventes polares de baixo peso molecular, tais como acetona, etanol, propanol, acetato de etila, butanol, álcool amílico, álcool isopentílico e misturas destes, tais como óleos fúseis, que é uma mistura dos solventes orgânicos polares de baixo peso molecular que são obtidos a partir da destilação de etanol a partir de um caldo de fermentação. Em certas práticas, o solvente orgânico polar é miscível em água, tal como etanol, acetona, propanol, acetonitrila, dimetilformamida, etc. Em uma prática exemplar, o solvente orgânico polar é acetona.

Um exemplo de uma resina polimérica não funcional que preferivelmente adsorve HMF é Lewatit® S7768 (Lanxess Sybron Chemicals Inc, Birmingham, NJ). Esta resina é geralmente caracterizada como contas de poliestireno altamente entrecruzado neutro, com um diâmetro médio de cerca de 0,44 a 0,55 mm, um diâmetro de poro misturados de 0,5 a 10 nm, um volume de poro de cerca de 0,6 a 0,8 mL por grama, uma área de superfície de mais de 1.300 metros quadrados por grama e uma capacidade de retenção d'água de cerca de 38-45%.

Foi também descoberto que outras resinas poliméricas não funcionais podem adsorver preferivelmente furfural de uma mistura aquosa de reagentes e produtos da síntese de HMF, enquanto permite que a frutose e o HMF fluam sem adsorção substancial. Um exemplo de tal resina polimérica não funcional que adsorve preferivelmente furfural é Lewatit® VPOC1064, também disponível a partir de Lanxess. Esta resina é caracterizada como contas de poliestireno entrecruzado neutro macroporoso de um tamanho mais uniforme, com um diâmetro médio de cerca de 0,5 +/- 0,05 mm, um diâmetro de poro mais uniforme de cerca de 5 a 10 nm, um volume de poro de cerca de 1,2 mL por grama, uma área de superfície de cerca de 800 m2 por grama, e uma capacidade de retenção d'água de cerca de 50 a 60%. O furfural pode ser dessorvido de tais resinas para regenerar a resina para uso posterior pela dessorção com o mesmo tipo de solventes orgânicos usados para eluir HMF da outra classe de resinas poliméricas não funcionais, então o lavando com água.

Outras resinas que se ajustam em uma das categorias de uma ou outra adsorção de HMF preferencial ou furfural incluem, mas não estão limitadas a Amberlite XAD-4, XAD-1180 e XAD-16 (Rohm & Haas Chemicals LLC, Elgin IL), Diaion HP20, HP21, SP70 e SP850 (Mitsubishi Chemical Company, Tokyo, Japan). Não é atualmente compreendido qual característica ou combinação de características destas resinas e de resinas poliméricas não funcionais similares conferem a capacidade de se ligar preferivelmente ao HMF ou furfural, entretanto, qualquer um habilitado na técnica pode usar a direção dos presentes exemplos fornecidos aqui posteriormente para determinar empiricamente que espécies serão adsorvidas executando-se os testes de pulso direto descritos nesta.

Foi também descoberto que o uso do tipo acima de resinas usadas sozinhas, juntas ou combinadas com cromatografia de troca catiônica, tipicamente uma resina altamente ácida tal como uma com um grupo funcional sulfonato, fornece um método efetivo e econômico para purificação substancial de HMF a partir de outros reagentes e produtos da síntese de HMF.

Em exemplos típicos do uso de uma combinação de uma resina polimérica não funcional para adsorção de HMF seguida pela separação cromatográfica de troca catiônica, uma mistura reacional de uma síntese de HMF em água é carregada sobre uma primeira resina polimérica não funcional que preferivelmente adsorve HMF. A resina é lavada com água e uma maior parte de frutose passa através da resina com a carga inicial e lavagem, enquanto a maior parte do HMF permanece adsorvido. O HMF é então dessorvido e eluído da resina polimérica não funcional com um solvente orgânico. A Figura 1 descreve a adsorção/dessorção do HMF usando-se tal resina polimérica não funcional. É desejável usar um solvente de baixo ponto de ebulição tal como acetona como o eluente dessorvente, porque em uma prática típica, o solvente orgânico é removido do eluente enriquecido com HMF por evaporação ou destilação. O resíduo restante, que é oleoso ou é sólido e tipicamente contém água residual, é então dissolvido em um solvente aquoso e carregado sobre a resina de troca catiônica. 0 mesmo solvente aquoso é tipicamente usado como a fase móvel para efetuar a separação cromatográfica sobre a resina de troca catiônica. O solvente aquoso pode ser água apenas, ou água com um sal adequado, por exemplo, como CaCl2, NaCl, etc., selecionado para otimizar a separação cromatográfica. A resina de troca catiônica, tipicamente carregada em uma coluna, ê preparada sendo equilibrada com o mesmo solvente aquoso. Conforme ilustrado nas Figuras 2-7, que descreve a cromatográfia de troca catiônica de uma mistura reacional de síntese de HMF que não foi pré-tratada por adsorção e dessorção do HMF, as huminas (cor subjetiva) tipicamente começam a eluir primeiro, seguido pela frutose e então HMF. A Figura 8 ilustra um exemplo onde a mistura reacional de HMF é primeiro adsorvida e dessorvida a partir da resina polimérica não funcional e então subsequentemente separada por cromatográfia de troca catiônica. Neste caso, há muito menos frutose residual na alimentação, e ela elui em dois picos, um inicialmente no fluxo e um outro após o pico de HMF no começo da eluição. O furfural também começa a eluir após o HMF então para melhor pureza um corte é feito para tomar uma fração média (por exemplo, 0,5 a 1,5 volumes de leito na Figura 8) onde o HMF é mais separado do furfural e da frutose. 0 HMF pode então ser cristalizado por método conhecidos daqueles habilitados na técnica.

Como uma alternativa para remover o solvente orgânico antes de redissolver o HMF em água antes da cromatografia de troca catiônica, é também possível omitir a etapa de evaporação e simplesmente misturar o solvente orgânico contendo o HMF eluído com uma quantidade apropriada de solvente aquoso e para executar a cromatografia de troca catiônica no sistema de solvente misturado. Neste caso, é mais preferível usar um solvente orgânico polar que seja miscível com água, tal como acetona, etanol, ou um propanol como o solvente HMF e a fase móvel. Embora esta modalidade de solvente misturado de cromatografia possa ser efetiva, em certos exemplos, pode não ser desejável se uma quantidade substancial de huminas permanecer na alimentação porque o solvente orgânico diminui a efetividade da separação por troca catiônica das huminas a partir do HMF.

Em modalidades típicas de uso de uma combinação de duas resinas poliméricas não funcionais, a separação cromatográfica de troca catiônica pode ser omitida no geral. Em uma etapa, uma mistura da reação de síntese de HMF em água é carregada sobre uma resina polimérica não funcional tal como Lewatit® VPOC1064 que se liga preferivelmente ao furfural (e algumas huminas). 0 HMF e a frutose eluem no fluxo e lavagem, as quais são combinadas e imediatamente carregadas sobre uma resina polimérica não funcional tal como as Lewatit® S7768 que adsorve preferivelmente HMF permitindo que a frutose passe. O HMF é então eluído com acetona e a acetona é removida por evaporação ou destilação para se obter uma fração de HMF altamente purificado. A adsorção de furfural em Lewatit® VPOC1064 é ilustrada na Figura 9. 0 furfural pode também ser eluído com acetona quando se usa uma coluna empacotada com Lewatit® VPOC1064. 0 uso de duas resinas poliméricas não funcionais diferentes pode também ser feito de maneira oposta, isto é, a resina que adsorve o HMF pode ser usada para remover primeiro a frutose, então o HMF e qualquer furfural restante eluído no solvente orgânico pode ser carregado em um solvente aquoso após a remoção do solvente orgânico, e o furfural pode ser removido por adsorção em resina polimérica não funcional que preferivelmente se liga ao furfural, com o HMF passando através no fluxo e lavagem. Depois disso, a resina pode ser lavada com solvente aquoso de forma a ser regenerada para uso posterior.

Embora em práticas típicas não seja necessário usar a cromatografia de troca catiônica quando duas resinas poliméricas não funcionais diferentes são usadas em combinação, em certas práticas particulares, pode ser desejável usar todos os três tipos de resina em várias combinações para purificar HMF. Por exemplo, conforme ilustrado na Figura 9, onde uma resina de absorção de HMF Lewatit® S7768 foi usada primeiro para obter uma fração enriquecida com HMF com conteúdo de frutose reduzido e seguido por cromatografia em uma resina de troca catiônica Lewatit® S7768 para separar furfural e sacarose residual do HMF, os picos de furfural e HMF, todavia, se sobrepuseram. Para se obter uma fração de HMF enriquecida de cerca de 82% de pureza, é necessário tomar uma amostra representeando de 0,5 a 1,5 volumes de leito de eluente para reduzir o conteúdo de furfural. Se maior rendimento for desejado, será benéfico tomar as frações representando de 0,5 a 2 volumes de leito, entretanto, este fracionamento poderá resultar em furfural em excesso. O furfural em excesso poderá ser removido por cromatografia subseqüente em Lewatit® VPOC1064 para adsorver o furfural em excesso e ainda obter alta recuperação do HMF no fluxo.

Em modalidades que usam uma combinação com cromatografia de troca catiônica, preferivelmente a resina é uma resina de troca catiônica fortemente ácida. Nos exemplos particulares, a resina é Finex® CS13GC293, Mitsubishi® UBK555 ou uma resina de tipo similar. Resinas de troca catiônica fortemente ácidas são resinas sintéticas que contêm um grupo funcional ativo, tal como grupos de ácido sulfônico, carboxílico, benzóico e outros grupos, que dão à resina a propriedade de se combinar com e assim trocar cátions entre a resina e a solução da fase móvel. As resinas de troca catiônica podem ser condicionadas à forma desejada de qualquer maneira conhecida na técnica. Por exemplo, se a forma ácida da resina de troca iônica é preferida, a resina pode ser condicionada com uma solução aquosa de ácido hidroclórico a 5%. Para a forma de cálcio da resina, o condicionamento pode ser executado com, por exemplo, uma solução aquosa a 5% de cloreto de cálcio ou outro sal de cálcio adequado. Para a forma de sódio da resina, o condicionamento pode ser executado com, por exemplo, uma solução aquosa a 5% de hidróxido de sódio ou outro sal de sódio adequado. O condicionamento da coluna deve ser executado com uma quantidade de solução contendo um excesso de íons adequado para converter substancialmente toda a resina à forma desejada. Por exemplo, em uma modalidade, cinco volumes de leito da solução de cloreto de cálcio a 5% p/v foram passados através da coluna para condicioná-la. Então, após condicionar a coluna, a mesma é lavada com água deionizada para remover a solução de condicionamento em excesso. A mistura aquosa é carregada sobre a coluna de troca catiônica seguida por eluição com um eluente adequado. O eluente pode ser qualquer solvente que tenha a propriedade de permitir que o HMF seja separado através de cromatografia de outros materiais presentes na mistura aquosa. Em uma modalidade preferida, água deionizada é usada, embora o eluente possa também ser uma solução aquosa de sais inorgânicos, sais orgânicos ou materiais de tamponamento ou uma solução aquosa misturada com um solvente orgânico miscível. A taxa de fluxo do eluente pode ser ajustada para otimizar a separação do HMF de outros materiais. Dependendo do tamanho da coluna e da amostra, a taxa de fluxo pode ser de cerca de 1 mL/minuto a cerca de 50 mL/minuto, preferivelmente de cerca de 2 mL/minuto a cerca de 20 mL/minuto. Nos exemplos, a taxa de fluxo era de cerca de 5 mL/minuto a cerca de 15 mL/minuto. A temperatura para eluição pode ser qualquer temperatura adequada para otimizar a separação dos materiais. Geralmente, a temperatura varia de cerca de 15°C a cerca de 75°C, e preferivelmente de cerca de 20°C a cerca de 60°C. Conforme ilustrado na Figura 5, a cromatografia a uma temperatura mais alta de cerca de 60°C resultou em melhor separação detectável que à temperatura ambiente sob condições similares conforme descrito na Figura 2. A gravidade ou pressão podem ser usadas para ajustar a taxa de fluxo da coluna.

Os seguintes exemplos são objetivados para ilustrar a presente descoberta através do uso de resinas e condições ilustrativas e não são objetivadas para serem limitantes. Qualquer um habilitado na técnica pode usar outras resinas e condições para executar separações similares ou melhoradas por experimentação de rotina.

Exemplos Adsorção/Dessorção de HMF sobre a primeira resina polimérica não funcional Exemplo 1 Uma coluna de vidro de diâmetro interno de 15 mm x 600 mm é carregada com 100 mL de resina Lewatit® S7768. A resina é então condicionada passando-se três volumes de leito de hidróxido de sódio 5% p/v através da coluna, seguido por 5 volumes de leito de água deionizada. A taxa de fluxo usada através do procedimento inteiro é de 5 mL/minuto. Então, cinco volumes de leito da mistura aquosa contendo 4 0 g/kg de HMF, 200 g/kg de frutose e outras quantidades desconhecidas de materiais são carregados na coluna. Após eluição da mistura aquosa, quatro volumes de leito de água deionizada são então contatados com a coluna seguido por 5 volumes de leito de acetona. A análise das frações coletadas desta primeira etapa da reação é mostrada na Figura 1. Como pode ser notado, a fração coletada após um total de 11 volumes de leito não contém frutose, apenas HMF. Além disso, toda a frutose parece ter sido removida da coluna antes do HMF começar a eluir.

Exemplos 2 a 7: Cromatografia sobre a segunda resina de troca catiônica Exemplo 2 Uma coluna de vidro de 15 mm de diâmetro interno x 600 mm foi carregada com 100 mL de resina de troca iônica Mitsubishi® UBK555. A resina foi condicionada passando-se cinco volumes de leito de cloreto de cálcio 5% p/v em água deionizada através da coluna seguido por lavagem da coluna com cinco volumes de leito de água deionizada. A água foi então levada ao topo do leito de resina e 15 mL de mistura reacional aquosa contendo 4 0 g/kg de HMF, 200 g/kg de frutose e outros subprodutos foram adicionados ao topo da coluna. A mistura foi deixada a penetrar ao nível do topo do leito de resina abrindo-se a válvula de exaustão da coluna. Então, 2 mL de água deionizada foram adicionados à coluna, deixados a penetrar dentro do leito da resina ao nível do topo do leito da resina. Então 5 mL de água deionizada foram adicionados ao topo da coluna. A coluna foi fechada e eluída com uma corrente de água deionizada a uma taxa de fluxo de 10 mL/minuto a 60°C de temperatura. Frações foram tomadas a cada 0,8 minuto. Um total de 3,16 volumes de leito de eluente foram eluídos a partir da coluna. HPLC foi usado para analisar as frações tomadas a partir da coluna. Os resultados estão mostrados na Figura 2 .

Exemplo 3 As condições e equipamentos usados no Exemplo 3 são as mesmas daquelas descritas no Exemplo 2 exceto que a coluna foi condicionada com hidróxido de sódio 5% p/v. Os resultados estão mostrados na Figura 3.

Exemplo 4 As condições e equipamentos usados no Exemplo 4 são as mesmas daquelas descritas no Exemplo 2 exceto que a coluna foi condicionada com hidróxido de sódio 5% p/v, e NaCl 2% em água deionizada foi usado como o terceiro eluente. Os resultados estão mostrados na Figura 4.

Exemplo 5 As condições e equipamentos usados no Exemplo 5 são os mesmos daqueles descritos no Exemplo 2 exceto que a temperatura da coluna era de 60°C. Os resultados estão mostrados na Figura 5.

Exemplo 6 As condições e equipamentos usados no Exemplo 6 são as mesmas daquelas descritas no Exemplo 2 exceto que a coluna foi condicionada com hidróxido de sódio 5% p/v, e a resina usada foi a resina de troca iônica Finex CS13GC293. Os resultados estão mostrados na Figura 6.

Exemplo 7 As condições e equipamentos usados no Exemplo 7 são as mesmas daquelas descritas no Exemplo 6 exceto que a coluna foi condicionada com ácido hidroclórico a 5% p/v. Os resultados estão mostrados na Figura 7.

Exemplos de 2 a 7 representam a eluição através da segunda coluna descrita nas etapas acima para purificação de HMF. Como pode ser visto a partir dos Gráficos 2 a 7, a cor subjetiva, que representa a presença de humina e outras impurezas presentes na mistura reacional, é em grande parte removida da coluna antes que HMF comece a ser eluído da coluna. Assim, o HMF é purificado de forma significativa por este processo. Entretanto, para aumentar o rendimento de HMF recuperado, um método preferido é usar a primeira coluna do Exemplo 1 e a segunda coluna de um dos Exemplos de 2 a 7 em série, conforme descrito no Exemplo 8.

Adsorção na primeira resina polimêrica não funcional seguida por separação cromatográfica na segunda coluna de troca catiônica Exemplo 8 Uma coluna de vidro de diâmetro interno de 15 mm x 600 mm é carregada com 100 mL de resina Lewatit® S7768. A resina é então condicionada passando-se três volumes de leito de hidróxido de sódio aquoso 5% p/v através da primeira coluna, seguido por 5 volumes de leito de água deionizada. A taxa de fluxo para a primeira coluna é de 5 mL/minuto. Então, cinco volumes de leito de uma primeira mistura aquosa contendo 40 g/kg de HMF, 200 g/kg de frutose e outras quantidades desconhecidas de materiais são carregados na primeira coluna. Após a primeira mistura aquosa ter contatado a coluna, quatro volumes de leito de água deionizada são então contatado com a primeira coluna, seguidos por 5 volumes de leito de acetona. A fração de acetona é então coletada e concentrada a vácuo para produzir um resíduo contendo HMF e subprodutos. O resíduo é então dissolvido em 15 mL de água deionizada para formar uma segunda mistura aquosa contendo HMF e subprodutos.

Uma segunda coluna de vidro de 15 mm de diâmetro interno x 600 mm foi carregada com 100 mL de resina de troca iônica Mitsubishi® UBK555, a "segunda resina". A segunda resina foi condicionada passando-se cinco volumes de leito de cloreto de cálcio 5% p/v em água deionizada através da segunda coluna seguido por lavagem da segunda coluna com cinco volumes de leito de água deionizada. A água é então levada ao topo do leito de resina e 15 mL da segunda mistura reacional aquosa são adicionados ao topo da segunda coluna. A mistura foi deixada a penetrar ao nível do topo do leito da segunda resina abrindo-se a válvula de exaustão da coluna. Então, 2 mL de água deionizada foram adicionados à coluna, deixados a penetrar dentro do leito da segunda resina ao nível do topo do leito da segunda resina. Cinco mililitros de água deionizada são então adicionados ao topo da segunda coluna. A segunda coluna é fechada e eluída com uma corrente de água deionizada a uma taxa de fluxo de 10 mL/minuto a uma temperatura de 25°C. Frações são tomadas a cada 0,8 minutos. Um total de 3,16 volumes de leito de eluente foram eluídos da segunda coluna. HPLC é usado para analisar as frações tomadas da segunda coluna para se obter HMF substancialmente puro.

Exemplo 9 396 gramas de uma mistura aquosa contendo HMF 15,3% em uma base de sólidos (frutose, HMF e furfural) foram passados através de uma coluna de Lewatit®S7768, seguido por lavagem com aproximadamente 2,5 volumes de leito (VL) de água deionizada. 107,5 gramas de produto enriquecido com HMF foram recuperados eluindo-se com acetona. O produto continha 82,9% de HMF em uma base de sólidos. A acetona foi removida usando-se um evaporador rotativo resultando em cerca de 40 mililitros de um resíduo laranja contendo HMF, água e outros materiais. Uma porção deste resíduo (5,6 gramas) contendo 2,2 gramas de HMF foi também dissolvida em água e então passada através de uma coluna de resina catiônica Finex CS13GC293 na forma ácida, usando-se água como a fase de eluição móvel. As frações eluídas começando em 0,5 volumes de leito (VL) e terminando em 1,5 VL foram coletadas e mostraram conter 1,72 gramas de HMF. O produto final era 94,0% de HMF em uma base de sólidos com um rendimento de 78,2% para a etapa de cromatografia de troca catiônica. A Figura 8 ilustra esta etapa de purificação de troca catiônica usada diretamente após a etapa de purificação com resina polimérica não funcional S7768. Adsorção de furfural em uma primeira resina polimérica não funcional e adsorção de HMF em uma segunda resina polimérica não funcional Exemplo 10 Cerca de 1.044 gramas de alimentação compreendendo a fase aquosa de componentes reacionais da síntese de HMF foram passados através de uma coluna de 100 mL de Levatit VPOC1064 (15 mm de diâmetro interno x 600 mm) a qual foi subsequentemente lavada com água. Esta alimentação continha cerca de 193 gramas de frutose, 33 gramas de HMF e 3,9 gramas de furfural. Um corte do fluxo e de frações de lavagem representando de 3 a 6 volumes de leito, que continhas frutose e HMF em água que passaram através da resina VPOC1064 sem adsorção substancial, foram unidas e mostraram conter 72,1 gramas de frutose, 10,6 gramas de HMF com nenhum furfural detectável. 0 furfural adsorvido à coluna foi eluído com acetona. A Figura 9 ilustra a adsorção e eluição do furfural da resina Levatit VPOC 1064 junto com os volumes de leito das frações de fluxo contendo frutose e HMF.

Esta união de corte foi usada como uma alimentação para adsorção e eluição de HMF na resina Levatit S7768 em uma coluna. A alimentação foi carregada sobre a coluna e lavada com água substancialmente como no Exemplo 1. As frações de carga não adsorventes eluíram imediatamente da coluna e com a lavagem foram unidas e apresentaram 71,1 gramas de frutose e cerca de 0,4 grama de HMF. Após a lavagem, a resina foi eluída com acetona substancialmente como no Exemplo 1. O eluente de acetona combinado mostrou conter 10,2 gramas de HMF e 0,2 grama de frutose. A pureza do HMF em uma base de sólidos totais era de 99,1%.

REIVINDICAÇÕES

Claims (11)

1. Método de purificação de HMF a partir de uma mistura contendo reagentes e produtos da sintese de HMF a partir de frutose, caracterizado por compreender: contatar uma primeira resina polimérica não funcional que adsorve preferivelmente HMF em relação à frutose com uma solução aquosa contendo a mistura de reagentes e produtos da sintese de HMF para adsorver HMF da mistura sobre a resina polimérica não funcional; contatar a primeira resina polimérica não funcional com água até que a frutose da mistura seja removida da resina polimérica não funcional enquanto o HMF da mistura permanece adsorvido à resina polimérica não funcional; contatar a primeira resina polimérica não funcional com um solvente orgânico para dessorver HMF a partir da resina polimérica não funcional; e coletar o HMF dessorvido em uma primeira solução eluida contendo o solvente orgânico.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o HMF da primeira solução eluida é adicionalmente purificado contatando-se o HMF obtido a partir da primeira solução eluida com uma resina de cromatografia diferente da primeira resina polimérica não funcional e eluir a resina de cromatografia para obter uma fração contendo HMF purificado adicionalmente.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a purificação adicional de HMF compreende remover o solvente orgânico da primeira solução eluida e obter um resíduo de HMF parcialmente purificado; dissolver o resíduo do HMF parcialmente purificado em um solvente aquoso para se obter uma segunda solução aquosa compreendendo HMF; contatar uma resina polimérica de troca iônica ácida com a segunda solução aquosa compreendendo HMF; e separar de forma cromatográfica HMF de outros componentes na segunda solução aquosa eluindo-se a resina polimérica de troca iônica ácida com uma fase móvel aquosa e coletar uma segunda solução eluída contendo o HMF purificado adicionalmente.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a segunda solução eluída contendo o HMF é ainda purificada adicionalmente contatando-se uma segunda resina polimérica não funcional que adsorve preferencialmente furfural em relação ao HMF com a segunda solução eluída e eluindo-se a segunda resina polimérica não funcional com uma fase móvel aquosa para se obter uma fração contendo o ainda HMF purificado adicionalmente.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o solvente orgânico é selecionado a partir do grupo que consiste em acetona, etanol, propanol, acetato de etila, butanol, álcool amílico, álcool isopentílico e óleos fúseis.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o solvente orgânico é um solvente orgânico miscível em água.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o solvente orgânico é acetona.

8. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a purificação adicional do HMF compreende: misturar um solvente aquoso com a primeira solução eluida contendo o solvente orgânico para se obter uma solução misturada do HMF parcialmente purificado; contatar uma resina polimérica de troca catiônica ácida com a solução misturada do HMF parcialmente purificado; e separar de forma cromatográfica HMF de outros componentes na solução misturada do HMF parcialmente purificado eluindo-se a resina polimérica de troca catiônica com uma fase móvel compreendendo água e o solvente orgânico miscivel em água na mesma proporção da solução misturada e coletar a segunda solução eluida contendo o HMF purificado adicionalmente.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o solvente orgânico miscivel em água é acetona.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira resina polimérica não funcional que preferivelmente adsorve HMF está na forma de contas de poliestireno com um diâmetro médio de 0,44 a 0,55 mm, um diâmetro de poro de 0,5 a 10 nm, um volume de poro de 0,6 a 0,8 mL por grama, uma área de superfície de mais de 1.300 metros quadrados por grama e uma capacidade de retenção d'água de 38-45%.

11. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a segunda resina polimérica não funcional está na forma de contas de poliestireno entrecruzado com um diâmetro médio de 0,44 a 0,55 mm, um diâmetro de poro de 5 a 10 nm, um volume de poro de 1,2 mL por grama, uma área de superfície de 800 metros quadrados por grama e uma capacidade de retenção d'água de 50-60%.