JP2017505310A - Ｈｍｆ含有生成物へのフルクトース含有供給原料の変換 - Google Patents

Abstract

本発明は概して、水、溶媒および酸触媒の存在下で、フルクトース含有供給原料を、５−（ヒドロキシメチル）フルフラール（ＨＭＦ）および水を含む生成物に変換するためのプロセスに関する。いくつかの実施形態では、ＨＭＦへのフルクトースの前記変換を、約８０ｍｏｌ％を超えないフルクトースからのＨＭＦの収率によって特徴づけられる部分変換終点で制御する。これらの実施形態および他の実施形態では、前記プロセスは、前記生成物、未変換フルクトース、溶媒および酸触媒を分離および回収するための分離技術を提供して、反応構成要素の有効な回収および再利用を可能にする。【選択図】図１

Description

本発明は概して、フルクトース含有供給原料、例えば、高フルクトーストウモロコシシロップ含有供給原料を、５−（ヒドロキシメチル）フルフラール（ＨＭＦ）および水を含む生成物に変換するためのプロセスに関する。本発明の一態様では、上記プロセスは、部分変換終点でＨＭＦの比較的低い指定収率を達成するように、反応帯域中、水、溶媒、および酸触媒の存在下でフルクトース含有供給原料をＨＭＦに変換するステップを含み、その後、ＨＭＦへのフルクトースへの変換を部分変換終点でクエンチする。典型的には、未変換フルクトース、ＨＭＦ収率、および中間体の収率の合計は、部分変換終点で少なくとも９０ｍｏｌ％である。本発明の別の態様では、上記プロセスは、反応帯域中、水、溶媒、および酸触媒の存在下で供給原料を部分的に変換することと、反応帯域から、部分変換から生じた組み合わせを取り出すことと、未変換フルクトースを、反応帯域から取り出された反応物組合せから分離することと、および未変換フルクトースの分離とは別に、溶媒を分離することとを含み、それらの分離はＨＭＦおよび水を含む生成物をその後に回収することができるように行われる。反応帯域後分離はまた、未変換フルクトースおよび溶媒の有効な回収および再利用を可能にする。本発明の別の態様では、選択的膜分離技術を、所望の生成物からの未変換フルクトースおよび中間体の分離および回収のために使用できる。

ＨＭＦは、その高い官能度と、様々な工業的に有用な薬品のための前駆体として作用し得ることとによって、潜在的に重要な工業的および市場用途を有する化学物質と認識されている。Ｗｅｒｐｙ， Ｔ； Ｐｅｔｅｒｓｅｎ， Ｇ． （編）、「Ｔｏｐ Ｖａｌｕｅ Ａｄｄｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ｆｒｏｍ Ｂｉｏｍａｓｓ， Ｖｏｌ． １： Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ Ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ｆｏｒ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｃａｎｄｉｄａｔｅｓ ｆｒｏｍ Ｓｕｇａｒｓ ａｎｄ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｇａｓ」、Ｕ．Ｓ． Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ： Ｏａｋ Ｒｉｄｇｅ， Ｔｅｎｎ． ＤＯＥ／ＧＯ−１０２００４−１９９２ （２００４）を参照されたい。例えば、その官能性は、溶媒、界面活性剤、医薬品およびプラント保護剤、ならびに非石油由来ポリマーを調製するためのモノマーとして有用であるそのフラン誘導体の生成において使用できる。

ＨＭＦは主に、炭水化物供給原料、特にグルコースおよびフルクトースなどの単糖を脱水することによって生成される。反応中に、望ましくない酸副生成物、特に、レブリン酸およびギ酸の生成、特にはフミン（着色されている可溶性および不溶性オリゴマーおよびポリマーの混合物）を形成する反応構成要素の重合の結果として、問題が一般に起こり、それらはすべて全体プロセス収率を低下させ、ＨＭＦの回収を困難にして、ＨＭＦの大規模生成を経済的に魅力のないものにしている。これらの問題は、反応帯域におけるＨＭＦへの供給原料の変換を最大化する欲求によって悪化する。

フルクトースは、グルコースを含む他のヘキソースよりも脱水反応を受けやすいことが実証されているので、ＨＭＦを生成するための好ましいヘキソースである。高フルクトーストウモロコシシロップ（ＨＦＣＳ）は、量の多い市販品であり、それからＨＭＦおよび他のフランを大量に生成できる。現在、１８億ポンド／年もの大量の高フルクトーストウモロコシシロップが生産されている。Ｓｚｍａｎｔら、Ｊ． Ｃｈｅｍ． Ｔｅｃｈ． Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ． ３１、ＰＰ１３５〜４５（１９８１）は、ＨＭＦを生成するための供給原料としての高フルクトーストウモロコシシロップの使用を開示した。

様々な均一系触媒が、ＨＭＦへのフルクトースの脱水を促進するために使用されている。安価な強無機酸が使用されている：例えば、米国特許第７，５７２，９２５を参照されたい。より強い有機酸、例えば、ｐ−トルエンスルホン酸、およびより弱い有機酸、例えば、シュウ酸およびレブリン酸を含む有機酸も開示されている：例えば、シュウ酸を開示している米国特許第４，７４０，６０５を参照されたい。本出願において引用するすべての特許および他の刊行物は、参照によって本明細書に組み込まれる。

同様に、様々な不均一系触媒が、炭水化物をＨＭＦに脱水するために有用であると報告されている。例えば、ｄｅ Ｖｒｉｅｓ、Ｃｈｅｍ． Ｒｅｖ． ２０１３、ｐｐ１４９９〜１５９７． Ｄｕｍｅｓｉｃ、ＡＣＳ Ｃａｔａｌ ２０１２、２、ｐｐ１８６５〜１８７６；およびＳａｎｄｂｏｒｎ、米国特許第８，０５８，４５８号を参照されたい。Ｆｌｅｃｈｅは、米国特許第４，３３９，３８７号において、固体の酸性樹脂触媒の使用を開示しており、その樹脂は強または弱陽イオン交換体であってよく、官能化は好ましくはＨ^＋形態である（例えば、Ｒｏｈｍ ＆ Ｈａａｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＡｍｂｅｒｌｉｔｅ Ｃ２００およびＢａｙｅｒ ＡＧ製のＬｅｗａｔｉｔ ＳＰＣ １０８の商標の樹脂を含む）。Ｓａｎｂｏｒｎは、オーストラリア特許第２０１１２０５１１６号において、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｔｈ、ＺｒおよびＶなどの金属が触媒として有用であることを開示した。また、Ｂｉｎｄｅｒは、米国特許出願公開第２０１０／０００４４３７ Ａ１号において、ハライド塩の使用を開示した。

炭水化物をＨＭＦに脱水する際の触媒の使用に加えて、上記プロセスにおいて有益と報告されている溶媒および溶媒系に大きな焦点があてられている。例えば、ｄｅ Ｖｒｉｅｓ Ｃｈｅｍ． Ｒｅｖ ２０１３、１１３、１４９９〜１５９７を参照されたい。

フルクトースからＨＭＦを生成するために多数のプロセスが開示されている。しかしながら、公知の先行するプロセスは、反応帯域における低い変換率に関連する何らかの利点を認めていない。典型的には、研究は、反応帯域においてフルクトースからＨＭＦへの考えられ得る最高の変換率を達成することに焦点を当てており、これは必然的に、フミンを含む経路外（ｏｆｆ−ｐａｔｈ）生成物ならびに／またはプロセスの複雑さおよび経費の増大をもたらす。反応帯域におけるフルクトースからＨＭＦへの高い変換率の達成を求めて、先行プロセスは、他の技術のなかでも、触媒性能、反応器溶媒系、および反応物混合技術の改善、反応器中の相分離を改善するための溶媒調整剤の使用、泡および／または酸化抑制剤の使用、反応器中の炭水化物濃度の低減、非常に高い温度および／または圧力の使用、ならびに反応器における多数のステップの実行（例えば、特定の構成成分を同時に取り出すための蒸気注入または制御蒸発）に焦点を当てている。それにも関わらず、今日までに開示されたプロセスのいずれも、商業的に経済的に実行可能な手法で、低い全体プロセス生産性を克服していないようである。

先行プロセスの欠点を克服するために、本出願人らは、反応帯域におけるＨＭＦへのフルクトースの変換率を故意に限定することに基づくプロセスを発見した。これらのプロセスでは、ＨＭＦ、未変換フルクトース、溶媒、および適用可能な場合には、触媒を反応帯域から取り出して最終的には相互に分離して、これらの分離された構成成分の効率的な再循環を可能にし、最終的には、大量のＨＭＦの経費的に有効な生産および回収を可能にする。

したがって簡単には、本発明は、フルクトース含有供給原料を、ＨＭＦおよび水を含む生成物に変換するための改善プロセスを対象とする。

一実施形態では、上記プロセスは、フルクトース、水、酸触媒、および第１の溶媒を反応帯域中で混合することと、反応帯域中でフルクトースをＨＭＦおよび水に、かつＨＭＦへの中間体に部分変換終点まで変換することとを含む。部分変換終点でのフルクトースからのＨＭＦの収率は、約８０ｍｏｌ％を超えない。生成物、未変換フルクトース、および第１の溶媒の少なくとも一部を組み合わせとして反応帯域から取り出し、その際、反応帯域から取り出された組合せ中のフルクトースからＨＭＦへの変換を、部分変換終点でクエンチする。反応帯域から取り出された組合せ中の第１の溶媒、生成物、および未変換フルクトースのそれぞれ少なくとも一部を相互に分離する。分離された未変換フルクトースの少なくとも一部、および分離された第１の溶媒の少なくとも一部を引き続いて、反応帯域に再循環させ、ＨＭＦおよび水を含む生成物は回収する。

別の実施形態では、上記プロセスは、フルクトース、水、酸触媒、および少なくとも第１の溶媒を反応帯域中で組み合わせることと、反応帯域中でフルクトースの一部をＨＭＦおよび水に変換することとを含む。生成物、未変換フルクトース、および第１の溶媒の少なくとも一部を組合せとして反応帯域から取り出し、その組合せの少なくとも一部をフルクトース分離器中で第２の溶媒と接触させて、未変換フルクトースの少なくとも一部をその組合せから分離し、低いフルクトース濃度を有しかつ生成物ならびに第１の溶媒および第２の溶媒のそれぞれ少なくとも一部を含む中間体組成物を生成する。分離された未変換フルクトースの少なくとも一部を回収し、中間体組成物中の第１の溶媒、第２の溶媒、および生成物の少なくとも一部を相互に分離する。

さらなる実施形態では、上記プロセスは、フルクトース、水、酸触媒、および少なくとも第１の溶媒を反応帯域中で組み合わせることと、その反応帯域中でフルクトースの一部をＨＭＦおよび水に、かつＨＭＦへの中間体に変換することとを含む。生成物、未変換フルクトース、中間体、および第１の溶媒の少なくとも一部を組合せとして反応帯域から取り出し、反応帯域から取り出した組み合わせの１種または複数種の構成成分を選択的膜分離によって分離する。

他の目的および特徴は、本明細書において下記で、一部は明らかになり、一部は示される。

反応帯域中でのＨＭＦへのフルクトースの典型的な変換を時間の関数としてグラフで示し、フルクトース、ＨＭＦおよび中間体濃度の変化ならびに反応物質収支の変化を強調しており、後者は比較的高いフルクトース変換率での経路外反応生成物（フミンを含む）の濃度の上昇を反映する。す 溶媒および未変換フルクトースの分離ステップ、触媒（適用可能な場合）の回収、これらの構成成分の一部または全部の反応帯域またはそのほかへの再循環を含む、ＨＭＦへのフルクトース含有供給原料の部分変換に関連する本発明のある種の態様を図示するプロセス流れ図の一例である。 ＨＭＦおよび水からなる生成物から未変換フルクトースおよび中間体を分離するためにクロマトグラフィー分離技術（例えば、模擬移動床技術）を使用するプロセスのプロセス流れ図の一例である。 初めに、かつ反応帯域の下流で、反応帯域から取り出された組合せから未変換フルクトースおよび中間体の少なくとも一部を分離するために液液抽出ステップを使用するプロセスの、プロセス流れ図の一例である。 初めに、かつ反応帯域の下流で、未変換フルクトースおよび中間体の少なくとも一部を分離するために液液抽出ステップを使用し、かつ未変換フルクトースからのＨＭＦの改善された分割を行うために第２の溶媒を反応帯域の下流で添加するプロセスの、プロセス流れ図の一例である。 極性溶媒および非極性溶媒を反応帯域に添加し、極性溶媒を液液抽出ステップの前に取り出して未変換フルクトースからのＨＭＦの分割を可能にする、液液抽出ステップを使用する代替プロセス構成のプロセス流れ図の一例である。 ２つの溶媒を使用し、その１つが液液抽出における分割を増強して未変換フルクトースからのＨＭＦの分割を可能にするために使用される、さらなる代替プロセス構成のプロセス流れ図の一例である。 未変換フルクトースおよび中間体からのＨＭＦの分離を可能にする限外濾過およびナノ濾過の使用を用いる、プロセス構成のプロセス流れ図の一例である。 連続流れ反応帯域中でのＨＭＦへのフルクトースの変換を固定滞留時間でのＨＣｌ濃度の関数としてグラフで示し、フルクトース、ＨＭＦおよび中間体濃度の変化を強調している。

図を通じて、対応する参照文字は、対応する部分を示す。

本発明では、限定ではないが、本質的に純粋なフルクトース、スクロース、グルコースおよびフルクトースの混合物、ならびにそれらの組合せを含む様々なフルクトース含有供給原料のいずれかを使用できる。さらに、本発明は、デンプン、セルロース系および他の形態の炭水化物の使用を企図しており、これらを例えば、デンプンまたはセルロース系から生成されるグルコースを異性化してフルクトース含有供給原料を形成するプロセス条件に掛ける。

本発明の一態様は、フルクトース含有供給原料のＨＭＦへの部分変換である。この変換を、少なくともフルクトース含有供給原料、水、酸触媒および溶媒を含有する反応帯域中で実施する。

水は、別に添加される構成成分として、または例えば、フルクトース含有供給原料の溶液の成分として反応帯域中に存在し得る。共同して、または別法では、かつ本発明の範囲を制限することなく、水は、本明細書において以下でより詳細に記載するとおり、塩水溶液などの反応調整剤からなる溶液として反応帯域中に存在してよい。

典型的には、フルクトースの水溶液を、反応帯域への供給原料として使用する。様々な好ましい実施形態では、市販の高フルクトーストウモロコシシロップ（ＨＦＣＳ）を水に溶かして、溶液を形成する。例えば、ＨＦＣＳ−９７またはＨＦＣＳ−９０を使用できる。

反応帯域中のフルクトースの濃度は一般に、溶解固体約５重量％〜約８０重量％の範囲である。様々な実施形態では、溶解固体の濃度は、約２０重量％〜約８０重量％の範囲である。様々な実施形態では、溶解固体の濃度は、少なくとも約４０重量％である。いくつかの実施形態では、溶液中のフルクトースの濃度を２０重量％以下まで、低下させることが望まれ得る。

本発明では、反応を、反応帯域中にて酸触媒の存在下で行う。触媒は、均一系または不均一系触媒であってよい。均一系触媒には、ブレンステッド酸またはルイス酸が含まれる。そのような酸の例には、有機酸および無機酸が含まれる。無機酸には、鉱酸および他の強酸が含まれる。ブレンステッド酸には、ＨＣｌ、ＨＩ、Ｈ_２ＳＯ_４、ＨＮＯ_３、Ｈ_３ＰＯ_４、シュウ酸、ＣＦ_３ＳＯ_３ＨおよびＣＨ_３ＳＯ_３Ｈが含まれる。ルイス酸には、例えば、ホウ素三ハロゲン化物、オルガノホウ素、アルミニウム三ハロゲン化物、リンおよび五フッ化アンチモン、希土類金属トリフリン酸塩、および金属カチオンエーテル錯体が含まれ得る。好ましい酸は、ＨＣｌ、ＨＢｒ、Ｈ_２ＳＯ_４およびＨ_３ＰＯ_４の群から選択されるブレンステッド酸である。均一系である場合の触媒の量は典型的には、ヘキソースに対して約０．１〜約２５ｍｏｌ．％、より典型的には、約０．５〜約１０ｍｏｌ．％、または約０．５〜約５ｍｏｌ．％の範囲である。適切な不均一系触媒には、酸官能化樹脂、酸性化炭素、ゼオライト、マイクロ−およびメソ多孔性金属酸化物、スルホン化およびホスホン化金属酸化物、粘土、ポリオキソメタラートならびにそれらの組合せが含まれる。好ましい不均一系触媒には、酸官能化樹脂が含まれる。不均一系触媒を使用する場合、反応混合物中の触媒負荷は、利用される反応器の種類に依存するはずである。例えば、スラリー反応器では、触媒負荷は、約１ｇ／Ｌ〜約２０ｇ／Ｌの範囲であり得；固定床反応器では、触媒負荷は、約２００ｇ／Ｌ〜約１５００ｇ／Ｌの範囲であり得る。

反応帯域には、溶媒も存在する。溶媒は典型的には有機溶媒であり、極性でも非極性溶媒でもよい。一般に、有用な溶媒は、エーテル、アルコール、ケトンおよび炭化水素から選択され得る。有用な溶媒の例には、ジエチルエーテル、メチルｔｅｒｔ−ブチルエーテル、ジメトキシエタン（ＤＭＥまたはグリム）、ビス（２−メトキシエチル）エーテル（ジグリム）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ジオキサンおよび２−メチルテトラヒドロフラン（ＭｅＴＨＦ）などのエーテル、アセトン、メチルエチルケトンおよびメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）などのケトン、イソプロパノール、２−ブタノール、およびｔｅｒｔ−ブタノールなどのアルコール、ならびにペンタン、ヘキサン、シクロヘキサンおよびトルエンなどの炭化水素が含まれる。様々な実施形態で、溶媒には、ＤＭＥ、ジオキサン、ＴＨＦ、ＭｅＴＨＦ、２−ブタノール、およびＭＩＢＫが含まれる。

フルクトース含有供給原料、水、触媒および溶媒は、反応帯域において、単相または多相系として存在し得る。水に対する系中の溶媒の量は典型的には、質量ベースで１０：１〜１：１の範囲である。様々な実施形態で、これは、５：１〜２：１の範囲であり得る。反応帯域中に有機溶媒が存在することで、より速い反応速度と、より高いＨＭＦ収率の両方が促進される。反応帯域中で単相または多相組成物のいずれかを形成する溶媒−水の組合せを使用できる。反応帯域のための好ましい溶媒は、フルクトース脱水の条件下で非反応性であり、水よりも低い沸点を有する。

本発明の重要な態様は、反応帯域中でのフルクトースの部分変換である。すなわち、脱水反応を部分変換終点が達成されるまで進行させ、次いで、反応を少なくとも部分的にクエンチする（すなわち、フルクトースの変換率を低下させる）。本発明では、反応帯域中のフルクトース変換率を、部分変換終点で、反応帯域に供給されたフルクトースからのＨＭＦの収率が比較的低い指定収率で維持されるように制御する。下記でより詳細に検討するとおり、本出願人は、ＨＭＦへのフルクトースの変換を指定収率で制御することで、反応成分から生成されかつ本明細書においてフミンとも称されるオリゴマーおよびポリマーなどの経路外生成物へのＨＭＦおよび／またはフルクトースの変換を低下させ、特に、水または反応帯域に供給される溶媒に可溶である生成物への変換率を低下させることを発見した。

図１は、反応帯域中でのＨＭＦへのフルクトースの典型的な変換を時間の関数としてグラフで示し、フルクトース、ＨＭＦおよび中間体濃度の変化ならびに反応物質収支の変化を強調しており、後者は比較的高いフルクトース変換率での経路外反応生成物（例えば、レブリン酸、ギ酸、ならびに可溶性および不溶性フミン）の濃度の上昇を反映する。この事例における物質収支は、未変換フルクトースとＨＭＦのｍｏｌ％収率と反応中間体のｍｏｌ％収率との合計として定義される。Ｉｓｔｖaｎ Ｔ Ｈｏｒｖａｔｈら（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｍａｐｐｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｉｄ−Ｃａｔｌａｙｓｅｄ Ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｒｕｃｔｏｓｅ、Ｃｈｅｍ． Ｃｏｍｍｕｎ．、２０１２、４８、５８５０〜５８５２）によって論述されているとおり、ＨＭＦへのフルクトースの変換ならびにフミンの形成をもたらすと考えられる様々な経路外生成物の発生に関していくつかの異なる反応経路が存在する。ＨＭＦへの経路上（ｏｎ−ｐａｔｈ）中間体には、フルクトースの異性体、例えば、α−Ｄ−フルクトフラノースおよびβ−Ｄ−フルクトフラノース、２，６−アンヒドロ−β−Ｄ−フルクトフラノース、フルクトフラノシルオキソカルベニウムイオン、（２Ｒ，３Ｓ，４Ｓ）−２−（ヒドロキシメチル）−５−（ヒドロキシル−メチレン）−テトラヒドロフラン−３，４−ジオール，（４Ｓ，５Ｒ）−４−ヒドロキシ−５−ヒドロキシメチル−４，５−ジヒドロフラン−２−カルボアルデヒドおよびジフルクトース二無水物（ＤＦＡ）が含まれると報告されている。経路外中間体には、（３Ｓ，４Ｒ，５Ｒ）−２−（ヒドロキシメチレン）−テトラヒドロ−２Ｈ−ピラン−３，４，５−トリオールおよび（３Ｒ，４Ｓ）−３，４−ｄｉヒドロキシ−３，４−ジヒドロ−２Ｈ−ピラン−６−カルボアルデヒドが含まれると報告されており、これらはフミンに変換され得る。

図１はまた、ＨＭＦへの部分変換に寄与し得る利点のいくつかを強調する、本発明によるフルクトース含有供給原料のＨＭＦへの典型的な変換をグラフで示している。より具体的には、０時では、変換は起こらない。「ｔ」時で（収率軸と平行して延びる破線によって表される）、供給原料中のフルクトースの変換によりＨＭＦの５０％モル収率が生じる（破線とＨＭＦ収率線との交差によって示される）。また、「ｔ」時で、フルクトースの濃度は、かなり低減する（出発濃度の約３０〜約３５％へと）。さらに、この例における「ｔ」時で、中間体の形成は、実際上、ピークを迎えている。フミンを含む経路外生成物の形成に関して、本出願人は、ＨＭＦの比較的低い指定収率によって特徴づけられるフルクトースのＨＭＦへの部分変換で（例えば、「ｔ」時でＨＭＦの収率が約５０％以下である図１で示されているとおり）、これらの望ましくない生成物への反応は、＞９０％である物質収支によって例示されるように、有意に低減されることを発見した。一般に、部分変換終点での経路外生成物は、約１０％以下、より典型的には約８％以下に維持され、様々な実施形態では約５％以下であり（図１において例示されているとおり）、かつ様々な好ましい実施形態では約３％を超えないように制御され得る。したがって、本発明の一態様では、部分変換終点での未変換フルクトース、フルクトースからのＨＭＦの収率および中間体の収率の合計は少なくとも約９０％であり、様々な実施形態では少なくとも約９２％、より典型的には少なくとも約９５％、様々な好ましい実施形態では少なくとも約９７％であるべきである。

実施例７において実証されるように、部分変換終点でのＨＭＦの指定収率を５０％超に適切に増大させることができ、経路外中間体の生成の低減およびＨＭＦの全体プロセス収率の改善の所望の利点をなお達成することができる。より詳細には、本発明では、反応帯域におけるフルクトースの変換を、部分変換終点で、反応帯域に与えられたフルクトースからのＨＭＦの収率が約８０％以下、約７５％以下、約７０％以下、約６５％以下、約６０％以下、約５５％以下または約５０％以下であるように制御する。経済的な理由から、部分変換終点での反応帯域におけるＨＭＦの収率は一般に、約３０％以上、典型的には約４０％以上である。したがって、部分変換終点での、反応帯域に供給されたフルクトースからのＨＭＦの収率を一般に、約３０〜約８０％、約３０〜約７５％、約３０〜約７０％、約３０〜約６５％、約３０〜約６０％、約３０〜約５５％、約３０〜約５０％、約４０〜約８０％、約４０〜約７５％、約４０〜約７０％、約４０〜約６５％、約４０〜約６０％、約４０〜約５５％、約４０〜約５０％または約４０〜約４５％に制御する。他方で、部分変換終点でのＨＭＦ収率の上限は、触媒の性質および濃度、水濃度、溶媒選択および経路外生成物の発生に影響を及ぼし得る他の因子を含む、様々な因子に依存するであろう。一般に、本明細書において開示するとおり部分変換終点でのＨＭＦ収率の範囲内での運転は、ＨＭＦの所望の全体プロセス収率を維持しつつ、経路外中間体の生成の適切な制御と一致する。

部分変換を行うための本発明の様々な実施形態では、反応帯域を一般に、約５０℃〜約２５０℃の範囲、より典型的には約８０℃〜約１８０℃の範囲の温度に維持する。一般に、温度が高いほど反応速度は上昇し、部分変換終点に達するまでに必要な滞留時間は短くなる。反応帯域内の反応構成成分を典型的には、変換速度を増強するために十分に混合し、その帯域を典型的には、約１ａｔｍ〜約１５ａｔｍまたは約２ａｔｍ〜約１０ａｔｍの範囲の圧力に維持する。様々な実施形態で、反応帯域内の温度および圧力を、反応帯域中の構成成分が主に液相で維持されるように維持する。反応帯域中の圧力は、窒素などの不活性ガスを供給することによって維持できる。

部分変換終点よりも前でかつフルクトースの変換をクエンチして帯域から物質を取り出す前に反応帯域で反応を実施する期間は、使用する特異的反応条件（例えば、反応帯域における反応温度、触媒の性質および量、溶媒の選択、水濃度など）に依存して様々であり、一般に、約１〜約６０分の範囲であり得る。フルクトースからのＨＭＦ収率に関する反応混合物の組成、ならびにフルクトースからＨＭＦへの中間体および未変換フルクトースの濃度を、本発明による所望の部分変換終点を決定および確立するために当業者に知られている様々な手段を使用してモニターできる。例えば、反応帯域の物質の定期的なサンプリングおよび分析（例えば、ＨＰＬＣによる）は、部分変換終点を決定および確立するためのいくつかの方法のほんの１つである。加えて、または別法では、反応混合物の組成は脱水反応物質収支を使用してモニターでき、ここで物質収支の低下は、経路外反応生成物（フミンを含む）の濃度上昇を反映し、したがって、未変換フルクトース、フルクトースからのＨＭＦの収率および中間体の収率の合計の低下に相応する。部分終点制御法を、史的分析データを使用して作出されたアルゴリズムに基づき、プログラムされたプロセス制御スキームに統合でき、オンラインまたはオフライン分析データによってアップデートできる。

所望の部分変換終点が達成されたら、フルクトースの脱水反応および変換を典型的には、少なくとも部分的にクエンチして、いずれかの経路外生成物（例えば、レブリン酸、ギ酸、ならびに可溶性および不溶性フミン）の顕著な追加の生成を回避する。典型的には、反応帯域において生成した組合せの少なくとも一部を、以下で詳細に記載するとおり、その後の処理および生成物回収のために取り出す。これらの実施形態および他の実施形態では、当業者に知られている様々な工業的手段を使用して、反応帯域内でまたは帯域から取り出された後に反応構成成分の温度を低下させることによって、部分変換終点が達成された後にフルクトースの変換を適切にクエンチできる。例えば、限定ではないが、反応構成成分を、フラッシュ蒸発、冷却用不活性ガスとの接触、液体希釈剤との混合、間接熱交換機の通過またはこれらの技術および他の技術の組合せによって冷却できる。典型的には、このような実施形態では、反応構成成分を約１００℃未満、より典型的には、約６０または５０℃未満の温度に冷却する。フルクトースの変換をクエンチするための他の手段を、本発明から逸脱することなく使用できることが理解されるべきである。例えば、反応帯域中に保留される不均一系触媒（例えば、固定床触媒）を使用する実施形態では、部分変換終点でのフルクトースの変換を、反応帯域から生成された組合せの一部または全部を取り出すことによってクエンチできる。

図２は、本発明によってフルクトース含有供給原料をＨＭＦに部分変換するために使用される基本的なプロセスステップを示している。図２において示されているとおり、供給原料を水溶液として反応帯域に添加するか、または供給原料および水を別々に添加できる。加えて、触媒（不均一系または均一系）を反応帯域に添加する。不均一系触媒の場合には、触媒を典型的には、供給原料、水、および溶媒の添加の前に反応帯域に添加する。均一系触媒の場合には、反応帯域に供給する前に触媒を供給原料および／または溶媒と事前混合する（図３および以下を参照されたい）か、または供給原料、水、および／または溶媒を反応帯域に添加する前、それと同時に、またはその後に添加できる。さらに、溶媒を、１種または複数種の他の反応帯域構成成分を反応帯域に添加する前、それと同時に、またはその後に反応帯域に添加できる。この場合も、様々な本発明の実施形態では、構成成分を反応帯域に供給する順序に関わらず、すべて、反応帯域における変換速度を増強するように、反応構成成分の一部または全部を反応帯域に添加する前に混合するか、または反応帯域内で混合できる。混合は、当技術分野で周知の様々な手段のいずれかによって実施できる。

本発明では、変換ステップを、１つのまたは複数の反応帯域で実施できる。例示の目的で、図は、１つのみの反応帯域を示している。プロセスを、バッチで、半連続的にまたは実質的に連続的な手法で実施できる。少なくとも１つの反応帯域を画定する様々な周知の反応器デザインのいずれもが、本発明のプロセスを実施するために適している。例えば、限定ではないが、有用な反応器には、タンク型反応器、連続撹拌タンク型反応器（ＣＳＴＲ）、通過画分連続反応器、固定床連続反応器、スラリー型反応器およびループ型反応器が特に含まれる。単一反応器を使用でき、または複数の反応器の組合せを使用できる。この場合も、反応器は、１つまたは複数の反応帯域を含み得る。例えば、カスケード式タンク型反応器もしくは連続反応器、または多数の分離された反応帯域を備えた１つの連続反応器を使用して、一連の多数の反応帯域を使用できる。当業者であれば、本発明の目的を達成するために使用できる多数の反応器配置を認めるであろう。

反応帯域からの生成物は、ＨＭＦ、未変換フルクトース、変換ステップの間に生成された中間体、溶媒、水および変換ステップから生じ得る経路外生成物を含む組み合わせである。加えて、均一系触媒を使用する場合には、反応器からの産出物は触媒を含む。反応器からの産出物（すなわち、部分変換終点で反応帯域から取り出された組合せ）は、定量的に、少なくとも多少の量の、反応帯域に供給された各構成成分を含む（固定床不均一系触媒を使用する実施形態では、不純物量以外の触媒を除く）。例えば、タンク型反応器を使用する一実施形態では、反応器の全内容物（この場合も、組合せ）を、部分変換終点が達成された後に取り出すことができる。別法では、例えば、連続流通反応器を使用する実施形態では、反応帯域中の内容物の一部分のみ（この場合も、組合せ）を所与の期間で取り出して、ターゲット部分変換終点を達成するために必要な最短反応器滞留時間を確立できる。

図３は、均一系触媒を使用し、かつ水中の所望の生成物、ＨＭＦから未変換フルクトースおよび中間体を分離して取り出しある種の反応構成成分の再循環を可能にするための溶媒分離器３００、触媒回収ユニット５００、および生成物回収ユニット６００の組合せを使用する、本発明の部分変換プロセスの実施形態を示している。この実施形態では、フルクトース含有供給原料の水性流を、３０１を介して、反応構成成分を混合するためのミキサー１００（例えば、撹拌タンク）に供給する。ミキサー１００にはまた、３０２を介して新鮮な補給溶媒を、３０３を介して水を、かつ３０４を介して触媒を供給する。この実施形態では、触媒も、反応帯域２００に、３０４ａを介して供給できる。図３において企図されているとおり、ミキサー１００および反応帯域２００への触媒の供給は、専ら一方のみへである必要はなく、代わりに、両方に供給できる。混合反応構成成分を、反応帯域に３０５を介して供給する。反応帯域２００で、部分変換終点が達成されるまでフルクトースをＨＭＦに変換し、次いで、変換反応を上記のとおり適切にクエンチする。反応構成成分、生成物（ＨＭＦおよび水）、ＨＭＦへの中間体、溶媒（この実施形態では、溶媒は好ましくは極性である）および経路外生成物（特に、レブリン酸、ギ酸、ならびに可溶性および不溶性フミンなど）の少なくとも一部を、反応帯域から組み合わせとして取り出し、３０６を介して、溶媒の少なくとも一部を組合せから分離するための溶媒分離器３００に供給する。溶媒の沸点が組合せの他の構成要素よりもかなり低い実施形態では、単純な蒸発分離を実施でき、気化熱を任意選択により、フルクトースの変換をクエンチする際に反応構成要素を冷却するために使用できる。しかしながら、例えば、溶媒の沸点が組合せの他の構成要素に比較的近い（上でも下でも）実施形態では、溶媒および多少の水から主に構成される画分、好ましくは本質的に溶媒のみから構成される画分を、カラム長に沿った適切な位置で取り出すことができる蒸留ユニットを利用できる。分離された溶媒を典型的には液相に凝縮し、好ましくは、例えば図３に図示されているとおり、ミキサー１００に３１１ｃを介して供給される再循環混合物の構成要素として、３０７を介して供給する。様々な実施形態では、生成物からのフルクトースの分離の補助において有利であり得るので、部分溶媒分離が好ましい。

反応帯域２００から取り出された組合せからの残りの構成成分を、３０８を介して、濾過ユニット４００に送達する。濾過ユニット４００において、不溶性の、典型的には固体のフミンを流れ３０８から取り出し、３０８ａを介して廃棄する。濾過ユニット４００からの残りの液体を、例えばＨＣｌまたはＨ_２ＳＯ_４が触媒である場合に、生成物からの未変換フルクトースの分離の前に交換樹脂上でクロリドまたはスルファートイオンを捕捉するように設計される触媒回収ユニット５００（例えば、イオン交換ユニット）に３０９を介して送達する。触媒回収ユニット５００からの「触媒非含有」溶離液を、３１０を介して生成物回収ユニット６００に供給し、これは、例示の実施形態では、連続的クロマトグラフィー分離（例えば、模擬移動床、液体クロマトグラフィー、または略して、ＳＭＢ）ユニットであり、ここで、生成物からの未変換フルクトースの典型的により困難な分離を実施する。ＳＭＢユニットは分離分野の当業者には周知であり；例えば、ＳＭＢユニットは、例えば、フルクトースからグルコースなどの、類似の生成物の分離において工業的に使用される。運転において、水を床に、３１２を介して添加し、ＨＭＦ、未変換フルクトースおよび水の混合物がＳＭＢユニットの複数のカラムを通過してフルクトースからＨＭＦを分離する。最終的に、未変換フルクトースの約１０％以下、典型的には約５％以下、または約２％以下がＨＭＦから分離されない。生成物を、３１３を介して取り出し、未変換フルクトースを、３１１を介して取り出す。任意選択により、例えば、試験、別の反応系列における使用、プロセス水収支の維持または他の目的を含む任意の様々な目的のために、パージ流れ３１１ａを、収集された未変換フルクトースおよび水の一部を取り出すために供給する。残りの流れ３１１ｂを、流れ３０７から回収された溶媒と合わせて、最終的には再循環流れ３１１ｃの構成成分としてミキサー１００に再供給できる。

図４は、均一系触媒を使用し、かつ例えば、液液抽出技術を利用することによって未変換フルクトースを反応帯域から取り出された組合せから分離するためのフルクトース分離器７００、触媒回収ユニット５００、溶媒分離器３００、および不溶性フミンなどの経路外生成物を生成物から取り出すためのフィルター４００の組合せを利用する、本発明の部分変換プロセスの実施形態を例示している。この実施形態では、フルクトース含有供給原料の水性流れを、４０１を介して、反応構成成分を混合するためのミキサー１００（例えば、撹拌タンク）に供給する。ミキサー１００には、４０２を介して新鮮な補給溶媒、４０３を介して水、および４０４を介して触媒も供給する。この実施形態では、触媒を、４０４ｂを介して反応帯域２００に供給することもできる。図４において企図されているとおり、ミキサー１００および反応帯域２００への触媒の供給は、専ら一方のみへである必要はなく；代わりに両方に供給され得る。混合反応構成成分を、４０５を介して反応帯域に供給する。反応帯域２００で、部分変換終点が達成されるまでフルクトースをＨＭＦに変換し、次いで変換反応を上記のとおり適切にクエンチする。反応構成成分、生成物（ＨＭＦおよび水）、ＨＭＦへの中間体、溶媒（この実施形態では、溶媒は極性でも非極性でもよく、好ましくは極性である）および経路外生成物（特に、レブリン酸、ギ酸、および可溶性および不溶性フミンなど）の少なくとも一部を、反応帯域から組み合わせで取り出し、反応帯域から取り出された組合せから未変換フルクトースを分離するためのフルクトース分離器７００に４０６を介して供給する。

一実施形態では、フルクトース分離器７００は、液液抽出装置である。この分離法は周知であり、そこで確立された条件の結果として、１種または複数種の構成成分を、容器中で形成される別の層（相）と比較して優先的に１つの層（相）に分割できる条件を確立することを含む。分割は、例えば、適切な溶媒を選択することによって、またはフルクトース分離器７００に、分割を促進する物質の組成物を添加することによって達成され得る。未変換フルクトースを、例えば、ＮａＣｌまたはＭｇＣｌ_２などの塩を添加することによって、ＨＭＦ、溶媒、および水からなる反応生成物から抽出できることが、米国特許出願公開第２０１０／０００４４３７ Ａ１号において提案されている。いくつかの実施形態では、未変換フルクトースを抽出するために使用される溶媒を、フルクトースの変換をクエンチするための冷却媒体として使用できる。

液液分離が使用される本発明の実施形態の予測されていなかった利点は、均一系酸触媒が容易に回収され、反応帯域に、例えば、未変換フルクトースと共に容易に再供給されることである。分割された未変換フルクトースおよび酸触媒の少なくとも一部を、４０７を介して取り出す。分割された未変換フルクトースの一部を任意選択により、任意の様々な理由で、４０７ａを介してパージできる。例えば、未変換フルクトースと共に分割された水の一部を、例えば、蒸発器を使用して分離でき、水含分が低下している未変換フルクトースを、水収支を維持するために、反応帯域に戻す。最終的に、未変換フルクトースの約１０％以下、典型的には約５％以下、または約２％以下が、４０８を介して触媒回収ユニット５００に供給された液体中に残る。

他の層中に分割された残りの構成成分（この実施形態では、生成物、触媒、任意の分割添加剤および溶媒を含む）を、例えばＨＣｌまたはＨ_２ＳＯ_４が触媒である場合に、生成物を単離する前に交換樹脂上で残留クロリドまたはスルファートイオンを捕捉するように設計される触媒回収ユニット５００（例えば、イオン交換ユニット）に４０８を介して送達する。この実施形態では、均一系触媒の少なくとも一部、より好ましくは本質的にすべてが、液液抽出プロセスの間に分離されると予期される。触媒を、未変換フルクトースを含有する相に分離し、その結果、回収し、反応帯域に再循環できる。イオン交換ユニット５００からの「触媒非含有」溶離液を、組合せの残りの構成成分から溶媒（複数可）を分離するための溶媒分離器３００に４０９を介して供給する。溶媒の沸点が組合せの他の構成要素よりもかなり低い実施形態では、簡単な蒸発分離を実施できるが、例えば、溶媒の沸点が組合せの他の構成要素の沸点に比較的近い（上でも下でも）実施形態では、実質的に溶媒および多少の水、好ましくは本質的に溶媒のみからなる画分を、カラム長に沿って適切な位置で取り出すことができる蒸留ユニットを利用できる。分離溶媒を好ましくは、図４において例示されているとおり、４１０ａを介してミキサー１００に供給される再循環される混合物の構成要素として、４１０を介して供給する。手段４１１を介して溶媒分離器３００から取り出される組合せからの残りの構成成分を、任意選択により４１２を介して供給される追加の水と共に、４１１ａを介してフィルター４００に送達する。フィルター４００において、不溶性であり、典型的には固体のフミンを流れ４１１ａから取り出し、４１３を介して廃棄する。生成物を、フィルター４００から、４１４を介して取り出す。未変換フルクトース流れ４０７ｂ（および液液分離からの回収された触媒）を、流れ４１０から回収された溶媒と混合して、流れ４１０ａを形成し、これをミキサー１００に再供給する。

図５は、均一系触媒を使用し、かつ２種の溶媒を使用し、そのうちの１種は、例えば、液液抽出技術を利用することによって、反応帯域から取り出された組合せから未変換フルクトースを分離するためのフルクトース分離器７００における分割を増強するために使用される、本発明の部分変換プロセスの好ましい実施形態を示している。図５において例示されるプロセスの主な態様の構成は、図４において例示したものと同じである。この実施形態では、フルクトース含有供給原料の水性流れを、反応構成成分を混合するためのミキサー１００（例えば、撹拌タンク）に５０１を介して供給する。ミキサー１００には、５０２を介して新鮮な補給溶媒、５０３を介して水、および５０４を介して触媒も供給する。この実施形態では、触媒を、反応帯域２００に５０４ａを介して供給することもできる。ミキサー１００および反応帯域２００への触媒の供給は、専ら一方のみへである必要はなく；代わりに両方に供給され得る。混合反応構成成分を、反応帯域に５０５を介して供給する。反応帯域２００で、部分変換終点が達成されるまでフルクトースをＨＭＦに変換し、次いで変換反応を上記のとおり適切にクエンチする。反応構成成分、生成物（ＨＭＦおよび水）、ＨＭＦへの中間体、溶媒（この実施形態では、溶媒は極性でも非極性でもよく、好ましくは極性である）および経路外生成物（特に、レブリン酸、ギ酸、および可溶性および不溶性フミンなど）の少なくとも一部を、反応帯域から組み合わせで取り出し、反応帯域から取り出された組合せから未変換フルクトースを分離するためのフルクトース分離器７００に５０６を介して供給する。

一実施形態では、フルクトース分離器７００は、液液抽出装置である。この実施形態では、第２の溶媒を、５０７を介して、抽出器７００に添加する。第２の溶媒の添加が可溶性構成要素の分割係数に影響を及ぼすであろうことは、当業者に知られている。分割された未変換フルクトースおよび分離触媒を５０８から取り出し、本明細書において以下でさらに詳述するとおり、ミキサー１００に再循環する。分割された未変換フルクトースの一部を、図４を参照して上記したとおり、５０８ａを介してパージできる。最終的に、未変換フルクトースの約１０％以下、典型的には約５％以下、または約２％以下が、５０９を介して触媒回収ユニット５００に供給される液体中に含有される。

流れ５０９（生成物、触媒、両方の溶媒の大部分または全部、および経路外生成物を含む）である層に分割された残りの構成成分を、例えばＨＣｌまたはＨ_２ＳＯ_４が触媒である場合に、さらなる処理ステップの前に交換樹脂上で残留クロリドまたはスルファートイオンを捕捉するように設計される触媒回収ユニット５００（例えば、イオン交換ユニット）に送達する。イオン交換ユニット５００からの「触媒非含有」溶離液を、組合せの残りの構成成分から溶媒を分離するための溶媒分離器３００に５１０を介して供給する。この実施形態では、蒸留ユニットを利用し、実質的に第１の溶媒および多少の水、好ましくは本質的に第１の溶媒からなる画分、実質的に第２の溶媒および多少の水、好ましくは本質的に第２の溶媒からなる画分、および生成物および経路外生成物からなる底部画分を、カラム長に沿った適切な、異なる位置で取り出すことができる。図５において示されているとおり、分離された第１の溶媒を、５１１ａを介してミキサー１００に供給される再循環混合物の構成要素として、５１１を介して供給する。分離された第２の溶媒を５１２を介して回収し、フルクトース分離器７００に、例えば、流れ５０６ａの構成要素として（示されているとおり）、またはフルクトース分離器７００に直接（図示なし）供給する。５１３を介して溶媒分離器３００から取り出した残りの生成物および経路外生成物を、任意選択により５１４を介して供給される追加の水と共に、５１３ａを介してフィルター４００に送達する。フィルター４００において、不溶性フミンおよび他の経路外生成物を、流れ５１３ａから取り出し、５１５を介して廃棄する。生成物を、フィルター４００から５１６を介して取り出す。次いで、未変換フルクトース流れ５０８ｂ（および回収された触媒）を、回収された第１の溶媒流れ５１１と混合して流れ５１１ａを形成し、これをミキサー１００に再供給する。

図６は、均一系触媒を使用し、かつ２種の溶媒を利用し、両方の溶媒が反応帯域に供給される本発明の部分変換プロセスの実施形態を示している。この実施形態では、プロセスの主な態様の構成は図５において示されているものとは異なり、２個の溶媒分離器３００および３００ａが装備されていて、一方の溶媒分離器３００は、６０７を介して反応帯域から取り出された組合せから第１の溶媒を分離するためにフルクトース分離器７００の上流に装備され、他方の溶媒分離器３００ａ（溶媒分離器３００と同じか、同様か、または異なってよい）は、フルクトース分離器７００の下流に装備される。この実施形態では、フルクトース含有供給原料の水性流れを、反応構成成分を混合するためのミキサー１００（例えば、撹拌タンク）に６０１を介して供給する。ミキサー１００にはまた、６０２を介して新鮮な補給溶媒を、６０３を介して水を、かつ６０４を介して触媒を供給する。この実施形態では、触媒も、反応帯域２００に６０４ａを介して供給できる。第２の新鮮な補給溶媒を、反応帯域に６０６を介して供給する。図示されていないが、第２の溶媒をミキサー１００に供給できることは、当業者には明らかであろう。ミキサー１００および反応帯域２００への触媒の供給は、専ら一方のみへである必要はなく、代わりに、両方に供給され得る。混合反応構成成分を、反応帯域に６０５を介して供給する。反応帯域２００で、部分変換終点が達成されるまでフルクトースをＨＭＦに変換し、次いで変換反応を上記のとおり適切にクエンチする。反応構成成分、生成物（ＨＭＦおよび水）、ＨＭＦへの中間体、溶媒（この実施形態では、溶媒は極性でも非極性でもよく、好ましくは極性である）および経路外生成物（特に、レブリン酸、ギ酸、ならびに可溶性および不溶性フミンなど）の少なくとも一部を、反応帯域から組み合わせで取り出し、反応帯域から取り出された組合せから第１の溶媒の少なくとも一部を分離するための溶媒分離器３００に６０７を介して供給する。分離された第１の溶媒を、６０８を介して取り出して、流れ６１４ｂの構成要素としてミキサー１００に再供給する。溶媒分離器３００からの残りを、６０９を介して取り出し、反応帯域から取り出された組合せから未変換フルクトースを分離するためのフルクトース分離器７００に供給する。

一実施形態では、フルクトース分離器７００は、液液抽出装置である。この実施形態では、分割された未変換フルクトース（および触媒）を６１０を介して取り出し、本明細書において以下で詳述するとおり、ミキサー１００に再循環する。任意選択により、任意の様々な理由で、未変換フルクトースの一部を取り出すために、パージを、６１０ａを介して行うことができる。また、例えば、別の分離手段（例えば、蒸発など）によって、未変換フルクトースと共に分割された水の一部を取り出すために、例えば、手段を装備することができる（図示せず）。最終的に、未変換フルクトースの約１０％以下、典型的には約５％以下、または約２％以下が、６１１を介して触媒回収ユニット５００に供給される液体中に含有されている。

流れ６１１である層に分割された残りの構成成分（この実施形態では、生成物、残留触媒、第２の溶媒、および経路外生成物）を、例えばＨＣｌまたはＨ_２ＳＯ_４が触媒である場合に、さらなる処理ステップの前に交換樹脂上で残留クロリドまたはスルファートイオンを捕捉するように設計される触媒回収ユニット５００（例えば、イオン交換ユニット）に送達する。イオン交換ユニット５００からの「触媒非含有」溶離液を、組合せの残りの構成成分から第２の溶媒を分離するための溶媒分離器３００ａに６１２を介して供給する。この実施形態では、生成物の沸点に比較して、第２の溶媒の沸点に応じて蒸留または蒸発ユニットを利用でき、実質的に第２の溶媒および多少の水、好ましくは本質的に第２の溶媒からなる画分を６１４を介して取り出し、６１４ａおよび６１４ｂを介してミキサー１００に供給される構成成分の構成要素としてミキサー１００に再循環させる。手段６１３を介して溶媒分離器３００ａから取り出された残りの生成物および経路外生成物を、任意選択により６１３ａを介して供給される追加の水と共に、フィルター４００に送達する。フィルター４００において、不溶性フミンを、流れ６１５としてフィルター４００から取り出し、これを廃棄できる。生成物を、フィルター４００から６１６を介して取り出す。流れ６１０ｂ（および分離触媒）を含有する未変換フルクトースを回収された第２の溶媒と混合し、６１４ａを介して供給し、流れ６０８を含有する回収された第１の溶媒と混合して流れ６１４ｂを形成し、これをミキサー１００に再供給する。

図７は、均一系触媒を使用し、かつ２種の溶媒を利用し、そのうちの１種を、未変換フルクトース、触媒、および中間体を生成物から分離するためのフルクトース分離器７００における分割を増強するために使用する、本発明の部分変換プロセスの別の好ましい実施形態を示している。この実施形態では、フルクトース含有供給原料の水性流れを、反応構成成分を混合するためのミキサー１００（例えば、撹拌タンク）に７０１を介して供給する。ミキサー１００には、７０２を介して新鮮な補給溶媒も供給する。７０３を介して水を、７０４および／または７０４ｂを介して触媒を供給する。混合反応構成成分を、反応帯域に７０５を介して供給する。反応帯域２００で、部分変換終点が達成されるまでフルクトースをＨＭＦに変換し、次いで変換反応を上記のとおり適切にクエンチする。反応構成成分、生成物（ＨＭＦおよび水）、ＨＭＦへの中間体、溶媒（この実施形態では、溶媒は極性でも非極性でもよく、好ましくは極性である）および経路外生成物（特に、レブリン酸、ギ酸、および可溶性および不溶性フミンなど）の少なくとも一部を、反応帯域から組み合わせで取り出し、反応物組合せから第１の溶媒の少なくとも一部（好ましくは、実質的に全部）を分離するための溶媒分離器３００に７０６を介して供給する。使用される溶媒分離技術は、当業者に公知の多くの選択肢から選択できる（例えば、フラッシュ蒸発）。第１の溶媒を流れ７０７として取り出して、流れ７１０ｃの構成要素としてミキサー１００に再供給する。

残りの構成成分を、第１の溶媒分離器３００から、流れ７０８として取り出す。第１の溶媒とは異なる第２の溶媒を、流れ７０８に７１３を介して添加する。例えば、この実施形態では、第１の溶媒はＤＭＥなどのエーテルであり得、第２の溶媒はＭＩＢＫなどのケトンであり得る。得られた流れ７０９を、フルクトース分離器７００に供給する。フルクトース分離器７００は液液抽出装置であり、未変換フルクトース、中間体、および触媒を含む液相を流れ７０９の組成物から分離する。未変換フルクトース、中間体、および分離された触媒を含む分割された液相を７１０を介して取り出し、本明細書において以下でより詳細に記載するとおり、ミキサー１００に再循環させる。任意選択により、任意の様々な理由で、液体の一部を、７１０ａを介してパージできる。例えば、未変換フルクトースと共に分割される水の一部を、例えば別の分離手段（例えば、蒸発など）によって取り出すための手段が装備されていてよい（図示せず）。

流れ７１１（生成物、一部の触媒、好ましくは第２の溶媒および経路外生成物の実質的に全部を含む）である層に分割された残りの構成成分を、例えばＨＣｌまたはＨ_２ＳＯ_４が触媒である場合に、生成物を回収するさらなるプロセスの前に交換樹脂上で残留クロリドまたはスルファートイオンを捕捉するように設計される触媒回収ユニット５００（例えば、イオン交換ユニット）に送達する。最終的に、未変換フルクトースの約１０％以下、典型的には約５％以下、または約２％以下が、７１１を介してイオン交換ユニット５００に供給される液体中に含有される。残りの触媒の実質的に全部を捕捉するためにイオン交換を行ったら、イオン交換ユニット５００からの「触媒非含有」溶離液を、第２の溶媒を生成物から分離するための第２の溶媒分離器３００ａに７１２を介して供給する。この実施形態では、フラッシュ蒸発ユニットを、第２の溶媒および一部の水、好ましくは本質的に第２の溶媒のみを蒸発させるために利用できる。ここでは生成物および経路外物質からなる底部画分を、７１４を介して取り出すことができる。図７において図示されているとおり、溶媒分離器３００から分離された第１の溶媒を、７１０ｃを介してミキサー１００に供給される再循環混合物の構成要素として、７１０ｂを介して供給する。第２の溶媒分離器３００ａから分離された第２の溶媒を、７１３を介して回収し、フルクトース分離器７００に再供給する。補給第２溶媒を、必要であれば、７１３ａを介して添加できる。第２の溶媒分離器３００ａから７１４を介して取り出される残りの生成物および経路外物質を、任意選択により７１５を介して供給される追加の水と共に、７１６を介してフィルター４００に送達する。フィルター４００において、不溶性フミンおよび他の経路外物質を取り出し、７１８を介して廃棄する。次いで、生成物を、濾過ユニット４００から流れ７１７として取り出す。次いで、流れ７１０ｂ（および分離触媒）を含有する未変換フルクトースを、回収された第１の溶媒流れ７０７と混合して流れ７１０ｃを形成し、これをミキサー１００に再供給する。

本発明の別の態様では、選択的膜分離技術（例えば、限外濾過および／またはナノ濾過）を、未変換フルクトース、中間体、およびＨＭＦを反応帯域から取り出された組合せの他の構成成分から分離するために使用する。本明細書において開示するように反応帯域から取り出された水性組合せを処理するために利用される選択的膜分離技術は、再循環のための未変換フルクトースおよび中間体の有効な回収、全プロセス収率の上昇および高度な生成物回収をもたらす。

図８は、均一系触媒を使用し、フミンを取り出すための限外濾過ユニット３００、および未変換フルクトースおよび中間体を所望のＨＭＦ生成物から分離してある種の反応構成成分を反応帯域２００に戻し再循環させることを可能にするナノ濾過ユニット５００を使用する、本発明の部分変換プロセスの別の実施形態を示している。

フルクトース含有供給原料の水性流れを、反応構成成分を混合するためのミキサー１００に８０１を介して供給する（例えば、撹拌タンク）。ミキサー１００には、８０２を介して新鮮な補給溶媒も供給する。８０３を介して任意選択で水を、８０４および／または８０４ｂを介して触媒を供給する。混合反応構成成分を、反応帯域２００に８０５を介して供給する。反応帯域２００で、部分変換終点が達成されるまでフルクトースおよび反応中間体をＨＭＦに変換し、次いで変換反応を上記のとおり適切にクエンチする。反応構成成分、生成物（ＨＭＦおよび水）、ＨＭＦへの中間体、溶媒（この実施形態では、溶媒は極性でも非極性でもよく、好ましくは極性である）および経路外生成物（特に、レブリン酸、ギ酸、および可溶性および不溶性フミンなど）の少なくとも一部を、反応帯域から組み合わせで８０６を介して取り出し、以下で詳述するように選択的膜分離に掛ける。

選択的膜分離処置が意図されている、反応帯域から取り出された水性組合せを、任意選択の供給タンク（図示せず）に収集できる。ファウリングおよびその結果生じる流束の低減を防止し、かつ膜分離ユニット（複数可）において使用される選択膜（複数可）の耐用寿命を延長するために、反応帯域から取り出された水性組合せ中の懸濁固体含有量を任意選択で制御する。典型的には、水性組合せは、約１０，０００ｐｐｍ未満の懸濁固体を含有する。膜性能を増強し膜寿命を延長するために、膜分離に掛けられる水性組合せの懸濁固体含有量は、約１０００ｐｐｍ未満、約５００ｐｐｍ未満、または約１００ｐｐｍ未満に低減され得る。８０６において反応帯域から取り出された水性組合せの固体含有量を、必要な場合には、任意選択の固体低減ステージ（図示せず）において所望のレベルまで低減できる。固体低減ステージは、水性組合せを水性希釈剤量（例えば、プロセス水）で希釈する希釈のポイントを表し得る。別法では、水性組合せの固体含有量は、従来の濾過運転によって低減できる。濾過運転は、バッチモードで（例えば、バッグフィルターを使用して）、または固体低減ステージを通る水性組合せの連続流れを可能にする連続モードで適切に行うことができる。適切な連続フィルターにはクロスフローフィルターおよび連続バックパルスフィルターが含まれ、この際、濾液の一部を、フィルター媒体を定期的にバックパルス（ｂａｃｋ−ｐｕｌｓｅ）するために使用して、分離固体を移動し取り出す。典型的には、使用されるフィルター媒体は、約２５０μｍ超のサイズの懸濁固体を、水性組合せから分離できる。全ての任意選択の固体低減ステージは、選択的膜分離処置の前に水性組合せ中で所望の固体含有量を達成するために、希釈、濾過、および／または他の動作の組合せを含み得ると理解すべきである。反応帯域から取り出された水性組合せの懸濁固体含有量は、混濁度測定（例えば、ネフェロ分析混濁度ユニットまたはＮＴＵ）および既知の標準に対する混濁度示度の相関、または当業者に公知の他の方法によるなど当技術分野で公知の分析方法によって容易に決定できる。

任意選択の懸濁固体の低減の後に、反応帯域から取り出された水性反応物組合せを限外濾過ユニット３００に８０６を介して供給し、そこで、水性反応物組合せを１種または複数種の限外濾過膜と接触させて、反応物組み合わせからのフミンの少なくとも一部（好ましくは、実質的に全部）を含有する濃縮物または濃縮水流れ８０７、ならびに未変換フルクトース、中間体、触媒、およびＨＭＦを含有し、水性反応物組合せに対してフミンが枯渇した透過流れ８１０を生じさせる。次いで、流れ８０７を、フミン含有濃縮水流からの溶媒の回収のための溶媒回収ユニット４００に供給する。フミンを、流れ８０８を介して単離し、回収された溶媒流れ８０９を、下記のとおり流れ８１６と合わせ、希釈剤流れ８１６ａとして下流ナノ濾過ユニット５００に供給できる。

希釈剤流れ８１６ａと組み合わせた限外濾過濃縮水流れ８１０を、ナノ濾過ユニット５００に供給し、１つまたは複数のナノ濾過膜と接触させて、ＨＭＦ生成物、溶媒、および水を含有する濃縮水流れ８１１、ならびに未変換フルクトースおよび中間体の少なくとも一部（好ましくは、実質的に全部）を含有する濃縮水流れ８１２を生じさせる。ナノ濾過濃縮水流れ８１２は、ナノ濾過ユニット５００を透過しなかったＨＭＦおよび触媒（すなわち、存在する場合には、均一系触媒）の一部も含有し得る。ナノ濾過透過水流れ８１１は、限外濾過およびナノ濾過ユニットを通過した触媒、およびフミンの一部の残留量、フルクトースおよび反応中間体も含有し得る。流れ８１２をミキサー１００に供給して、反応帯域２００に再循環させる。

限外濾過ユニット３００およびナノ濾過ユニット５００は、１つまたは複数の限外濾過またはナノ濾過膜またはモジュールを含んでよく、シングルパスまたはマルチパスシステムとして、典型的には、クロスフロー配置で構成され得、供給流は一般に、膜表面に対して正接である。膜モジュールは様々な寸法であってよく、フラット、管状、毛細管、または渦巻き型膜要素を含み、膜は単層また多層構成であってよい。一部の実施形態では、管状膜モジュールは、母液溶液中の比較的高い固体含有量を処理することを可能にし得て、膜分離ユニットの上流での固体低減が必要ないか、または著しく低減し得るようにする。膜モジュールの分離膜および他の構成要素（例えば、支持構造）を好ましくは、供給混合物および膜分離ユニットにおいて実施される条件に適切に耐えるように構成する。例えば、分離膜を典型的には、１つまたは複数の薄膜複合体の形態の架橋芳香族ポリアミドなどの有機ポリマーから構成する。適切な限外濾過膜の具体的な例には、例えば限定ではないが、ＧＥ Ｐｏｗｅｒ ＆ Ｗａｔｅｒの一部門であるＧＥ Ｗａｔｅｒ ＆ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ, Ｉｎｃ．（Ｔｒｅｖｏｓｅ、ＰＡ）から入手可能な、１０００の分子量カットオフ（ＭＷＣＯ）を有する渦巻き型ＧＥ ＵＦ膜が含まれる。適切なナノ濾過膜の具体的な例には、例えば限定ではないが、ＧＥ Ｗａｔｅｒ ＆ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ, Ｉｎｃ．から入手可能な１５０のＭＷＣＯを有する渦巻き型Ｄａｉｒｙ ＮＦ膜、および１５０〜３００のＭＷＣＯを有する渦巻き型Ｈシリーズ膜が含まれる。

限外濾過およびナノ濾過などの選択的膜分離技術は、運転圧力と、膜の供給または濃縮水側の溶液の浸透圧との相違によって駆動される圧力駆動分離プロセスである。浸透圧は膜を通過する溶質の透過レベルに依存するので、膜分離ユニット内の運転圧力は、使用される膜の種類に応じて変化するはずである。膜分離ユニットにおける運転圧力は、膜ユニットの上流の１つまたは複数のポンプ、例えば、組合せのブースターポンプおよび高圧ポンプ配置を介して供給流が通過する（例えば、反応帯域から取り出された組合せへの反応構成成分の引き込み）ことによって適切に達成される。一般に、限外濾過動作は、同じ供給溶液を仮定すると、ナノ濾過運転よりも低い浸透圧を示す。膜を介する透過（すなわち、透過流）のための駆動力は、駆動圧力と共に上昇する。しかしながら、運転圧力の上昇の利点は、増大したエネルギー（すなわち、ポンピング）要求および膜寿命に対する有害作用（すなわち、圧縮）と比較検討されるべきである。

典型的には、限外濾過運転において利用される運転圧力は、約８００ｋＰａ絶対圧未満、好ましくは約２００〜約５００ｋＰａ絶対圧である。典型的には、ナノ濾過運転において利用される運転圧力は、約１２００ｋＰａ絶対圧未満、好ましくは約６００〜約９００ｋＰａ絶対圧である。高温は、選択膜の耐用寿命を低下させる傾向がある。したがって、限外濾過膜分離ユニット３００に導入される水性組合せの温度は一般に、約２０℃〜約１００℃、典型的には、約３０℃〜約６０℃または約３０℃〜約５０℃である。必要な場合には、水性組合せを、膜分離ユニット３００に導入する前に、例えば、他のプロセス流とのまたは冷却水との間接熱交換（例えば、クエンチステップの一部として）を含む当技術分野で従来の公知の方法によって、冷却できる。

膜分離効率および透過流を維持または増強するために、混入物を膜表面から除去するように、膜を定期的に洗浄すべきである。適切な洗浄には、限外濾過ユニット３００およびナノ濾過ユニット５００内に取り付けたままで、膜表面を洗浄液に曝露する現場洗浄（ｃｌｅａｎｉｎｇ−ｉｎ−ｐｌａｃｅ、ＣＩＰ）運転が含まれる。導電率は膜を通過する構成要素の濃度と相関し得るので、いくつかのシステムは透過水の導電率をモニターする。透過水中の導電率の上昇は、膜を通過する所望の濃縮水化合物の透過の上昇を示し得、洗浄運転の必要を知らせるために使用できる。加えて、他の因子はすべて一定なままでの透過流の低下は、ファウリングおよび洗浄運転の必要を示し得る。洗浄プロトコルおよび洗浄溶液は、使用される分離膜の種類に応じて様々であり、一般に、膜製造者から入手可能である。膜に損傷を与えず、かつ膜寿命を不必要に短縮しないために、ＣＩＰ運転を、当業者に公知の圧力および温度条件で標準的なｐＨの溶液を使用して、好ましくは行う。いくつかの用途では、膜性能を改善するために、膜分離運転において使用する前に、新しい分離膜に対し洗浄運転を行うことが有利であり得る。

ナノ濾過透過流８１１を、任意選択の触媒回収ユニット６００に送達する。例えば、触媒回収ユニット６００は、例えばＨＣｌまたはＨ_２ＳＯ_４が触媒である場合に、ＨＭＦ生成物を回収するさらなる処理の前に交換樹脂上で残留クロリドまたはスルファートイオンを捕捉するように設計されるイオン交換ユニット５００を含み得る。最終的に、未変換フルクトースおよび反応中間体の約１０％以下、典型的には約５％以下、または約１％以下が、８１１を介してイオン交換ユニット６００に供給される液体中に含有される。残りの触媒の実質的にすべてを捕捉するためにイオン交換を行ったら、イオン交換ユニット６００からの「触媒非含有」溶離液を、溶媒および水の一部を生成物から分離するための溶媒分離器７００に８１３を介して供給する。例えば、フラッシュ蒸発ユニットを利用して、溶媒および一部の水、好ましくは本質的に溶媒のみを気化させることができる。ここでは主にＨＭＦおよび水からなる底部画分を、８１５を介して取り出すことができる。

溶媒分離器７００から分離された溶媒を８１４に回収する。流れ８１４は任意選択により、ナノ濾過ユニット５００のために、８１６を介して希釈剤を供給する。流れの残りを、水取り出しユニット８００に８１４ａを介して供給する。流れ８１４ａ中の水の一部（好ましくは、実質的に全部）を、蒸留、吸着、透析蒸発および膜分離を含むがこれらに限定されない多くの方法を使用して、流れ８１７として取り出すことができる。主に溶媒を含有する水−低減流れ８１８を、反応帯域２００に再循環させるためのミキサー１００に供給する。

図８によって示されるプロセスは、溶媒を取り出し、かつＨＭＦおよび水を含有する流れ８１５を生成するために使用できる溶媒分離器ユニット７００を含む。代替の実施形態では、水を流れ８１４を介して取り出し（純水流として、または溶媒との共沸物として）、任意選択により水を含有し得る、ＨＭＦおよび溶媒を含有する流れ８１５を生成するように、ユニット７００を構成できる。

添付の図面において示されている様々なプロセススキームは、水溶液としてＨＭＦを含有する生成物を提供するが、プロセススキームのいずれも、水以外の溶媒に溶解されるＨＭＦまたは溶媒／水の組合せに溶解されるＨＭＦを生成するように容易に適合できることは当業者には明らかであろう。

実施例
次の非限定的実施例を、本発明をさらに例示するために提供する。

実施例１
フルクトース、水、ＨＣｌ、ＮａＣｌおよび有機溶媒を密閉反応器中で、表１に詳述されている割合で混合した。反応器を、撹拌しながら、表１に報告される温度に報告される時間の間加熱した。冷却したら、すべての層の試料を採取し、生成物を分析し、組成をＨＰＬＣによって決定した。実施例１〜６におけるＨＰＬＣ分析を、Ａｇｉｌｅｎｔ １２００ ＬＣシステムで、Ｔｈｅｒｍｏ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｈｙｐｅｒｃａｒｂ、３．０×３０ｍｍ、５ｕｍカラム（ガード）およびＡｇｉｌｅｎｔ Ｚｏｒｂａｘ ＳＢ−Ａｑ ３．０×１００ｍｍ、３．５ｕｍカラム（分析）を使用して４６℃で行った。化学種を、９０％（ｖ／ｖ）溶媒混合物Ａ（水中の０．１％ギ酸水）および１０％（ｖ／ｖ）溶媒混合物Ｂ（５０：５０のメタノール：水中の０．１％ギ酸）の混合物を１．０ｍＬ／分の流速で使用する定組成条件下で溶離した。フルクトース、グルコースおよび中間体は汎用荷電エアロゾル検出器（ＣＡＤ）を使用して検出し、ＨＭＦは２５４ｎｍでのＵＶによって検出した。フルクトース、グルコースおよびＨＭＦは、純粋な標準から生成された較正曲線にフィットさせることによって定量化した。中間体は、構造的に類似した化合物から生成された較正曲線を使用して定量化した。生成物の分布は、表１において記載する。

実施例２
ＨＦＣＳ−９０ １３．０ｇ（７７．２％ＤＳ、フルクトース９３．７％、グルコース４．１％、ＤＰ２＋２．２％）、１Ｍ ＨＣｌ水溶液３．３ｍＬ、水１２．６ｍＬ、およびジメトキシエタン（ＤＭＥ）８０．８ｍＬを密閉容器内で混合し、撹拌しながら６０分間にわたって１２０℃で加熱した。冷却したら、試料を採取し、フルクトース＋グルコース、反応中間体、およびＨＭＦについてＨＰＬＣによって分析した。ＨＭＦ収率（糖の合計に基づき）：４８％；未変換フルクトース＋中間体のｍｏｌ％収率＋ＨＭＦのｍｏｌ％収率の合計：９９％。

実施例３
フルクトース１０ｇ（フルクトース５６ｍｍｏｌ）、１Ｍ ＨＣｌ水溶液３．３ｍＬ（３．３ｍｍｏｌＨＣｌ）、水１８ｍＬ、およびジメトキシエタン（ＤＭＥ）８０ｍＬを密閉容器内で混合し、撹拌しながら６５分間にわたって１５０℃で加熱した。溶液を冷却し、ＤＭＥを真空回転蒸発によって取り出した。得られた水溶液にメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）６０ｍＬを添加し、混合物を激しく撹拌し、相を分離させた。各層からの試料を採取し、フルクトース、反応中間体、およびＨＭＦについてＨＰＬＣによって分析した。ＨＭＦ収率（フルクトースに基づき）：３６％；未変換フルクトース＋中間体のｍｏｌ％収率＋ＨＭＦのｍｏｌ％収率の合計：９８％。表２に、異なる層（相）における反応構成成分（フルクトース、反応中間体およびＨＭＦ）の分布を報告する

実施例４
フルクトース１２０ｇ（フルクトース６６６ｍｍｏｌ）、１Ｍ ＨＣｌ水溶液３３ｍＬ（ＨＣｌ３３ｍｍｏｌ）、５Ｍ ＮａＣｌ水溶液６７ｍＬ（ＮａＣｌ３３３ｍｍｏｌ）、および２−ＢｕＯＨ４００ｍＬ（第１の溶媒）を密閉容器内で混合し、撹拌しながら４５分間にわたって１２０℃で加熱した。室温に冷却したら、ヘキサン５０ｍＬ（第２の溶媒）を添加し、混合物を激しく撹拌し、分離させた。各層からの試料を採取し、フルクトース、反応中間体、およびＨＭＦについてＨＰＬＣによって分析した。ＨＭＦ収率（フクルトースに基づき）：３０％；未変換フルクトース＋中間体のｍｏｌ％収率＋ＨＭＦのｍｏｌ％収率の合計：９３％。表３に、異なる層（相）における反応構成成分（フルクトース）、中間体および生成物のモル画分を報告する。

実施例５
実施例４の底部層に、フルクトース４５ｇ（フルクトース２４２ｍｍｏｌ）、１Ｍ ＨＣｌ水溶液２９ｍＬ（２９ｍｍｏｌＨＣｌ）、および２−ＢｕＯＨ４００ｍＬを添加した。混合物を撹拌しながら、密閉容器内で４５分間にわたって１２０℃で加熱した。室温に冷却したら、ヘキサン５０ｍＬを添加し、混合物を激しく撹拌し、分離させた。各層からの試料を採取し、フルクトース、反応中間体、およびＨＭＦについてＨＰＬＣによって分析した。ＨＭＦ収率（フルクトース＋反応中間体に基づき）：３２％；未変換フルクトース＋中間体のｍｏｌ％収率＋ＨＭＦのｍｏｌ％収率の合計：９３％。表４に、異なる層（相）における反応構成成分（フルクトース）、中間体、および生成物のモル画分を報告する。

実施例６
この実施例では、次の触媒試験プロトコルを使用して、市販の酸性官能化ポリマーイオン交換樹脂を、ＨＭＦへのフルクトース脱水について試験した。

触媒を、ガラスバイアルインサートに秤量導入し、続いて、５重量％フルクトース、フルクトース＋グルコースおよび／またはＩｎｖｅｒｔｏｓｅ ＨＦＣＳ−９０溶液＋溶媒（５：１の有機溶媒と水）３００〜１０００μｌを添加した。ガラスバイアルインサートを反応器に装填し、反応器を密閉した。反応器中の雰囲気を窒素に替え、室温で、３００ｐｓｉｇに加圧した。反応器を１２０℃に加熱し、バイアルを振盪しながら１２０℃で３０〜１２０分間維持した。指定の反応時間の後に、浸透を停止し、反応器を４０℃に急速に冷却した。次いで、反応器中の圧力をゆっくり開放した。溶液を水で希釈し、ＣＡＤおよびＵＶ検出を伴う液体クロマトグラフィーおよび水素炎イオン化検出を伴うガスクロマトグラフィーによって分析した。触媒を使用する様々な実行の詳細を、表５において報告する。グルコース１０〜２０重量％を含むフルクトースからなる溶液を利用するエントリ６、７および９では、表５において報告されている未変換フルクトースのｍｏｌ％は、クエンチの時点での反応溶液内のフルクトース＋グルコースの量を反映している。

実施例７
この実施例では、高フルクトーストウモロコシシロップを、連続流通反応器内でＨＭＦに変換した。

流通反応器は、３０．０ｍＬの近似体積を有する０．２５”×７３”ジルコニウム管からなった。反応器管を、ＰＩＤ制御器を装備したアルミニウムブロックヒーター上に垂直に取り付けた。供給溶液を、２個のＨＰＬＣポンプを使用して逆流モードで送達し、反応器圧力を、逆圧調節器によって３００ｐｓｉで制御した。

２つの供給溶液を調製した。供給１：ジオキサン／Ｈ_２Ｏ（体積で４／１）中に溶解した１０重量％ＨＦＣＳ−９０；および供給２：ジオキサン／Ｈ_２Ｏ（体積で４／１）中に溶解した１０重量％ＨＦＣＳ−９０、０．１２重量％ＨＣｌ。

反応を、１２０℃で、５分の固定滞留時間および６ｍＬ／分の合計供給流速で行った。反応変換を、供給１および供給２のフロー比の変化を介してＨＣｌの量を変化させることによって制御した。反応の進行をモニターし、生成物組成を、３０℃で多孔性黒鉛固定相（Ｈｙｐｅｒｃａｒｂ、３．０×１００ｍｍ、５ｕｍ）を使用してＴｈｅｒｍｏ Ｕｌｔｉｍａｔｅ ３０００分析用クロマトグラフィーシステムでのＨＰＬＣ分析によって決定した。フルクトースおよびグルコースを、Ｈ_２Ｏ中の０．００５％ｖ／ｖ ＮＨ_４ＯＨの定組成条件下にて、０．６ｍＬ／分の流速で溶離した。中間体および５−（ヒドロキシメチル）フルフラール（ＨＭＦ）を、１．０ｍＬ／分の流速で６０％ＭｅＯＨまでの勾配を使用することによって溶離した。フルクトース、グルコースおよび中間体を、汎用荷電エアロゾル検出器（ＣＡＤ）を使用して検出し、ＨＭＦを、ＵＶによって２５４ｎｍで検出した。フルクトース、グルコース、およびＨＭＦを、純粋な標準から生成した較正曲線にフィットさせることによって定量化した。中間体を、構造的に類似した化合物から生成された較正曲線を使用して定量化した。結果を下記の表６においてまとめ、この実施例からのデータを図９においてグラフで示す。

実施例８
この実施例では、限外濾過およびナノ濾過膜を使用して、フミンを、ＨＭＦへのフルクトースの変換から生じた水性生成物流出物から取り出した。

限外およびナノ濾過を試験するための生成物流出物を、実施例７において記載した条件と類似の条件下で生成したが、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）を溶媒（体積で４／１のＤＭＥ／水）として使用した。この部分変換連続流れプロセスによって、フルクトース２４ｍｏｌ％、グルコース８ｍｏｌ％、中間体９ｍｏｌ％、ＨＭＦ５６ｍｏｌ％、およびフミンと称される未同定のオリゴマーまたはポリマー物質３ｍｏｌ％からなる水性生成物混合物が得られた。

収集された生成物流出物中のＨＣｌを、回転蒸発によるＤＭＥの取り出しの前に、１当量のＮａＯＨで中和した。残りの粗製の水性生成物混合物を、脱イオン水で３．８倍体積に希釈し、フミンの取り出しのための限外濾過およびナノ濾過処置に掛けた。

一試験で、ＧＥ Ｗａｔｅｒ ＆ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃから入手可能な１０００の分子量カットオフ（ＭＷＣＯ）を有する２．７ｍ^２渦巻き型ＧＥ ＵＦ膜を通して不透明暗茶色の水性生成物混合物２Ｌを循環させることによって、クロスフロー限外濾過を行った。４．２５分後に、収集された透過水を、ＨＰＬＣによって分析した。フルクトース、グルコース、ＨＭＦ、および中間体はすべて膜を通過したが、着色体（フミン）の大部分は通過せず、濃縮水中に残った。収集された透過水は、透明なオレンジ色の溶液であった。

別の試験では、ＧＥ Ｗａｔｅｒ ＆ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃから入手可能な１５０のＭＷＣＯを有する２．７ｍ^２渦巻き型Ｄａｉｒｙ ＮＦ膜を通して不透明暗茶色の水性生成物混合物１Ｌを循環させることによって、クロスフローナノ濾過を行った。３．８分後に、収集された透過水を、ＨＰＬＣによって分析した。透過水は、フルクトース、グルコース、中間体、および着色体（フミン）を実質的に含有しないＨＭＦからなった。収集された透過水は、透明な淡黄色の溶液であった。

別の試験では、ＧＥ Ｗａｔｅｒ ＆ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃから入手可能な１５０〜３００のＭＷＣＯを有する２．６ｍ^２渦巻き型Ｈシリーズ膜を通して不透明暗茶色の水性生成物混合物１Ｌを循環させることによって、クロスフロー濾過を行った。２０．０分後に、収集された透過水を、ＨＰＬＣによって分析した。透過水は、主にＨＭＦからなり、非常に少量のフルクトースを伴い、およびグルコースまたは中間体は検出不可能な量であった。着色体（フミン）を実質的に取り出した。収集された透過水は、透明な淡黄色溶液であった。

本発明または好ましいその実施形態（複数可）の要素を導入する場合に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「前記（上記）」は、１つまたは複数のその要素が存在することを意味すると意図されている。「含む」、「包含する」、および「有する」という用語は、列挙されている要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味すると意図されている。

上記を考慮すると、本発明のいくつかの目的が達成され、他の有利な結果が達成されたことが分かるであろう。

本発明の範囲から逸脱することなく、上記のプロセスおよび生成物を様々に変化させることができるので、上の記載に含まれ、添付の図面において示されている内容はすべて、実例と解釈され、限定とは解釈されないことが意図されている。

Claims (76)

1. ５−（ヒドロキシメチル）フルフラール（ＨＭＦ）および水を含む生成物の生産のためのプロセスであって、
   反応帯域中でフルクトース、水、酸触媒および第１の溶媒を組み合わせることと；
   前記反応帯域中で、フルクトースを、ＨＭＦおよび水に、ならびにＨＭＦへの中間体に、部分変換終点まで変換し、前記部分変換終点でのフルクトースからのＨＭＦの収率が約８０ｍｏｌ％を超えないことと；
   前記反応帯域から、組合せとして、前記生成物、未変換フルクトースおよび前記第１の溶媒の少なくとも一部を取り出し、前記反応帯域から取り出された前記組合せ中でのフルクトースからＨＭＦへの前記変換が部分変換終点でクエンチされることと；
   前記反応帯域から取り出された前記組合せ中の前記第１の溶媒、前記生成物および未変換フルクトースのそれぞれの少なくとも一部を相互に分離することと；
   前記分離された未変換フルクトースの少なくとも一部および前記分離された第１の溶媒の少なくとも一部を前記反応帯域に再循環させることと；
   前記生成物を回収することとを含むプロセス。
2. ５−（ヒドロキシメチル）フルフラール（ＨＭＦ）および水を含む生成物の生産のためのプロセスであって、
   フルクトース、水、酸触媒および少なくとも第１の溶媒を反応帯域中で組み合わせることと；
   前記反応帯域中で前記フルクトースの一部をＨＭＦおよび水に変換することと；
   前記反応帯域から、組合せとして、前記生成物、未変換フルクトースおよび前記第１の溶媒の少なくとも一部を取り出すことと；
   第２の溶媒および前記組合せの少なくとも一部をフルクトース分離器中で接触させて、未変換フルクトースの少なくとも一部を前記組合せから分離し、低下したフルクトース濃度を有し、かつ前記生成物ならびに前記第１の溶媒および第２の溶媒のそれぞれの少なくとも一部を含む、中間体組成物を生成することと；
   前記分離された未変換フルクトースの少なくとも一部を回収することと；
   前記中間体組成物中の前記第１の溶媒、前記第２の溶媒および前記生成物の少なくとも一部を相互に分離することとを含むプロセス。
3. 前記分離された、未変換フルクトースの少なくとも一部が前記反応帯域に再循環される、請求項２に記載のプロセス。
4. 前記生成物から分離された第２の溶媒が、前記反応帯域を介さずに前記フルクトース分離器に、直接または間接に、再循環される、請求項２または請求項３に記載のプロセス。
5. 前記生成物から分離された第１の溶媒が、前記反応帯域に、直接または間接に、再循環される、請求項４に記載のプロセス。
6. フルクトースが部分変換終点まで前記反応帯域中でＨＭＦおよび水に、ならびにＨＭＦへの中間体に変換され、部分変換終点でのフルクトースからのＨＭＦの収率が約８０ｍｏｌ％を超えず、前記反応帯域から取り出された前記組合せ中でのＨＭＦへのフルクトースの前記変換が部分変換終点でクエンチされる、請求項２〜５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. 部分変換終点でのｉ）未変換フルクトース、（ｉｉ）フルクトースからのＨＭＦの収率、および（ｉｉｉ）フルクトースからのＨＭＦへの中間体の収率の合計が少なくとも約９０ｍｏｌ％である、請求項１または請求項６に記載のプロセス。
8. 部分変換終点でのフルクトースからのＨＭＦの収率が約７５％以下、約７０％以下、約６５％以下、約６０％以下、約５５％以下または約５０％以下である、請求項１または請求項６に記載のプロセス。
9. 部分変換終点でのフルクトースからのＨＭＦの収率が約３０〜約８０％、約３０〜約７５％、約３０〜約７０％、約３０〜約６５％、約３０〜約６０％、約３０〜約５５％、約３０〜約５０％、約４０〜約８０％、約４０〜約７５％、約４０〜約７０％、約４０〜約６５％、約４０〜約６０％、約４０〜約５５％、約４０〜約５０％または約４０〜約４５％である、請求項１または請求項６に記載のプロセス。
10. 前記酸触媒が不均一系触媒を含む、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
11. 前記不均一系触媒が酸性官能化樹脂、酸性官能化炭素、無機酸化物、酸性官能化無機酸化物およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１０に記載のプロセス。
12. 前記酸触媒が均一系触媒を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のプロセス。
13. 前記酸触媒が均一系触媒である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のプロセス。
14. 前記均一系触媒が鉱酸、有機酸およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１２または１３に記載のプロセス。
15. 前記酸触媒がＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＩ、Ｈ_２ＳＯ_４およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１４に記載のプロセス。
16. 前記第１の溶媒がエーテル、アルコール、ケトン、炭化水素およびそれらの組合せからなる群から選択される、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
17. 前記第１の溶媒がエーテルを含む、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
18. 前記第１の溶媒が本質的にエーテルからなる、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
19. 前記反応帯域中の前記組合せが単相または多相である、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
20. 前記反応帯域が約８０℃〜約１８０℃の範囲の温度で維持される、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
21. 変換ステップが実質的に連続的な手法で行われる、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
22. 前記反応帯域から取り出された前記未変換フルクトースの実質的にすべてが前記生成物から分離される、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
23. 前記反応帯域から取り出された前記未変換フルクトースの実質的にすべてが前記生成物からの前記第１の溶媒の分離の前に前記生成物から分離される、請求項２２に記載のプロセス。
24. 前記反応帯域から取り出され前記生成物から分離された第１の溶媒が前記反応帯域に、直接または間接に、再循環される、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
25. 第１の溶媒が蒸発または蒸留プロセスによって前記生成物から分離される、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
26. 前記蒸発または蒸留プロセスによって前記生成物から分離された第１の溶媒が気相として取り出されかつ前記反応帯域に再循環される前に液相に凝縮される、請求項２５に記載のプロセス。
27. 前記生成物からの未変換フルクトースの分離の後に第１の溶媒が前記生成物から分離される、請求項２５に記載のプロセス。
28. 前記均一系酸触媒がイオン交換プロセスを使用して前記生成物から分離される、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のプロセス。
29. 未変換フルクトースの前記分離が液液抽出プロセスによって行われる、請求項１、２、３または２８のいずれか一項に記載のプロセス。
30. 変換ステップが実質的に連続的な手法で行われる、請求項２９に記載のプロセス。
31. 前記未変換フルクトースの実質的にすべてが前記生成物から分離される、請求項２９または請求項３０に記載のプロセス。
32. 前記未変換フルクトースの実質的にすべてが前記生成物からの前記第１の溶媒の分離の前に前記生成物から分離される、請求項２９〜３１のいずれか一項に記載のプロセス。
33. 行われる前記分離が、
    前記組合せから前記第１の溶媒の少なくとも一部を分離して、前記生成物および未変換フルクトースを含む分離可能な組成物を生成することと；
    前記未変換フルクトースの少なくとも一部を前記分離可能な組成物中の前記生成物から分離することとを含む、請求項１に記載のプロセス。
34. 前記生成物から分離された第１の溶媒が前記反応帯域に、直接または間接に、再循環される、請求項２９〜３３のいずれか一項に記載のプロセス。
35. フミンが前記生成物からの第１の溶媒の分離の後に前記生成物から分離される、請求項２９〜３４のいずれかに記載のプロセス。
36. 第１の溶媒が蒸発または蒸留プロセスによって前記生成物から分離される、請求項２９〜３５のいずれか一項に記載のプロセス。
37. 前記蒸発または蒸留プロセスによって分離された第１の溶媒が気相として取り出されかつ前記反応帯域に再循環される前に液相に凝縮される、請求項２９〜３６のいずれか一項に記載のプロセス。
38. 第１の溶媒が前記生成物からの未変換フルクトースの分離の後に前記生成物から分離される、請求項２９〜３７のいずれかに記載のプロセス。
39. フルクトースおよび第１の溶媒を、前記反応帯域にそれらを供給する前に、ミキサー中で混合することをさらに含む、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
40. 酸触媒が前記ミキサー中でフルクトースおよび第１の溶媒と混合される、請求項３９に記載のプロセス。
41. 前記生成物からの酸触媒の分離が液液抽出ステップの実行の後のアニオン交換プロセスによって行われる、請求項２９〜３７、３９、または４０のいずれかに記載のプロセス。
42. 前記生成物からの第２の溶媒の分離が前記生成物からの酸触媒の前記イオン交換プロセスによる分離の後に起こる、請求項４１に記載のプロセス。
43. 前記第１の溶媒が極性である、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
44. 前記第１の溶媒が極性でありかつ前記第２の溶媒が本質的に非極性である、請求項２９〜３２および３４〜４２のいずれか一項に記載のプロセス。
45. 前記未変換フルクトースの少なくとも９５％が分離される、請求項２２、２３、３１または３２のいずれか一項に記載のプロセス。
46. 前記液液抽出から生じる１つの相が未変換フルクトースおよび触媒を含みかつ前記反応帯域に、直接または間接に、回収および再循環される、請求項２９に記載のプロセス。
47. ＨＭＦへのフルクトースの前記変換が前記部分変換終点の後にクエンチされ前記組合せの温度を低下させることによって達成される、請求項１または６〜９のいずれか一項に記載のプロセス。
48. ＨＭＦへのフルクトースの前記変換が前記反応帯域内で前記組合せの温度を低下させることによってクエンチされる、請求項４７に記載のプロセス。
49. ＨＭＦへのフルクトースの前記変換が前記反応帯域から取り出された後に前記組合せの温度を低下させることによってクエンチされる、請求項４７に記載のプロセス。
50. 前記組合せの温度がフラッシュ蒸発、冷却用不活性ガスとの接触、液体希釈剤との混合および／または間接熱交換器を介する通過によって低下される、請求項４７〜４９のいずれか一項に記載のプロセス。
51. 前記組合せの温度が部分変換終点で約１００℃未満、約６０℃未満、または約５０℃未満の温度に冷却されてＨＭＦへのフルクトースの変換をクエンチする、請求項４７〜５０のいずれか一項に記載のプロセス。
52. フルクトースの約１０％以下、約８％以下、約５％以下、または約３％以下がフミンに変換される、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
53. フミンが前記生成物からの第１の溶媒の分離の後に前記生成物から分離される、請求項５２に記載のプロセス。
54. 反応帯域から取り出された前記組合せの１種または複数種の構成成分が選択的膜分離によって分離される、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
55. 未変換フルクトース、中間体およびＨＭＦが選択的膜分離によって反応帯域から取り出された前記組合せの他の構成成分から分離される、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
56. 反応帯域から取り出された前記組合せがフミンを含みかつ１つまたは複数の限外濾過膜と接触されて、フミンを含む濃縮水と、フミンが枯渇し未変換フルクトース、中間体、ＨＭＦ、溶媒および水を含む透過水とを生成し、かつ前記限外濾過透過水がＨＭＦからの未変換フルクトースおよび中間体の分離のために１つまたは複数のナノ濾過膜と接触される、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
57. 反応帯域から取り出された前記組合せがフミンを含みかつ１つまたは複数の選択的膜と接触されて、前記フミンの少なくとも一部を含む濃縮水と、フミンが枯渇し未変換フルクトース、中間体、ＨＭＦ、溶媒および水を含む透過水とを生成する、前記請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
58. 反応帯域から取り出された前記組合せと接触される前記選択的膜が限外濾過膜を含む、請求項５７に記載のプロセス。
59. 前記濃縮水が反応帯域から取り出された前記組合せ中に含有される前記フミンの実質的にすべてを含む、請求項５７または請求項５８に記載のプロセス。
60. 前記限外濾過膜透過水が１つまたは複数の選択的膜と接触されて、ＨＭＦ、溶媒および水を含有する透過水と、前記未変換フルクトースおよび中間体の少なくとも一部を含有する濃縮水とを生成する、請求項５８または請求項５９に記載のプロセス。
61. 前記限外濾過膜透過水と接触される前記選択的膜がナノ濾過膜を含む、請求項６０に記載のプロセス。
62. 前記限外濾過膜透過水が前記選択的膜との接触の前に希釈剤と組み合わされる、請求項６０または請求項６１に記載のプロセス。
63. 前記ナノ濾過濃縮水が前記限外濾過膜透過水中に含有される前記未変換フルクトースおよび中間体の実質的にすべてを含む、請求項６１または請求項６２に記載のプロセス。
64. 前記ナノ濾過濃縮水が前記反応帯域に再循環される、請求項６１〜６３のいずれか一項に記載のプロセス。
65. ５−（ヒドロキシメチル）フルフラール（ＨＭＦ）および水を含む生成物の生産のためのプロセスであって、
    反応帯域中でフルクトース、水、酸触媒および少なくとも第１の溶媒を組み合わせることと；
    前記反応帯域中で前記フルクトースの一部をＨＭＦおよび水に、ならびにＨＭＦへの中間体に変換することと；
    前記反応帯域から、組み合わせとして、前記生成物、未変換フルクトース、中間体および第１の溶媒の少なくとも一部を取り出すことと；
    反応帯域から取り出された前記組合せの１種または複数種の構成成分を選択的膜分離によって分離することとを含むプロセス。
66. 未変換フルクトース、中間体およびＨＭＦが選択的膜分離によって反応帯域から取り出された前記組合せの他の構成成分から分離される、請求項６５に記載のプロセス。
67. 反応帯域から取り出された前記組合せがフミンを含みかつ１つまたは複数の限外濾過膜と接触されて、フミンを含む濃縮水と、フミンが枯渇し未変換フルクトース、中間体、ＨＭＦ、溶媒および水を含む透過水とを生成し、かつ前記限外濾過透過水がＨＭＦからの未変換フルクトースおよび中間体の分離のために１つまたは複数のナノ濾過膜と接触される、請求項６５または請求項６６に記載のプロセス。
68. 反応帯域から取り出された前記組合せがフミンを含みかつ１つまたは複数の選択的膜と接触されて、前記フミンの少なくとも一部を含む濃縮水と、フミンが枯渇し未変換フルクトース、中間体、ＨＭＦ、溶媒および水を含む透過水とを生成する、請求項６５または請求項６６に記載のプロセス。
69. 反応帯域から取り出された前記組合せと接触させる前記選択的膜が限外濾過膜を含む、請求項６８に記載のプロセス。
70. 前記濃縮水が反応帯域から取り出された前記組合せ中に含有される前記フミンの実質的にすべてを含む、請求項６８または請求項６９に記載のプロセス。
71. 前記限外濾過膜透過水が１つまたは複数の選択的膜と接触されて、ＨＭＦ、溶媒および水を含有する透過水と、および前記未変換フルクトースおよび中間体の少なくとも一部を含有する濃縮水とを生成する、請求項６９または請求項７０に記載のプロセス。
72. 前記限外濾過膜透過水と接触される前記選択的膜がナノ濾過膜を含む、請求項７１に記載のプロセス。
73. 前記限外濾過膜透過水が前記選択的膜との接触の前に希釈剤と組み合わされる、請求項７１または請求項７２に記載のプロセス。
74. 前記ナノ濾過濃縮水が前記限外濾過膜透過水中に含有される前記未変換フルクトースおよび中間体の実質的にすべてを含む、請求項７２または請求項７３に記載のプロセス。
75. 前記ナノ濾過濃縮水が前記反応帯域に再循環される、請求項７２〜７４のいずれか一項に記載のプロセス。
76. 前記ナノ濾過透過水からＨＭＦを回収することをさらに含む、請求項７２〜７５のいずれか一項に記載のプロセス。