JP2017537119A - セルロースをフラン生成物に変換するための方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2014年12月12日に出願された米国仮出願番号第62/091,319号および2014年12月22日に出願された米国仮出願番号第62/095,673号の利益を主張しており、これらの仮出願は、それらの全体がすべての目的のために参考として本明細書中に援用される。
ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)および二置換フラン誘導体は、再生可能な炭素供給源、例えばリグノセルロース系バイオマスをもとにした生産チェーンにおける主要中間体化学物質である。ヒドロキシメチルフルフラールおよび二置換フラン誘導体を生産するための、リグノセルロース系バイオマスを交収率で利用する効率的でスケールアップ可能なプロセスおよび方法が所望される。
本開示は、ヒドロキシメチルフルフラール、二置換フラン誘導体およびサッカリドを生産するのにバイオマスを効率的に利用するためのプロセス、方法、システムおよび組成物を提供する。
参照による組み込み
本開示は、ヒドロキシメチルフルフラール、二置換フラン誘導体およびサッカリドを生産するのにバイオマスを効率的に利用するためのプロセス、方法、システムおよび組成物を提供する。ヒドロキシメチルフルフラールおよび二置換フラン誘導体は、バイオマスをもとにした生産チェーンにおける中間体である。バイオマスは、リグノセルロース系バイオマス、特にセルロース残余パルプを含むことができる。本明細書で開示されるプロセスおよび方法において使用されるバイオマスは、セルロース残余パルプに限定されない。セルロース残余パルプに代わるものには、ボール紙、廃ボール紙、製紙工場パルプ、溶解パルプ、綿の繊維もしくは糸くずまたはリサイクル紙が含まれる。ヒドロキシメチルフルフラールは、ヒドロキシメチルフルフラールの変換生成物への変換反応に適した溶媒中で回収することができる。ヒドロキシメチルフルフラールは、例えば本明細書で開示される変換プロセスおよび方法(変換)に従ってセルロース系糖から誘導することができる。本開示に従って生産されるヒドロキシメチルフルフラールは、多くの他の化学製品に変換することができる。開示される変換は、バイオマスからの価値ある化学物質の生産を容易にする。
I.セルロースパルプ可溶化および加水分解
a)セルロースパルプ可溶化
b)酸加水分解
II.加水分解物のヒドロキシメチルフルフラールへの変換
a)クロマトグラフ分離
b)異性化
c)脱水
III.グルコースの分離および精製
IV.ヒドロキシメチルフルフラールの回収
V.イオン液体のリサイクル
a)希薄水性ストリームにおけるイオン液体カチオンの捕捉
b)セルロース可溶化のためのイオン液体のリサイクル
(実施例1)
マツおよびユーカリから誘導されたセルロース残余パルプの組成
ユーカリから誘導されたセルロース残余パルプの組成
ユーカリから誘導されたセルロース残余パルプの組成
バガスから誘導されたセルロース残余パルプの組成
セルロース残余パルプの溶解特性
(実施例6)
バガスおよびユーカリから誘導されたセルロース残余パルプの組成
ヒドロキシメチルフルフラール/グルコース/セロビオース/イオン液体のクロマトグラフィー分離
(実施例8)
グルコースのフルクトースへの異性化
フルクトースのヒドロキシメチルフルフラールへの脱水
ヒドロキシメチルフルフラールの回収および精製
ヒドロキシメチルフルフラール/グルコース/セロビオース/イオン液体/有機酸のクロマトグラフィー分離
グルコースと1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリドのクロマトグラフィー分離
(実施例13)
グルコースの回収および精製
(実施例14)
セルロース可溶化のためのイオン液体のリサイクル
Claims (60)
- セルロースパルプをヒドロキシメチルフルフラールに変換するためのプロセスであって、
5%以下の量のナトリウムイオンを含むリグニン枯渇加水分解物ストリームを分離する工程であって、それによって水およびヒドロキシメチルフルフラールを含む第1のストリーム;水およびグルコースを含む第2のストリーム;ならびに水およびセロビオースを含む第3のストリームを生産する工程と、
前記第2のストリーム中の前記グルコースを異性化する工程であって、それによってフルクトースを生産する工程と、
前記フルクトースを脱水する工程であって、それによって前記ヒドロキシメチルフルフラールを含む反応生成物を生産する工程と
を含むプロセス。 - 溶媒中で前記セルロースパルプを調整する工程であって、それによって調整されたパルプを生成する工程と、
酸触媒を含む水溶液中で前記調整されたパルプを加水分解する工程であって、それによって加水分解物ストリームを生産する工程と、
前記加水分解物ストリームから少なくとも一部のリグニンを除去する工程であって、それによって前記リグニン枯渇加水分解物ストリーム、およびリグニン濃縮組成物を生産する工程であって、前記水溶液のpHを制御するステップ、および前記水溶液を水で希釈するステップを含む工程と
をさらに含み、
前記調整する工程、前記加水分解する工程および前記除去する工程を、前記分離する工程、前記異性化する工程および前記脱水する工程に先行して実施する、請求項1に記載のプロセス。 - 前記溶媒がイオン液体を含む、請求項2に記載のプロセス。
- 前記第2のストリームがイオン液体を含み、前記第3のストリームがイオン液体を含む、請求項1、2または3に記載のプロセス。
- 前記分離する工程、前記異性化する工程および前記脱水する工程に先行して、前記リグニン枯渇加水分解物ストリームを第1の容器から第2の容器へ迂回させる工程をさらに含む、請求項1、2、3または4に記載のプロセス。
- 前記反応生成物をリサイクルさせる工程であって、前記脱水する工程からの前記反応生成物を前記分離する工程へ導入するステップを含む工程をさらに含む、請求項1、2、3、4または5に記載のプロセス。
- 前記ヒドロキシメチルフルフラールを前記反応生成物から捕捉する工程であって、前記反応生成物からの前記ヒドロキシメチルフルフラールを非官能性ポリマー上に吸着させるステップを含む工程と、
前記ヒドロキシメチルフルフラールを回収する工程であって、溶媒脱着を含む工程とをさらに含む、請求項1、2、3、4、5または6に記載のプロセス。 - 前記反応生成物が有機酸を含む、請求項7に記載のプロセス。
- 前記捕捉する工程が、水および有機アニオンが前記非官能性ポリマー上に吸着されないように、前記反応生成物のpHが前記有機酸のpKaを上回るように制御するステップをさらに含む、請求項8に記載のプロセス。
- 前記反応生成物の前記pHを5.8超に制御する、請求項9に記載のプロセス。
- 前記イオン液体が、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリドまたは1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリドから選択される、請求項3または4に記載のプロセス。
- 前記イオン液体を水酸化物形態のイオン液体に変換する工程であって、前記イオン液体を含む水性イオン液体溶液を水酸化物形態の強塩基性アニオン交換樹脂と接触させるステップを含む工程をさらに含む、請求項11に記載のプロセス。
- 前記異性化する工程が、pHを制御するステップであって、塩基として前記水酸化物形態のイオン液体を使用することを含むステップを含む、請求項12に記載のプロセス。
- 前記異性化する工程が、前記水酸化物形態のイオン液体によって触媒される、請求項3、4または13に記載のプロセス。
- 前記水酸化物形態のイオン液体が、前記脱水する工程のために使用されるクロリド形態のイオン液体を生成する、請求項14に記載のプロセス。
- 閉プロセスループ中でイオン液体をリサイクルさせる方法であって、
イミダゾリウムカチオンを含む希薄水性ストリームを樹脂と接触させる工程であって、前記イミダゾリウムカチオンを前記樹脂上に吸着させるステップを含み、前記樹脂が脱プロトン化形態の弱酸性カチオン交換樹脂である工程と、
前記イミダゾリウムカチオンを脱着させる工程であって、前記樹脂を、塩酸を含む溶液と接触させるステップを含む工程と、
さらなる使用のために、前記溶液およびイミダゾリウムカチオンを前記閉プロセスループに再導入する工程とを含む方法。 - 前記閉プロセスループを、異性化反応と脱水反応を連結させるために使用する、請求項14に記載の方法。
- 前記異性化反応が、グルコースを異性化してフルクトースを生成するステップを含み、前記脱水反応が、フルクトースを脱水してヒドロキシメチルフルフラールを生成するステップを含む、請求項15に記載の方法。
- グルコースをヒドロキシメチルフルフラールに変換するシステムであって、
5%以下の量のナトリウムイオンを含むストリームを第1のストリーム、第2のストリームおよび第3のストリームに分離するように構成されたクロマトグラフィー分離ユニットであって;前記第1のストリームが水およびヒドロキシメチルフルフラールを含み;前記第2のストリームが水およびグルコースを含み;前記第3のストリームが水およびセロビオースを含む、クロマトグラフィー分離ユニットと、
グルコースのフルクトースへの異性化を実施するように構成された異性化ユニットであって、前記異性化が、前記第2のストリームを塩基で処理し、それによって塩基処理された第2のストリームを生産することを含む、異性化ユニットと、
前記フルクトースを脱水してヒドロキシメチルフルフラールにするように構成された脱水ユニットと
を含むシステム。 - 前記第2のストリームがイオン液体を含み、前記第3のストリームがイオン液体を含む、請求項19に記載のシステム。
- 前記第2のストリームの分離を実施し、それによってグルコースを含む生成物ストリームを生産するように構成された第2のクロマトグラフィー分離ユニットをさらに含む、請求項19または20に記載のシステム。
- グルコースを含む前記生成物ストリームを精製してグルコース生成物にするように構成されたグルコース精製ユニットをさらに含み、前記グルコース精製ユニットが、強酸性カチオン樹脂、アニオン交換体、活性炭樹脂または蒸発ユニットから選択される少なくとも1つのユニットを含む、請求項21に記載のシステム。
- グルコースを含む前記生成物ストリームが、少なくとも60%のグルコース(重量/重量)を含む、請求項22に記載のシステム。
- セルロースをヒドロキシメチルフルフラールに変換するプロセスであって、インプットとして提供される各100gセルロースに対するアウトプットとして少なくとも60gのヒドロキシメチルフルフラールを生産する工程を含むプロセス。
- 少なくとも63gのヒドロキシメチルフルフラールが、インプットとして提供される各100gセルロースに対するアウトプットとして生産される、請求項24に記載のプロセス。
- 少なくとも65gのヒドロキシメチルフルフラールが、インプットとして提供される各100gセルロースに対するアウトプットとして生産される、請求項25に記載のプロセス。
- 少なくとも67gのヒドロキシメチルフルフラールが、インプットとして提供される各100gセルロースに対するアウトプットとして生産される、請求項26に記載のプロセス。
- 前記セルロースを加水分解する工程であって、少なくとも80%のグルコース(重量/乾燥固体)を含む第1の糖ストリームにする工程をさらに含む、請求項24、25、26または27に記載のプロセス。
- 前記加水分解する工程をイオン液体中で行う、請求項28に記載のプロセス。
- 前記イオン液体が、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリドまたは1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリドから選択される、請求項29に記載のプロセス。
- 前記第1の糖ストリームが、セロビオース、ヒドロキシメチルフルフラールおよび有機酸を含む、請求項28または29に記載のプロセス。
- ヒドロキシメチルフルフラール、セロビオース、イオン液体、グルコースおよびフルクトースを含む第2の糖ストリームをクロマトグラフィーにより分離する工程であって;逐次的なシミュレーションされた移動床クロマトグラフィーを使用するステップを含む工程をさらに含む、請求項29に記載のプロセス。
- 前記クロマトグラフィーにより分離する工程が、第1のアウトプットストリーム、第2のアウトプットストリームおよび第3のアウトプットストリームを生産し;前記第1のアウトプットストリームがヒドロキシメチルフルフラールを含み;前記第2のアウトプットストリームがイオン液体およびグルコースを含み;前記第3のアウトプットストリームがイオン液体およびセロビオースを含む、請求項32に記載のプロセス。
- 前記逐次的なシミュレーションされた移動床クロマトグラフィーが、少なくとも300ミクロンのビーズサイズを含む工業グレードの樹脂を使用する、請求項33に記載のプロセス。
- 前記第2のアウトプットストリームを塩基で処理する工程であって、前記グルコースの少なくとも一部をフルクトースに異性化するステップであって、それによって塩基処理された第2のストリームを生産するステップを含む工程をさらに含む、請求項33に記載のプロセス。
- 前記塩基が前記イオン液体を含み、前記イオン液体が水酸化物形態である、請求項35に記載のプロセス。
- 前記塩基処理された第2のストリームを処理する工程であって、前記フルクトースを脱水してヒドロキシメチルフルフラールに脱水するステップであって、それによって脱水された第2のストリームを生産するステップを含み、前記脱水するステップが脱水剤を使用することを含む工程をさらに含む、請求項35に記載のプロセス。
- 前記塩基処理された第2のストリーム中に存在する前記グルコースの10%以下が前記脱水剤と反応する、請求項37に記載のプロセス。
- ヒドロキシメチルフルフラールを単離する工程であって、
前記脱水された第2のストリームを処理するステップであって、疎水性樹脂使用し、それによってヒドロキシメチルフルフラールを捕捉することを含むステップ、
捕捉された前記ヒドロキシメチルフルフラールを前記疎水性樹脂から脱着させるステップであって、ロードされた樹脂を溶媒S2と接触させることを含むステップ、
有機溶媒を添加するステップ、および
共沸蒸留を使用して前記溶媒S2を蒸留するステップ
の少なくとも1つを含む工程をさらに含む、請求項38に記載のプロセス。 - 溶媒S2が酢酸エチルである、請求項39に記載のプロセス。
- 前記イオン液体をリサイクルさせる工程であって、
イオン液体ストリームの第1の部分を弱酸性カチオン交換樹脂で処理するステップであって、それによって弱酸性カチオン交換樹脂処理されたストリームを生成するステップと、
溶媒を前記弱酸性カチオン交換樹脂で処理されたストリームに添加するステップと、
前記溶媒および水を蒸留するステップであって、それによって脱水されたイオン液体ストリームを生成するステップと、
前記脱水されたイオン液体ストリームからの前記イオン液体を前記プロセス中に導入するステップとを含む工程をさらに含む、請求項29に記載のプロセス。 - 前記脱水されたイオン液体ストリームからの前記イオン液体を、セルロースを含む反応器中に導入し、前記セルロースは前記反応器中で加水分解してグルコースになる、請求項41に記載のプロセス。
- 前記イオン液体をリサイクルさせる工程であって、イオン液体を含むストリームを弱酸性カチオン交換樹脂で処理するステップであって、それによってイオン液体を含む樹脂処理されたストリームを生産するステップと;前記樹脂処理されたストリームからの前記イオン液体を前記プロセス中に再導入するステップとを含む工程をさらに含む、請求項29に記載のプロセス。
- 前記樹脂処理されたストリームからの前記イオン液体を、少なくとも70%のグルカン(重量/乾燥固体)を含む組成物に再導入する、請求項43に記載のプロセス。
- 前記イオン液体の少なくとも99%をリサイクルさせ、それによってリサイクルされたイオン液体を生産する、請求項44に記載のプロセス。
- 前記リサイクルされたイオン液体がグルコースまたはセロビオースを含む、請求項45に記載のプロセス。
- 少なくとも5%のヒドロキシメチルフルフラール(重量/重量)および95%以下の量の溶媒(重量/重量)を含む組成物であって、前記溶媒が2−ブタノール、2−プロパノール、テトラリンもしくは水またはそれらの組合せから選択される組成物。
- 酢酸エチル、イオン液体カチオン、フルフラール、レブリン酸アニオン、ギ酸アニオン、レブリン酸、ギ酸、グルコース、フルクトースまたはマンノースから選択される少なくとも50ppbのマーカー分子を含む、請求項47に記載の組成物。
- i)少なくとも95%のイオン液体(重量/重量)、
ii)0.1〜2%のセロビオース(重量/重量)、
iii)0.1%以下の量のフルクトース(重量/重量)、
iv)0.1%以下の量のヒドロキシメチルフルフラール(重量/重量)、
v)4%以下の量の水(重量/重量)、および
vi)2%以下の量の溶媒S3(重量/重量)
を含む組成物。 - 以下の特徴:
i)0.1〜3%のグルコース(重量/重量)、
ii)0.1%以下の量のマンノース(重量/重量)、
iii)0.1%以下の量のレブリン酸(重量/重量)、および
iv)0.1%以下の量のギ酸(重量/重量)
の少なくとも1つを含む、請求項49に記載の組成物。 - 以下の特徴:
i)0.1〜3%のグルコース(重量/重量)、
ii)0.1%以下の量のマンノース(重量/重量)、
iii)0.1%以下の量のレブリン酸(重量/重量)、および
iv)0.1%以下の量のギ酸(重量/重量)
の少なくとも2つを含む、請求項49に記載の組成物。 - 以下の特徴:
i)0.1〜3%のグルコース(重量/重量)、
ii)0.1%以下の量のマンノース(重量/重量)、
iii)0.1%以下の量のレブリン酸(重量/重量)、および
iv)0.1%以下の量のギ酸(重量/重量)
の少なくとも3つを含む、請求項49に記載の組成物。 - 前記溶媒S3がシクロヘキサノールである、請求項49、50、51または52に記載の組成物。
- 少なくとも90%のモノサッカリド(重量/乾燥固体);およびイオン液体カチオン、イミダゾール、イミダゾール誘導体、イミダゾール−糖アジュバント、ヒドロキシメチルフルフラールまたは溶媒S3から選択される少なくとも100ppbのマーカー分子を含む組成物。
- 少なくとも95%のC6炭水化物(重量/乾燥固体)をさらに含む、請求項54に記載の組成物。
- 少なくとも90%のグルコース(重量/乾燥固体);および少なくとも1つの非グルコースC6炭水化物をさらに含み、前記非グルコース炭水化物の少なくとも90%がマンノース(重量/重量)である、請求項54に記載の組成物。
- i)少なくとも77%のC6糖対固体の比、
ii)15%以下の量のリグニン含量、
iii)6%以下の量の灰分、および
iv)2%以下の量のC5糖対固体の比
を含む組成物。 - i)前記C6糖対固体の比が少なくとも90%であり、
ii)前記リグニン含量が6%以下の量であり、
iii)前記灰分が3%以下の量である、請求項57に記載の組成物。 - i)前記C6糖対固体の比が少なくとも93%であり、
ii)前記リグニン含量が5%以下の量であり、
iii)前記灰分が1%以下の量であり、
iv)前記C5糖対固体の比が1%以下の量である、請求項57に記載の組成物。 - i)前記C6糖対固体の比が少なくとも96%であり、
ii)前記リグニン含量が3%以下の量であり、
iii)前記灰分が0.1%以下の量であり、
iv)前記C5糖対固体の比が0.1%以下の量である、請求項57に記載の組成物。
Applications Claiming Priority (5)
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