KR101130215B1 - Production process of 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde from raw biomass using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생체바이오매스를 이용하여 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드 (5-hydroxymethyl-2-furaldehyde, HMF)를 효율적으로 생산하는 공정기술에 관한 것이다. 본 발명은 특히 포도열매의 생체에서 얻어진 포도즙액과 여러 종류의 용매와 촉매를 혼합하거나 혹은 용매와 촉매를 각각 단독으로 포도즙액과 혼합한 후에 적절한 반응 온도 하에서 다량의 HMF를 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 화석 연료의 대체 바이오에너지로 이용성이 높은 디메칠퓨란 (Dimethylfuran, DMF)의 생산과, 그 외 의약품, 식품, 화장품, 정밀화학 및 석유유래 화합물의 합성에 관련된 산업 분야에 매우 유용한 HMF를 대량 생산할 수 있다. The present invention relates to a process technology for efficiently producing 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde (HMF) using biobiomass. In particular, the present invention relates to a method of producing a large amount of HMF under an appropriate reaction temperature after mixing a grape juice obtained from a living body of grape fruit and various kinds of solvents and catalysts or mixing a solvent and a catalyst alone with grape juice. . According to the present invention, it is very useful for the production of dimethylfuran (DMF), which is highly available as an alternative bioenergy for fossil fuels, and for industrial fields related to the synthesis of pharmaceuticals, food, cosmetics, fine chemicals and petroleum-derived compounds. HMF can be mass produced.
생체바이오매스, HMF Biobiomass, HMF
Description
본 발명은 당화합물을 다량 함유하고 있는 생체 바이오매스를 기질 재료로 이용하여 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드 (5-hydroxymethyl-2-furaldehyde, HMF)를 고효율로 생산하는 공정에 관한 것으로, 구체적으로는 생체 바이오매스로서 포도를 재료로 사용하여 준비된 포도 즙액과 액체이온(ionic liquid) 용매, 및/또는 촉매의 종류에 따른 최적의 조합비율과 함께 반응 조건을 제공한 HMF의 고효율 생산기술에 관한 것이다. The present invention relates to a process for producing 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde (HMF) with high efficiency by using biomass containing a large amount of sugar compounds as a substrate material. Specifically, the high efficiency production technology of HMF which provides the reaction conditions with the optimum combination ratio according to the type of grape juice liquid, ionic liquid solvent, and / or catalyst prepared by using grape as a material as bio biomass. It is about.
5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드 (5-hydroxymethyl-2-furaldehyde, 이하 'HMF'라 한다)의 합성은 주로 당화합물이 주원료 물질로 사용되고 있으며 산 촉매제를 사용하여 고온탈수 반응(Thermal dehydration)으로 생산되어 왔다. 이와 관련된 연구는 많은 연구자들에 의해서 1800년대 후반부터 시작하여 현재까지 연구가 지속적으로 수행되고 있는 아주 오래된 연구 역사를 가지고 있지만, 생산성이 아주 낮아 경제적 가치가 거의 없는 것으로 판단하여 HMF을 대량으로 생산하기 위한 산 업화 연구는 거의 진전이 없었다 (Lewkowski, J. ARKIVOC,1, (ARKAT-USA; ISSN1424- 6376), pp.17-54, 2001; Website; www.arkat-usa.org/home.aspx?VIEW-MANUSCRIPT &MSID=403). Synthesis of 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde (hereinafter referred to as 'HMF') mainly consists of sugar compounds as the main raw material and high temperature dehydration using acid catalyst. Has been produced. Related research has a long history of research that has been conducted by many researchers since the late 1800's and continues to this day, but the production of HMF in large quantities is judged to be of low economic value and thus has little economic value. There has been little progress in industrialization research (Lewkowski, J. ARKIVOC, 1, (ARKAT-USA; ISSN1424-6376), pp.17-54, 2001; Website; www.arkat-usa.org/home.aspx?). VIEW-MANUSCRIPT & MSID = 403).
그러나 최근에 들어 HMF의 생산 공정을 획기적으로 개선시킨 연구결과가 미국 연구자들에 의해서 보고되었으며, 이들의 연구에 의하면 프룩토스 (Fructose)와 글루코스 (Glucose)를 기질 재료로 사용하여 HMF를 효율적으로 생산하는 HMF 생산 공정에 관한 연구 보고를 발표하였다 (Y. Rom, J. N. Chheda, J. A. Dumesic, Science 312, 1933-1937, 2006; H. Zhao, J. E. Holladay, H. B. Brown, Z. C. Zhang, Science 316, 1597-1600, 2007; Rom, C. J. Barrett, Z. Y. Liu, J. A. Dumesic, Nature 447, 982-986, 2007). Recently, however, the results of a significant improvement in the production process of HMF have been reported by US researchers, who have found that efficient production of HMF using fructose and glucose as substrate materials. Published research reports on HMF production processes (Y. Rom, JN Chheda, JA Dumesic, Science 312, 1933-1937, 2006; H. Zhao, JE Holladay, HB Brown, ZC Zhang, Science 316, 1597-1600). , 2007; Rom, CJ Barrett, ZY Liu, JA Dumesic, Nature 447, 982-986, 2007).
특히 Zhao 등(H. Zhao, J. E. Holladay, H. B. Brown, Z. C. Zhang, Science 316, 1597-1600, 2007)에 의해서 수행된 연구에서는 현재까지 시도 되지 않았던 촉매제와 액체 용매를 적절히 조합하여 HMF를 효율적으로 생산하는 HMF 생산 공정을 제시하여 HMF의 대량 생산의 터전을 마련하였다. 특히 HMF는 화석 연료의 차세대 대체 액체 연료로서 가능성 높은 디메칠퓨란 (Dimethylfuran; DMF)을 생산하는 데 있어서 필수적인 중간 원료 물질일 뿐 아니라 (Rom, C. J. Barrett, Z. Y. Liu, J. A. Dumesic, Nature 447, 982-986, 2007), 의약품 (O. Abdulmalik, M.K. Safo, et al. Britsh J. Haematology 128, 552-561, 2005; V.K. Sharma, J. Choi, N. Sharma et al. Phytotherapy Research 18, 841-844, 2004) 및 석유 화학 제품의 원료 물질로서도 활용성이 아주 높은 중간 화학물이다 (Lewkowski, J. ARKIVOC,1, (ARKAT-USA; ISSN1424-6376), pp.17-54, 2001; Website; www.arkat-usa.org/home.aspx? VIEW-MANUSCRIPT &MSID=403). In particular, studies conducted by Zhao et al. (H. Zhao, JE Holladay, HB Brown, ZC Zhang, Science 316, 1597-1600, 2007) efficiently produce HMF by properly combining catalysts and liquid solvents that have not been tried until now. HMF production process was suggested to prepare a place for mass production of HMF. In particular, HMF is the next-generation alternative liquid fuel for fossil fuels and is not only an intermediate raw material that is essential for the production of high potential dimethylfuran (DMF) (Rom, CJ Barrett, ZY Liu, JA Dumesic, Nature 447, 982- 986, 2007), medicines (O. Abdulmalik, MK Safo, et al. Britsh J. Haematology 128, 552-561, 2005; VK Sharma, J. Choi, N. Sharma et al. Phytotherapy Research 18, 841-844, 2004) and are very useful intermediate chemicals as raw materials for petrochemical products (Lewkowski, J. ARKIVOC, 1, (ARKAT-USA; ISSN1424-6376), pp.17-54, 2001; Website; www. arkat-usa.org/home.aspx?VIEW-MANUSCRIPT & MSID = 403).
HMF의 생산은 당화합물을 원료로 사용하여 화학공정으로 생산되고 있으며 여러 단계의 공정을 거쳐야 할 뿐 아니라, HMF로의 전환율도 2-10% 정도로 아주 낮다. 또한, 공정과정에서 다양한 부산물질도 생산되기 때문에 합성된 HMF를 분리 정제하기 위해서는 고비용의 분리 정제 비용이 소요되므로 이러한 단점들은 HMF의 생산비를 높이는 요인이 되고 있다. The production of HMF is produced by chemical process using sugar compound as raw material, and it has to go through several stages, and the conversion to HMF is very low as 2-10%. In addition, since various by-products are also produced in the process, high-cost separation and purification costs are required to separate and purify the synthesized HMF, so these disadvantages become a factor to increase the production cost of HMF.
따라서, 이러한 단점들을 보완하기 위한 획기적인 HMF생산 기술이 위에서 상기한 바와 같이 미국의 두 연구팀에 의해서 보고되었으며(Science, 2007, 316: 1597-1600; Science, 2006, 312: 1933-1937), 이들 연구팀에 의해서 개발된 two-phase system과 금속염화물의 촉매 및 액체 이온용매를 사용함으로서 HMF의 생산 함량이 상당히 증가될 뿐 아니라 생산된 HMF의 분리와 정제에 소요되는 시간을 획기적으로 단축시키는 기술을 개발하였음에도 불구하고 고비용의 생산 단가가 문제점으로 지적되었다. 그 뿐 아니라 생산 공정에서 야기되는 유해 물질들이 다수 사용되는 단점이 있기 때문에 보다 친환경적이고 저비용의 생산 단가로 HMF를 생산 할 수 있는 기술 개발의 필요성이 제기되고 있다. Thus, breakthrough HMF production techniques to address these shortcomings have been reported by two US teams as described above (Science, 2007, 316: 1597-1600; Science, 2006, 312: 1933-1937). The use of the two-phase system, metal chloride catalyst and liquid ionic solvent developed by the company not only significantly increased the production of HMF, but also significantly reduced the time required for separation and purification of the produced HMF. Nevertheless, the high cost of production was pointed out as a problem. In addition, due to the disadvantage of using a large number of harmful substances caused in the production process, there is a need to develop a technology that can produce HMF at a more eco-friendly and low-cost production cost.
따라서, HMF의 생산 공정에서 생기는 부산물이 거의 생산되지 않고 보다 친환경적이고 저비용이 소요되는 방법으로 HMF를 생산할 수 있는 기술의 개발은 산업적으로 아주 중요하다고 사료된다. Therefore, it is considered that the development of a technology that can produce HMF in a more environmentally friendly and low-cost way with little by-products generated in the production process of HMF is very important industrially.
이같은 HMF는 차세대 바이오연료인 DMF의 원료물질로서 필수적일 뿐 아니라, 의약품 (Anti-sickling agent: British J. of Haematology, 2005, 128:552-561))과 다양한 석유 화학제품의 원료물질로도 사용될 수 있는 아주 중요한 화합 물질이기 때문에 (ARKIVOC, 2001; ARKAT-USA; ISSN 1424-6376, (i), pp. 17-54), HMF를 효율적으로 생산하는 기술개발은 산업적으로 부가 가치가 아주 높은 물질이다.This HMF is not only essential as a raw material for DMF, the next generation biofuel, but also used as a raw material for pharmaceuticals (Anti-sickling agent: British J. of Haematology, 2005, 128: 552-561)) and various petrochemicals. Because it is a very important compound that can be used (ARKIVOC, 2001; ARKAT-USA; ISSN 1424-6376, (i), pp. 17-54), the development of technologies that produce HMF efficiently has a high value added industrially. to be.
상기한 바와 같이, HMF는 다양한 효능을 갖는 화합물로서 산업적으로 매우 유용한 물질이다. 현재, HMF은 주로 화학적 합성 공정을 통하여 생산되고 있으나 (ARKRVOC 2001(10: 17-54), 이와 같은 HMF의 화학적 합성 공정은 복잡할 뿐 아니라 생산 후 HMF의 정제에 매우 고비용이 소요된다는 문제점이 있다. As mentioned above, HMF is a very useful material industrially as a compound having various efficacy. At present, HMF is mainly produced through chemical synthesis process (ARKRVOC 2001 (10: 17-54), but such chemical synthesis process of HMF is not only complicated but also very expensive to purify HMF after production. .
따라서 현재 이러한 문제점을 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 화학 연료의 고갈에 대비하여 차세대 대체 연료의 개발은 중요한 미래 산업 기술이라 여겨진다. 특히 본 발명에서 제시된 생체바이오매스는 고갈의 염려가 없기 때문에 이를 이용하여 HMF를 보다 경제적이고 간편한 공정으로 HMF를 높은 수율로 생산할 수 있는 기술개발과 더불어서 이러한 기술의 확립은 중요한 기술개발 분야라 할 수 있다. Therefore, researches are currently being actively conducted to solve these problems, and in particular, development of next-generation alternative fuels is considered an important future industrial technology in preparation for depletion of chemical fuels. In particular, since the biobiomass presented in the present invention does not have a concern of exhaustion, the establishment of such a technology is an important technology development field in addition to the development of technology capable of producing HMF with high yield by using HMF in a more economical and simple process. have.
상기의 기술 개발에 부응하고자, 본 발명은 생체 바이오매스, 특히 포도생체를 직접 이용하여 HMF를 경제적이고 용이하게 고수율로 생산할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to meet the above-described technology development, an object of the present invention is to provide a technique capable of economically and easily producing high yields of HMF by directly using biomass, in particular, grape organisms.
즉, 본 발명의 목적은 생체바이오매스의 준비 방법 및 액체 이온용매 및 촉매제를 각각 단독으로 사용하거나 혹은 액체 이온용매와 촉매제를 서로 적절히 조합하여 적절한 반응 온도와 반응 시간을 각각 다르게 조절하여 HMF를 효율적으로 생산하는 반응공정 조건 및 그 방법에 관련된 공정 기술을 제공하려는데 있다. That is, an object of the present invention is to efficiently prepare HMF by using a biobiomass preparation method and a liquid ion solvent and a catalyst alone, or by appropriately combining the liquid ion solvent and a catalyst with different reaction temperatures and reaction times. It is to provide a process technology related to the reaction process conditions and the method to produce.
본 발명에 의하면, According to the present invention,
생체 바이오매스로부터 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드를 합성하기 위한 바이오매스의 즙액을 준비하며, Preparing a juice of biomass for synthesizing 5-hydroxymethyl-2-furalaldehyde from biomass;
여기서 상기 생체는 포도속 식물 (Vitis)로 이루어진 포도 열매 중에서 선택된 1종 이상의 식물인, 단계; 및 Wherein the living body is at least one plant selected from grape berries consisting of Vitis; And
상기 생체 바이오매스의 즙액을 80-120℃의 반응 온도하에 1-9시간동안 반응시켜 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드를 합성하는 단계; 로 이루어지는 생체바이오매스를 이용한 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드를 고효율로 합성하는 방법을 제공한다. Reacting the juice of the biomass biomass under a reaction temperature of 80-120 ° C. for 1-9 hours to synthesize 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde; Provided is a method for synthesizing 5-hydroxymethyl-2-furalaldehyde using a biobiomass consisting of high efficiency.
앞서도 살펴본 바와 같이, 본 발명의 최종목표는 생체 바이오매스를 사용하여 산업적으로 매우 유용한 HMF가 효율적으로 합성되도록 하는 반응 공정기술을 제공하는 것이다. 이를 위하여, 생체 바이오매스로 원료로 사용된 포도 즙액을 준비하는 방법과 이 방법으로 준비된 포도 즙액을 사용하여 HMF를 효율적으로 합성하는 반응 온도의 조건과 촉매제의 종류와 이들의 첨가 방법 및 이온 용매제의 선택과 촉매제와의 조합, 그리고 반응 시간과 반응 온도 등의 반응 공정의 조건을 적절히 조절함으로서 HMF가 최대로 합성된다. 따라서 이러한 반응 공정 조건과 반응 공정의 방법에 관한 기술이 우선적으로 개발되어야 한다. 본 발명자는 이러한 반응 공정조건과 반응 공정방법을 끈질기게 탐색하여 본 발명을 완성하였으며, 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. As described above, the final object of the present invention is to provide a reaction process technology for efficiently synthesizing highly industrially useful HMF using bio-biomass. To this end, a method of preparing grape juice used as a raw material as a biomass and a reaction temperature condition for efficiently synthesizing HMF using the grape juice prepared by this method, types of catalysts, addition methods thereof, and ion solvents The HMF is synthesized to the maximum by appropriately adjusting the selection of and the combination of the catalyst and the conditions of the reaction process such as reaction time and reaction temperature. Therefore, the technology regarding the reaction process conditions and the method of the reaction process should be developed first. The present inventors have persistently searched for such reaction process conditions and reaction process methods, and completed the present invention.
우선 본 발명에서 원료로 사용되는 생체 바이오매스를 준비하는 방법에 대하여 살펴보면 다음과 같다: First, a method for preparing biomass used as a raw material in the present invention will be described.
본 발명에서 사용 가능한 생체바이오매스는 HMF의 합성이 가능한 모든 포도를 포함한 식물 생체일 수 있으며, 특히 프룩토오스, 글루코스 및 수크로오스를 다량 함유하는 식물 생체바이오매스 중에서 선택된 식물의 생체바이오매스 일 수 있다. 예를 들면, 본 실험의 재료인 포도 (Vinis vinifera)를 포함하는 포도과 (Vitaceae)에 속하는 식물의 생체바이오매스 등으로부터 선택된 생체바이오매스일 수도 있다. 본 발명의 바람직한 구체적 예에서는 포도의 열매를 사용할 수 있다. The biobiomass usable in the present invention may be a plant biomaterial including all grapes capable of synthesizing HMF, and may be a biobiomass of a plant selected from plant biobiomass containing a large amount of fructose, glucose and sucrose. . For example, it may be a biobiomass selected from biobiomass of plants belonging to Vitaceae including grapes (Vinis vinifera), which is the material of the present experiment. In a preferred specific example of the present invention, the fruit of grapes can be used.
상기 포도 열매는 열매가 중간 이상의 크기에서부터 완전히 충분히 성숙되었거나 그 이상의 완숙 포도 열매를 사용할 수 있지만 최상의 HMF 생산효과를 얻기 위하여 충분히 성숙한 포도 열매를 사용하는 것이 좋다. 또한 상기 포도 열매를 그대로 사용하거나 혹은 껍질을 제거하여 사용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 구체적 예에 있어서, HMF 생산의 용이성 및 고수율 생산을 위하여 상기의 포도 열매를 분쇄기에 열매를 분쇄한 후에 여과하여 그 즙액을 사용하는 것이 좋다. The grape fruit may be fully matured from the medium size or more or fully mature grape fruit, but it is preferable to use enough mature grape fruit to obtain the best HMF production effect. In addition, the grape fruit may be used as it is or by removing the skin. In a preferred specific example of the present invention, for the sake of easy production and high yield of HMF, the above-mentioned grape fruit is pulverized in a pulverizer, and then it is preferable to use the juice solution.
또한, 본 발명은 포도 바이오매스로부터 준비된 즙액과 용매의 혼합 비율, 사용된 용매와 촉매의 종류 및 촉매의 첨가 비율, 반응 온도와 반응 시간 등에 관한 반응 조건을 다양하게 실시하여 HMF를 최대로 생산하는 반응 공정에 관한 기술을 제공한다. In addition, the present invention is to maximize the production of HMF by performing a variety of reaction conditions, such as the mixing ratio of the juice solution and solvent prepared from grape biomass, the type of solvent and catalyst used, the addition ratio of the catalyst, the reaction temperature and reaction time, etc. Provides a description of the reaction process.
본 발명에 있어서, HMF의 합성에 사용되는 산촉매제 (Acid catalysts)는 일반적으로 흔히 사용되는 다양한 종류의 산촉매제가 첨가된 것이다. 상기의 HMF 합성에 일반적으로 흔히 사용되는 산촉매제는 옥살산 (Oxalic acid), 인산 (Phophoric acid), 황산 (Sulpheric acid), 염산 (Hydrochloric acid), 염화아연 (ZnCl2), 제오라이트 (Zeolite) 등의 산촉매제 군 중에서 선택된 1종 이상의 것일 수 있으며, 바람직하게는 염산 촉매제를 사용할 수 있다. In the present invention, acid catalysts used in the synthesis of HMF are generally added with various kinds of acid catalysts commonly used. Acid catalysts commonly used in the synthesis of HMF include oxalic acid, phosphoric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, zinc chloride (ZnCl 2 ), zeolite, and the like. It may be at least one selected from the group of acid catalysts, and preferably a hydrochloric acid catalyst may be used.
상기 포도 바이오매스의 즙액으로부터 HMF를 효율적으로 합성하기 위한 염산 촉매제의 적정 첨가량을 고려할 때, 염산의 몰농도 (Molarity; M)를 기준으로 0.05 M 내지는 1 M 농도인 것이 좋고, 보다 바람직하게는 0.1 내지는 0.5 M인 것이 좋다. Considering the proper amount of hydrochloric acid catalyst for efficiently synthesizing HMF from the juice of the grape biomass, the concentration is preferably 0.05 M to 1 M based on the molarity (M) of hydrochloric acid, more preferably 0.1 It is good that it is 0.5M.
상기의 염산 촉매제를 함유한 반응 용액의 반응 조건의 구체적 예에 있어서, HMF의 합성을 유도하기 위하여 반응 온도와 반응 시간을 조절할 수 있다. HMF의 합성 효율을 증진시키기 위하여 반응 온도를 60-150℃ 범위내로 가할 수 있으며, 반응 시간은 각 온도 별로 1-10시간 범위내이면 충분하다. 바람직하게는 80-120℃의 반응온도에서 4-8시간 동안 반응시키는 것이 좋다. In specific examples of the reaction conditions of the reaction solution containing the hydrochloric acid catalyst, the reaction temperature and reaction time may be adjusted to induce the synthesis of HMF. In order to enhance the synthesis efficiency of HMF, the reaction temperature may be added in the range of 60-150 ° C., and the reaction time is sufficient in the range of 1-10 hours for each temperature. Preferably it is reacted for 4-8 hours at a reaction temperature of 80-120 ℃.
본 발명의 한 구체적 예에 있어서, HMF의 생산을 보다 효율적으로 합성하기 위하여, 상기의 포도 바이오매스의 즙액에 금속 촉매제를 추가로 첨가할 수 있다. 추가되는 금속 첨가제는 HMF의 합성을 촉진시키기 위하여 첨가되는 통상의 모든 금속 촉매제 일 수 있으며, 예를 들면, 염화알미늄 (AlCl3), 염화아연 (ZnCl2), 염화마그네슘 (MgCl2), 염화크롬 (CrCl2), 염화코발트 (CoCl2), 염화니켈 (NiCl2), 염화철 (FeCl2), 염화구리 (CuCl2), 염화망간 (MnCl2) 및 염화백금 ((PtCl2)등으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상의 것 일 수 있다. 상기 1종 이상의 금속 촉매제의 첨가량은 중량 기준으로 포도 즙액 10 밀리미터 (mL) 당 0.01-1g을 첨가하여 80-120℃의 반응 온도하에 1-9시간동안 반응시키며, 바람직하게는 0.1-0.5g을 첨가하여 100-120℃의 반응 온도하에 1-8시간동안 반응시키는 것이 좋다. In one specific example of the present invention, in order to synthesize HMF production more efficiently, a metal catalyst may be further added to the juice of the grape biomass. The metal additive added may be any conventional metal catalyst added to promote the synthesis of HMF, for example aluminum chloride (AlCl 3 ), zinc chloride (ZnCl 2 ), magnesium chloride (MgCl 2 ), chromium chloride Group consisting of (CrCl 2 ), cobalt chloride (CoCl 2 ), nickel chloride (NiCl 2 ), iron chloride (FeCl 2 ), copper chloride (CuCl 2 ), manganese chloride (MnCl 2 ) and platinum chloride ((PtCl 2 ) The amount of the at least one metal catalyst is added in an amount of 0.01-1 g per 10 millimeters (mL) of grape juice based on the weight, and reacted for 1-9 hours at a reaction temperature of 80-120 ° C. Preferably, 0.1-0.5 g is added and reacted for 1-8 hours under a reaction temperature of 100-120 ° C.
본 발명의 한 구체적 예에 있어서, HMF의 합성량을 보다 증가시키기 위하여, 상기의 포도 바이오매스의 즙액에 액체이온 용매 (Ionic liquid)를 추가로 첨가할 수 있다. 추가 되는 액체 이온용매는 HMF의 합성량을 증가시키기 위하여 첨가되는 통상의 모든 액체이온 용매 일 수 있으며, 예를 들면, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 브로마이드 (1-ethyl-3-methylimidazolium bromide), 1-에틸-3-메칠이미다졸리움 테트라보레이트 (1-ethyl-3-methylimidazolium tetraborate), 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 아세테이트 (1-ethyl-3-methylimidazolium acetate), 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드 (1-ethyl-3-methylimidazolium chloride), 1-부칠-3-메틸이미다졸리움 브로마이드 (1-butyl-3-methylimidazolium bromide), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 클로마이드 (1-butyl-3-methylimidazolium chloride), 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 클로마이드 (1-hexyl-3-methylimidazolium chloride), 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 브로마이드 (1-hexyl-3-methylimidazolium bromide), 1-옥틸-3-메틸이미다졸리움 클로마이드 (1-octyl-3-methylimidazolium chloride) 및 1-옥틸-3-메틸이미다졸리움 브로마이드 (1-octyl-3-methylimidazolium bromide)등으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상의 것 일 수 있다. 상기 1종 이상의 액체이온 용매의 첨가량은 포도 즙액 부피 기준 10% (mL) 내지는 80% (mL)와 액체이온 용매 중량 기준 (g) 90-10%를 서로 혼합하여 80-120℃의 반응 온도하에 1-9시간 동안 반응시킬 수 있으며, 바람직하게는 포도 즙액 부피 기준 10-60% (mL)와 액체 이온용매 중량 기준 (g) 90-40%를 서로 혼합하여 100-120℃의 반응 온도하에 1-7시간동안 반응시키 는 것이 효율 및 경제성 측면을 감안할 때 좋다. In one specific example of the present invention, in order to further increase the amount of HMF synthesized, Ionic liquid may be further added to the juice of the grape biomass. The added liquid ion solvent may be any conventional liquid ion solvent added to increase the amount of HMF synthesized, for example 1-ethyl-3-methylimidazolium bromide (1-ethyl-3-methylimidazolium bromide ), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetraborate, 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate, 1-ethyl 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-butyl-3-methylimidazolium bromide, 1-butyl-3-methylimidazolium chloride 1-hexyl-3-methylimidazolium chloride, 1-hexyl-3-methylimidazolium chloride, 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide (1 -hexyl-3-methylimidazolium bromide), 1-octyl-3-methylimidazolium chloride (1-octyl-3-methylimidazolium chloride) And 1-octyl-3-methylimidazolium bromide (1-octyl-3-methylimidazolium bromide) and the like may be one or more selected from the group consisting of. The amount of the at least one liquid ion solvent added is 10% (mL) to 80% (mL) based on the volume of grape juice and 90-10% based on the weight of the liquid ion solvent (g). The reaction can be carried out for 1-9 hours, preferably 10-60% (mL) based on the volume of the grape juice and 90-40% by weight (g) of the liquid ion solvent are mixed with each other under a reaction temperature of 100-120 ° C. Reaction for -7 hours is good considering efficiency and economics.
상기의 HMF의 합성 방법에 비해서 HMF의 합성량을 증가시키기 위하여, 상기의 포도 바이오매스의 즙액에 염산 촉매제, 액체 이온용매 및 염화 금속 촉매제를 적절히 혼합하여 적당한 반응 온도에서 1시간 이상 반응시킬 수 있다. In order to increase the amount of HMF synthesized compared to the above-described method of HMF, hydrochloric acid catalyst, liquid ionic solvent and metal chloride catalyst may be properly mixed with the juice of grape biomass, and reacted for 1 hour or more at an appropriate reaction temperature. .
이를 위하여, 상기의 산촉매제를 포함하고 있는 포도 바이오매스의 즙액 부피 기준 10-90% (mL)와 상기의 액체 이온용매 중량 기준 10-90% (g)을 혼합하여 상기의 금속 촉매제 0.1-1g을 첨가후 1-9시간 동안 80-120℃의 반응 온도하에 반응시킬 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.1-1 몰 염산을 포함하고 있는 포도 즙액 부피 기준 30-60% (mL)와 액체 이온용매 중량 기준 (g) 70-40%를 서로 혼합하여 상기의 금속 염화물을 반응 용액의 혼합물 (염산을 포함하고 있는 포도 즙액 + 액체이온 용매)의 10 밀리리터 (mL) 당 0.1-1g을 첨가하여 80-100℃의 반응 온도하에 1-7시간동안 반응시키는 것이 좋다. To this end, 0.1-1 g of the metal catalyst is prepared by mixing 10-90% (mL) of the juice solution of grape biomass containing the acid catalyst and 10-90% (g) of the liquid ion solvent by weight. It can be reacted at a reaction temperature of 80-120 ℃ for 1-9 hours after the addition, more preferably 30-60% (mL) and the liquid ion solvent weight based on the volume of grape juice solution containing 0.1-1 mol hydrochloric acid (G) 70-40% of each other is mixed with the above-mentioned metal chlorides by adding 0.1-1 g per 10 milliliters (mL) of the mixture of the reaction solution (grape juice containing hydrochloric acid + liquid ion solvent) to 80-100. It is preferable to react for 1-7 hours under the reaction temperature of ° C.
본 발명에 따르면, 이제까지 시도된 적이 없는 생체바이오매스인 포도를 이용하여 HMF를 합성하는 반응공정 기술을 제공함에 있어 기존의 반응 공정으로 생산하는 기술에 비해서 훨씬 간단할 뿐 아니라, HMF의 생산 효율도 높고, 현재 보다 저비용으로 HMF를 생산할 수 있을 뿐 아니라 보다 환경친화적 방법으로 HMF를 생산할 수 있다. 특히 HMF는 미래의 석유대체 바이오연료로서 뿐 아니라 의약품, 석유 제품 및 다른 정밀 화합물을 합성하는 데 전구물질로서 사용되는 중요한 화합물이 지만 생산 단가가 높다는 점이 가장 큰 문제점이었는데, 본 발명은 이러한 문제점을 최소화 할 수 있는 장점을 갖는다.According to the present invention, in providing a reaction process technology for synthesizing HMF using grapes, a biobiomass that has never been attempted, it is much simpler than the technology produced by the conventional reaction process, and the production efficiency of HMF is also high. Not only can high and low cost HMF be produced, but HMF can also be produced in a more environmentally friendly way. In particular, HMF is an important compound that is used as a precursor for synthesizing pharmaceuticals, petroleum products and other fine compounds as well as future petroleum substitute biofuels, but the biggest problem was that the production cost is high. It has the advantage to do it.
이하, 본 발명을 실시 예에 의하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 불과하며, 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의하여 제한되는 것은 아니다. 또한, 하기 실시예에서 보여주는 수치는 각각 5번씩 수행하여 얻어진 값의 평균치를 평균편차로 나타낸 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these examples are only for illustrating the present invention, the scope of the present invention is not limited by these examples. In addition, the numerical values shown in the following examples represent the average value of the values obtained by performing five times each.
실시예 1: 포도 바이오매스의 준비Example 1 Preparation of Grape Biomass
시중에서 판매하는 포도를 구입하여 포도의 껍질을 제거한 후에 과일 믹서에 2-3분 간 분쇄한 다음 세 겹의 200 메쉬 (mesh)나일론 망을 사용하여 포도즙 액을 추출하였다. 추출된 쥬스 액을 9000 x g에서 20분 간 원심분리 하여 상등 액을 -80℃에서 동결시켜서 포도 바이오매스의 재료로 준비하였다. Commercial grapes were purchased to remove the skins of the grapes, and then pulverized for 2-3 minutes in a fruit mixer, followed by extracting the juice solution using three layers of 200 mesh nylon mesh. The extracted juice solution was centrifuged at 9000 × g for 20 minutes to freeze the supernatant at −80 ° C. to prepare a material of grape biomass.
실시예 2: 반응온도 조건의 최적화 실험 Example 2: Optimization of Reaction Temperature Conditions
25 mL 플라스크 용기에 상기에서 준비된 포도의 바이오매스 즙액을 10 mL 넣은 후에 80℃, 100℃ 및 120℃에서 9시간 동안 반응시켰다. 반응 동안에 1시간 간격으로 반응물을 수거하여 합성된 HMF 생산량 측정을 위한 시료로 사용하였으며, 그 결과를 도1에 나타내었다. 10 mL of the biomass juice solution of the grapes prepared above was added to a 25 mL flask vessel and then reacted at 80 ° C., 100 ° C. and 120 ° C. for 9 hours. During the reaction, the reactants were collected at 1 hour intervals and used as samples for measuring the synthesized HMF yield. The results are shown in FIG. 1.
실시예 3: 산촉매제 농도의 최적화 실험Example 3: Optimization of Acid Catalyst Concentration
상기의 실시예 1에서 준비된 포도의 바이오매스 즙액을 4 종의 염산(HCl) 농도, 즉 0.1몰, 0.3몰, 0.5몰 및 1몰 농도로 조정하여 준비하였다. 각각의 염산 농도로 준비된 포도의 바이오매스 즙액 10 mL을 25 mL 플라스크 용기에 넣은 다음에 섭씨 100도에서 9시간 반응 시켰으며, 1 시간 간격으로 반응 샘플을 수거하여 각 시간 마다 합성된 HMF의 생산량을 측정하였으며, 그 결과는 도2에 나타내었다. Biomass juice of grapes prepared in Example 1 was prepared by adjusting the concentration of four hydrochloric acid (HCl), that is, 0.1 mol, 0.3 mol, 0.5 mol and 1 mol concentration. 10 mL of the biomass juice of grapes prepared at each hydrochloric acid concentration was placed in a 25 mL flask container, and then reacted for 9 hours at 100 degrees Celsius. The reaction samples were collected at an hourly interval to produce the amount of HMF synthesized at each hour. It measured, and the result is shown in FIG.
실시예 4: 액체 이온용매의 준비 및 반응 온도Example 4 Preparation and Reaction Temperature of Liquid Ion Solvent
HMF의 합성에 미치는 용매의 종류와 각 용매 별 반응 온도가 HMF의 합성에 미치는 영향을 비교 검토하기 위하여 3 종류의 액체 이온 용매; 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드 (1-ethyl-3-methylimidazolium chloride), 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 클로라이드 (1-hexyl-3-methylimidazolium chloride) 및 1-옥틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드 (1-octyl-3-methylimidazolium chloride) 각각 5g을 0.3몰 염산을 포함하고 있는 포도 바이오매스 즙액 5 mL과 혼합하여 섭씨 80도, 100도 및 120도에서 각각 9 시간 동안 반응시켰으며, 각 반응 온도 별로 1 시간 간격으로 반응물을 수거하여 합성된 HMF의 생산량을 각각 측정하였다. Three kinds of liquid ionic solvents in order to examine and compare the kinds of solvents on the synthesis of HMF and the effect of reaction temperature for each solvent on the synthesis of HMF; 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, 1-hexyl-3-methylimidazolium chloride, and 1-octyl-3- 5 g of each methyl imidazolium chloride (1-octyl-3-methylimidazolium chloride) was mixed with 5 mL of grape biomass juice containing 0.3 mol hydrochloric acid and reacted for 9 hours at 80, 100 and 120 degrees Celsius, respectively. Each reaction temperature was collected at 1 hour intervals to measure the amount of HMF synthesized.
실시예 5: 촉매의 준비Example 5: Preparation of Catalyst
HMF의 합성에 미치는 촉매의 영향을 비교 검토하기 위하여 5 종류의 촉매를 사용하였다. 사용된 5 종의 촉매는 염화크롬 (CrCl2), 염화코발트 (CoCl2?6H2O), 염화니켈 (NiCl2?6H2O), 염화아연 (ZnCl2) 및 염화마그네슘 (MgCl2)로서 상기의 포도 바이오매스 즙액 10 mL에 염화크롬 0.2g, 염화코발트 0.3g, 염화니켈 0.3g, 염화아연 0.2g 및 염화마그네슘 0.2g을 각각 첨가하여 섭씨 100도에서 9시간 동안 반응시켰으며, 첨가된 각 촉매 별로 1 시간 간격으로 반응물을 수거하여 합성된 HMF의 생산량을 각각 측정하였다.Five kinds of catalysts were used to compare and examine the effect of the catalyst on the synthesis of HMF. The five species of the catalyst used is a chloride, chromium (CrCl 2), cobalt chloride (CoCl 2? 6H 2 O) , nickel chloride (NiCl 2? 6H 2 O) , zinc chloride (ZnCl 2) and magnesium chloride (MgCl 2) To 10 mL of the grape biomass juice solution, 0.2 g of chromium chloride, 0.3 g of cobalt chloride, 0.3 g of nickel chloride, 0.2 g of zinc chloride, and 0.2 g of magnesium chloride were respectively added and reacted at 100 degrees Celsius for 9 hours. The reactants were collected at intervals of 1 hour for each catalyst to measure the amount of HMF synthesized.
실시예 6: 산촉매제, 액체 이온용매 및 촉매의 혼합 비율의 준비Example 6 Preparation of Mixing Ratio of Acid Catalyst, Liquid Ion Solvent and Catalyst
포도 바이오매스 즙액으로부터 최대량의 HMF 합성을 유도하기 위한 반응 공정을 탐색하기 위하여 실시예 4에서 사용된 3종 액체 이온을 각각 5g씩 취하여 실시예 5에서 사용된 5종의 촉매를 각각의 액체 이온 용매와 혼합하여 약 10분 간 100℃에서 반응시킨 후에 0.3 몰 염산을 포함하는 포도 바이오매스 즙액 5 mL을 첨가하여 9 시간 동안 반응시켰으며, 각 처리 별로 1 시간 간격으로 반응물을 수거하여 합성된 HMF의 생산량을 각각 측정하였으며, 상기의 종합적인 실험 결과는 하기표1 및 표2에 각각 정리하였다. In order to explore the reaction process for inducing the maximum amount of HMF synthesis from the grape biomass juice solution, 5 g of each of the three liquid ions used in Example 4 were taken, and the five catalysts used in Example 5 were used for each liquid ion solvent. After reacting at 100 ° C. for 10 minutes, 5 mL of grape biomass juice solution containing 0.3 mol hydrochloric acid was added and reacted for 9 hours. The reactants were collected at 1 hour intervals for each treatment. The amount of production was measured, respectively, and the comprehensive experimental results are summarized in Table 1 and Table 2, respectively.
실시예 7: 반응물 내의 HMF 합성량 분석Example 7: Analysis of amount of HMF synthesis in the reactants
상기 실시 예 1부터 6에서 합성된 반응물 시료를 각각 100배씩 희석하여 (반응물 시료 10 마이크로리터 + 순수 물 990 마이크로리터)얻어진 반응물 시료를 마 이크로필터 (0.2 마이크로미터, Satorius)로 여과시킨 후, HPLC (High performance liquid chromatography; Waters)를 사용하여 HMF의 합성량을 분석하였다. After diluting each of the reactant samples synthesized in Examples 1 to 6 by 100 times (10 microliters of reactant sample and 990 microliters of pure water), the obtained reactant samples were filtered through a microfilter (0.2 micrometer, Satorius), followed by HPLC. The amount of HMF synthesized was analyzed using (High performance liquid chromatography; Waters).
상기 HPLC 분석기의 분석 조건은 다음과 같다: 측정 칼럼 (column)은 C18 역상 칼럼 인 엑스브리지 (XBridge, Waters)가 사용되었다. 유속의 속도는 분당 0.7 밀리리터 (0.7 mL/min)로 고정하였고, 메타놀과 물의 혼합 구배로 HMF가 분석되었다. 구배 조건은 100% 물에서 2분간, 1분간 전이 상태, 80% 물과 20% 물의 혼합 상태에서 8분간, 두 번째 전이 상태 1분간, 20% 물과 80% 메타놀의 혼합 상태에서 5분간, 그리고 마지막으로 100%의 물 상태에서 20분간 HPLC 분석이 수행되었다. The analysis conditions of the HPLC analyzer were as follows: The measurement column (XBridge, Waters) was used as a C 18 reverse phase column. The rate of flow rate was fixed at 0.7 milliliters per minute (0.7 mL / min), and HMF was analyzed by a mixing gradient of methanol and water. Gradient conditions are 2 minutes in 100% water, 1 minute transition state, 8 minutes in 80% water and 20% water mixed state, 1 minute in the second transition state, 5 minutes in 20% water and 80% methanol mixed state, and Finally, HPLC analysis was performed for 20 minutes in 100% water.
이와 같이 얻어진 상기 각각의 반응물 내의 HMF 합성량 결과를 표 1 내지 2에 함께 나타내었다. 구체적으로 표 1은 본 발명에서 실시된 3종의 액체 이온용매와 4종의 염산농도를 가지고 있는 포도 즙액의 혼합 반응액을 80℃, 100℃ 및 120℃에서 각각 4시간동안 반응시킨후 합성된 HMF의 생산량을 나타내는 표이고, 표 2는 본 발명에서 실시된 3종의 액체 이온용매와 0.3몰의 염산농도를 가지고 있는 포도 즙액의 혼합 반응액에 5종의 금속 염화물 촉매를 첨가한 후 100℃에서 1시간부터 9시간 동안 반응시킨 반응물에서 합성된 HMF의 생산량을 나타내는 표로서, HMF의 합성에 대한 종합적인 실험 결과를 보여준다. The results of HMF synthesis in each of the reactants thus obtained are shown in Tables 1 to 2 together. Specifically, Table 1 shows the reaction mixture of the three liquid ion solvents and the grape juice solution having four concentrations of hydrochloric acid in the present invention were reacted at 80 ° C., 100 ° C. and 120 ° C. for 4 hours, respectively. Table 2 shows the production amount of HMF, and Table 2 shows the addition of five metal chloride catalysts to the reaction mixture of the three liquid ion solvents and the grape juice solution having a 0.3 mol hydrochloric acid concentration. Table showing the production of HMF synthesized in the reaction reacted for 1 hour to 9 hours at, shows a comprehensive experimental results for the synthesis of HMF.
<표내 약어풀이><Abbreviation in table>
[OMIM]Cl; 1-octyl-3-methylimidazolium chloride[OMIM] Cl; 1-octyl-3-methylimidazolium chloride
[HMIM]Cl; 1-hexyl-3-methylimidazolium chloride[HMIM] Cl; 1-hexyl-3-methylimidazolium chloride
[EMIM]Cl; 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride[EMIM] Cl; 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride
상기표 1, 2, 도1 및 2에서 보여주는 바와 같이, 포도 바이오매스로부터 고효율의 HMF를 합성하기 위해서는 바이오매스의 선택과 재료의 준비, 반응 온도에 따른 적절한 농도의 산촉매제의 첨가, 액체 이온용매의 선택과 적절한 혼합 농도가 중요한 변수이며, 가장 효율적인 HMF의 합성방법으로는 액체 50% (부피) 이온용액과 50% (중량) 포도 바이오매스 즙액의 혼합액에 0.22g의 염화크롬(CrCl2)을 첨가하는 반응물에서 100℃하에 3-5시간동안 반응시키거나 혹은 120℃하에 1-2시간동안 반응시 가장 많은 함량의 HMF를 합성할 수 있지만 표1에서와 같이 금속 염화촉매제의 첨가 없이도 고효율의 HMF 합성량을 얻을 수 있는 것으로 나타났다.In Tables 1, 2, Figures 1 and 2 above As shown, in order to synthesize high-efficiency HMF from grape biomass, the selection of biomass and the preparation of materials, the addition of acid catalyst at the appropriate concentration according to the reaction temperature, the selection of liquid ion solvent and the appropriate mixing concentration are important variables. The most efficient method of HMF synthesis is 3-5 hours at 100 ° C in a reaction mixture of 0.22 g of chromium chloride (CrCl 2 ) in a mixture of 50% (volume) ionic liquid and 50% (weight) grape biomass juice. It was found that the most amount of HMF can be synthesized during the reaction at 120 ° C. or 1-2 hours at 120 ° C., but the HMF synthesis amount can be obtained without the addition of a metal chloride catalyst as shown in Table 1.
도 1은 0.3몰의 염산을 첨가한 포도즙액 10 밀리리터를 80℃, 100℃ 및 120℃에서 1시간부터 8시간 동안 반응한 반응물에서 합성된 HMF의 생산량을 대비한 그래프이다. FIG. 1 is a graph comparing the amount of HMF synthesized in a reaction product in which 10 milliliters of grape juice solution containing 0.3 mol of hydrochloric acid was reacted at 80 ° C., 100 ° C. and 120 ° C. for 1 hour to 8 hours.
도 2는 본 발명에서 실시된 4종의 염산 농도를 가진 포도 즙액을 각각 100℃에서 1시간부터 9시간까지의 반응시킨 반응물에서 합성된 HMF의 생산량을 대비한 그래프이다.Figure 2 is a graph comparing the production of HMF synthesized in the reactants reacted from the grape juice with four hydrochloric acid concentrations carried out in the present invention at 100
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KR100895280B1 (en) | 2006-11-17 | 2009-04-29 | 동아대학교 산학협력단 | Producion method of 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde |
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US20060128844A1 (en) | 2004-12-10 | 2006-06-15 | Archer-Daniels-Midland Company | Conversion of 2,5-(hydroxymethyl)furaldehyde to industrial derivatives, purification of the derivatives, and industrial uses therefor |
KR100895280B1 (en) | 2006-11-17 | 2009-04-29 | 동아대학교 산학협력단 | Producion method of 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde |
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