KR101897712B1 - Catalysts for converting reaction of high carbon compound using ABE fermentation products and preparation method of high carbon compound using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ABE 발효 생성물의 고탄소 화합물 전환 반응용 촉매 및 이를 이용한 고탄소 화합물의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 재사용이 가능한 팔라듐계 촉매 및 CaO 염기촉매의 혼합촉매를 이용하여, 용매가 없는 조건에서 ABE(acetone-butanol-ethanol) 발효 생성물로부터 C5-C19 범위의 탄화수소 화합물을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.The present invention relates to a catalyst for the conversion of a high carbon compound into an ABE fermentation product and a method for producing a high carbon compound using the same. More particularly, the present invention relates to a catalyst for the conversion of a high- in the absence from the ABE (acetone-butanol-ethanol) fermentation products can be provided a process for preparing hydrocarbon compounds of C 5 -C 19 range.

Description

ABE 발효 생성물의 고탄소 화합물 전환 반응용 촉매 및 이를 이용한 고탄소 화합물의 제조방법{Catalysts for converting reaction of high carbon compound using ABE fermentation products and preparation method of high carbon compound using the same} TECHNICAL FIELD The present invention relates to a catalyst for the conversion of a high carbon compound of an ABE fermentation product and a method for producing a high carbon compound using the same.

본 발명은 ABE 발효 생성물의 고탄소 화합물 전환 반응용 촉매 및 이를 이용한 고탄소 화합물의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 팔라듐계 촉매 및 CaO 염기촉매의 혼합촉매를 이용하여 ABE(acetone-butanol-ethanol) 발효 생성물로부터 C5-C19 범위의 탄화수소 화합물을 제조하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a catalyst for the conversion of a high-carbon compound into an ABE fermentation product and a method for producing a high-carbon compound using the catalyst. More particularly, the present invention relates to a catalyst for the conversion of acetone- ethanol from a fermentation product in the C 5 -C 19 range.

지구상에 존재하는 석유 자원의 한계로 인하여 바이오매스로부터 대체연료를 합성하는 연구는 오래 전부터 진행되어 왔다. 대표적으로 바이오매스를 원료로 얻어지는 에탄올이나 1-부탄올이 상업화되어 있지만 물과 섞이는 점, 부식성, 상대적으로 낮은 에너지량 등의 한계를 갖고 있다. 따라서 현재의 가솔린 디젤 등의 연료와 성질이 매우 유사한 고탄소 알칸 화합물을 합성하고자 하는 연구가 최근 활발하게 연구되고 있다. Research on the synthesis of alternative fuels from biomass has been going on for a long time due to the limit of petroleum resources on the earth. Typically, ethanol or 1-butanol obtained from biomass is commercialized, but it has limitations such as mixing with water, corrosiveness, and relatively low energy amount. Therefore, studies for synthesizing high-carbon alkane compounds having properties very similar to those of current fuel such as gasoline diesel have recently been actively researched.

Clostridium acetobutylicum 이라는 균주를 사용하여 글루코스를 발효시키는 경우 아세톤, 1-부탄올, 에탄올은 3:6:1의 중량 비율로 만들어진다. 이러한 세 화합물의 혼합물을 발효조로부터 분리한 후 알돌 축합 반응, 탈산소화 반응 그리고 수소화 반응을 연속적으로 수행하면 C5-C11의 탄화수소를 합성할 수 있다. 이때 알돌 축합 반응은 촉매에 의해 알코올로부터 생성된 알데히드와 아세톤 사이의 반응이고, 이를 통해 C-C 결합이 형성된다. 생성된 C5-C7의 케톤 화합물들은 다시 에탄알/부탄알과 알돌 축합 반응이 일어나고 이를 통해 C7-C11의 케톤 화합물들이 합성된다. 이들은 이후 수소화 반응을 통해서 알코올 및 탄화수소로 전환된다(도 1 참조). When glucose is fermented using a strain of Clostridium acetobutylicum , acetone, 1-butanol and ethanol are produced in a weight ratio of 3: 6: 1. After separating the mixture of these three compounds from the fermentation tank, the aldol condensation reaction, the deoxygenation reaction and the hydrogenation reaction are successively carried out to synthesize C 5 -C 11 hydrocarbons. At this time, the aldol condensation reaction is a reaction between the aldehyde and acetone produced from the alcohol by the catalyst, thereby forming the CC bond. The resulting C 5 -C 7 ketone compounds again undergo aldol condensation with ethane al / butane, thereby synthesizing C 7 -C 11 ketone compounds. These are then converted to alcohols and hydrocarbons through a hydrogenation reaction (see Figure 1).

이러한 알돌 축합 반응과 수소화 반응은 산화반응, 환원반응, 탈수반응 알돌 반응 등이 복합적으로 관계하고 있고, 따라서 귀금속 촉매와 염기촉매의 존재가 필수적이며, 이에 대한 연구가 진행되고 있는 실정이다. Such aldol condensation reaction and hydrogenation reaction are related to oxidation reaction, reduction reaction, dehydration reaction aldol reaction, and the like. Therefore, it is essential that a noble metal catalyst and a base catalyst exist.

Pd/C과 K3PO4 염기촉매를 사용한 연구 결과에 따르면, 톨루엔 용매 하에서 아세톤/에탄올/부탄올 혼합물을 145 ℃에서 20 시간 동안 반응시켜 C5-C11 케톤과 알코올 혼합물을 86%의 수율로 합성하였으나, 촉매를 재사용하는 경우 그 반응성이 크게 감소한다고 보고되어 있다(비특허문헌 1).According to the results of the study using Pd / C and K 3 PO 4 base catalyst, acetone / ethanol / butanol mixture was reacted at 145 ° C for 20 hours in a toluene solvent to obtain a mixture of C 5 -C 11 ketone and alcohol at a yield of 86% However, it has been reported that the reactivity is greatly reduced when the catalyst is reused (Non-Patent Document 1).

또한, Pd/C와 KOH 및 K3PO4 염기촉매를 사용한 연구 결과에 따르면, 물 용매 하에서 아세톤/에탄올/부탄올 혼합물로부터 C5-C11 케톤 화합물을 70%의 수율로 합성하였다고 보고되어 있다(비특허문헌 2). 이 연구는 발효 후 아세톤/에탄올/부탄올 혼합물이 물 속에 존재하므로 반응물로부터 생성물의 별도 분리 없이 다음 반응을 보낼 수 있는 가능성을 보여주었지만 KOH 및 K3PO4를 아세톤 대비 6 몰배 과량 사용한다는 점, KOH 및 K3PO4가 물에 녹는 염기이므로 반응 후 염기의 분리가 용이하지 않다는 점, 반응 후 탈산소화 및 수소화 반응 단계에서 물의 존재는 반응의 속도를 크게 늦춘다는 단점을 갖고 있다. 또한 촉매의 재사용이 가능하다고 명시하고 있지만 반응속도가 아세톤/에탄올/부탄올 혼합물 보다 더 빠른 타 원료 반응에 대해서만 기재되어 있어 실제로 아세톤/에탄올/부탄올 혼합물에 대해서는 명확하지 않다. In addition, studies using Pd / C and KOH and K 3 PO 4 base catalysts have reported that C 5 -C 11 ketone compounds are synthesized at a yield of 70% from acetone / ethanol / butanol mixtures in water solvents ( Non-Patent Document 2). This study showed that after the fermentation, the acetone / ethanol / butanol mixture was present in the water, so it was possible to send the next reaction without separating the product from the reaction product. However, KOH and K 3 PO 4 were used in excess of 6 times the acetone, KOH and K 3 PO 4 are water-soluble bases, the separation of the base after the reaction is not easy, and the presence of water in the deoxidation and hydrogenation reaction steps after the reaction greatly slows down the reaction rate. In addition, although it is stated that the catalyst can be reused, the reaction rate is described only for the raw material reaction which is faster than the acetone / ethanol / butanol mixture, and it is not clear for the acetone / ethanol / butanol mixture actually.

또한, Cu-Hydrotalcite 혹은 Pd-Hydrotalcite 촉매를 사용한 연구 결과에 따르면, 아세톤/에탄올/부탄올 혼합물을 C5-C11의 고탄소 화합물로 전환하였다. 이 논문에서는 재사용에 따른 촉매의 활성이 저하되지 않는다고 기재하고 있지만 과량의 부탄올을 사용하고 240-300 ℃의 상대적으로 높은 온도에서 진행되어야 한다. 특히 Cu계 촉매의 경우 아세트산에틸(ethyl acetate)과 같은 부산물이 생성되는 등 선택성 등에 문제를 포함하고 있다. In addition, studies using Cu-Hydrotalcite or Pd-Hydrotalcite catalysts have shown that the acetone / ethanol / butanol mixture is converted to a C 5 -C 11 high-carbon compound. In this paper, it is stated that the activity of the catalyst is not deteriorated due to reuse, but an excessive amount of butanol should be used and the reaction should proceed at a relatively high temperature of 240-300 ° C. Particularly, Cu-based catalysts have problems such as the generation of by-products such as ethyl acetate and the like.

따라서, 본 발명자는 재사용이 가능한 팔라듐계 촉매 및 CaO 염기촉매의 혼합촉매를 이용하여, 용매가 없는 조건에서 ABE 발효 생성물로부터 C5-C19 범위의 탄화수소 화합물을 제조할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
Accordingly, the inventors of the present invention focused on the fact that a hydrocarbon compound having a C 5 -C 19 range can be prepared from ABE fermentation products under a solvent-free condition using a reusable palladium-based catalyst and a CaO base catalyst mixed catalyst, .

비특허문헌 1. Sreekumar, Sanil, et al. ChemSusChem. 7.9 (2014): 2445-2448.Non-Patent Document 1. Sreekumar, Sanil, et al. ChemSus Chem. 7.9 (2014): 2445-2448. 비특허문헌 2. Xu, Guoqiang, et al. ChemSusChem. 7.1 (2014): 105-109.Non-Patent Document 2. Xu, Guoqiang, et al. ChemSus Chem. 7.1 (2014): 105-109. 비특허문헌 3. Onyestyㅱk, Gy, et al. RSC Advances. 5.120 (2015): 99502-99509.Non-patent document 3. Onyesty ㅱ k, Gy, et al. RSC Advances. 5.120 (2015): 99502-99509.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 재사용이 가능한 팔라듐계 촉매 및 CaO 염기촉매의 혼합촉매를 이용하여, 용매가 없는 조건에서 ABE 발효 생성물로부터 C5-C19 범위의 탄화수소 화합물을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a process for producing C 5 -C 19 from a fermentation product of ABE in the absence of a solvent using a reusable palladium- To provide a method for preparing hydrocarbon compounds in a range of < RTI ID = 0.0 >

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 팔라듐계 촉매 및 CaO를 포함하는, ABE 발효 생성물의 고탄소 화합물 전환 반응용 촉매에 관한 것이다.In order to accomplish the above object, one aspect of the present invention relates to a catalyst for conversion of a high carbon compound of an ABE fermentation product, which comprises a palladium-based catalyst and CaO.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 팔라듐계 촉매는 Pd, Pd(OAc)2, Pd2(dba)3, Pd(OH)2/C, Pd/C, Pd/CaCO3, Pd/알루미나 및 Pd-폴리에틸렌이민/실리카 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the palladium-based catalyst may be selected from the group consisting of Pd, Pd (OAc) 2 , Pd 2 (dba) 3 , Pd (OH) 2 / C, Pd / C, Pd / CaCO 3 , Polyethyleneimine / silica, and Pd-polyethyleneimine / silica.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 고탄소 화합물은 C5-C19 범위의 탄소 화합물일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the high-carbon compound may be a carbon compound in the range of C 5 -C 19 .

본 발명의 다른 측면은 (a) (ⅰ) 아세톤, 에탄올 및 부탄올의 혼합물 (ⅱ) 팔라듐계 촉매 및 (ⅲ) CaO를 혼합하고 제1 반응시키는 단계;를 포함하는, ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 화합물의 제조방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a process for the preparation of a high carbon (UC) fermentation product comprising: (a) mixing (i) a mixture of acetone, ethanol and butanol And a process for producing the compound.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (ⅰ) 아세톤, 에탄올 및 부탄올의 혼합물은 ABE 발효 생성물일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, (i) the mixture of acetone, ethanol and butanol may be an ABE fermentation product.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, (b) 상기 (a) 단계의 반응물에 수소를 첨가하여 제2 반응시키는 단계;를 더욱 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, (b) adding hydrogen to the reactant of the step (a) to perform a second reaction.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계의 반응물로부터 상기 팔라듐계 촉매 및 CaO를 분리하여 수소화 처리한 후, 상기 (a) 단계에서 재사용할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the palladium-based catalyst and CaO may be separated from the reactant in the step (a), hydrogenated, and then reused in the step (a).

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 수소화 처리는 400-600 ℃에서 30-300 분 동안 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the hydrogenation treatment may be performed at 400-600 DEG C for 30-300 minutes.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계는 100-230 ℃에서 3-60 시간 동안 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step (a) may be carried out at 100-230 ° C for 3-60 hours.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 아세톤, 에탄올, 부탄올, 팔라듐 및 CaO의 몰비는 2.3 : 3.7 : 1 : 0.1-1 : 4-40일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the molar ratio of acetone, ethanol, butanol, palladium and CaO may be 2.3: 3.7: 1: 0.1-1: 4-40.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계는 250-300 ℃에서 10-30 시간 동안 수행될 수 있다.
According to another embodiment of the present invention, the step (b) may be performed at 250-300 ° C for 10-30 hours.

본 발명에 따르면, 재사용이 가능한 팔라듐계 촉매 및 CaO 염기촉매의 혼합촉매를 이용하여, 용매가 없는 조건에서 ABE 발효 생성물로부터 C5-C19 범위의 탄화수소 화합물을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a C 5 -C 19 hydrocarbon compound from an ABE fermentation product under a solvent-free condition using a reusable palladium-based catalyst and a CaO base catalyst mixed catalyst.

도 1은 ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 알칸의 생성반응을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 Pd/C-CaO 촉매의 사용 전(a), 1 회 사용 후(b), 2 회 사용 후(c), 및 활성화 처리 후(d)의 X-선 회절(XRD) 특성을 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a schematic view showing a reaction for producing a high-carbon alkane using an ABE fermentation product.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the amount of X of the Pd / C-CaO catalyst prepared in Example 1 of the present invention (a), after one use (b), after two uses (c) Ray diffraction (XRD) characteristics.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.In the following, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면은 팔라듐계 촉매 및 CaO를 포함하는, ABE 발효 생성물의 고탄소 화합물 전환 반응용 촉매에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a catalyst for the conversion of a high carbon compound of an ABE fermentation product comprising a palladium-based catalyst and CaO.

본 발명에 있어서, ABE(acetone-butanol-ethanol) 발효란, 클리스트리디움과(clostridiaceae)의 균주를 이용하여 탄수화물을 발효시킴으로써 아세톤, 부탄올 및 에탄올을 생성하는 과정이다. 상기 생성된 아세톤, 부탄올 및 에탄올의 혼합물을 알돌 축합 반응, 탈수소화 반응 및 수소화 반응을 연속적으로 수행하여 C5-C11의 탄화수소를 합성할 수 있으며, 상기 알돌 축합 반응, 탈수소화 반응 및 수소화 반응에는 귀금속 촉매 및 염기촉매의 존재가 필수적이다.In the present invention, acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation is a process for producing acetone, butanol and ethanol by fermenting carbohydrates using a strain of clostridiaceae. The resulting mixture of acetone, butanol and ethanol may be continuously subjected to an aldol condensation reaction, a dehydrogenation reaction, and a hydrogenation reaction to synthesize C 5 -C 11 hydrocarbons. The aldol condensation reaction, dehydrogenation reaction, and hydrogenation reaction The presence of a noble metal catalyst and a base catalyst is essential.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 팔라듐계 촉매는 Pd, Pd(OAc)2, Pd2(dba)3, Pd(OH)2/C, Pd/C, Pd/CaCO3, Pd/알루미나 및 Pd-폴리에틸렌이민/실리카 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는 Pd/C를 사용할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the palladium-based catalyst may be selected from the group consisting of Pd, Pd (OAc) 2 , Pd 2 (dba) 3 , Pd (OH) 2 / C, Pd / C, Pd / CaCO 3 , Pd-polyethyleneimine / silica, but is not limited thereto. Preferably, Pd / C can be used.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 고탄소 화합물은 C5-C19 범위의 탄소 화합물일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the high-carbon compound may be a carbon compound in the range of C 5 -C 19 .

본 발명의 다른 측면은 (a) (ⅰ) 아세톤, 에탄올 및 부탄올의 혼합물 (ⅱ) 팔라듐계 촉매 및 (ⅲ) CaO를 혼합하고 제1 반응시키는 단계;를 포함하는, ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 화합물의 제조방법에 관한 것이다. 특히, 추가 용매를 사용하지 않아 용매로부터 생성물을 별도 분리할 필요가 없어 대량으로 생산하기에 효과적이다.Another aspect of the present invention relates to a process for the preparation of a high carbon (UC) fermentation product comprising: (a) mixing (i) a mixture of acetone, ethanol and butanol And a process for producing the compound. In particular, since no additional solvent is used, there is no need to separately separate the product from the solvent, which is effective for mass production.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (ⅰ) 아세톤, 에탄올 및 부탄올의 혼합물은 ABE 발효 생성물일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, (i) the mixture of acetone, ethanol and butanol may be an ABE fermentation product.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, (b) 상기 (a) 단계의 반응물에 수소를 첨가하여 제2 반응시키는 단계;를 더욱 포함할 수 있다. 상기 (a) 단계 이후 생성된 케톤 화합물의 수소화 처리를 통하여 가솔린, 디젤 등의 연료와 성질이 매우 유사한 고탄소 알칸 화합물로 전환될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, (b) adding hydrogen to the reactant of the step (a) to perform a second reaction. The ketone compound produced after the step (a) can be converted into a high-carbon alkane compound having very similar properties to fuels such as gasoline and diesel through hydrogenation.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계의 반응물로부터 상기 팔라듐계 촉매 및 CaO를 분리하여 수소화 처리한 후, 상기 (a) 단계에서 재사용할 수 있다. 상기 분리된 팔라듐계 촉매 및 CaO를 400-600 ℃, 바람직하게는 450-550 ℃에서 30-300 분, 바람직하게는 120-240 분 동안 수소화 처리할 수 있다. 상기 (a) 단계의 반응 후 CaO가 CaCO3로 전환되게 된다. 종래의 KOH 및 K3PO4를 사용한 고탄소 화합물의 제조방법의 경우에는 KOH 및 K3PO4가 K2CO3, KHCO3 및 K2HPO4로 전환되어 원상태로 재전환시키기 어려운 반면, CaO를 사용하는 경우, CaCO3를 고온에서 수소화하는 간단한 방법으로 CaO로 재전환이 가능하다.According to another embodiment of the present invention, the palladium-based catalyst and CaO may be separated from the reactant in the step (a), hydrogenated, and then reused in the step (a). The separated palladium-based catalyst and CaO can be hydrogenated at 400-600 DEG C, preferably 450-550 DEG C, for 30-300 minutes, preferably 120-240 minutes. After the reaction of step (a), CaO is converted to CaCO 3 . In the case of the conventional method of producing a high carbon compound using KOH and K 3 PO 4 , KOH and K 3 PO 4 are converted into K 2 CO 3 , KHCO 3 and K 2 HPO 4 , , It is possible to switch back to CaO by a simple method of hydrogenating CaCO 3 at a high temperature.

따라서, 본 발명에 따른 CaO를 염기촉매로 사용한, ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 화합물의 제조방법에서는 종래에 사용되었던 염기촉매와는 달리 CaO를 손쉽게 재사용할 수 있을 뿐만 아니라, 촉매의 재사용에도 반응성이 저하되지 않는 것을 확인하였다.Therefore, unlike the conventional base catalyst, CaO can be easily reused in the process for preparing a high carbon compound using an ABE fermentation product using CaO as a base catalyst according to the present invention, .

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계는 100-230 ℃에서 3-60 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 반응시간 및 반응온도는 바람직하게는 150-210 ℃ 및 15-50 시간일 수 있다. 상기 바람직한 수치범위에서는 C5-C19 범위의 탄소 화합물의 수율이 현저히 상승되는 것을 확인하였다.According to another embodiment of the present invention, the step (a) may be carried out at 100-230 ° C for 3-60 hours. The reaction time and the reaction temperature may preferably be 150-210 ° C and 15-50 hours. It was confirmed that the yield of the carbon compound in the range of C 5 -C 19 was remarkably increased in the above-mentioned preferable range of values.

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본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계는 250-300 ℃에서 10-30 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 반응시간 및 반응온도는 바람직하게는 260-280 ℃ 및 15-25 시간일 수 있다. 상기 바람직한 수치범위에서는 C5-C19 범위의 탄소 화합물의 수율이 현저히 상승되는 것을 확인하였다.According to another embodiment of the present invention, the step (b) may be performed at 250-300 ° C for 10-30 hours. The reaction time and the reaction temperature may preferably be 260-280 DEG C and 15-25 hours. It was confirmed that the yield of the carbon compound in the range of C 5 -C 19 was remarkably increased in the above-mentioned preferable range of values.

이하에서는 본 발명에 따른 제조예 및 실시예를 첨부된 도면과 함께 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, production examples and embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예 1Example 1

Glass liner가 들어있는 100 mL 고압 반응기에 아세톤 1.33 g(23 mmol), 부탄올 2.74 g(37 mmol), 에탄올 0.46 g(10 mmol)을 넣고, 촉매로 5 wt% Pd/C 0.84 g(Pd기준 0.4 mmol) 및 CaO 0.52 g(9.2 mmol)을 첨가하였다. 그 다음, 150 ℃에서 20 시간 동안 반응시킨 후 생성된 용액을 분리하고, 이를 GC로 분석한 결과 사용한 아세톤을 기준으로 하기 표 1과 같은 수율의 생성 혼합물이 합성된 것을 발견하였다.1.33 g (23 mmol) of acetone, 2.74 g (37 mmol) of butanol and 0.46 g (10 mmol) of ethanol were placed in a 100 mL high-pressure reactor containing a glass liner, and 0.84 g of 5 wt% Pd / C mmol) and 0.52 g (9.2 mmol) CaO. Then, the reaction solution was reacted at 150 ° C for 20 hours, and the resulting solution was separated. The resultant solution was analyzed by GC. As a result, it was found that a product mixture having the yields shown in Table 1 was synthesized based on the acetone used.

생성물product 수율 (%)Yield (%) 2-pentanone (C5)2-pentanone (C 5 ) 5.545.54 4-methyl-2-pentanone (C6)4-methyl-2-pentanone ( C 6) 0.220.22 2-heptanone (2-C7) 2-heptanone (2-C 7 ) 20.2020.20 4-heptanone (4-C7) 4-heptanone (4-C 7 ) 0.650.65 4-nonanone (C9)4-nonanone (C 9 ) 8.288.28 2-methyl-4-nonanone (C10)2-methyl-4-nonanone ( C 10) 0.420.42 6-undecanone (C11)6-undecanone (C 11 ) 26.0526.05 C13 - C19 C 13 - C 19 1.201.20 AlcoholsAlcohols 6.616.61 AlkanesAlkanes -- Total yieldTotal yield 69.1769.17

실시예Example 2 내지 7 2 to 7

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, Pd/C 및 CaO의 량을 달리하여 수행하였다. Pd/C 및 CaO의 량에 따른 생성물의 조성 및 각 물질의 수율을 하기 표 2에 나타내었다.The procedure of Example 1 was repeated except that the amount of Pd / C and CaO was varied. The composition of the product and the yield of each material according to the amount of Pd / C and CaO are shown in Table 2 below.

Pd/C 량 (mmol)Pd / C (mmol) CaO 량 (mmol)Amount of CaO (mmol) 수율 (%)Yield (%) 총 수율(%)Total yield (%) C5 C 5 C6 C 6 2-C7 2-C 7 4-C7 4-C 7 C9 C 9 C10 C 10 C11 C 11 C13-C19 C 13 -C 19 AlcoholsAlcohols AlkanesAlkanes 실시예 2Example 2 0.10.1 4.64.6 6.076.07 0.370.37 17.3317.33 0.150.15 1.301.30 0.100.10 2.362.36 -- 0.360.36 -- 28.0428.04 실시예 3Example 3 0.20.2 4.64.6 7.447.44 0.470.47 22.1622.16 0.000.00 2.332.33 0.150.15 4.994.99 -- 0.760.76 -- 38.3038.30 실시예 4Example 4 0.40.4 4.64.6 8.098.09 0.600.60 24.9324.93 0.340.34 3.163.16 0.230.23 6.636.63 0.410.41 0.950.95 -- 45.3445.34 실시예 5Example 5 0.60.6 4.64.6 6.786.78 0.470.47 20.3920.39 0.180.18 1.561.56 0.110.11 3.013.01 -- 0.750.75 -- 22.2522.25 실시예 1Example 1 0.40.4 9.29.2 5.545.54 0.220.22 20.2020.20 0.650.65 8.288.28 0.420.42 26.0526.05 1.201.20 6.616.61 -- 69.1769.17 실시예 6Example 6 0.40.4 18.418.4 4.524.52 0.540.54 15.7615.76 0.490.49 6.056.05 0.850.85 15.6315.63 0.520.52 5.645.64 -- 50.0050.00 실시예 7Example 7 0.40.4 36.836.8 2.592.59 0.580.58 7.577.57 0.540.54 5.125.12 1.391.39 16.0416.04 0.330.33 6.206.20 -- 40.3640.36

실시예Example 8 내지 16 8 to 16

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 반응 온도 및 반응 시간을 달리하여 수행하였다. 반응 온도 및 반응 시간에 따른 생성물의 조성 및 각 물질의 수율을 하기 표 3에 나타내었다.The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature and the reaction time were different. The composition of the product and the yield of each material according to reaction temperature and reaction time are shown in Table 3 below.

반응 온도 ()Reaction temperature () 반응 시간 (h)Reaction time (h) 수율 (%)Yield (%) 총 수율
(%)
Total yield
(%)
C5 C 5 C6 C 6 2-C7 2-C 7 4-C7 4-C 7 C9 C 9 C10 C 10 C11 C 11 C13-C19 C 13 -C 19 AlcoholsAlcohols AlkanesAlkanes 실시예 8Example 8 150150 55 5.255.25 0.390.39 22.3922.39 0.200.20 2.582.58 0.230.23 7.367.36 -- 0.710.71 -- 39.1139.11 실시예 9Example 9 150150 1010 5.775.77 0.400.40 23.0023.00 0.600.60 5.645.64 0.400.40 9.339.33 0.420.42 1.731.73 -- 47.2947.29 실시예 10Example 10 150150 1515 6.986.98 0.460.46 22.4422.44 0.700.70 6.746.74 0.490.49 16.4016.40 0.930.93 2.912.91 -- 58.0558.05 실시예 1Example 1 150150 2020 5.545.54 0.220.22 20.2020.20 0.650.65 8.288.28 0.420.42 26.0526.05 1.201.20 6.616.61 -- 69.1769.17 실시예 11Example 11 150150 2525 6.256.25 0.320.32 19.9119.91 0.940.94 9.649.64 0.580.58 25.7225.72 1.481.48 9.009.00 -- 73.8473.84 실시예 12Example 12 150150 4040 4.304.30 0.260.26 12.7212.72 0.910.91 8.918.91 0.540.54 24.4324.43 1.801.80 20.5020.50 -- 74.3774.37 실시예 13Example 13 150150 5050 4.264.26 0.260.26 12.5012.50 0.920.92 8.408.40 0.500.50 21.5721.57 1.951.95 24.8024.80 -- 75.1675.16 실시예 14Example 14 120120 2020 6.356.35 0.490.49 22.4922.49 0.770.77 6.606.60 0.550.55 13.6013.60 0.430.43 2.042.04 -- 53.3253.32 실시예 15Example 15 180180 2020 3.843.84 0.130.13 9.179.17 1.181.18 11.6311.63 0.580.58 33.7933.79 2.382.38 17.4917.49 0.270.27 80.4680.46 실시예 16Example 16 210210 2020 2.872.87 0.180.18 9.759.75 0.410.41 6.116.11 0.400.40 29.8629.86 3.433.43 23.4623.46 4.944.94 81.4181.41

실시예Example 17 17

상기 실시예 1의 반응 후, 온도를 270 ℃로 증가시키고 수소를 200 psig 첨가한 후 20 시간 동안 반응시켰다. 반응 후 생성물의 조성 및 각 물질의 수율을 하기 표 4에 나타내었다.After the reaction of Example 1, the temperature was increased to 270 DEG C, 200 psig of hydrogen was added, and the reaction was carried out for 20 hours. The composition of the product after the reaction and the yield of each material are shown in Table 4 below.

수율 (%)Yield (%)
수율
(%)
gun
yield
(%)
Total ketoneTotal ketone Total alcoholTotal alcohol HydrocarbonHydrocarbon n-C6 nC 6 n-C7 nC 7 n-C9 nC 9 n-C10 nC 10 n-C11 nC 11 n-C13-C19 nC 13 -C 19 1회 재사용Reuse once 2.802.80 0.090.09 0.000.00 18.1518.15 15.5915.59 0.620.62 40.2340.23 3.863.86 81.3481.34

실시예Example 18 18

상기 실시예 1의 반응 후, 고체 촉매를 분리한 후 재사용하여 상기 실시예 1과 동일하게 반응을 실시하였다. 그 결과 생성물의 수율을 하기 표 5에 나타내었다.After the reaction of Example 1, the solid catalyst was separated and reused, and the reaction was carried out in the same manner as Example 1. The yield of the resulting product is shown in Table 5 below.

수율 (%)Yield (%) 총 수율 (%)Total yield (%) C5 C 5 C6 C 6 2-C7 2-C 7 4-C7 4-C 7 C9 C 9 C10 C 10 C11 C 11 C13-C19 C 13 -C 19 alcoholsalcohols alkanesalkanes 실시예1Example 1 5.545.54 0.220.22 20.2020.20 0.650.65 8.288.28 0.420.42 26.0526.05 1.201.20 6.616.61 -- 69.1769.17 실시예 18
(1회 재사용)
Example 18
(One time reuse)
6.066.06 0.340.34 21.1421.14 0.540.54 6.686.68 0.380.38 21.0921.09 0.560.56 3.093.09 0.060.06 59.9459.94

실시예Example 19 내지 20 19 to 20

상기 실시예 18의 반응 후, 고체 촉매를 분리한 후 재사용하여 상기 실시예 1과 동일하게 반응을 실시하였다(2회 재사용/ 실시예 19). After the reaction of Example 18, the solid catalyst was separated and reused, and the reaction was carried out in the same manner as in Example 1 (2 times of reuse / Example 19).

또한, 상기 실시예 19의 반응 후, 고체 촉매를 분리하고, 분리한 고체 촉매를 500 ℃에서 3 시간 동안 수소로 처리한 후, 상기 실시예 1과 동일하게 반응을 실시하였다(2 회 재사용 후 활성화/ 실시예 20). 그 결과 생성물의 수율을 하기 표 6에 나타내었다.After the reaction of Example 19, the solid catalyst was separated and the separated solid catalyst was treated with hydrogen at 500 캜 for 3 hours, and then the reaction was carried out in the same manner as in Example 1 / Example 20). The yield of the resulting product is shown in Table 6 below.

수율 (%)Yield (%) 총 수율 (%)Total yield (%) C5 C 5 C6 C 6 2-C7 2-C 7 4-C7 4-C 7 C9 C 9 C10 C 10 C11 C 11 C13-C19 C 13 -C 19 alcoholsalcohols alkanesalkanes 실시예 19
(2회 재사용)
Example 19
(Reuse twice)
1.321.32 0.510.51 6.706.70 0.000.00 0.430.43 0.170.17 1.911.91 -- 2.292.29 -- 13.3313.33
실시예 20
(2회 재사용후활성화)
Example 20
(Activated after reuse twice)
4.424.42 0.160.16 15.1215.12 0.700.70 9.569.56 0.380.38 29.4229.42 0.400.40 7.707.70 0.140.14 68.0068.00

비교예Comparative Example 1 내지 3 1 to 3

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 촉매로 Pd/C과 K3PO4를 이용하여 반응한 결과(비교예 1), 반응 후 고체 촉매를 분리하여 반응에 재사용한 결과(비교예 2), 500 ℃에서 3 시간 동안 수소로 처리하여 재사용 후 반응에 사용한 결과(비교예 3)를 하기 표 7에 나타내었다.The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that Pd / C and K 3 PO 4 were used as catalysts (Comparative Example 1), and the solid catalyst was separated and reacted for reaction (Comparative Example 2) Table 3 shows the results (Comparative Example 3) used in the reaction after re-use by treatment with hydrogen for 3 hours at 500 ° C.

비교예 4 내지 6Comparative Examples 4 to 6

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 촉매로 Pd/C와 K2CO3를 이용하여 반응한 결과(비교예 4), 반응 후 고체 촉매를 분리하여 반응에 재사용한 결과(비교예 5), 500 ℃에서 3 시간 동안 수소로 처리하여 재사용 후 반응에 사용한 결과(비교예 6)를 하기 표 7에 나타내었다.The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that Pd / C and K 2 CO 3 were used as catalysts (Comparative Example 4), and the solid catalyst was separated after the reaction and reused for the reaction (Comparative Example 5) The results of the re-use (Comparative Example 6) after the treatment with hydrogen for 3 hours at 500 ° C are shown in Table 7 below.

수율 (%)Yield (%)
수율
(%)
gun
yield
(%)
C5 C 5 C6 C 6 2-C7 2-C 7 4-C7 4-C 7 C9 C 9 C10 C 10 C11 C 11 alcoholsalcohols Pd/C-K3PO4 Pd / CK 3 PO 4 비교예 1Comparative Example 1 4.244.24 0.560.56 17.0117.01 0.360.36 3.243.24 0.300.30 8.008.00 11.4311.43 45.2445.24 비교예 2Comparative Example 2 2.082.08 0.050.05 13.1013.10 0.040.04 0.570.57 0.020.02 2.912.91 1.111.11 19.9519.95 비교예 3Comparative Example 3 1.481.48 0.240.24 2.992.99 0.000.00 0.510.51 0.070.07 0.830.83 1.601.60 7.767.76 Pd/C-K2CO3 Pd / CK 2 CO 3 비교예 4Comparative Example 4 4.174.17 0.250.25 18.8418.84 0.460.46 2.872.87 0.180.18 8.518.51 8.808.80 44.1844.18 비교예 5Comparative Example 5 3.003.00 0.170.17 13.2013.20 0.210.21 0.800.80 0.160.16 1.501.50 0.700.70 19.7919.79 비교예 6Comparative Example 6 1.441.44 0.000.00 11.8311.83 0.570.57 0.510.51 0.000.00 2.392.39 1.721.72 18.5518.55

상기 표 2를 참조하면, 아세톤, 에탄올, 부탄올, 팔라듐 및 CaO의 바람직한 몰비인, 2.3 : 3.7 : 1 : 0.4 : 4.6-36.8에서 우수한 수율을 보이는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 2, it can be seen that the preferred yields are obtained at a preferred molar ratio of acetone, ethanol, butanol, palladium and CaO of 2.3: 3.7: 1: 0.4: 4.6-36.8.

또한, 상기 표 3을 참조하면, 바람직한 반응시간 및 반응온도인, 150-210 ℃ 및 15-50 시간에서 우수한 수율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Also, referring to Table 3, it can be confirmed that excellent yields are obtained at 150-210 ° C and 15-50 hours, which is the preferred reaction time and reaction temperature.

또한, 표 4를 참조하면, 실시예 1의 반응 후 수소를 첨가하여 재반응시키는 과정을 통하여 탄소의 함량이 높은 고탄소 화합물의 수율이 현저히 상승되는 것을 확인할 수 있다. Also, referring to Table 4, it can be seen that the yield of the high-carbon compound having a high carbon content is remarkably increased through the process of reacting with hydrogen after the reaction of Example 1.

또한, 표 5 내지 6을 참조하면, 실시예 1의 반응 후 분리된 고체 촉매를 1 회 재사용하는 경우에 비해 2 회 재사용 후 수율이 저하되었으나, 고체 촉매의 고온에서의 수소화 처리를 통한 활성화 후 재사용 할 경우에는 높은 수율의 탄소 화합물을 얻을 수 있었다.In addition, referring to Tables 5 to 6, the yield after the reuse of the solid catalyst obtained after the reaction of Example 1 was lowered compared to the case where the solid catalyst was reused once. However, the yield after re- , A high yield of carbon compound was obtained.

반면, 표 7을 참조하면, 종래에 사용되었던 촉매 Pd/C-K3PO4 Pd/C-K2CO3를 촉매로 사용하여 반응시킨 결과, 본 발명에 따른 Pd/C-CaO 촉매를 사용할 경우에 비하여 현저히 낮은 수율을 보였고, 2 회 사용(재사용)할 경우에는 더욱 낮은 수율을 보였으며, 촉매의 고온에서의 수소화 처리를 통하여 활성화를 시킨 후, 촉매를 재사용할 경우에는 오히려 더 낮은 수율을 보임을 확인할 수 있다.On the other hand, referring to Table 7, the catalysts Pd / CK 3 PO 4 and As a result of the reaction using Pd / CK 2 CO 3 as a catalyst, the yield was remarkably low as compared with the case of using the Pd / C-CaO catalyst according to the present invention, and the yield was lower when used (reused) twice . It can be seen that, when the catalyst is activated through the hydrogenation treatment at a high temperature, the catalyst is reused, the yield is lower.

한편, 도 2는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 Pd/C-CaO 촉매의 사용 전(a), 1 회 사용 후(b), 2 회 사용 후(c), 및 활성화 처리 후(d)의 X-선 회절(XRD) 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, Pd/C-CaO 촉매를, ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 알칸의 생성반응에, 1 회 사용한 후 CaO의 결정구조에서 칼사이트(calcite) 및 바테라이트(vaterite)의 두 가지 형태의 CaCO3로 변형되며, 2 회 사용(재사용) 후 칼사이트(calcite), 바테라이트(vaterite), 아라고나이트(aragonite)의 세 가지 형태의 CaCO3로 변형됨을 확인할 수 있다. 또한, 500 ℃의 수소 분위기하에서 30 분 동안 수소화 처리하여 활성화시킴으로써, CaO의 결정구조로 전환되는 것을 확인할 수 있다.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the amount of the Pd / C-CaO catalyst prepared in Example 1 of the present invention before use (a), after one use (b), after two uses (c) Ray diffraction (XRD) characteristics. Referring to FIG. 2, the Pd / C-CaO catalyst is used in the reaction of producing the high carbon alkane using the ABE fermentation product. After the use of the Pd / C-CaO catalyst, the calcite and the vaterite and variations in the form of CaCO 3, we can see that twice using (re) after calcite (calcite), light bate (vaterite), transformed into three forms of CaCO 3 in aragonite (aragonite). Further, it can be confirmed that it is converted into the crystal structure of CaO by hydrotreating for 30 minutes under a hydrogen atmosphere at 500 DEG C and activating.

그러므로 본 발명에 따르면, 재사용이 가능한 팔라듐계 촉매 및 CaO 염기촉매의 혼합촉매를 이용하여, 용매가 없는 조건에서 ABE 발효 생성물로부터 C5-C19 범위의 탄화수소 화합물을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a method for producing a C 5 -C 19 hydrocarbon compound from an ABE fermentation product under a solvent-free condition using a reusable palladium-based catalyst and a CaO base catalyst mixed catalyst .

Claims (11)

팔라듐계 촉매 및 CaO를 포함하는, ABE 발효 생성물의 고탄소 화합물 전환 반응용 촉매.A catalyst for the conversion of a high carbon compound of an ABE fermentation product comprising a palladium-based catalyst and CaO. 제1항에 있어서,
상기 팔라듐계 촉매는 Pd, Pd(OAc)2, Pd2(dba)3, Pd(OH)2/C, Pd/C, Pd/CaCO3, Pd/알루미나 및 Pd-폴리에틸렌이민/실리카 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, ABE 발효 생성물의 고탄소 화합물 전환 반응용 촉매.
The method according to claim 1,
The palladium catalyst is selected from Pd, Pd (OAc) 2 , Pd 2 (dba) 3 , Pd (OH) 2 / C, Pd / C, Pd / CaCO 3 , Pd / alumina and Pd- A catalyst for the conversion of a high carbon compound of an ABE fermentation product.
제1항에 있어서,
상기 고탄소 화합물은 C5-C19 범위의 탄소 화합물인 것을 특징으로 하는, ABE 발효 생성물의 고탄소 화합물 전환 반응용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the high-carbon compound is a carbon compound in the range of C 5 -C 19 .
(a) (ⅰ) 아세톤, 에탄올 및 부탄올의 혼합물 (ⅱ) 팔라듐계 촉매 및 (ⅲ) CaO를 혼합하고 제1 반응시키는 단계;를 포함하는, ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 화합물의 제조방법.(a) mixing a mixture of (i) acetone, ethanol and butanol, (ii) a palladium-based catalyst and (iii) CaO and performing a first reaction. 제4항에 있어서,
상기 (ⅰ) 아세톤, 에탄올 및 부탄올의 혼합물은 ABE 발효 생성물인 것을 특징으로 하는, ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 화합물의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the mixture of (i) acetone, ethanol and butanol is an ABE fermentation product.
제4항에 있어서,
(b) 상기 (a) 단계의 반응물에 수소를 첨가하여 제2 반응시키는 단계;를 더욱 포함하는, ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 화합물의 제조방법.
5. The method of claim 4,
(b) adding hydrogen to the reactant of step (a) to perform a second reaction.
제4항에 있어서,
상기 (a) 단계의 반응물로부터 상기 팔라듐계 촉매 및 CaO를 분리하여 수소화 처리한 후, 상기 (a) 단계에서 재사용하는 것을 특징으로 하는, ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 화합물의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the palladium-based catalyst and CaO are separated from the reactant in the step (a), hydrogenated, and then reused in the step (a).
제7항에 있어서,
상기 수소화 처리는 400-600 ℃에서 30-300 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 화합물의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the hydrotreating is performed at 400-600 DEG C for 30-300 minutes.
제4항에 있어서,
상기 (a) 단계는 100-230 ℃에서 3-60 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 화합물의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the step (a) is performed at 100-230 ° C for 3-60 hours.
삭제delete 제6항에 있어서,
상기 (b) 단계는 250-300 ℃에서 10-30 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, ABE 발효 생성물을 이용한 고탄소 화합물의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the step (b) is performed at 250-300 ° C for 10-30 hours.
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