KR20070112457A - 루테늄 지르코니아 촉매를 이용한 당알코올류의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 루테늄 지르코니아 촉매를 이용한 당알코올류 제조방법에 관한 것으로, 지르코니아 담체에 루테늄의 분산도가 10 ％ 이상이 되도록 담지하면서, 염소의 함량이 100 ppm 미만인 촉매를 사용하여 비교적 온화한 반응조건에서 당류를 수소화 함으로써 그에 상응하는 당알코올류로 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법으로 수소화 반응 중 촉매성분의 용해 없이 저온, 저압의 온화한 조건에서 연속공정으로 고순도의 당알코올류를 제조함으로써 부산물 및 폐기물이 거의 발생하지 않고, 복잡한 분리공정 없이 당알코올류를 제조할 수 있다.

Description

루테늄 지르코니아 촉매를 이용한 당알코올류의 제조방법{METHOD FOR PREPARING SUGAR ALCOHOLS USING RUTHENIUM ZIRCONIA CATALYST}

본 발명은 지르코니아 담체에 루테늄이 담지된 촉매를 사용하여 당류의 수소화 반응에 의해 그에 상응하는 당알코올류로 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 지르코니아 담체에 루테늄을 10％ 이상의 분산도로 담지하면서, 염소 함량이 100ppm 미만인 촉매를 사용하여 수소화 반응 중 촉매성분의 용해 없이 저온, 저압에서 당류를 수소화하여 그에 상응하는 당알코올류로 제조하는 방법에 관한 것이다.

자일리톨, 솔비톨, 마니톨, 말티톨 등과 같은 당알코올류는 식품첨가제, 의약품, 화장품 등에 널리 사용되는 유용한 물질이다. 일반적으로, 당알코올류는 그 상응하는 당류의 수소화 반응에 의해 대부분 제조되며, 대표적인 예는 다음과 같다.

수소화 방법으로는 미국 특허 제 3,586,537호, 제 4,008,285호 등에서 라니니켈 촉매를 사용하여 회분식 반응기에서 자일로스를 수소화하여 자일리톨을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이러한 제조 방법은 부산물의 생성량이 많아 복잡한 분리 정제 공정과 촉매 회수 공정이 필요하고, 용액 내로 금속이 녹아 나오게 되 며, 촉매가 비활성화 되는 등의 문제점이 있다.

최근에는 회분식 반응의 단점을 극복하기 위하여 니켈계 촉매를 이용한 연속 수소화 제조 방법이 보고되었다. 미국 특허 제 6,414,201호에서는 라니니켈-알루미나 촉매를 이용하여 120℃, 150 kg/cm²의 수소압력에서 자일로스와 같은 당류를 연속 수소화하여 98％ 수율로 자일리톨을 제조하는 방법을 기술하고 있다. 그러나, 이 방법은 반응시간이 지남에 따라 반응 활성이 낮아지는 단점이 있다.

또한, 미국 특허 제 6,124,443호에서는 니켈-철-지르코니아 합금 촉매를 제조, 사용하여 자일로스를 연속 수소화하는 방법을 보고하고 있다. 상기 방법은 60℃, 300kg/cm²의 수소압력 하에서 자일로스를 수소화하여 결정화 후 99.6％ 순도의 자일리톨로 전환되는 장점이 있으나, 고압에 견디는 반응 설비가 필요하고, 촉매를 공기 분위기에 노출시키지 않고 제조, 처리해야 하는 단점을 가지고 있다.

한편, 종래기술에는 루테늄 촉매를 수소화 반응에 사용하는 특허들이 보고되어 있다. 미국 특허 제 3,963,788호에서는 실리카/알루미나 몰비가 3이상인 제올라이트 담체에 루테늄을 담지하여 당류를 수소화하는 방법을 개시하고 있다. 이 특허에서는 염화루테늄 수용액에 제올라이트를 넣고 80℃에서 슬러리 형태로 교반하여 이온교환법으로 루테늄을 치환시킨 후 여과 및 증류수로 세척하여 담체에 치환되지 않은 염화루테늄을 제거하고, 건조, 환원과정을 거쳐 촉매를 제조하였으며, 수소화 반응 후에 사용된 촉매는 산세척을 통해 재생 가능함을 주장하였다. 그러나, 이 방법은 촉매 제조 시 이온교환법을 사용하여 루테늄 전구체의 손실이 많고, 루테늄 함량의 조절이 어려우며, 촉매 재생 공정이 추가되는 단점이 있으며 또한 수율이 97％로 낮아 고순도 당알코올 제조를 위해서는 별도의 분리공정이 필요하다.

미국 특허 제 4,380,679호에서는 알루미나와 같은 무기산화물에 복합된 파이로폴리머 담체에 루테늄과 같은 8족 금속을 담지한 촉매를 제조하여 당류를 수소화하는 방법을 개시하고 있다. 이 특허에서는 알루미나와 같은 무기산화물을 고온에서 유기 열분해성 물질로 처리한 후, 산 또는 염기로 용해하여 제조된 탄소질 파이로폴리머 담체에 금속을 담지시킨 후 소성, 환원과정을 거쳐 촉매를 제조하였으며, 일반 알루미나 담체 촉매와 비교하여 열수에 대한 안정성 및 반응활성이 우수함을 주장하였다. 그러나, 감마 알루미나 담체를 사용하는 경우와 비교하여 수소화 반응 중에 담체의 용해 정도가 상대적으로 개선되기는 하였으나, 여전히 수 ppm단위로 알루미늄이 용해되고, 반응 선택성이 낮은 단점이 있다.

미국 특허 제 4,950,812호에서는 제올라이트와 같은 산성 담체에 루테늄 아민착화합물염을 이온교환시켜 루테늄의 분산도를 높인 촉매를 이용해 가수분해와 수소화를 동시에 진행하여 다당류를 단당 알코올로 전환하는 방법을 기술하였다. 헥사아민루테늄클로라이드 수용액에 암모늄 이온으로 치환된 제올라이트 담체를 넣고 이온교환시켜 루테늄아민으로 치환된 제올라이트를 얻은 후에 이를 여과 및 세척하여 잔류 루테늄 염과 암모늄 염화물을 제거하고, 상온에서 건조 후 수소분위기에서 환원하여 수소화 반응에 사용하였다. 이 방법은 루테늄 아민 착염을 사용하여 이온 교환시 고분산도로 담지할 수 있고, 산성 담체를 사용함으로써 가수분해와 수소화를 동시에 진행하는 장점이 있지만, 가수분해시의 반응온도가 비교적 높아 이 성질화되기 쉬우며 이에 따라 선택적으로 당알코올을 제조하기 어렵고, 담체 성분인 실리콘과 알루미늄이 반응 중 용해되는 문제점이 있다. 또한 염화루테늄과 비교하여 고가의 루테늄 아민 착화합물염을 사용해야 하는 단점이 있다.

미국 특허 제 6,177,598호에서는 루테늄을 포함한 8족 전이금속을 2 ∼ 50 나노미터의 큰세공과 50 ∼ 10,000 나노미터의 중간세공의 적절한 비율을 가진 알루미나와 같은 담체에 담지한 촉매를 사용하여 당류를 수소화하는 경우, 반응 중 금속이 녹아 나오는 문제 없이 99％ 순도의 당알콜류를 제조함을 주장하였다. 그러나, 이 방법 역시 고압 설비와 고순도 제품을 얻기 위해서는 분리 정제 공정이 필요하고, 촉매가 비활성화되는 문제점이 있다.

또한, WO 02100537호에서는 실리카 담체에 할로겐 원소가 없는 루테늄 전구체를 사용하여 소성 없이 건조한 촉매를 환원하여 100℃, 50 kg/cm² 에서 자일로스를 수소화 하는 방법을 보고하고 있으나, 이 방법은 본 발명에서 사용되는 염화루테늄과 비교하여 고가의 루테늄 전구체를 사용하고, 담체인 실리카 성분이 수소화 반응 중 용해되는 문제점이 있다. 또한, 자일리톨의 선택도가 97％로 낮아 반응 후 분리 정제가 필요한 단점이 있다.

미국 특허 제 6,570,043호에서는 루테늄을 티타니아에 담지한 촉매를 사용하여 100℃, 100 kg/cm² 에서 당류를 수소화하는 방법을 개시하고 있으나, 전환율이 높은 경우에는 여전히 낮은 당알코올류의 선택도를 나타내었다.

한편, 수소화 제조법과 달리 효소를 사용하여 자일로스와 같은 당류를 자일 리톨로 전환하는 기술들이 보고되었다. 미국 특허 제 5,998,181호에서는 캔디다 트롭피칼리스 균주를 이용, 48시간 동안 발효하여 자일리톨을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 발효법은 회분식 수소화 제조법에 비해 상대적으로 분리 정제 과정이 용이한 장점이 있으나, 반응 시간이 길고 생산성이 낮은 문제점이 있다.

기술적 과제

이에 따라, 본 발명의 목적은 상기된 문제점을 해결하기 위해 종래의 기술보다 온화한 조건에서 높은 활성과 수명을 갖는 불균일계 촉매를 이용하여 수소화 반응 중 촉매성분의 용해 없이 당류를 선택적으로 수소화함으로써 부산물 및 폐기물이 거의 발생하지 않고, 복잡한 정제 공정이 요구되지 않는 간단한 공정으로 고순도의 당알코올 제조방법을 제공하는 것이다.

기술적 해결방법

본 발명에 따라서, 지르코니아 담체에 루테늄의 분산도가 10％ 이상이 되도록 담지하고 염소의 함량이 100 ppm 미만인 촉매를 사용하여, 반응 온도 20∼150℃, 반응 압력 5∼300 kg/cm²의 조건에서 당류의 수소화 반응에 의해 그에 상응하는 당알코올류로 제조하는 방법이 제공된다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

본 발명의 방법에 따라 종래의 방법과는 달리 지르코니아 담체에 루테늄을 고분산도로 담지시킨 촉매를 사용하여 당류를 수소화시킴으로써, 복잡한 별도의 분리공정 없이 비교적 온화한 반응조건에서 효율적으로 고순도의 당알코올류를 제조할 수 있다.

일반적으로 수소첨가 반응에는 주기율표의 8∼11족 전이 원소들이 많이 사용되며, 특히 당류의 수소화에는 루테늄과 니켈 등이 활성이 높은 것으로 보고되고 있으나, 고압의 반응조건과 이성화, 분해, 중합 반응 등에 의해 부산물이 생성되며 촉매가 비활성화되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제를 고려하여 본 발명에서는 반응용액에 안정하면서 기계적 강도가 센 지르코니아를 담체로 선정하고 이에 루테늄을 고분산도로 담지 시킨 촉매가 사용된다. 이러한 루테늄이 담지된 지르코니아 담체 촉매를 이용하여 당류를 비교적 온화한 반응조건에서 수소화하여 반응 도중에 촉매 성분의 용해 없이 고순도로 당알코올류를 제조할 수 있다. 또한 촉매 제조 시에 염소의 함량을 조절함으로써 촉매의 활성을 안정적으로 유지시킬 수 있다.

본 발명에서 담체로서 지르코니아가 사용될 수 있다. 이 때 담체 전체 중량의 90중량％ 이상이 지르코니아로 구성되어야 하며, 나머지 담체의 성분은 필요에 따라 선택될 수 있으나, 담체 내에 철, 황 등의 불순물의 함유량은 각 성분별로 0.2중량％ 미만으로 포함되는 것이 바람직하다. 담체 성분에 지르코니아가 90중량％ 미만으로 함유되는 경우, 나머지 담체 성분이 될 수 있는 실리카, 알루미나, 점토 성분과 같은 바인더 등의 양이 증가하게 되며 이에 따라 반응 중에 이러한 성분이 용해되어 촉매가 부서지거나 활성이 급격히 감소하는 문제가 있다. 또한, 반응 중에 용해가 잘 되지 않는 티타니아, 황 등과 같은 성분들이 담체에 많아지면, 담체의 비표면적을 급속히 감소시키거나 피독시킨다.

본 발명에서 사용되는 지르코니아는 단사결정, 정사결정, 비결정계 지르코니아가 사용될 수 있다. 사용되는 담체의 표면적은 10∼500m²/g인 것이 바람직하다. 담체의 표면적이 10m²/g 미만인 경우에는 금속이 고르게 분산되기 어렵고, 담체의 표면적이 500m²/g 이상에서는 세공의 크기가 작아져 반응 활성이 오히려 낮아진다. 고정층 반응기를 사용한 연속 수소화 반응을 위해서 반응기의 길이와 직경에 따라 적절한 크기로 성형하여 사용한다.

본 발명에서 사용되는 상기 지르코니아에 루테늄이 담지된 촉매는 다음과 같은 방법으로 제조된다.

즉, 염 상태의 루테늄을 소량의 물에 용해시킨 후 이를 당해 분야에 일반적으로 알려진 함침법으로 지르코니아 담체에 담지하여 제조한다. 본 발명의 루테늄이 담지된 촉매 제조시 루테늄 염으로는 염화루테늄, 질산루테늄, 루테늄니트로실니트레이트, 루테늄아세틸아세토네이트 등이 사용될 수 있으며, 특히 염화루테늄이 바람직하다. 이 때, 촉매활성에 중요한 영향을 미치는 염소함량의 조절에 있어서, 염화루테늄 외에 루테늄니트로실니트레이트, 루테늄아세틸아세토네이트와 같이 염소가 함유되지 않은 전구체를 사용하는 경우에도, 담체 등 그 외의 촉매 제조 과정에서 염소가 존재할 수 있으므로, 촉매의 염소함량 조절이 요구된다.

상기 루테늄 염이 담지된 촉매는 90∼150℃의 온도에서 건조된다. 건조된 촉매는 필요에 따라 질소, 헬륨, 또는 공기 중에서 200∼600℃의 온도에서 소성시킨다. 건조 또는 소성된 촉매는 수소 등의 환원 분위기에서 100∼500℃의 온도로 환원시킨다. 이와 같이 환원된 촉매는 증류수, 암모니아수, 또는 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 무기 염기 수용액으로 충분히 세척하여 염소를 제거한 후 다시 건조시킨다. 소성된 촉매의 경우에는 필요에 따라 환원 전에 세척할 수 있다. 마지막으로 이와 같이 제조된 촉매는 필요한 경우, 수소화 반응에 사용하기 전에 다시 환원시킨 후 사용할 수 있다.

상기와 같이 환원 또는 소성 단계 후에 세척을 하게 되면 염소의 제거와 함께 루테늄 금속이 고르게 분산되는 장점이 있다. 그러나, 담지된 촉매를 소성이나 환원과정 없이 건조 후에 바로 세척하게 되면 담체에 강하게 흡착되지 않은 루테늄 성분들이 과량으로 용해되는 문제가 발생한다. 세척용액으로는 증류수, 암모니아수, 또는 수산화나트륨, 수산화칼륨 등과 같은 무기염기 수용액이 사용될 수 있다. 보다 바람직하게는 염소 제거 능력이 뛰어나고, 촉매 제조 후 잔존 가능성이 낮은 암모니아수가 사용된다. 증류수를 제외한 염기성 수용액으로 세척한 경우에는 필요에 따라 증류수로 추가 세척할 수 있다. 세척시에 필요한 세척용액의 농도는 증류수를 제외하고 0.1∼50 중량％가 바람직하고, 세척용액의 사용량은 촉매 대비 10 ∼ 1,000 배가 바람직하다.

루테늄이 담지된 촉매 내의 염소 함량이 100ppm 미만이 되도록 세척 및/또는 소성 등을 통하여 조절하는 것이 바람직하다. 100ppm 이상의 염소가 함유된 촉매를 사용하는 경우에는 비활성화가 빠르게 진행되며 과량의 부산물이 생성되는 단점이 있다.

본 발명의 일 구현에 있어서, 담체에 담지된 루테늄의 분산도는 10％ 이상으로 유지되는 것이 바람직하다. 루테늄의 분산도가 10％ 미만이면 본 발명에서 원하는 온화한 반응 조건에서 촉매활성이 낮아 고순도의 당알코올 제품을 간단하게 제조할 수 없는 단점이 있다. 또한, 분산도가 낮은 촉매의 활성을 높이기 위해 온도를 높이면 부산물 생성이 증가하는 문제가 있다. 여기서 분산도는 촉매에 들어있는 금속원자의 전체 개수를 기준으로 표면에 노출된 금속 원자의 개수를 백분율로 표시한 값을 의미하며, 표면에 노출된 금속 원자의 개수는 일산화탄소의 화학흡착으로 측정한다.

지르코니아 담체에 담지되는 루테늄 금속의 양은 0.1 ∼ 10 중량％의 범위이다. 루테늄 금속이 0.1 중량％ 보다 작은 경우에는 수소화 반응의 속도가 느려지며, 10 중량％ 보다 많은 경우에는 고가의 귀금속을 필요량 이상 사용하므로 공정의 경제성이 저하된다.

상기한 바와 같이 루테늄이 10 ％ 이상의 분산도로 지르코니아에 담지된 촉매를 사용함으로써 보다 온화한 조건에서 당류를 수소화하여 고순도의 당알코올류를 얻을 수 있다.

본 발명에서 수행되는 수소화 반응 형식은 회분식 또는 연속반응 형식으로 수행될 수 있으며, 운전 비용과 반응 효율 등을 감안할 때 관형 고정층 반응기를 이용한 연속 반응이 보다 바람직하다.

본 발명에서 수소화되는 당류로는 에리스로스, 자일로스, 아라비노스, 글루코스, 갈락토스, 마노스, 프룩토스, 락토스, 락툴로스, 말토스, 이소말툴로스, 탈로스, 람노스, 수크로스, 전분당, 전분 가수분해물, 셀룰로스 가수분해물, 헤미셀룰로스 가수분해물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나의 당 또는 그 이상의 당류 혼합물을 포함한다.

당류는 일반적으로 상온에서 고체 상태이므로 반응 효율을 향상시키기 위해서 당류를 적절한 용매에 녹여 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 목적으로 사용하는 용매로는 원료인 당류와 반응 생성물인 당알코올류를 동시에 용해시킬 수 있는 용매가 모두 사용되나, 일반적으로 물 또는 알코올을 단독으로 사용하거나 또는 그 혼합물을 사용하는 것이 바람직하며, 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 보다 바람직하게는, 물을 단독으로 사용하거나 물과 에탄올을 혼합하여 사용한다. 용매를 사용하는 경우, 용액 중의 당류의 농도는 제한이 없으나, 1∼60 중량％가 바람직하다.

본 발명의 방법에서 당류의 수소화 반응은 20∼150℃의 온도에서 행하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 30∼130℃이다. 20℃ 보다 낮으면 반응 속도가 느려지고, 150℃ 보다 높으면 부반응이 증가하며 반응 후 색을 나타내는 등의 문제가 있다.

본 발명의 방법에 의한 당류의 수소화 반응은 5∼300 kg/cm² 범위의 압력에서 행하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10∼200 kg/cm² 이다. 반응압력이 5 kg/cm² 보다 낮은 경우에는 반응속도가 느려지고, 반응압력이 300 kg/cm² 보다 높은 경우에는, 반응에는 문제가 없으나 고압을 사용함으로 인한 장치 비용의 증가로 공정의 경제성이 저하된다.

또한, 상기 수소화 반응에 투입되는 수소의 양은 당류 사용량의 1 ∼ 50 몰배가 적당하다.

수소화 반응의 형식이 연속 반응인 경우, 촉매의 중량에 대해 투입되는 당류의 중량 공간 속도는 약 0.05∼10 h^-1 범위가 적당하다. 이 때 중량 공간 속도가 너무 느리면 운전 비용 증가로 경제성이 저하되고, 중량 공간 속도가 너무 빠르면 반응이 충분히 일어나지 않는 문제점이 있다.

이와 같이 본 발명의 방법으로 제조된 당알코올류는 종래 방법과 비교하여 저온, 저압의 온화한 조건에서 연속 공정으로, 촉매성분의 용해 없이 선택적으로 당알코올류를 제조함으로써 부산물 및 폐기물이 거의 발생하지 않는 친환경적인 공정임은 물론, 복잡한 분리 공정 없이 99.5％ 이상의 고순도 당알코올류를 제조할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 하기 실시예로 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니다.

실시예 1

3 mm 크기의 펠렛 형태로 성형된 지르코니아의 함량이 99 중량％인 담체에 3중량％가 되도록 염화루테늄을 고르게 담지하고, 110℃에서 6시간동안 건조한 후, 수소를 흘리면서 350℃에서 6시간 동안 환원을 실시하였다. 환원된 촉매는 5중량％의 암모니아수로 촉매 양 대비 100 배의 양을 사용하여 염소 이온을 충분히 세척하였다. 세척 후 110℃에서 6시간동안 재건조하여 루테늄의 분산도가 40％이고, 염소의 함량이 50 ppm 함유된 루테늄 촉매를 제조하였다. 제조한 촉매 6g을 스테인레스 스틸 재질의 고정층 관형 반응기에 충진한 다음, 수소를 분당 50cc의 속도로 흘리면서 350℃에서 6시간 동안 환원을 실시하였다. 환원반응 완료 후에 투입되는 자일로스의 6몰 배가 되도록 수소 유량을 조절하고, 반응기 온도를 60℃, 반응압력을 50 kg/cm²으로 한 후, 이어서 0.10h^-1의 중량공간속도(자일로스 기준)로 반응원료를 투입하면서 반응을 시작하였다. 반응원료로는 증류수에 40중량％가 되도록 자일로스를 용해하여 사용하였고, 반응 생성물은 굴절률 검출기가 부착된 액체 크로마토그래피로 분석하였다. 반응 후 100시간 동안 자일로스의 평균 전환율 99.9％, 자일리톨의 선택도 99.8％를 얻었으며, 이 후 3,000 시간 이상 연속 반응하여도 활성 저하는 나타나지 않았다. 수소화 반응 후 용액 내에 루테늄과 지르코니움은 각각 1 ppm 도 검출되지 않았다.

실시예 2

반응물을 글루코스로 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 반응을 수행하였다. 반응 후 100시간 동안 글루코스의 평균 전환율 99.9 ％, 솔비톨의 선택도 99.8 ％를 얻었으며, 이 후 1,000시간 이상 연속 반응하여도 활성 저하는 나타나지 않았다. 반응 후 용액 내에 루테늄과 지르코니움은 각각 1 ppm 도 검출되지 않았다.

실시예 3

반응물로 자일로스 80 ％, 아라비노스 9 ％, 갈락토스 5 ％, 글루코스 6 ％를 포함한 당류를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 반응을 수행하였다. 반응 후 100시간 동안 수소화된 당알콜류의 평균 순도는 자일리톨이 79.8 ％, 아라비톨의 순도 9.2 ％, 갈락티톨 5 ％, 솔비톨 5.9 ％를 얻었으며, 이 후 1,000시간 이상 연속 반응하여도 활성 저하는 나타나지 않았다. 반응 후 용액 내에 루테늄과 지르코니움은 각각 1 ppm 도 검출되지 않았다.

실시예 4

3 mm 크기의 펠렛 형태로 성형된 지르코니아의 함량이 99 중량％인 담체에 3 중량％가 되도록 염화루테늄을 고르게 담지하고, 110℃에서 6시간 동안 건조한 후, 질소분위기에서 500℃에서 5시간 동안 소성하였다. 소성된 촉매는 5 중량％의 암모니아수로 촉매 양 대비 100 배의 양을 사용하여 충분히 세척하여 염소를 제거한 후 110℃에서 6시간 동안 재건조한 다음 수소를 흘리면서 350℃에서 6시간 동안 환원을 실시하여 루테늄의 분산도가 30％이고, 염소의 함량이 40 ppm 함유된 루테늄 촉매를 제조하였다. 제조한 촉매 6 g을 스테인레스 스틸 재질의 고정층 관형 반응기에 충진한 다음, 수소를 분당 50 cc의 속도로 흘리면서 350℃에서 3시간 동안 환원을 실시하였다. 환원반응 완료후에 투입되는 자일로스의 6몰 배가 되도록 수소 유량을 조절하고, 반응기 온도를 60℃, 반응압력을 50 kg/cm²으로 한 후, 이어서 0.10h^-1 의 중량공간속도(자일로스 기준)로 반응원료를 투입하면서 반응을 시작하였다. 반응원료로는 증류수에 40중량％가 되도록 자일로스를 용해하여 사용하였고, 반응 생성물은 굴절률 검출기가 부착된 액체 크로마토그래피로 분석하였다. 반응 후 100시간 동안 자일로스의 평균 전환율 99.9 ％, 자일리톨의 선택도 99.7 ％를 얻었으며, 이 후 1,000시간 이상 연속 반응하여도 활성 저하는 나타나지 않았다. 반응 후 용액 내에 루테늄과 지르코니움은 각각 1 ppm도 검출되지 않았다.

실시예 5

3 mm 크기의 펠렛 형태로 성형된 지르코니아의 함량이 99 중량％인 담체에 3 중량％가 되도록 염화루테늄을 고르게 담지하고, 110℃에서 6시간 동안 건조한 후, 질소분위기에서 500℃에서 5시간 동안 소성하였다. 소성한 촉매는 수소를 흘리면서 350℃에서 6시간 동안 환원 후, 5 중량％의 암모니아수로 촉매 양 대비 100 배의 양을 사용하여 충분히 세척하여 염소를 제거하였다. 세척한 촉매는 110℃에서 6시간 동안 재건조하여 루테늄의 분산도가 28 ％이고, 염소의 함량이 35 ppm 함유된 루테늄 촉매를 제조하였다. 제조한 촉매 6 g을 스테인레스 스틸 재질의 고정층 관형 반응기에 충진한 다음, 수소를 분당 50 cc의 속도로 흘리면서 350℃에서 3시간 동안 환원을 실시하였다. 환원반응 완료후에 투입되는 자일로스의 6몰 배가 되도록 수소 유량을 조절하고, 반응기 온도를 60℃, 반응압력을 50 kg/cm²으로 한 후, 이어서 0.10 h^-1 의 중량공간속도(자일로스 기준)로 반응원료를 투입하면서 반응을 시작하였다. 반응원료로는 증류수에 40 중량％가 되도록 자일로스를 용해하여 사용하였고, 반응 생성물은 굴절률 검출기가 부착된 액체 크로마토그래피로 분석하였다. 반응 후 100시간 동안 자일로스의 평균 전환율 99.9 ％, 자일리톨의 선택도 99.7 ％를 얻었으며, 이 후 1,000시간 이상 연속 반응하여도 활성 저하는 나타나지 않았다. 반응 후 용액 내에 루테늄과 지르코리움은 각각 1 ppm도 검출되지 않았다.

비교예 1

지르코니아를 담체로 하여 루테늄의 분산도가 4％이고, 염소의 함량이 60 ppm인 3 중량％ 루테늄 촉매를 제조하여 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 반응을 수행하였다. 반응 후 100시간 동안 자일로스의 평균 전환율 80.0 ％, 자일리톨의 선택도 99.8 ％를 얻었다. 분산도가 낮음으로 인해 고순도 당알코올을 직접 얻을 수 없고, 생산효율이 낮아 재순환 반응 공정이 필요하였다.

비교예 2

지르코니아에 염화루테늄을 고르게 담지하고, 110℃에서 6시간 동안 건조한 후, 세척단계 없이 수소를 흘리면서 350℃에서 6시간 동안 환원을 실시하여 루테늄의 분산도가 30％이고, 염소의 함량이 1,000 ppm 함유된 3 중량％ 루테늄 촉매를 제조하여 사용하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 반응을 수행하였다. 반응 후 20시간 동안 자일로스의 평균 전환율 99.9 ％, 자일리톨의 선택도 99.7 ％를 얻었으며, 시간이 경과하면서 촉매는 비활성화되어 270시간 후 자일로스의 전환율 95.5 ％를 얻었다.

비교예 3

2 ∼ 50nm의 큰 세공이 세공부피의 85.3 ％, 50∼10,000 nm의 중간 세공이 세공부피의 14.7％로 구성된 알루미나 담체에 분산도가 3 ％이고, 염소의 함량이 70 ppm 함유된 3 중량％의 루테늄이 담지된 촉매를 제조하여 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 반응을 수행하였다. 반응 후 10시간 동안 자일로스의 평균 전환율 82.1 ％, 자일리톨의 선택도 99.7 ％를 얻었으며, 반응 시간이 경과하면서 촉매는 비활성화되어 48시간 후 자일로스의 전환율은 72.1 ％를 얻었다. 반응 후 용액 내에 루테늄은 1 ppm 도 검출되지 않았으나, 알루미늄이 60 ppm 검출되어 반응 중 담체 성분이 용해됨을 확인하였다.

비교예 4

실리카를 담체로 하여 루테늄의 분산도가 2.8 ％ 이고, 염소의 함량이 50 ppm 함유된 3중량％ 루테늄 촉매를 제조하여 사용하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 반응을 수행하였다. 반응 후 100시간 동안 자일로스의 평균 전환율 76.0％, 자일리톨의 선택도 99.8 ％를 얻었다. 분산도가 낮음으로 인해 시간당 생산효율이 감소하였다. 반응 후 용액 내에 루테늄은 1 ppm 도 검출되지 않았으나, 실리콘이 20 ppm 검출되어 반응 중 담체 성분이 용해됨을 확인하였다.

지르코니아 담체에 루테늄의 분산도가 10 ％이상 되도록 담지하면서, 염소의 함량이 100 ppm 미만인 촉매를 사용함으로써 반응 중 촉매성분의 용해 없이 보다 온화한 저온, 저압의 조건에서 연속 공정을 사용하여 선택적으로 당알코올류를 제조함으로 인해, 부산물 및 폐기물이 거의 발생하지 않는 친환경적 방법이 제공되며, 복잡한 별도의 분리 공정 없이 효율적, 경제적으로 고순도의 당알코올류가 제조된다.

Claims (14)

1. 지르코니아 담체에 루테늄의 분산도가 10 ％이상이 되도록 담지하고 염소함량이 100 ppm 미만인 촉매를 사용하여, 반응온도 20 ∼ 150℃, 반응압력 5 ∼ 300 kg/cm² 의 조건하에서 당류를 수소화 반응에 의해 그에 상응하는 당알코올류로 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 담체 전체 중량의 90 중량％ 이상이 지르코니아임을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 담체의 표면적이 10 ∼ 500 m²/g 인 것을 특징으로 하는 당알콜류의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 루테늄은 촉매의 중량을 기준으로 0.1 ∼ 10 중량％로 포함됨을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 내의 루테늄 분산도가 11 ∼ 100 ％ 되도록 제조된 촉매를 사용함을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 촉매는 루테늄을 담체에 담지한 후 90 ∼ 150℃에서 건조하고, 환원 분위기에서 100 ∼ 500℃의 온도에서 환원시킨 후, 증류수, 암모니아수, 또는 수산화나트륨, 수산화 칼륨과 같은 무기 염기 수용액으로 세척한 다음 건조 시킨 것임을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 촉매는 루테늄을 담체에 담지한 후 90 ∼ 150 ℃에서 건조하고, 200 ∼ 600 ℃의 온도에서 소성시킨 후 환원 분위기에서 100 ∼ 500 ℃의 온도로 환원시킨 다음, 증류수, 암모니아수 또는 수산화 나트륨, 수산화 칼륨과 같은 무기염기 수용액으로 세척하고 건조시킨 것임을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 촉매는 루테늄을 담체에 담지한 후 90 ∼ 150℃에서 건조하고, 200 ∼ 600 ℃에서 소성시킨 후에 증류수, 암모니아수 또는 수산화나트륨, 수산화칼륨과 같은 무기염기 수용액으로 세척하고 건조시킨 다음 환원분위기에서 100 ∼ 500 ℃의 온도에서 환원시킨 것임을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 당류는 에리스로스, 자일로스, 아라비노스, 글루코스, 갈락토스, 마노스, 프룩토스, 락토스, 락툴로스, 말토스, 이소말툴로스, 탈로스, 람노스, 수크로스, 전분당, 전분 가수분해물, 셀룰로스 가수분해물, 헤미셀룰 로스 가수분해물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 혼합물을 포함함을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.
10. 제 1항에 있어서, 당류는 용매에 녹여 사용할 수 있으며, 이 때 사용되는 용매는 물, 알코올 또는 그 혼합물로부터 선택됨을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올 및 이들의 혼합물임을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 반응온도는 30 ∼ 130 ℃임을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 반응압력이 10 ∼ 200 kg/cm² 임을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.
14. 제 1항에 있어서, 상기 수소화 반응이 연속 반응일 경우, 당류의 중량 공간 속도는 0.05 ∼ 10 h^-1 임을 특징으로 하는 당알코올류의 제조방법.