KR20120123189A - Preparing method from sugar to sugar alcohols by catalytic hydrogenation - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of sugar alcohols is provided to continuously manufacture sugar alcohols with high yield through a repeated catalytic hydrogenation of sugars without regeneration of a catalyst. CONSTITUTION: A manufacturing method of sugar alcohols comprises a step of preparing sugar alcohols through a hydrogenation of sugars by using a supported catalyst. The supported catalyst is that ruthenium is supported into a single support or a mixture support selected from silica, alumina, and titania. The support has a coating consisting of nickel metal oxide. The hydrogenation is conducted at the reaction temperature 60-200 °C and reaction pressure of 2-200 MPa. The comprised amount of the ruthenium is 0.2-15 weight% based on the total weight.

Description

당류의 촉매 수소화에 의한 당알코올류의 제조방법{Preparing method from sugar to sugar alcohols by catalytic hydrogenation}Preparation method of sugar alcohols by catalytic hydrogenation of sugars {Preparing method from sugar to sugar alcohols by catalytic hydrogenation}

본 발명은 당류의 촉매 수소화에 의해 당알코올류를 연속적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for continuously producing sugar alcohols by catalytic hydrogenation of sugars.

석유, 가스 및 석탄 등의 화석원료는 그 자원의 유한성으로 인하여 가격이 지속적으로 상승하고 있으며, 이의 원활한 확보를 위한 국가 간 경쟁이 가열되고 있다. 더욱이 화석원료로부터 생산되는 화학제품들은 제조공정에서 부산물로 지구온난화 가스와 폐기물을 발생시켜 환경오염을 초래하고 있으며, 이는 기존의 화학산업을 급격히 위축시키는 요인이 되고 있다.Fossil raw materials, such as oil, gas and coal, continue to rise in price due to the finite nature of their resources, and competition between countries is heating up to secure them. Moreover, chemical products produced from fossil raw materials generate global warming gases and wastes as by-products in the manufacturing process, resulting in environmental pollution, which is rapidly declining the existing chemical industry.

에너지의 대부분을 수입에 의존하는 우리나라에서는 국가안보와 지속적인 경제성장을 유지하기 위해 에너지 수입 의존도를 최대한 감소시킬 수 있는 장기적인 에너지 수급정책의 수립과 근본적인 청정 대체 에너지 개발이 필수적이다. 이러한 현실에서 바이오매스는 화석연료의 고갈과 환경오염에 대한 우려를 해소할 수 있는 대체 에너지의 한 분야로 주목받고 있다. 석유자원의 고갈과 고유가 행진에 따른 석유 수급 불안, 화석연료 사용으로 인한 온실기체 배출억제 등 환경규제 강화 움직임이 세계 경제의 발전에 저해요인으로 작용하고 있다. 특히 고유가와 환경규제에 가장 직접적인 영향을 받고 있는 화학산업은 화석연료 의존도를 줄이고 환경친화형 산업구조로의 변화가 중요한 대안으로 인식되고 있다. 따라서 화석원료에 기반을 둔 화학공정을 대체할 수 있는, 즉 화석원료의 소비와 인류에게 유해한 폐기물의 생산을 최소화할 수 있는 바이오매스를 원료로 사용하는 환경친화적인 새로운 생물화학공정의 개발이 요구되고 있다.In Korea, where most of the energy depends on imports, it is essential to establish long-term energy supply and demand policies and fundamentally develop clean alternative energy that can reduce the dependence on energy imports as much as possible to maintain national security and sustainable economic growth. In this reality, biomass is attracting attention as a field of alternative energy that can solve the concern about depletion of fossil fuel and environmental pollution. Reinforcement of environmental regulations such as depletion of oil resources, unstable oil supply and demand due to high oil prices, and the suppression of greenhouse gas emissions caused by the use of fossil fuels are hindering the development of the global economy. In particular, the chemical industry, which is most directly affected by high oil prices and environmental regulations, is recognized as an important alternative to reducing the dependency on fossil fuels and changing to an environmentally friendly industrial structure. Therefore, there is a need for the development of a new eco-friendly biochemical process that uses biomass as a raw material that can replace the chemical process based on fossil material, that is, minimize the consumption of fossil material and the production of waste harmful to humankind. It is becoming.

환경친화적인 생물화학 공정개발을 위한 방법으로 최근에 주목할 만한 움직임 가운데 하나는 biomass를 이용한 바이오리파이너리 분야가 두각을 나타내고 있다는 것이다. 바이오리파이너리(biorefinery)란 화석원료를 사용하지 않고, 오로지 바이오매스로부터 생물학적 및 화학적 전환과정을 거쳐 바이오연료 및 화학제품을 제조하는 새로운 개념이다. 기존의 석유화학산업에서 원유를 정제한다는 의미의 오일리파이너리(Oil-refinery)란 용어에 기원을 두고 탄생하기는 했지만 실제로는 바이오매스 원료로부터 생물학적 및 화학적 전환과정을 거쳐 바이오연료를 포함한 모든 바이오 화학제품을 생산하는 전주기적 핵심 기술을 의미한다. One of the notable moves in recent years as a way to develop environmentally friendly biochemical processes is that the biorefinery industry using biomass stands out. Biorefinery is a new concept that produces biofuels and chemicals without the use of fossil raw materials and only through biological and chemical conversion from biomass. Although it was born with the term oil-refinery, which means crude oil refining in the petrochemical industry, all biochemical products including biofuels have gone through biological and chemical conversion process from biomass feedstock. Refers to the whole-cycle core technology to produce.

원유를 원료로 하여 산업용/수송용 연료와 각종 화학제품을 생산하는 오일리파이너리가 종합적인 일관공정으로 개발된 것처럼 바이오리파이너리는 바이오매스를 원료로 바이오 연료인 에탄올, 부탄올, 아세톤 등과 화학원료인 솔비톨, 자이리톨, 젖산, 숙신산 등을 만드는 기술과 이를 구현하기 위한 종합적인 플랜트 시스템으로 구축되는 통합공정으로 개발되고 있다.Biorefiner is a biomass-based raw material such as ethanol, butanol, acetone, and other chemicals such as sorbitol, which is a biomass-based oil refinery that produces industrial / transport fuels and various chemical products. It is being developed as an integrated process that builds a technology for making xyitol, lactic acid and succinic acid and a comprehensive plant system to implement it.

솔비톨, 마니톨, 자일리톨 등과 같은 육탄당과 오탄당의 당알코올류는 식품첨가제, 의약품, 화장품 등에 널리 사용되는 유용한 물질이다. 일반적으로, 이들 당알코올류는 그 상응하는 당류의 수소화 반응에 의해 대부분 제조되며, 대표적인 예는 다음과 같다.Hexose sugars and pentose sugar alcohols such as sorbitol, mannitol, and xylitol are useful substances widely used in food additives, medicines, and cosmetics. In general, these sugar alcohols are mostly prepared by hydrogenation of the corresponding sugars, and representative examples are as follows.

미국 특허 제 3,586,537호, 제 4,008,285호 등에서는 라니니켈 촉매를 사용하여 회분식 반응기에서 자일로스를 수소화하여 자일리톨을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이러한 제조 방법은 부산물이 다량 생성됨에 따라 복잡한 분리 정제 공정과 촉매 회수 공정이 필요할 뿐만 아니라, 반응생성물에 촉매의 활성성분인 니켈이 녹아 나오게 되고, 일정 시간 반응이 진행된 후에 점차로 촉매가 비활성화 되는 문제점이 있다.U.S. Patent Nos. 3,586,537, 4,008,285 and the like disclose a process for producing xylitol by hydrogenating xylose in a batch reactor using a Ranickel catalyst. Such a production method requires complex separation and purification and catalyst recovery as a large amount of by-products are generated, and nickel, which is an active ingredient of the catalyst, is dissolved in the reaction product, and the catalyst is gradually deactivated after a certain time of reaction. have.

미국 특허 제 6,414,201호에서는 연속 수소화 반응기에서 라니니켈-알루미나 촉매를 이용하여 120℃, 150 kg/cm2의 수소압력에서 자일로스와 같은 당류를 연속으로 수소화하여 98% 수율로 자일리톨을 제조하는 방법을 기술하고 있다. 그러나, 이 방법도 반응생성물에 촉매의 활성성분인 니켈이 녹아 나오게 되고, 일정 시간 반응이 진행된 후에 점차로 촉매의 반응 활성이 낮아지는 단점이 있다.US Pat. No. 6,414,201 discloses a process for producing xylitol in 98% yield by continuously hydrogenating a saccharide such as xylose at a hydrogen pressure of 120 ° C. and 150 kg / cm 2 using a Ranickel-Alumina catalyst in a continuous hydrogenation reactor. It is describing. However, this method also has a disadvantage in that nickel, which is an active ingredient of the catalyst, is dissolved in the reaction product, and the reaction activity of the catalyst gradually decreases after the reaction for a predetermined time.

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, 반응생성물에 촉매의 활성성분인 니켈과 철이 녹아 나오게 되고, 장시간 반응이 진행되면 점차로 촉매가 비활성화 되는 문제점이 있다.In addition, US Pat. No. 6,124,443 reports a process for the continuous hydrogenation of xylose using a nickel-iron-zirconia alloy catalyst. The method has the advantage of converting to xylitol of 99.6% purity after crystallization by hydrogenating xylose under hydrogen pressure of 60 ° C. and 300 kg / cm 2 , but requires a high pressure-resistant reaction equipment, which is an active ingredient of the catalyst in the reaction product. Nickel and iron are dissolved, there is a problem that gradually deactivate the catalyst when the reaction proceeds for a long time.

한편, 종래기술에는 라니니켈과 같이 반응시에 용액에 녹지 않는 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 가능하였다. 그러나, 이 방법은 이온교환법을 사용하므로써 촉매 제조 방법이 복잡하고, 촉매 제조 시간이 오래 걸리며 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.On the other hand, the prior art has been reported a patent for using a ruthenium catalyst in the hydrogenation reaction that does not dissolve in the solution during the reaction, such as nickel. U.S. Patent No. 3,963,788 discloses a method of hydrogenating saccharides by supporting ruthenium on a zeolite carrier having a silica / alumina molar ratio of 3 or more. In this patent, zeolite is added to an aqueous solution of ruthenium chloride and stirred in a slurry form at 80 ° C. to replace ruthenium by ion exchange, followed by filtration and washing with distilled water to remove unsubstituted ruthenium chloride from the carrier, followed by drying and reduction. Was prepared, and the catalyst used after the hydrogenation reaction was regenerated by pickling. However, this method has the disadvantages of complicated catalyst preparation method, long catalyst production time, high loss of ruthenium precursor, difficult control of ruthenium content, additional catalyst regeneration process, and high yield by using ion exchange method. As low as%, a separate separation process is required for the production of high purity sugar alcohols.

미국 특허 제 4,380,679호에서는 탄소피로폴리머 담체 위에 루테늄, 니켈과 같은 8족 금속을 담지한 촉매를 제조하여 당류를 수소화하는 방법을 개시하고 있다. 이 특허에서는 무기산화물 표면을 고온에서 유기 열분해성 물질로 처리한 후, 무기물은 산 또는 염기로 용해하고 남은 탄소피로폴리머 담체에 금속을 담지시켜 촉매를 제조하였으며, 일반 알루미나 담체 촉매와 비교하여 열수에 대한 안정성 및 반응활성이 우수함을 주장하였다. 그러나, 탄소피로폴리머 담체의 제조방법이 복잡하고 감마 알루미나 담체를 사용하는 경우와 비교하여 반응 선택성이 낮은 단점이 있다.U. S. Patent No. 4,380, 679 discloses a process for hydrogenating saccharides by preparing a catalyst carrying a Group 8 metal such as ruthenium and nickel on a carbon pyropolymer carrier. In this patent, the inorganic oxide surface was treated with an organic pyrolytic material at a high temperature, and then the inorganic material was dissolved in an acid or a base, and a catalyst was prepared by supporting a metal on the remaining carbon pyropolymer carrier. It was claimed to be excellent in stability and reaction activity. However, there are disadvantages in that the preparation method of the carbon pyropolymer carrier is complicated and the reaction selectivity is low compared with the case of using a gamma alumina carrier.

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 이성질화되기 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.U.S. Patent No. 4,950,812 describes a method of converting polysaccharides to monosaccharide alcohols by simultaneously performing hydrolysis and hydrogenation using a catalyst having an increased dispersibility of ruthenium by ion-exchanging ruthenium amine complex salts in an acidic carrier such as zeolite. The zeolite carrier substituted with ammonium ions was added to an aqueous solution of hexaamine ruthenium chloride, followed by ion exchange to obtain a zeolite substituted with rutheniumamine, followed by filtration and washing to remove residual ruthenium salt and ammonium chloride. To the hydrogenation reaction. This method can be supported by ruthenium amine complex salt with high dispersibility during ion exchange, and has the advantage of simultaneously proceeding hydrolysis and hydrogenation by using acidic carrier, but it is easy to be isomerized due to relatively high reaction temperature during hydrolysis. As a result, it is difficult to selectively prepare sugar alcohols, and there is a problem in that silicon and aluminum, which are carrier components, are dissolved during the reaction. In addition, there is a disadvantage in that expensive ruthenium amine complex salts must be used as compared to ruthenium chloride.

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.U.S. Patent No. 6,177,598 discloses Group 8 transition metals, including ruthenium. 50 nanometers of large pore and 50? When hydrogenated saccharides using a catalyst supported on a carrier such as alumina having an appropriate proportion of 10,000 micrometers of mesopores, it was claimed that 99% purity sugar alcohols were produced without the problem of melting metals during the reaction. However, this method also requires a separate purification process in order to obtain a high-pressure equipment and high purity products, there is a problem that the catalyst is deactivated.

또한, WO 02/100537호에서는 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 담체인 실리카 성분이 수소화 반응 중 용해되는 문제점이 있다. 또한, 자일리톨의 선택도가 97%로 낮아 반응 후 분리 정제가 필요한 단점이 있다.In addition, WO 02/100537 reports a method of hydrogenating xylose at 100 ° C. and 50 kg / cm 2 by reducing a dry catalyst without firing using a ruthenium precursor without a halogen element in a silica carrier. There is a problem that the silica component as a carrier is dissolved during the hydrogenation reaction. In addition, the xylitol has a low selectivity of 97%, which requires a disadvantage of separation and purification after the reaction.

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.US Pat. No. 6,570,043 discloses a method of hydrogenating saccharides at 100 ° C. and 100 kg / cm 2 using a catalyst loaded with ruthenium in titania, but still exhibits low selectivity for sugar alcohols at high conversion rates. It was.

한편, 수소화 제조법과 달리 효소를 사용하여 자일로스와 같은 당류를 자일리톨로 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.On the other hand, techniques for converting sugars such as xylose to xylitol using enzymes have been reported, unlike the hydrogenation method. U.S. Patent No. 5,998,181 discloses a method for preparing xylitol by fermentation for 48 hours using a Candida tropicicalis strain. The fermentation method has an advantage that the separation and purification process is easy compared to the batch hydrogenation method, but has a long reaction time and low productivity.

미국 특허 제 3,586,537호 (1971.06.22)U.S. Patent No. 3,586,537 (June 22, 1971) 미국 특허 제 4,008,285호 (1977.02.15)U.S. Patent 4,008,285 (1977.02.15) 미국 특허 제 6,414,201호 (2002.07.02)U.S. Patent 6,414,201 (2002.07.02) 미국 특허 제 6,124,443호 (2000.09.26)U.S. Patent No. 6,124,443 (2000.09.26) 미국 특허 제 3,963,788호 (1976.06.15)U.S. Patent No. 3,963,788 (1976.06.15) 미국 특허 제 4,380,679호 (1983.04.19)U.S. Patent 4,380,679 (1983.04.19) 미국 특허 제 4,950,812호 (1990.08.21)U.S. Patent No. 4,950,812 (1990.08.21) 미국 특허 제 6,177,598호 (2001.01.23)U.S. Patent No. 6,177,598 (2001.01.23) WO 02/100537호 (2002.12.19)WO 02/100537 (2002.12.19) 미국 특허 제 6,570,043호 (2003.05.27)U.S. Patent No. 6,570,043 (2003.05.27) 미국 특허 제 5,998,181호 (1999.12.07)U.S. Patent No. 5,998,181 (1999.12.07)

본 발명은 당류의 촉매 수소화에 의해 당알코올류를 고수율로 연속적으로 제조하는 방법을 제공하는데 목적이 있다. An object of the present invention is to provide a method for continuously producing sugar alcohols in high yield by catalytic hydrogenation of sugars.

본 발명은 촉매의 재생없이 반복하여 당류를 촉매 수소화함으로써 그에 상응하는 당알코올류를 고수율로 연속적으로 제조하는 방법을 제공하고자 한다. The present invention is to provide a method for continuously producing a corresponding sugar alcohols in high yield by repeatedly catalytic hydrogenation of sugars without regeneration of the catalyst.

본 발명의 한 측면에 따라, 실리카, 알루미나 및 티타니아 중에서 선택되는 단독 또는 혼합물 담체에 루테늄이 담지된 것으로, 담체는 니켈금속 산화물로 된 피막을 갖는 것인 담지촉매를 사용하여, 당류를 수소화 반응에 의해 그에 상응하는 당알코올류로 제조하는 방법을 제공한다.According to one aspect of the present invention, ruthenium is supported on a single or mixture carrier selected from silica, alumina and titania, wherein the carrier has a film made of nickel metal oxide, and the sugars are subjected to hydrogenation reaction. By the corresponding sugar alcohols are provided.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 수소화 반응은 반응온도 60 내지 200℃ 및 반응압력 2 내지 200MPa의 조건 하에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the hydrogenation reaction may be carried out under the conditions of the reaction temperature of 60 to 200 ℃ and the reaction pressure of 2 to 200MPa.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 당류는 글루코스, 자일로스, 만노스, 프럭토스, 에리스로스, 갈락토스, 슈크로스, 전분 가수분해물, 셀루로스 가수분해물 또는 말토스 등으로 예시될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sugar may be exemplified by glucose, xylose, mannose, fructose, erythrose, galactose, sucrose, starch hydrolyzate, cellulose hydrolyzate or maltose and the like.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 당류는 용매에 녹여 사용하고, 용매는 당류를 용해하는 것이라면 제한되지 않지만, 예를 들면, 물, 알코올 또는 이들의 혼합물로 예시될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sugar is used in a solvent, and the solvent is not limited so long as it dissolves the sugar, for example, may be exemplified by water, alcohol or a mixture thereof.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 루테늄은 담지촉매 총 중량에 대하여 0.2 내지 15중량%로 담지될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ruthenium may be supported by 0.2 to 15% by weight based on the total weight of the supported catalyst.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 니켈금속 산화물로 된 피막은 니켈의 양을 기준으로 하여 담지촉매 총 중량에 대하여 0.5 내지 15중량% 되는 양으로 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the film of the nickel metal oxide may be formed in an amount of 0.5 to 15% by weight based on the total amount of the supported catalyst.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 루테늄은 입경 1 내지 10 nm의 나노입자일 수 있다.
In one embodiment of the present invention, the ruthenium may be nanoparticles having a particle diameter of 1 to 10 nm.

본 발명에 따른 당류의 촉매 수소화에 의해 당알코올류를 제조하는 방법은 루테늄이 담지된 촉매를 당류의 수소화 반응 중 반복 사용하는 동안 촉매성분의 용해나 비활성화가 없이 고순도의 당알코올류를 제조함으로써 부산물 및 폐기물이 거의 발생하지 않고, 복잡한 분리공정 없이 당알코올류를 제조할 수 있는 효과가 있다.
The method for producing sugar alcohols by catalytic hydrogenation of sugars according to the present invention is a by-product by preparing high purity sugar alcohols without dissolving or deactivating catalyst components during repeated use of ruthenium-supported catalysts in the hydrogenation reaction of sugars. And little waste is generated, there is an effect that can be produced sugar alcohols without complex separation process.

도 1은 루테늄이 담지된 니켈산화막-티타니아 촉매(제조예 1, Ru/NiO-TiO2)의 XRD 프로파일(a: TiO2, b: NiO-TiO2, c: Ru/NiO-TiO2)이다.
도 2는 루테늄이 담지된 니켈산화막-티타니아 촉매(제조예 1, Ru/NiO-TiO2)의 투과전자현미경 이미지이다.
도 3은 루테늄이 담지된 니켈산화막-티타니아 촉매(제조예 1, Ru/NiO-TiO2)와 루테늄이 담지된 티타니아 촉매(비교제조예 1, Ru/TiO2)의 수소 TPR 분석결과(a: TiO2, b: Ru/TiO2, c: NiO-TiO2, d: Ru/NiO-TiO2)이다.
1 is an XRD profile (a: TiO 2 , b: NiO-TiO 2 , c: Ru / NiO-TiO 2 ) of a ruthenium-supported nickel oxide film-titania catalyst (Preparation Example 1, Ru / NiO-TiO 2 ) .
2 is a transmission electron microscope image of a ruthenium-supported nickel oxide film-titania catalyst (Preparation Example 1 Ru / NiO-TiO 2 ).
FIG. 3 shows hydrogen TPR analysis results of a ruthenium-supported nickel oxide film-titania catalyst (Preparation Example 1, Ru / NiO-TiO 2 ) and a ruthenium-supported titania catalyst (Comparative Example 1, Ru / TiO 2 ) (a: TiO 2 , b: Ru / TiO 2 , c: NiO-TiO 2 , d: Ru / NiO-TiO 2 ).

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 당류의 촉매 수소화 반응에 의해 그에 상응하는 당알코올류를 연속적으로 제조하는 방법은 실리카, 알루미나 및 티타니아 중에서 선택되는 단독 또는 혼합물 담체에 니켈금속으로 산화피막을 입히고 그 위에 루테늄이 나노입자로 담지된 담지촉매를 사용한다.A method of continuously preparing the corresponding sugar alcohols by the catalytic hydrogenation of sugars according to the present invention comprises coating an oxide film with nickel metal on a single or mixture carrier selected from silica, alumina and titania, and ruthenium nanoparticles thereon. Use the supported catalyst.

여기서 당류로는 그 한정이 있는 것은 아니며, 일예로 글루코스, 자일로스, 만노스, 프럭토스, 에리스로스, 갈락토스, 슈크로스, 전분 가수분해물, 셀루로스 가수분해물 및 말토스 중에서 선택되는 단독 또는 2이상의 혼합물을 사용할 수 있다. The sugar is not limited thereto, and for example, glucose, xylose, mannose, fructose, erythrose, galactose, sucrose, starch hydrolyzate, cellulose hydrolyzate and mixture of two or more selected from maltose Can be used.

당류는 일반적으로 상온에서 고체 상태이므로 반응 효율을 향상시키기 위해 당류를 적절한 용매에 녹여 사용하는 것이 바람직하다. 이때 용매로는 당류 및 수소화 반응의 생성물인 당알코올류를 동시에 용해시킬 수 있으며 어느 것이나 사용가능하다. 일반적으로 물 또는 알코올을 단독으로 사용하거나 혼용할 수 있다. 알코올의 일예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 바람직하기로는 물을 단독으로 사용하거나 물과 에탄올을 혼합하여 사용하는 것이다. Since sugars are generally in a solid state at room temperature, it is preferable to dissolve sugars in an appropriate solvent in order to improve reaction efficiency. In this case, as the solvent, sugars and sugar alcohols, which are products of a hydrogenation reaction, can be dissolved simultaneously, and any of them can be used. Generally, water or alcohol may be used alone or in combination. Examples of the alcohol may include methanol, ethanol, propanol, isopropanol or mixtures thereof. Preferably, water is used alone or in combination with water and ethanol.

본 발명의 담지촉매를 사용한 당류의 수소화반응은 반응온도 60 내지 200℃에서 수행되는 것이 바람직할 수 있는데, 반응온도가 낮으면 반응속도가 느려질 수 있고 반응온도가 너무 높으면 부반응이 증가하여 원하는 반응물의 선택성이 낮아지는 문제가 일어날 수 있다. Hydrogenation of sugars using the supported catalyst of the present invention may be preferably carried out at a reaction temperature of 60 to 200 ℃, if the reaction temperature is low, the reaction rate may be slow, if the reaction temperature is too high side reactions increase the desired reactant The problem of low selectivity may arise.

또한 수소화 반응은 반응압력 2 내지 200 MPa의 조건 하에서 수행되는 것이 반응속도 및 반응기의 안전성을 고려할 때 바람직할 수 있다. In addition, the hydrogenation reaction may be preferably performed under the conditions of the reaction pressure of 2 to 200 MPa in consideration of the reaction rate and the safety of the reactor.

상기 담지촉매의 담체로서 사용되는 실리카, 알루미나 및 티타니아 등은 각별한 제한이 있는 것은 아니고, 천연 기원이거나 합성된 것일 수 있다.Silica, alumina, titania, etc. used as the carrier of the supported catalyst are not particularly limited, and may be of natural origin or synthesized.

상기 담지촉매 중 니켈금속 산화막을 형성함에 있어서, 니켈이 담지촉매 총 중량에 대하여 0.5 내지 15중량%로 피막이 형성되는 것이 루테늄이 나노입자로 담지되어 소량의 촉매를 사용하여도 높은 활성을 얻을 수 있다. In forming the nickel metal oxide film of the supported catalyst, it is possible to obtain a high activity even if a small amount of catalyst is used because the ruthenium is supported by nanoparticles so that the film is formed at 0.5 to 15% by weight based on the total weight of the supported catalyst. .

상기 담지촉매에 담지된 루테늄 나노입자의 입경은 1 내지 10 nm, 좋게는 1.5 내지 5nm이다.The particle diameter of the ruthenium nanoparticles supported on the supported catalyst is 1 to 10 nm, preferably 1.5 to 5 nm.

상기 담지촉매 중 루테늄의 함량은 담지촉매 총 중량에 대하여 0.2 내지 15중량%인 것이 당류의 수소화반응에서 수소화 반응의 속도 및 경제성을 고려할 때 바람직할 수 있다. The content of ruthenium in the supported catalyst may be 0.2 to 15% by weight based on the total weight of the supported catalyst in consideration of the rate and economic efficiency of the hydrogenation reaction in the hydrogenation of saccharides.

이와 같은 수소화 반응에 참여한 상기 담지촉매는 별도의 재생공정을 필요로 하지 않고 회수되어 반복적으로 당류의 수소화 반응에 사용될 수 있고, 반복사용시에도 촉매 성분이 용해되거나 비활성화되지 않는다. 따라서 부산물 및 폐기물을 거의 발생시키지 않고 복잡한 분리공정없이 당알코올류를 고순도로 제조할 수 있다.
The supported catalyst participating in such a hydrogenation reaction can be recovered without requiring a separate regeneration step, and can be repeatedly used for hydrogenation of saccharides, and catalyst components are not dissolved or deactivated even when repeatedly used. Therefore, sugar alcohols can be produced in high purity without generating by-products and waste and without complicated separation process.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 다음의 제조예 및 실시예에 의거하여 보다 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 다음의 제조예 및 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. The present invention as described above will be described in more detail based on the following Preparation Examples and Examples, but the present invention is not limited to the following Preparation Examples and Examples.

이하의 제조예 및 실시예에서의 평가방법은 다음과 같다. Evaluation methods in the following Production Examples and Examples are as follows.

(1) 제조된 촉매 중의 루테늄 및 니켈의 유효량은 화학적 분석법, 구체적으로는 EDX(energy dispersive X-ray analysis)에 의해 측정하였다. (1) The effective amounts of ruthenium and nickel in the prepared catalyst were measured by chemical analysis, specifically, by energy dispersive X-ray analysis (EDX).

(2) 제조된 촉매의 결정 특성은 X-선 회절법(XRD)으로 관찰하였다.(2) The crystal characteristic of the prepared catalyst was observed by X-ray diffraction (XRD).

(3) 수소화 반응 이후로의 반응물 중의 금속이온의 양은 ICP(inductively coupled plasma mass spectrometry)로 결정하였다(Thermo Scientific ICAP 6500 duo inductively coupled plasma-atomic emission spectrometer (ICP-AES)로 수행).(3) The amount of metal ions in the reactants after the hydrogenation reaction was determined by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP) (performed by Thermo Scientific ICAP 6500 duo inductively coupled plasma-atomic emission spectrometer (ICP-AES)).

(4) 촉매의 특징(입자 크기)에 대하여 투과전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM, Maker FEI, Model Technai G2)으로 관찰하였다. 이를 위해 촉매 시료들을 2-프로판올에 용해시키고, 초음파 욕조에서 조심스럽게 분산시킨 다음 이를 카본-코팅된 구리 그리드에 증착시켰다. (4) The characteristics (particle size) of the catalyst were observed by transmission electron microscopy (TEM, Maker FEI, Model Technai G 2 ). To this end, catalyst samples were dissolved in 2-propanol, carefully dispersed in an ultrasonic bath and then deposited on a carbon-coated copper grid.

[제조예 1] 담지촉매의 제조Preparation Example 1 Preparation of Supported Catalyst

이염화니켈(NiCl2) 0.55g을 증류수 10ml에 용해시켰다. 상기의 용액에 티타니아(비표면적 51㎡/g) 분말 4.75g을 넣고 잘 교반한 후 110℃ 오븐에서 하룻밤 동안 건조시켰다. 얻어진 고체를 500℃에서 12시간 소성시켜 티타니아에 니켈산화피막을 형성시켰다. 0.55 g of nickel dichloride (NiCl 2 ) was dissolved in 10 ml of distilled water. 4.75 g of titania (specific surface area 51 m 2 / g) powder was added to the solution, stirred well, and then dried in an oven at 110 ° C. overnight. The obtained solid was baked at 500 degreeC for 12 hours, and the nickel oxide film was formed in titania.

삼염화루테늄(RuCl3xH2O) 0.04g을 증류수 10ml에 용해시킨 루테늄 화합물의 수용액에 상기 얻어진 니켈산화피막을 갖는 티타니아 분말 1.98g을 넣고 잘 교반한 후 110℃ 오븐에서 하룻밤 동안 건조시켰다.In the aqueous solution of the ruthenium compound in which 0.04 g of ruthenium trichloride (RuCl 3 xH 2 O) was dissolved in 10 ml of distilled water, the obtained nickel oxide film was obtained. 1.98 g of titania powder was added thereto, stirred well, and dried in an oven at 110 ° C. overnight.

상기 건조된 분말 시료를 5% 수소를 함유한 질소가스로 170℃에서 2시간 환원시켜서 루테늄이 담지된 니켈산화막-티타니아 촉매(이하, Ru/NiO-TiO2로 표시)를 얻었다.The dried powder sample was reduced by nitrogen gas containing 5% hydrogen at 170 ° C. for 2 hours to obtain a ruthenium-supported nickel oxide film-titania catalyst (hereinafter referred to as Ru / NiO-TiO 2 ).

얻어진 담지촉매에 대하여 상기한 방법으로 평가한 XRD 프로파일은 도 1에 도시하였고, 이에 대한 TEM 사진을 도 2로 나타내었다. The XRD profile evaluated by the above-described method for the obtained supported catalyst is shown in FIG. 1, and a TEM photograph thereof is shown in FIG. 2.

도 1의 XRD 프로파일에 따르면 담지촉매의 회절 패턴은 NiO에 기인한 피크를 확인할 수 있고, 또한 도 2의 TEM 사진에서 니켈산화막-티타니아의 플레이크 상(회색 부분)에 Ru 입자(입경 2nm)가 분산되어 있음을 확인할 수 있다. According to the XRD profile of FIG. 1, the diffraction pattern of the supported catalyst can confirm peaks due to NiO, and also Ru particles (particle diameter of 2 nm) are dispersed on the flakes (gray portion) of the nickel oxide film-titania in the TEM image of FIG. 2. It can be confirmed.

한편, EDX 분석결과 담지촉매 중 루테늄의 함량은 1.1 중량%이고, 니켈의 함량은 5.4 중량%이었다.Meanwhile, as a result of EDX analysis, the content of ruthenium in the supported catalyst was 1.1% by weight, and the content of nickel was 5.4% by weight.

또한 도 3의 수소 TPR 분석결과에서 보는 바와 같이 니켈산화막-티타니아의 플레이크 상에서의 Ru 입자(입경 2nm)의 환원온도는 170℃로 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
In addition, as shown in the hydrogen TPR analysis result of FIG. 3, it was confirmed that the reduction temperature of the Ru particles (particle size 2 nm) on the flakes of the nickel oxide film-titania was lowered to 170 ° C.

[실시예 1] 솔비톨의 제조Example 1 Preparation of Sorbitol

상기 제조예 1로부터 얻어진 담지촉매(Ru/NiO-TiO2)를 이용하여 당류로부터 그에 상응하는 당알코올류를 연속적으로 제조하는 수소첨가반응은 SUS314 재질의 Fixed Bed 형의 반응기에서 수행하였다. Hydrogenation reaction to continuously prepare the corresponding sugar alcohols from sugars using the supported catalyst (Ru / NiO-TiO 2 ) obtained in Preparation Example 1 was carried out in a fixed bed reactor made of SUS314.

Fixed Bed 형 반응기에 상기 제조예 1로부터 얻어진 루테늄/산화니켈/티타니아 촉매(Ru/NiO-TiO2) 2g을 넣고 반응기의 온도를 170℃로 올린 후에 수소로 반응기를 퍼지하면서 3시간 동안 촉매를 환원하였다. 처음에는 반응기의 온도를 120℃로 내린 후에 압력을 5.5MPa로 올리고 20%의 글루코스 수용액을 분당 0.04ml의 속도로 주입하여 100시간 동안 연속적으로 솔비톨을 제조하였다. 다음으로 반응온도를 100℃로 하고 상기한 바와 동일한 조건에서 150시간 동안 연속적으로 솔비톨을 제조하였다. 이후에 20%의 글루코스 수용액을 분당 0.1ml의 속도로 주입하고 상기한 바와 동일한 조건에서 150시간 동안 연속적으로 솔비톨을 제조하였다. 그 다음으로 반응온도를 80℃로 하고 상기한 바와 동일한 조건에서 20%의 글루코스 수용액을 분당 0.04ml의 속도로 주입하여 150시간 동안 연속적으로 솔비톨을 제조하였다. 이후에 20%의 글루코스 수용액을 분당 0.1ml의 속도로 주입하고 상기한 바와 동일한 조건에서 150시간 동안 연속적으로 솔비톨을 제조하였다. 2 g of ruthenium / nickel oxide / titania catalyst (Ru / NiO-TiO 2 ) obtained from Preparation Example 1 was added to a fixed bed reactor, and the temperature of the reactor was raised to 170 ° C., followed by reduction of the catalyst for 3 hours while purging the reactor with hydrogen. It was. Initially, the temperature of the reactor was lowered to 120 ° C., the pressure was increased to 5.5 MPa, and 20% aqueous glucose solution was injected at a rate of 0.04 ml / min to prepare sorbitol continuously for 100 hours. Next, the reaction temperature was 100 ℃ and sorbitol was continuously prepared for 150 hours under the same conditions as described above. Thereafter, 20% aqueous glucose solution was injected at a rate of 0.1 ml per minute, and sorbitol was continuously prepared for 150 hours under the same conditions as described above. Subsequently, the reaction temperature was 80 ° C. and 20% glucose aqueous solution was injected at a rate of 0.04 ml / min under the same conditions as described above to continuously prepare sorbitol for 150 hours. Thereafter, 20% aqueous glucose solution was injected at a rate of 0.1 ml per minute, and sorbitol was continuously prepared for 150 hours under the same conditions as described above.

반응 생성물은 상기한 바와 같이 굴절률 검출기가 부착된 액체 크로마토그래피로 분석하였다. The reaction product was analyzed by liquid chromatography with a refractive index detector as described above.

분석 결과 반응 후 글루코스의 전환율과 솔비톨의 선택도는 표 1과 같으며, 700시간 이상 연속하여 반응하여도 촉매활성이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있었다. As a result of the analysis, the conversion of glucose and selectivity of sorbitol after the reaction are shown in Table 1, and it was found that the catalytic activity was maintained even after the reaction continued for 700 hours or more.

글루코스로부터 루테늄/산화니켈-티타니아 촉매(제조예 1, Ru/NiO-TiO2)를 사용하여 연속반응에 의해 솔비톨을 제조한 결과Sorbitol was prepared by continuous reaction using a ruthenium / nickel oxide-titania catalyst (Preparation Example 1, Ru / NiO-TiO 2 ) from glucose. 반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(℃)
글루코스
주입속도
(ml/min)
Glucose
Injection speed
(ml / min)
연속
반응시간
(h)
continuity
Reaction time
(h)
글루코스의
전환율
(%)
Glucose
Conversion rate
(%)
솔비톨의
선택도
(%)
Sorbitol
Selectivity
(%)
만니톨의
선택도
(%)
Mannitol
Selectivity
(%)
기타
선택도
(%)
Etc
Selectivity
(%)
120120 0.040.04 100100 99.599.5 94.594.5 1.61.6 3.93.9 100100 0.040.04 150150 99.899.8 98.898.8 0.30.3 0.90.9 100100 0.10.1 150150 98.898.8 98.698.6 0.10.1 1.31.3 8080 0.040.04 150150 99.899.8 99.899.8 0.10.1 0.10.1 8080 0.10.1 150150 99.299.2 99.099.0 0.30.3 0.70.7

상기한 방법과 같이 수소화 반응 이후의 금속 검출을 수행한 결과에서, 수소화 반응 후 용액 내에서 루테늄, 니켈과 티타늄은 전혀 검출되지 않았다. 상기한 반응에서 담지촉매 내 루테늄의 함량은 1중량%로의 적은 양을 사용하고도 높은 글루코스의 전환율과 솔비톨의 선택도를 보여주었다.
As a result of the metal detection after the hydrogenation reaction as described above, ruthenium, nickel and titanium were not detected at all in the solution after the hydrogenation reaction. In the above reaction, the content of ruthenium in the supported catalyst showed high conversion of glucose and selectivity of sorbitol even using a small amount of 1% by weight.

[실시예 2] 자일리톨의 제조Example 2 Preparation of Xylitol

상기 제조예 1로부터 얻어진 담지촉매(Ru/NiO-TiO2)를 사용하고 반응물을 20% 글루코스 대신에 20% 자일로스를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 수소화반응을 수행하였다. The hydrogenation reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except for using the supported catalyst (Ru / NiO-TiO 2 ) obtained in Preparation Example 1 and using 20% xylose instead of 20% glucose. .

반응 생성물은 상기한 바와 같이 굴절률 검출기가 부착된 액체 크로마토그래피로 분석하였다.  The reaction product was analyzed by liquid chromatography with a refractive index detector as described above.

분석 결과 반응 후 자일로스의 전환율과 자일리톨의 선택도는 표 2와 같으며, 700시간 이상 연속하여 반응하여도 촉매활성이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있었다. As a result of the analysis, the conversion rate of xylose and the selectivity of xylitol after the reaction are shown in Table 2, and it was found that the catalytic activity was maintained even after the reaction continued for 700 hours or more.

자일로스로부터 루테늄/산화니켈-티타니아 촉매(제조예 1, Ru/NiO-TiO2)를 사용하여 연속반응에 의해 자일리톨을 제조한 결과Xylitol was prepared from xylose by continuous reaction using a ruthenium / nickel oxide-titania catalyst (Preparation Example 1, Ru / NiO-TiO 2 ). 반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(℃)
자일로스
주입속도
(ml/min)
Xylose
Injection speed
(ml / min)
연속
반응시간
(h)
continuity
Reaction time
(h)
자일로스의
전환율(%)
Xylose
Conversion Rate (%)
자일리톨의
선택도(%)
Xylitol
Selectivity (%)
아라비톨의
선택도(%)
Arabitol
Selectivity (%)
기타
선택도
(%)
Etc
Selectivity
(%)
120120 0.040.04 100100 100100 96.496.4 1.61.6 2.02.0 100100 0.040.04 150150 100100 98.898.8 0.30.3 0.90.9 100100 0.10.1 150150 100100 98.598.5 0.10.1 1.41.4 8080 0.040.04 150150 100100 99.899.8 0.10.1 0.10.1 8080 0.10.1 150150 100100 99.199.1 0.30.3 0.60.6

상기한 방법과 같이 수소화 반응 이후의 금속 검출을 수행한 결과에서, 수소화 반응 후 용액 내에서 루테늄, 니켈과 티타늄은 전혀 검출되지 않았다.
As a result of the metal detection after the hydrogenation reaction as described above, ruthenium, nickel and titanium were not detected at all in the solution after the hydrogenation reaction.

[실시예 3] 만니톨의 제조Example 3 Preparation of Mannitol

상기 제조예 1로부터 얻어진 담지촉매(Ru/NiO-TiO2)를 사용하고 반응물을 20% 글루코스 대신에 20% 만노스를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 수소첨가반응을 수행하였다. The hydrogenation reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except for using the supported catalyst (Ru / NiO-TiO 2 ) obtained in Preparation Example 1 and using 20% mannose instead of 20% glucose. .

반응 생성물은 상기한 바와 같이 굴절률 검출기가 부착된 액체 크로마토그래피로 분석하였다.  The reaction product was analyzed by liquid chromatography with a refractive index detector as described above.

분석 결과 반응 후 만노스의 전환율과 만니톨의 선택도는 표 3과 같으며, 700시간 이상 연속하여 반응하여도 활성이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있었다. As a result of the analysis, the conversion of mannose and selectivity of mannitol are shown in Table 3, and the activity was maintained constant even after the reaction was continued for 700 hours or more.

만노스로부터 루테늄/산화니켈-티타니아 촉매(제조예 1, Ru/NiO-TiO2)를 사용하여 연속반응에 의해 만니톨을 제조한 결과Mannitol was prepared by continuous reaction using a ruthenium / nickel oxide-titania catalyst (Preparation Example 1, Ru / NiO-TiO 2 ) from mannose. 반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(℃)
만노스
주입속도
(ml/min)
Mannose
Injection speed
(ml / min)
연속
반응시간
(h)
continuity
Reaction time
(h)
만노스의
전환율(%)
Mannos
Conversion Rate (%)
만니톨의
선택도(%)
Mannitol
Selectivity (%)
기타
선택도(%)
Etc
Selectivity (%)
120120 0.040.04 100100 99.599.5 96.496.4 3.63.6 100100 0.040.04 150150 99.799.7 98.698.6 1.41.4 100100 0.10.1 150150 98.798.7 98.598.5 1.51.5 8080 0.040.04 150150 99.799.7 99.699.6 0.40.4 8080 0.10.1 150150 99.299.2 99.199.1 0.90.9

상기한 방법과 같이 수소화 반응 이후의 금속 검출을 수행한 결과에서, 수소화 반응 후 용액 내에서 루테늄, 니켈과 티타늄은 전혀 검출되지 않았다.
As a result of the metal detection after the hydrogenation reaction as described above, ruthenium, nickel and titanium were not detected at all in the solution after the hydrogenation reaction.

[비교제조예 1] 담지촉매의 제조[Comparative Preparation Example 1] Preparation of Supported Catalyst

삼염화루테늄(RuCl3?xH2O) 0.04g을 증류수 10ml에 용해시킨 루테늄 화합물의 수용액에 티타니아(비표면적 51㎡/g) 분말 1.98g을 넣고 잘 교반한 후 110℃ 오븐에서 하룻밤 동안 건조시켰다.1.98 g of titania (specific surface area 51 m 2 / g) powder was added to an aqueous solution of ruthenium compound in which 0.04 g of ruthenium trichloride (RuCl 3 × xH 2 O) was dissolved in 10 ml of distilled water, stirred well, and dried overnight at 110 ° C. in an oven.

상기 건조된 분말 시료를 5% 수소를 함유한 질소가스로 400℃에서 3시간 환원시켜서 루테늄이 담지된 티타니아 촉매(이하, Ru/TiO2로 표시)를 얻었다.The dried powder sample was reduced at 400 ° C. for 3 hours with nitrogen gas containing 5% hydrogen to obtain a ruthenium loaded titania catalyst (hereinafter referred to as Ru / TiO 2 ).

상기 얻어진 담지촉매에 대하여 EDX 분석결과 담지촉매 중 루테늄의 함량은 1.1 중량%이었다.As a result of the EDX analysis, the content of ruthenium in the supported catalyst was 1.1% by weight.

또한 도 3의 수소 TPR 분석결과에서 보는 바와 같이 티타니아의 플레이크 상에서의 Ru 입자의 환원온도는 400℃로 확인할 수 있었다.
In addition, as shown in the hydrogen TPR analysis of FIG. 3, the reduction temperature of the Ru particles on the flakes of titania was confirmed at 400 ° C.

[비교예 1] 솔비톨의 제조Comparative Example 1 Preparation of Sorbitol

상기 비교제조예 1로부터 얻어진 촉매(Ru/TiO2)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 수소첨가반응을 수행하였다. The hydrogenation reaction was carried out in the same manner as in Example 1, except that the catalyst (Ru / TiO 2 ) obtained from Comparative Preparation Example 1 was used.

반응 생성물은 상기한 바와 같이 굴절률 검출기가 부착된 액체 크로마토그래피로 분석하였다. The reaction product was analyzed by liquid chromatography with a refractive index detector as described above.

분석 결과 반응 후 글루코스의 전환율과 솔비톨의 선택도는 표 4와 같으며, 700시간 이상 연속하여 반응하면 실시예 1에서 사용된 루테늄/산화니켈-티타니아 촉매(Ru/NiO-TiO2)에 비하여 부산물인 만니톨이 생성되고 기타의 불순물이 생성되어 글루코스의 전환율가 솔비톨의 선택성이 다소 떨어지는 것을 알 수 있었다. As a result of analysis, the conversion of glucose and selectivity of sorbitol after the reaction are shown in Table 4, and the reaction products are by-products compared to the ruthenium / nickel oxide-titania catalyst (Ru / NiO-TiO 2 ) used in Example 1 when the reaction is performed continuously for 700 hours or more. Phosphorous mannitol was formed and other impurities were generated, indicating that the conversion of glucose was somewhat inferior to the selectivity of sorbitol.

글루코스로부터 루테늄/티타니아 촉매(Ru/TiO2)를 사용하여 연속반응에 의해 솔비톨을 제조한 결과Sorbitol was prepared by continuous reaction using a ruthenium / titania catalyst (Ru / TiO 2 ) from glucose. 반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(℃)
글루코스
주입속도
(ml/min)
Glucose
Injection speed
(ml / min)
연속
반응시간
(h)
continuity
Reaction time
(h)
글루코스의
전환율
(%)
Glucose
Conversion rate
(%)
솔비톨의
선택도
(%)
Sorbitol
Selectivity
(%)
만니톨의
선택도
(%)
Mannitol
Selectivity
(%)
기타
선택도
(%)
Etc
Selectivity
(%)
120120 0.040.04 100100 99.499.4 79.579.5 5.65.6 14.914.9 100100 0.040.04 150150 99.899.8 96.896.8 0.90.9 2.32.3 100100 0.10.1 150150 98.898.8 96.696.6 0.80.8 2.62.6 8080 0.040.04 150150 99.799.7 98.498.4 0.80.8 0.80.8 8080 0.10.1 150150 98.298.2 98.098.0 0.60.6 1.41.4

상기한 방법과 같이 수소화 반응 이후의 금속 검출을 수행한 결과에서, 수소화 반응 후 용액 내에서 루테늄과 티타늄은 전혀 검출되지 않았다.As a result of the metal detection after the hydrogenation reaction as described above, ruthenium and titanium were not detected at all in the solution after the hydrogenation reaction.

[비교예 2] 자일리톨의 제조Comparative Example 2 Preparation of Xylitol

상기 비교제조예 1로부터 얻어진 촉매(Ru/TiO2)를 사용하고 반응물을 20% 글루코스 대신에 20% 자일로스를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 수소첨가반응을 수행하였다. The hydrogenation reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except for using the catalyst (Ru / TiO 2 ) obtained from Comparative Preparation Example 1 and using 20% xylose instead of 20% glucose.

반응 생성물은 상기한 바와 같이 굴절률 검출기가 부착된 액체 크로마토그래피로 분석하였다. The reaction product was analyzed by liquid chromatography with a refractive index detector as described above.

분석 결과 반응 후 자일로스의 전환율과 자일리톨의 선택도는 표 5와 같으며, 700시간 이상 연속하여 반응하면 실시예 1에서 사용된 루테늄/산화니켈-티타니아 촉매(Ru/NiO-TiO2)에 비하여 부산물인 아라비톨이 생성되고 기타의 불순물이 생성되어 자일로스의 전환율가 자일리톨의 선택성이 다소 떨어지는 것을 알 수 있었다. As a result of analysis, the conversion rate of xylose and the selectivity of xylitol are shown in Table 5, and the reaction was performed continuously for 700 hours or more, compared to the ruthenium / nickel oxide-titania catalyst (Ru / NiO-TiO 2 ) used in Example 1 As a by-product arabitol is produced and other impurities are generated, it was found that the conversion of xylose was somewhat inferior to the selectivity of xylitol.

자일로스로부터 루테늄/티타니아 촉매(Ru/TiO2)를 사용하여 연속반응에 의해 자일리톨을 제조한 결과Xylitol Preparation by Continuous Reaction Using Ruthenium / Titania Catalyst (Ru / TiO 2 ) from Xylose 반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(℃)
자일로스
주입속도
(ml/min)
Xylose
Injection speed
(ml / min)
연속
반응시간
(h)
continuity
Reaction time
(h)
자일로스의
전환율(%)
Xylose
Conversion Rate (%)
자일리톨의
선택도(%)
Xylitol
Selectivity (%)
아라비톨의
선택도(%)
Arabitol
Selectivity (%)
기타
선택도
(%)
Etc
Selectivity
(%)
120120 0.040.04 100100 99.899.8 81.581.5 4.64.6 13.913.9 100100 0.040.04 150150 99.899.8 96.896.8 0.90.9 2.32.3 100100 0.10.1 150150 98.898.8 95.695.6 1.31.3 3.13.1 8080 0.040.04 150150 99.799.7 98.498.4 0.80.8 0.80.8 8080 0.10.1 150150 98.698.6 97.097.0 1.11.1 1.91.9

상기한 방법과 같이 수소화 반응 이후의 금속 검출을 수행한 결과에서, 수소화 반응 후 용액 내에서 루테늄과 티타늄은 전혀 검출되지 않았다.
As a result of the metal detection after the hydrogenation reaction as described above, ruthenium and titanium were not detected at all in the solution after the hydrogenation reaction.

[비교예 3] 만니톨의 제조Comparative Example 3 Preparation of Mannitol

상기 비교제조예 1로부터 얻어진 촉매(Ru/TiO2)를 사용하고 반응물을 20% 글루코스 대신에 20% 만노스를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 수소첨가반응을 수행하였다. The hydrogenation reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except for using the catalyst (Ru / TiO 2 ) obtained from Comparative Preparation Example 1 and using 20% mannose instead of 20% glucose.

반응 생성물은 상기한 바와 같이 굴절률 검출기가 부착된 액체 크로마토그래피로 분석하였다. The reaction product was analyzed by liquid chromatography with a refractive index detector as described above.

분석 결과 반응 후 만노스의 전환율과 만니톨의 선택도는 표 6과 같으며, 700시간 이상 연속하여 반응하면 실시예 1에서 사용된 루테늄/산화니켈-티타니아 촉매(Ru/NiO-TiO2)에 비하여 기타의 불순물이 생성되어 만노스의 전환율과 만니톨의 선택성이 다소 떨어지는 것을 알 수 있었다. As a result of the analysis, the conversion of mannose and selectivity of mannitol are shown in Table 6, and when the reaction was performed continuously for 700 hours or more, it was compared with the ruthenium / nickel oxide-titania catalyst (Ru / NiO-TiO 2 ) used in Example 1 It was found that impurities were produced, resulting in somewhat lower mannose conversion and mannitol selectivity.

만노스로부터 루테늄/티타니아 촉매(Ru/TiO2)를 사용하여 연속반응에 의해 만니톨을 제조한 결과Mannitol was prepared by continuous reaction using a ruthenium / titania catalyst (Ru / TiO 2 ) from mannose. 반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(℃)
만노스
주입속도
(ml/min)
Mannose
Injection speed
(ml / min)
연속
반응시간
(h)
continuity
Reaction time
(h)
만노스의
전환율(%)
Mannos
Conversion Rate (%)
만니톨의
선택도(%)
Mannitol
Selectivity (%)
기타
선택도(%)
Etc
Selectivity (%)
120120 0.040.04 100100 99.599.5 80.580.5 19.519.5 100100 0.040.04 150150 99.699.6 95.895.8 4.24.2 100100 0.10.1 150150 98.698.6 95.495.4 4.64.6 8080 0.040.04 150150 99.799.7 97.497.4 2.62.6 8080 0.10.1 150150 99.199.1 96.096.0 4.04.0

상기한 방법과 같이 수소화 반응 이후의 금속 검출을 수행한 결과에서, 수소화 반응 후 용액 내에서 루테늄과 티타늄은 전혀 검출되지 않았다.
As a result of the metal detection after the hydrogenation reaction as described above, ruthenium and titanium were not detected at all in the solution after the hydrogenation reaction.

[비교예 4] 상업용 5% Ru/C 촉매를 사용하여 솔비톨의 제조Comparative Example 4 Preparation of Sorbitol Using a Commercial 5% Ru / C Catalyst

상업용 5% Ru/C 촉매를 사용하여 상기 실시예 1과 같은 방법으로 수소첨가반응을 수행하고, 반응 후 액체 크로마토그래피 분석결과 글루코스의 전환율과 솔비톨의 선택도는 표 7과 같으며, 700시간 이상 연속하여 반응하면 실시예 1에서 사용된 루테늄/산화니켈-티타니아 촉매(Ru/NiO-TiO2)에 비하여 부산물인 만니톨이 다량 생성되고 기타의 불순물이 생성되며 솔비톨의 선택성이 크게 떨어지는 것을 알 수 있었다. Hydrogenation was carried out in the same manner as in Example 1 using a commercial 5% Ru / C catalyst, and after the reaction, the results of the liquid chromatography analysis showed that the conversion of glucose and the selectivity of sorbitol are as shown in Table 7, and more than 700 hours. When the reaction was continued, it was found that the by-product mannitol is produced in a large amount, other impurities are generated, and the selectivity of sorbitol is significantly lower than that of the ruthenium / nickel oxide-titania catalyst (Ru / NiO-TiO 2 ) used in Example 1 .

글루코스로부터 상업용 5% Ru/C 촉매를 사용하여 연속반응에 의해 솔비톨을 제조한 결과Sorbitol was prepared by continuous reaction using a commercial 5% Ru / C catalyst from glucose. 반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(℃)
글루코스
주입속도
(ml/min)
Glucose
Injection speed
(ml / min)
연속
반응시간
(h)
continuity
Reaction time
(h)
글루코스의
전환율
(%)
Glucose
Conversion rate
(%)
솔비톨의
선택도
(%)
Sorbitol
Selectivity
(%)
만니톨의
선택도
(%)
Mannitol
Selectivity
(%)
기타
선택도
(%)
Etc
Selectivity
(%)
120120 0.040.04 100100 100100 59.559.5 19.419.4 21.121.1 100100 0.040.04 150150 100100 83.883.8 5.45.4 10.810.8 100100 0.10.1 150150 100100 78.678.6 5.45.4 16.016.0 8080 0.040.04 150150 100100 96.096.0 1.81.8 2.22.2 8080 0.10.1 150150 100100 94.094.0 1.61.6 4.44.4

[비교예 5] 상업용 5% Ru/C 촉매를 사용하여 자일리톨의 제조Comparative Example 5 Preparation of Xylitol Using Commercial 5% Ru / C Catalyst

상업용 5% Ru/C 촉매를 사용하여 상기 실시예 1과 같은 방법으로 수소첨가반응을 수행하고, 반응 후 액체 크로마토그래피 분석결과 자일로스의 전환율과 자일리톨의 선택도는 표 8과 같으며, 700시간 이상 연속하여 반응하면 실시예 1에서 사용된 루테늄/산화니켈-티타니아 촉매(Ru/NiO-TiO2)에 비하여 부산물인 아라비톨이 다량 생성되고 기타의 불순물이 생성되며 자일리톨의 선택성이 크게 떨어지는 것을 알 수 있었다. Hydrogenation was carried out in the same manner as in Example 1 using a commercial 5% Ru / C catalyst, and after the reaction, the liquid chromatography analysis showed the conversion of xylose and the selectivity of xylitol are shown in Table 8, and 700 hours. When the reaction was continuously performed, it was found that a large amount of by-product arabitol was produced, other impurities were generated, and the selectivity of xylitol was greatly decreased compared to the ruthenium / nickel oxide-titania catalyst (Ru / NiO-TiO 2 ) used in Example 1. Could.

자일로스로부터 상업용 5% Ru/C 촉매를 사용하여 연속반응에 의해 자일리톨을 제조한 결과Xylitol Preparation by Continuous Reaction from Xylose Using Commercial 5% Ru / C Catalyst 반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(℃)
자일로스
주입속도
(ml/min)
Xylose
Injection speed
(ml / min)
연속
반응시간
(h)
continuity
Reaction time
(h)
자일로스의
전환율(%)
Xylose
Conversion Rate (%)
자일리톨의
선택도(%)
Xylitol
Selectivity (%)
아라비톨의
선택도(%)
Arabitol
Selectivity (%)
기타
선택도
(%)
Etc
Selectivity
(%)
120120 0.040.04 100100 99.899.8 61.561.5 18.418.4 20.120.1 100100 0.040.04 150150 99.899.8 84.884.8 6.46.4 10.810.8 100100 0.10.1 150150 98.898.8 77.677.6 6.46.4 16.016.0 8080 0.040.04 150150 99.799.7 95.095.0 2.82.8 2.22.2 8080 0.10.1 150150 98.698.6 93.093.0 2.62.6 4.44.4

[비교예 6] 상업용 5% Ru/C 촉매를 사용하여 만니톨의 제조Comparative Example 6 Preparation of Mannitol Using a Commercial 5% Ru / C Catalyst

상업용 5% Ru/C 촉매를 사용하여 상기 실시예 1과 같은 방법으로 수소첨가반응을 수행하고, 반응 후 액체 크로마토그래피 분석결과 만노스의 전환율과 만니톨의 선택도는 표 9와 같으며, 700시간 이상 연속하여 반응하면 실시예 1에서 사용된 루테늄/산화니켈-티타니아 촉매(Ru/NiO-TiO2)에 비하여 기타의 불순물이 다량 생성되며 만니톨의 선택성이 크게 떨어지는 것을 알 수 있었다. Hydrogenation was carried out in the same manner as in Example 1 using a commercial 5% Ru / C catalyst, and after the reaction, the result of liquid chromatography analysis showed that mannose conversion and mannitol selectivity are shown in Table 9, and were performed for 700 hours or longer. When the reaction was continued, it was found that the ruthenium / nickel oxide-titania catalyst (Ru / NiO-TiO 2 ) used in Example 1 produced a large amount of other impurities and greatly decreased the selectivity of mannitol.

만노스로부터 상업용 5% Ru/C 촉매를 사용하여 연속반응에 의해 만니톨을 제조한 결과Mannitol was prepared by continuous reaction using a commercial 5% Ru / C catalyst from mannose 반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(℃)
만노스
주입속도
(ml/min)
Mannose
Injection speed
(ml / min)
연속
반응시간
(h)
continuity
Reaction time
(h)
만노스의
전환율(%)
Mannos
Conversion Rate (%)
만니톨의
선택도(%)
Mannitol
Selectivity (%)
기타
선택도(%)
Etc
Selectivity (%)
120120 0.040.04 100100 99.599.5 80.580.5 19.519.5 100100 0.040.04 150150 99.699.6 95.895.8 4.24.2 100100 0.10.1 150150 98.698.6 95.495.4 4.64.6 8080 0.040.04 150150 99.799.7 97.497.4 2.62.6 8080 0.10.1 150150 99.199.1 96.096.0 4.04.0

Claims (7)

실리카, 알루미나 및 티타니아 중에서 선택되는 단독 또는 혼합물 담체에 루테늄이 담지된 것으로, 담체는 니켈금속 산화물로 된 피막을 갖는 것인 담지촉매를 사용하여, 당류를 수소화 반응에 의해 그에 상응하는 당알코올류로 제조하는 방법.
Ruthenium is supported on a carrier alone or in a mixture selected from silica, alumina and titania, and the carrier has a coating of nickel metal oxide, and the sugars are converted into the corresponding sugar alcohols by hydrogenation. How to manufacture.
제 1항에 있어서,
상기 수소화 반응은 반응온도 60 내지 200℃ 및 반응압력 2 내지 200MPa의 조건 하에서 수행되는 방법.
The method of claim 1,
The hydrogenation reaction is carried out under the conditions of the reaction temperature of 60 to 200 ℃ and the reaction pressure of 2 to 200MPa.
제 1항에 있어서,
상기 당류는 글루코스, 자일로스, 만노스, 프럭토스, 에리스로스, 갈락토스, 슈크로스, 전분 가수분해물, 셀루로스 가수분해물 및 말토스 중에서 선택되는 단독 또는 2 이상의 혼합물인 것인 방법.
The method of claim 1,
The saccharide is a single or a mixture of two or more selected from glucose, xylose, mannose, fructose, erythrose, galactose, sucrose, starch hydrolyzate, cellulose hydrolyzate and maltose.
제 3항에 있어서,
상기 당류는 용매에 녹여 사용하고, 용매는 물, 알코올 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것인 방법.
The method of claim 3, wherein
The saccharide is dissolved in a solvent and used, and the solvent is selected from water, alcohol or a mixture thereof.
제 1항에 있어서,
상기 루테늄은 담지촉매 총 중량에 대하여 0.2 내지 15중량%로 담지된 것인 방법.
The method of claim 1,
The ruthenium is supported by 0.2 to 15% by weight based on the total weight of the supported catalyst.
제 1항에 있어서,
상기 니켈금속 산화물로 된 피막은 니켈의 양을 기준으로 하여 담지촉매 총 중량에 대하여 0.5 내지 15중량% 되는 양으로 형성된 것인 방법.
The method of claim 1,
Wherein the coating of the nickel metal oxide is formed in an amount of 0.5 to 15% by weight based on the total amount of the supported catalyst.
제 1항에 있어서,
상기 루테늄은 입경 1 내지 10 nm의 나노입자인 것인 방법.
The method of claim 1,
The ruthenium is a nanoparticle having a particle diameter of 1 to 10 nm.
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