KR20150132299A - 부산물 형성을 감소시키면서 당으로부터 hmf를 제조하기 위한 방법, 및 안정성이 개선된 hmf 조성물 - Google Patents

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Abstract

산소가 감소된 환경 내에서 하나 이상의 헥소스 당을 탈수함으로써 HMF 또는 HMF 유도체를 제조하기 위한 방법이 개시되며, 또 다른 관련 양태에서, HMF 생성물의 안정성 및 분해 저항성을 개선시키기 위한 방법은 하나 이상의 산화방지제를 HMF 생성물에 첨가하는 단계를 포함한다.

Description

부산물 형성을 감소시키면서 당으로부터 HMF를 제조하기 위한 방법, 및 안정성이 개선된 HMF 조성물{PROCESS FOR MAKING HMF FROM SUGARS WITH REDUCED BYPRODUCT FORMATION, AND IMPROVED STABILITY HMF COMPOSITIONS}
일 양태에서, 본 발명은 당으로부터, 특히 그러나 제한 없이, 헥소스 탄수화물, 예컨대 글루코스 및 프룩토스로부터 하이드록시메틸푸르푸랄을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 제2 양태에서, 본 발명은 그러한 당으로부터 탈수에 의해 생성된 하이드록시메틸푸르푸랄 생성물에 관한 것이다.
농업용 원재료, 예컨대 전분, 셀룰로스, 수크로스 또는 이눌린은 헥소스, 예컨대 글루코스 및 프룩토스를 제조하기 위한 저가의 출발 재료이다. 이들 헥소스를 탈수하는 경우, 레불린산 및 포름산과 같은 기타 다른 생성물들도 있지만, 특히 2-하이드록시메틸-5-푸르푸르알데하이드가 생성되는데, 이는 또한 하이드록시메틸푸르푸랄(HMF)로 알려져 있다. HMF 및 이의 관련 2,5-이치환된 푸란 유도체는 재생 자원으로부터의 중간체 화학제품 분야에서의 용도에 대한 큰 잠재성을 갖는 것으로 여겨져 왔다. 보다 구체적으로는, 다양한 기능성으로 인해, HMF는 중합체, 용매, 계면활성제, 의약품, 및 식물 보호제와 같은 광범위한 제품을 생성하는 데 이용될 수 있는 것으로 제안되어 왔으며, HMF는 항세균 및 부식방지 특성을 갖는 것으로 보고되어 있다. HMF는 또한, 매우 다양한 화합물, 예컨대 푸르푸릴 디알코올, 디알데하이드, 에스테르, 에테르, 할라이드 및 카르복실산의 합성에서 출발 재료 또는 중간체로서 핵심 성분이다. HMF로부터 제조될 수 있는 화합물의 주목할 만한 예는 2,5-푸란디카르복실산, 또는 FDCA인데, 이는 HMF, HMF의 에테르 또는 에스테르 유도체로부터 산화 공정을 통해 제조될 수 있으며, 예를 들어 Sanborn 등에게 허여된 US 7,317,116 및 US 2009/0156841을 참조한다. FDCA는, 에틸렌 테레프탈레이트 또는 부틸렌 테레프탈레이트와 같은 멀티-메가톤(multi-megaton) 폴리에스테르 중합체의 생산에서, 테레프탈산의 바이오기반 재생가능 대체물로서 논의되어 왔다. FDCA 에스테르는 또한 최근에 PVC용 프탈레이트 가소제를 대체하기 위하여 평가되어 왔으며, 예를 들어 WO 2011/023491A1 및 WO 2011/023590A1(둘 모두는 Evonik Oxeno GmbH사에 양도됨)뿐만 아니라, 문헌[R.D. Sanderson et al., Journal of Appl. Pol. Sci. 1994, vol. 53, pp. 1785-1793]도 참조한다.
게다가, HMF는 화석 연료의 지속가능한 대안물로서 바이오매스로부터 유래된 연료인 바이오연료의 개발에 유용한 것으로 여겨져 왔다. HMF는 추가로 겸상적혈구 빈혈에 대한 치료제로서 평가되어 왔다. 간단히 말해서, HMF는 중요한 화학적 화합물이며, 상당한 양의 불순물, 부산물 및 잔존하는 출발 재료가 없는 상태로 HMF를 생산하기 위한 대규모 합성 방법이 거의 일세기 동안 모색되어 왔다.
이에 상응하여, HMF가 당으로부터 탈수를 통해 제조될 수 있음이 오랫동안 알려져 왔지만(초기에는 1895년에 Dull(문헌[Chem. Ztg., 19, 216])에 의해 레불로스로부터, 그리고 Kiermayer(문헌[Chem. Ztg., 19, 1003])에 의해 수크로스로부터 제조됨), 화학자들은 특정의 당으로부터 HMF가 형성되는 정확한 메커니즘에 대해 수 년에 걸쳐 견해가 달랐다. 문헌[Weingarten et al., "Kinetics and Reaction Engineering of Levulinic Acid Production from Aqueous Glucose Solutions", ChemSusChem 2012, vol. 5, pp. 1280-1290 (2012)]에서 매우 최근에 관련된 바와 같이, "대체로, C6 탄수화물로부터의 HMF 형성의 메커니즘에 관한 두 부류의 사고체계가 있다. 하나의 이론은 반응이 어사이클릭(acyclic) 1,2-엔디올 중간체를 경유하여 진행됨을 주창한다. 다른 하나는 프룩토스로부터의 HMF의 형성에서의 프룩토푸라노실 사이클릭 중간체를 고려한다." 글루코스와 관련하여 구체적으로, Weingarten은 마찬가지로 HMF가 어떻게 글루코스로부터 형성되는지에 대한 2 가지 이론이 있음을 보고한다: "하나의 이론은 글루코스로부터의 HMF의 형성이 프룩토스를 거쳐 진행된다는 것과, 거의 존재하지 않는 프룩토스가, 글루코스와 비교하여 프룩토스의 높은 반응성에 기인될 수 있다는 것을 시사한다. 대조적으로, 기타 다른 저술가들은 글루코스의 개환으로부터 형성된 3-데옥시-글루코손 중간체의 환화를 통해 글루코스가 HMF로 직접 전환될 수 있다고 주장한다. 이에 관하여, 글루코스의 HMF로의 비교적 낮은 전환율은, 수용액에서의 글루코스 피라노스 형태의 안정화로 인해 개환 형태로 존재하는 글루코스의 낮은 친화성에 의해 야기된다."
따라서, HMF 및 기타 다른 관찰된 탈수 생성물이 헥소스 탄수화물, 예컨대 프룩토스 및 글루코스의 탈수에서 형성되는 정확한 방식에 대해 최우선되는 의견일치가 없는 것 같지만, 그럼에도 불구하고 어떠한 메커니즘도 작용될 수 있고, 이러한 메커니즘에 의해 어떠한 중간체 종도 형성될 수 있고, 다수의 원치 않는 부산물이 언제나 HMF와 함께 생성되며(중간체 종을 포함하는 반응을 통해서든 HMF를 포함하는 반응을 통해서든), 따라서 우수한 수율로 대규모로 HMF를 제조하는 경제적인 공정이 아직까지 실현되지 않았다는 데에는 의견이 일치한다. HMF의 재수화(rehydration)로부터 문제가 발생되는데, 이는 부산물, 예컨대 레불린산 및 포름산을 생성한다. 다른 원치 않는 부반응은 HMF 및/또는 프룩토스의 중합을 포함하는데, 이러한 중합은 고형 폐기 생성물인 후민(humin) 중합체를 생성한다. 용매 선택의 결과로서 추가의 문제가 일어날 수 있다. 물은 프룩토스의 처분에 용이하고 이를 용해시키지만, 불행하게도 수성 조건 하에서, 선택성이 낮고 중합체의 형성이 증가하며 후민이 증가한다.
HMF의 경제적인 상업적 생산의 실현은 또한 HMF의 상대적인 불안정성 및 분해 경향에 의해 방해되어 왔으며, 따라서 다양한 부산물로부터의 그리고 미전환 당으로부터의 HMF의 정제는 그 자체가 어려운 것으로 입증되어 있다. 예를 들어, 원하는 생성물이 증류될 수 있는 온도에 오랫동안 노출될 때, 합성 혼합물과 연관된 불순물 및 HMF는 분해 생성물을 형성하고 체류시키는 경향이 있다. 이러한 열 불안정성으로 인해, 강하 경막 진공(falling film vacuum)이 여전히 사용되어야 한다. 이러한 장치에서조차도, 가열 표면 상에서의 수지성 고형물 형태는 로터에서의 스톨링(stalling) 및 빈번한 작업 정지 시간(shut down time)을 야기하며, 이로써 작업을 비효율적이게 한다. 이전의 작업은 증류와 함께 수행되어 왔으며, 고형 후민 중합체의 축적을 방지하기 위한 PEG-600과 같은 비휘발성 용매의 첨가가 함께 수행되어 왔다(Cope, 미국 특허 번호 2,917,520). 불행하게도, 폴리글리콜의 사용은 HMF-PEG 에테르의 형성으로 이어진다.
HMF의 상대적인 불안정성 및 분해 경향에 대처하기 위한 또 다른 더 최근의 노력은, 더 안정적이고 용이하게 분리되는 HMF 유도체, 예를 들어 HMF 에스테르 및 에테르 유도체를 형성하도록 시도하거나, 또는 이의 분해에 기여하는 경향이 있는 조건들, 예를 들어 산성 조건에 대한 노출로부터 HMF를 신속히 회수하도록 시도한 것이었다.
전자의 접근의 일 예가, Sanborn 등에게 허여된 앞서 인용된 US 2009/0156841에서 확인될 수 있는데, 여기서는 탄수화물 공급원을 고상(solid phase) 촉매와 접촉시킴으로써 탄수화물 공급원으로부터 실질적으로 순수한 HMF 및 HMF 에스테르를 생성하는 방법이 제공되어 있으며; "실질적으로 순수한"은 HMF의 순도가 약 70% 이상, 선택적으로 약 80% 이상, 또는 약 90% 이상임을 언급하는 것으로 정의되었다.
일 구현예에서, 탄수화물 공급원 및 유기 산으로부터 HMF 에스테르를 생성하는 방법은, 컬럼 내에서 용매와 함께 탄수화물 출발 재료를 가열하는 단계, 및 가열된 탄수화물 및 용매를 유기 산의 존재 하에서 고상 촉매를 통해 연속해서 유동시켜 HMF 에스테르를 형성하는 단계를 포함하였다. 용매를 회전 증발에 의해 제거하여 실질적으로 순수한 HMF 에스테를 제공한다. 또 다른 구현예에서는, 탄수화물을 용액 중에서 유기 산 및 고형 촉매와 함께 가열하여 HMF 에스테르를 형성한다. 이어서, 생성된 HMF 에스테르는 여과, 증발, 추출, 및 증류 또는 이들의 임의의 조합에 의해 정제될 수 있다.
후자의 접근의 일 예는 Dignan 등에게 허여된 WO 2009/012445에서 확인될 수 있는데, 여기서는 무기 산 촉매 및 프룩토스의 수용액을 수불혼화성 유기 용매와 혼합하거나 교반하여 수성 상 및 유기 상의 에멀전을 형성하고, 이어서 에멀전을 고압에서 유통형 반응기(flow-through reactor) 내에서 가열하고 수성 상 및 유기 상이 상 분리될 수 있게 함으로써 HMF를 제조하도록 제안되어 있다. HMF는 대략 동일한 양으로 수성 상 및 유기 상에 존재하며, 예를 들어 유기 상으로부터 진공 증발 및 진공 증류에 의해, 그리고 수성 상을 이온-교환 수지로 통과시킴으로써 이들 두 상 모두로부터 회수된다. 잔류 프룩토스는 수성 상과 함께 머무른다. 높은 프룩토스 수준이 초기 수성 상에 대해 지지되는데, 이는 반응되는 프룩토스의 양에 대하여 비교적 더 적은 양의 용매를 사용하기 위해서이다.
Sanborn 등에게 허여된 WO 2013/106136에서, 본 발명자들은 헥소스 당 수용액으로부터 HMF 또는 HMF 유도체(예를 들어, 에스테르 또는 에테르 유도체)를 제조하기 위한 새로운 방법을 기재하였는데, 이 방법에서는, 특정 구현예에 따르면, 산-촉진 탈수 단계는 상온으로부터 반응 온도까지 헥소스 수용액을 급속하게 가열할 뿐만 아니라 HMF 및/또는 HMF 유도체 미전환 당 혼합물을 급속하게 냉각시킴에 의해 수행되며, 이때 냉각 후에 즉시 발효가능한(fermentation-ready) 잔류 당 생성물의 HMF 및/또는 HMF 유도체 생성물로부터의 분리가 행해지게 된다. 게다가, 헥소스 수용액이 반응기 내로 도입되었을 때와 HMF 및/또는 HMF 에테르 생성물이 냉각되기 시작할 때 사이의 시간이 바람직하게는 제한된다.
1 회 통과당 HMF로의 제한된 전환율을 받아들임으로써, 임의의 제공되는 헥소스 수용액로부터 형성되는 HMF의 산성 고온 조건에 대한 전체 노출이 제한되며, 바람직하게는 폐기물 처리를 필요로 하는 원치 않거나 또는 사용 불가능한 부산물, 예컨대 후민이 거의 내지 전혀 생성되지 않는다. 생성물들의 분리 및 회수는 간소화되고, 발효에 의한 에탄올 생성을 억제하는 것으로 알려진 HMF 및 기타 다른 헥소스 탈수 생성물들의 수준은 잔류 당 생성물에서, 잔류 당 생성물이 필요하다면 에탄올 발효에 직접 사용될 수 있는 정도까지 감소된다. 기재된 바와 같이 수행되는 방법들은 매우 높은 당 점유율(sugar accountability) 및 높은 전환 효율과 함께, 매우 낮은 당 손실이 명백함을 특징으로 하였다.
하기는 본 발명의 양태들 중 일부에 대한 기초적인 이해를 제공하기 위하여 본 발명의 간소화된 개요를 제공한다. 이 개요는 본 발명에 대한 광범위한 개관은 아니며, 본 발명의 핵심 또는 중대한 요소를 확인하거나 이의 범주를 기술하는 것으로 의도되지 않는다. 이 개요의 유일한 목적은 본 발명의 일부 개념을, 나중에 제공되는 보다 상세한 설명에 대한 도입부로서 간소화된 형태로 제공하는 것이다.
이러한 이해 하에서 일 구현예에서, 본 발명은, 특히 옥수수의 습식 또는 건식 밀링(milling)으로부터 유래된 일반적인 헥소스 당으로부터, 또는 리그노셀룰로스성 바이오매스의 셀룰로스성 분획으로부터 상업적 규모로 HMF를 제조하고자 시도함에 있어서 접했던 난제들 중 일부를 해결하기 위한 또 다른 접근에 관한 것으로, 예를 들어 산소가 감소된 환경 내에서 하나 이상의 헥소스 당을 탈수함으로써 HMF 또는 HMF 유도체를 제조하기 위한 방법을 제공함을 통해 해결한다.
또 다른 관련 양태에서, 본 발명은 HMF 생성물과 하나 이상의 산화방지제의 배합을 통해 HMF 생성물, 예컨대 하나 이상의 헥소스 당의 산 탈수로부터 생성될 수 있는 HMF 생성물의 안정성 및 분해 저항성을 개선하기 위한 방법에 관한 것이며, 여기서 "산화방지제"는 단량체 또는 중합체 성질의 천연 또는 합성 기원의 유기 물질의 복잡한 산화 현상(자동산화(autooxidation)를 포함함)을, 특정 작용 방식에 관계 없이, 직접적으로 또는 간접적으로 제한하거나 심지어 방지할 수 있는 화합물 및 화합물들의 조합을 폭넓게 지칭하는 것으로 이해되며, 추가로 본 발명은 하나 이상의 산화방지제를 포함하는 안정성이 개선된 HMF 조성물 그 자체에 관한 것이다. 따라서 예를 들어, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "산화방지제"는 산화방지제 그 자체로서 통상적으로 기재되어 온 재료뿐만 아니라 통상적으로 상이하게 기재되어 오거나 분류되어 온 재료, 예를 들어 산소 스캐빈저(scavenger)도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 저장된 HMF 생성물, 예컨대 하나 이상의 헥소스 당의 사용 전에 이의 산 탈수로부터 생성될 수 있는 HMF 생성물의 안정성 및 분해 저항성을 개선하기 위한 방법에 관한 것으로, 본 방법은 산소가 감소된 환경 내에서 HMF 생성물을 저장하는 단계를 포함한다.
도 1은 일 예시적인 구현예에서의 본 발명에 따른 방법의 개략도이다.
HMF의 상대적인 불안전성 및 분해 경향은 이미 기술되어 왔다. 산성 고온 조건에 대한 HMF의 노출은 HMF의 분해에 기여하는 것으로 알려져 있지만, 본 발명은, 특히 자동산화를 포함한 HMF의 산화가 또한 지금까지 인식되지 않은 역할을 한다는 발견에 기초한다. 산소가 감소된 환경 내에서 하나 이상의 헥소스 당의 탈수를 수행함으로써, 그리고/또는 HMF를 하나 이상의 산화방지제와 배합함으로써, HMF의 안정성 및 분해에 대한 저항에 있어서 상당한 개선이 실현될 수 있다.
당업자는 본 발명의 성질이, 예를 들어 하나 이상의 헥소스를 탈수하여 HMF를 형성하거나 필요에 따라 HMF 유도체를 형성하는 임의의 공지된 방법에 의한 그의 실제적인 이용을 허용한다는 것을 용이하게 인식하겠지만, 그럼에도 불구하고 단지 예시 목적상, 본 발명의 방법의 일 구현예(10)가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 특히, 구현예(10)는, Sanborn 등에게 허여된 상기 언급된 WO 2013/106136에 따른 변경된 방법에 관한 것으로, 여기서는 탈수가 산소가 감소된 환경 내에서 수행되고/수행되거나, 하나 이상의 산화방지제가, 그 출원에서 기재된 바와 같이 수행되거나 또는 거기에 기재된 바와 같이 수행되지만 탈수 단계를 위한 산소가 감소된 환경 내에서 수행된 방법에 따라 제조된 HMF 및/또는 HMF 유도체와 배합된다.
이제 도 1을 참조하면, 탈수시켜 HMF 또는 HMF 유도체를 제조하기 위한 헥소스 수용액은 일반적으로 육탄당(헥소스)을 하나 이상 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 헥소스 수용액은 더 일반적인 헥소스인 글루코스 및 프룩토스 중 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있으며, 특정 구현예에서는 글루코스 및 프룩토스 둘 모두를 포함할 것이다. 도 1에 개략적으로 도시된 구현예(10)는 글루코스 및 프룩토스 둘 모두를 포함하는 헥소스 수용액에 기초한다.
방법(10)에서는, 산 또는 효소에 의한 녹말의 가수분해로부터 또는 셀룰로스성 재료의 가수분해로부터 유도될 수 있는 바와 같은 글루코스를 먼저 단계(12)에서 이소머라제의 사용을 통해, 헥소스 당 수용액(14)의 형태인 글루코스와 프룩토스의 혼합물로 효소적으로 전환시킨다. 녹말로부터 글루코스를 제조하기 위한 방법 및 글루코스의 일부분을 프룩토스로 전환시키기 위한 방법은 잘 알려져 있으며, 예를 들어 고 프룩토스 옥수수 시럽의 제조에서이다. 물론, 대안적으로, 글루코스의 이성화로부터라기보다는 오히려 사탕수수당(cane sugar) 또는 사탕무로부터 유도된 프룩토스가 원하는 비율로 글루코스와 배합될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 글루코스의 이성화와 기타 다른 공지된 공급원으로부터의 프룩토스의 블렌딩의 조합이 사용될 수 있는데, 이는 추가의 가공을 위한 헥소스 당 수용액을 형성하기 위한 글루코스와 프룩토스의 배합물을 제공하기 위해서이다. 편의상, 헥소스 당 수용액(14)은 현재의 고 프룩토스 옥수수 시럽 제품, 예를 들어 HFCS 42(약 42%의 프룩토스 및 약 53%의 글루코스를 함유함), HFCS 90(HFCS 42로부터 추가 정제에 의해 제조됨, 약 90%의 프룩토스 및 각각 약 5%의 글루코스 및 말토스) 또는 HFCS 55(약 55%의 프룩토스를 함유하며, 통상적으로 HFCS 42와 HFCS 90의 블렌딩으로부터 제조됨)에 상응할 수 있으며, 따라서 기존의 HFCS 생산 능력(production capacity)을 HMF 및 유도체 생성물의 제조에 이용하여 자산 활용을 개선하고 자본 회수를 개선시킬 수 있는데, 이는 HFCS 수요 및 가격책정과 HMF 및 HMF 유도체 수요 및 가격책정이 지시하는 바와 같을 것이다.
이어서, 헥소스 당 수용액(14)은 단계(16)에서 산-촉진 탈수를 거쳐서 HMF와 미전환 당의 혼합물(18)을 제공한다. 프룩토스는 글루코스보다 훨씬 더 용이하게 탈수되기 때문에, 혼합물(18)의 미전환 당에서의 글루코스의 비율은 헥소스 당 용액(14)보다 더 높을 것이다. 혼합물(18) 내의 HMF 및 미전환 헥소스 당의 상대량, 및 미전환 당 부분 내의 글루코스 및 프룩토스의 상대량은 산 탈수 단계(16)가 수행되는 방식뿐만 아니라 헥소스 당 수용액(14)의 조성에 따라서도 변동될 수 있다. 물론, 일반적으로, HMF 생성이 미전환된 잔류 당으로부터의 에탄올의 생성에 비하여 유리한 경우, 동일한 산 탈수 조건을 고려한다면, HFCS 90은 HFCS 55보다 더 많은 HMF를 생성할 것이고, HFCS 55는 HFCS 42보다 더 많이 생성할 것이다(그 이유는 프룩토스가 글루코스보다 HMF로 더 용이하게 탈수되기 때문이다).
상기에 언급된 바와 같이, 특정 구현예에서, 산-촉진 탈수 단계(16)는 상온으로부터 원하는 탈수 반응 온도까지 헥소스 당 수용액(14)을 급속하게 가열하고, 이어서 HMF/미반응 당 혼합물(18)을 급속하게 냉각시킴에 의해 수행되며, 이때 냉각 후에, HMF 생성물로부터 즉시 발효가능한 잔류 당 생성물의 분리가 행해지게 된다. 마찬가지로, 당 용액(14)의 도입으로부터 HMF/미전환 당 혼합물이 냉각되기 시작할 때까지의 시간이 또한 제한된다.
이러한 방식으로, 1 회 통과당 HMF로의 제한된 전환율을 받아들임으로써, 이에 상응하며, 형성되는 HMF의 산성 고온 조건에 대한 전체 노출이 제한되고, 따라서 바람직하게는, 폐기물 처리를 필요로 하는 원치 않거나 또는 사용 불가능한 부산물, 예컨대 후민이 거의 내지 전혀 생성되지 않는다. 생성물들의 분리 및 회수는 간소화되고, 발효에 의한 에탄올 생성을 억제하는 것으로 알려진 HMF 및 기타 다른 헥소스 탈수 생성물들의 수준은 잔류 당 생성물에서, 잔류 당 생성물이 필요하다면 에탄올 발효에 직접 사용될 수 있는 정도까지 감소된다.
결과적으로, 통상적으로 혼합물(18)은 10% 내지 55% 몰 수율의 HMF, 30% 내지 80% 몰 수율의 미전환된 잔류 당, 및 10% 이하 몰 수율의 기타 다른 재료, 예컨대 푸르푸랄, 레불린산, 후민 등을 포함할 것이다. 바람직하게, 혼합물(18)은 30% 내지 55% 수율의 HMF, 40% 내지 70% 수율의 미전환된 잔류 당, 및 5% 이하 수율의 기타 다른 재료, 예컨대 푸르푸랄, 레불린산, 후민 등을 포함할 것이다. 더 바람직하게, 혼합물(18)은 45% 내지 55% 수율의 HMF, 25% 내지 40% 수율의 미전환된 잔류 당, 및 5% 이하 수율의 기타 다른 재료, 예컨대 푸르푸랄, 레불린산, 후민 등을 포함할 것이다.
형성되는 HMF의 산성 고온 조건에 대한 전체 노출을 제한하고자 시도하는 것에 더하여, 본 발명에 따른 탈수 공정의 예시적인 구현예(10)에서, 산-촉진 탈수 단계(16)는 대기압 미만의 산소 함량이 우세한 산소가 감소된 환경 내에서 수행된다. 산소는 바람직하게 불활성 가스, 예를 들어 질소 또는 아르곤으로 대체된다. 바람직하게는, 헥소스 당 수용액(14)을 도입하기 전에, 또는 적어도 탈수 단계(16)를 수행하기 위한 산 촉매에 대한 헥소스 당 수용액(14)의 임의의 노출 전에, 반응기 공간 내에 산소가 감소된 환경이 확립된다.
이제 도 1을 참조하면, 이어서 혼합물(18) 내의 HMF 및 미전환된 잔류 당을 분리 단계(20)에서 흡착, 용매 추출, 또는 이들의 조합에 의해 분리하여 HMF 생성물 스트림 또는 부분(22) 및 즉시 발효가능한 당 스트림 또는 부분(24)을 생성하는데, 후자는 선택적으로, 에탄올 생성물(28)을 생성하기 위한 에탄올 발효 단계(26)에 공급될 수 있다.
단계(20)에서의 흡착은, 혼합물(18) 내의 잔류 헥소스 당으로부터 HMF를 우선적으로 흡착시키는 임의의 재료에 의해 행해질 수 있다. 산-촉진 탈수 단계(16)에서 형성된 HMF 및 임의의 레불린산을 보유하는 데 매우 효과적인 것으로 확인된 재료는 DOWEX® OPTIPORE® V-493 매크로다공성 스티렌-디비닐벤젠 수지(CAS 69011-14-9, 미국 미시간주 미들랜드 소재의 Dow Chemical Company사)이며, 이는 그의 제조업체에 의하면 20 메시 내지 50 메시의 입자 크기, 46 옹스트롬의 평균 기공 크기 및 1.16 mL/g의 기공 부피, 1100 m2/g의 표면적 및 680 g/L의 벌크 밀도를 갖는 것으로 기재되어 있다. 흡착된 HMF의 대부분을 탈착시키는 데 에탄올 세척이 효과적이었으며, 이어지는 아세톤에 의한 수지의 세척은 흡착된 HMF의 정량적 회수를 제공하였다. 대안적인 재료는 AMBERLITE™ XAD™-4 폴리스티렌 디비닐벤젠 중합체 흡착성 수지(CAS 37380-42-0, 미국 펜실베이니아주 필라델피아 소재의 Rohm & Haas Company사)로서, 이는 1.08 g/mL의 건조 밀도, 725 m2/g의 표면적, 50 옹스트롬의 평균 기공 직경, 20 내지 60의 습윤 메시 크기 및 0.98 mL/g의 기공 부피를 갖는 비작용화된 수지이다. 기타 다른 적합한 흡착제는 활성탄, 제올라이트, 알루미나, 점토(clay), 비작용화된 수지(LEWATIT® AF-5, LEWATIT® S7968, LEWATIT® VPOC1064 수지, 이들 모두는 Lanxess AG사로부터의 것임), Amberlite® XAD-4 매크로망상(macroreticular) 가교결합된 폴리스티렌 디비닐벤젠 중합체 수지(CAS 37380-42-0, 미국 펜실베이니아주 필라델피아 소재의 Rohm & Haas Company사), 및 양이온 교환 수지일 수 있으며, US 7,317,116(Sanborn) 및 나중의 US 7,897,794(Geier 및 Soper)를 참조한다. 탈착 용매는 극성 유기 용매, 예를 들어 알코올, 예컨대 에탄올, 아밀 알코올, 부탄올 및 이소펜틸 알코올뿐만 아니라, 에틸 아세테이트, 메틸 테트라하이드로푸란 및 테트라하이드로푸란을 포함할 수 있다.
용매 추출을 위한 적합한 용매는 메틸 에틸 케톤, 특히 에틸 아세테이트를 포함하는데, 이는 HMF 및 레불린산에 대한 후자의 큰 친화성, 저비점(77℃) 및 물로부터의 분리의 용이성에 기인한다. WO 2013/106136 출원의 특정의 실시예에서 입증된 바와 같이, 혼합물(18)로부터의 당 및 HMF의 실질적인 완전한 회수는 일련의 에틸 아세테이트 추출을 통해 달성될 수 있다. 추가적으로, 기타 다른 수단에 의해 회수된 잔류 당은, 이어지는 에탄올 발효 단계(26)에서 에탄올로 직접 가공하는 데 여전히 적합하였지만, 에틸 아세테이트에 의한 정량적인 추출 후에 회수된 것들은, 심지어 최적이 아닌 조건 하에서조차도 상당히 덜 억제하는 것으로 관찰되었다. 다양한 기타 다른 용매가 2 상 시스템(biphasic system)에서의 HMF 및 HMF 유도체 합성 및 회수와 관련된 문헌에서 제시되거나 사용되어 왔으며, 이들은 본 발명과 관련하여 사용하기에 적절할 수 있다. 기타 다른 유용한 용매의 예는 부탄올, 이소아밀 알코올, 메틸 에틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 디에틸 에테르, 사이클로펜틸 디메틸 에테르, 메틸 테트라하이드로푸란, 및 메틸 부틸 에테르이다.
에탄올 발효 단계(26)는 즉시 발효가능한 당 스트림 또는 부분(24)으로 나타낸 유형의 헥소스 당 공급물이, 적어도 일부에서 발효 수단에 의해, 에탄올을 포함한 하나 이상의 생성물로 전환될 수 있는 임의의 공지된 공정을 포함할 수 있다. 따라서, 호기성 및 혐기성 과정 둘 모두가 고려되는데, 이들 과정은 호기성 또는 혐기성 조건 및 기타 다른 적절한 조건 하에서, 즉시 발효가능한 당 스트림 또는 부분(24)으로부터 에탄올-생성 능력을 갖는 다양한 효모들 중 임의의 것(예를 들어, 클루이베로마이세스 락티스(Kluyveromyces lactis), 클루이베로마이세스 리포리티카(Kluyveromyces lipolytica), 사카로마이세스 세레비시아에(Saccharomyces cerevisiae), S. 우바룸(S. uvarum), S. 모나센시스(S. monacensis), S. 파스토리아누스(S. pastorianus), S. 바이아누스(S. bayanus), S. 엘립소이두에스(S. ellipsoidues), 칸디다 셰하타(Candida shehata), C. 멜리비오시카(C. melibiosica), C. 인테르메디아(C. intermedia)) 또는 다양한 세균들 중 임의의 것(예를 들어, 클로스트리디움 스포로게네스(Clostridium sporogenes), C. 인돌리스(C. indolis), C. 스페노이데스(C. sphenoides), C. 소르델리(C. sordelli), 칸디다 브라카렌시스(Candida bracarensis), 칸디다 두블리니엔시스(Candida dubliniensis), 지모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis), Z. 포마세아스(Z. pomaceas))을 사용한다. 사용되는 특정 효모들(또는 세균들) 및 이들 다양한 효모(또는 세균)를 사용하는 발효의 기타 다른 구체적인 내용은 발효 기술에서의 당업자에 의한 일상적 선택에 관한 문제이긴 하지만, 하기 실시예는 하나의 일반적인 혐기성 효모 균주인 사카로마이세스 세레비시아에의 기능성을 입증해본다. 당 스트림 또는 부분(24)이 산 탈수 생성물 HMF의 제조 공정으로부터 유래되는 것을 고려하면, 특히 리그노셀룰로스성 바이오매스의 산-가수분해를 통해 그 바이오매스로부터 유래된 당 및/또는 바이오매스로부터의 셀룰로스성 분획과 함께 사용되는 것에 대해 입증된 효모 또는 세균이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 호기성 세균 코리네박테리움 글루타미쿰 R(Corynebacterium glutamicum R)은 문헌[Sakai et al., "Effect of Lignocellulose-Derived Inhibitors on Growth of and Ethanol Production by Growth-Arrested Corynebacterium glutamicum R", Applied and Environmental Biology, vol. 73, no. 7, pp 2349-2353 (April 2007)]에서, 바이오매스의 묽은 산 전처리로부터의 유기 산, 푸란 및 페놀 부산물에 대한 해독 조치의 대안으로서 평가되었으며, 유망한 것으로 밝혀졌다.
HMF(및/또는 경우에 따라 HMF 에테르) 및 미전환된 잔류 당의 양이 다소 변동될 수 있지만, 바람직하게는 모든 구현예에서, 고도의 당 점유율이 달성되는데, 여기서 "당 점유율"은 혼합물(18) 내의 확인가능한 생성물들의 몰 수율을 더할 때(본질적으로 HMF(및/또는 HMF 에테르), 레불린산, 푸르푸랄 및 미전환된 잔류 당의 몰 수율을 더할 때), 점유될 수 있는 산 탈수 단계(16)로의 당 투입물의 백분율을 지칭하는 것으로 이해된다. 바람직하게, 본 발명에 따른 변경된 방법(10)은 적어도 70%, 더 바람직하게는 적어도 80%, 가장 바람직하게는 적어도 90%의 전체 당 점유율을 특징으로 한다.
즉시 발효가능한 당 스트림 또는 부분(24)은, 전체적으로 또는 부분적으로, 또한 에탄올 생성 이외의 기타 다른 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 스트림 또는 부분(24) 내의 당은 추가의 HMF 또는 HMF 에테르를 생성하기 위한 산 탈수 단계(16)의 초기로 재순환될 수 있다. 스트림 또는 부분(24)으로 나타낸 헥소스 당은 또한 (에탄올 이외에 또는 이에 더하여) 기타 다른 바이오기반 연료 및 연료 첨가제를 생성하기 위한 당 알코올로 수소화될 수 있으며, 예를 들어 Yao 등에게 허여된 US 7,678,950을 참조한다. 스트림 또는 부분(24) 내의 당은 공지된 방법에 따라 발효되어서 리신 또는 락트산을 생성할 수 있거나, 또는 레불린산과 같은 다른 탈수 생성물을 제조하는 데 사용될 수 있다. 기재된 방법에 의해 제공된 당 스트림 또는 부분(24)의 특징을 고려하면, 또 다른 용도들이 당업자에게 명백할 것이다.
HMF 생성물 스트림 또는 부분(22)의 다수의 유망한 용도는 이미 언급되어 있지만, 중요한 고려되는 한 가지 용도는 산화 조건 하에서 미드-센츄리(Mid-Century) 유형 Co/Mn/Br 산화 촉매를 사용하는 2,5-푸란디카르복실산(FDCA)의 제조에 있을 것이며, 이는 Sanborn 등에게 허여된 미국 특허 출원 공개 번호 US 2009/1056841에, 그리고 "바이오기반 석신산 및 2,5-푸란디카르복실산의 생성 방법(Process for Producing Both Biobased Succinic Acid and 2,5-Furandicarboxylic Acid)"에 대해 2012년 8월 28일자로 출원된 특허 협력 조약 출원 일련 번호 PCT/US12/52641(현재 WO 2013/033081로서 공개됨)에 기재된 바와 같다. 자동산화를 통한 HMF(또는 비록 더 적은 정도일지라도, 분해되기 쉬운 HMF 유도체)의 바람직하지 않는 분해가 예측가능한 사용(HMF 생성물 스트림 또는 부분(22) 또는 이의 일부분의 산화를 수행하여, 예를 들어 FDCA를 생성하기 위한 공정으로서, 이는 산소와 HMF의 의도적인 상호작용을 포함하는 변환 공정(transformative process)의 예임)에서, HMF 생성물 스트림 또는 부분(22)이 변환 공정에 직접 사용되지 않거나 아니면 산소 공급원에 노출될 수 있는 경우, 바람직하게는 산소 공급원에 대한 노출이 예측가능하고 자동산화를 통한 분해 위험이 있는 HMF 생성물 스트림 또는 부분(22) 또는 이의 일부분과 하나 이상의 산화방지제가 배합된다.
하기의 예는 산화방지 첨가제로서 부틸화 하이드록시아니솔(BHA)을 이용하지만, 당업자는 다수의 재료가 잘 알려져 있고 이들이 기타 다른 상황의 용도에서 산화방지제로서 또는 산소 스캐빈저로서 사용됨을 이해할 것이며, 본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 BHA 이외의 재료(또는 재료들의 조합)를 선택하는 것, 및 HMF 또는 달리 자동산화를 통해 분해되기 쉬운 HMF 유도체의 안정성 및 분해 저항성을 개선하는 데 필요한 이러한 재료의 양을 결정하는 것은 당업자의 능력 내에 충분히 있을 것이다. 앞서 언급된 바와 같이, 다양한 중합체 응용에 있어서의 FDCA 및 FDCA 에스테르에 대한 실질적인 관심을 고려하면, 중합체 조성물에서 산화방지제로서 사용하기에 매우 적합한 것으로 이전에 밝혀진 재료들이 본 발명의 실시에서 상업적으로 더 폭넓게 사용될 것으로 예측된다. 다양한 이러한 재료들은, 예를 들어 문헌[chapter 1, entitled "Antioxidants", of the Plastics Additive Handbook, 5th ed., Carl Hanser Verlag, Munich, Germany (2001)]에서 확인될 수 있다.
앞서 나타낸 바와 같이, 산 탈수 단계(16)는 바람직하게 1 회 통과당 HMF로의 전환율 및 형성되는 HMF의 산성 고온 조건에 대한 노출을 제한하는 방식으로 수행된다. 헥소스 당 용액(14)의 급속한 가열뿐만 아니라 산 탈수 단계(16)로부터 생성된 HMF/미전환 당 혼합물의 급속한 냉각도, 주어진 양의 헥소스 당 용액(14)에 대해 이들 목적을 달성하는 데 바람직하다. 또한, 일단 헥소스 수용액(14)이 원하는 반응 온도 범위에 도달하였으면, 헥소스 수용액이 산성 고온 조건 하에 유지되는 정도 또한 바람직하게는 제한된다. 최적 조건은, 예를 들어 WO '708 출원에 명백히 나타낸 바와 같이 HFCS 42 대 HFCS 55 대 HFCS 90을 가공할 때, 구현예마다 다소 변동되겠지만, 일반적으로 말하면, 당 용액(14) 내의 헥소스 당의 질량을 기준으로 약 0.5 중량%의 진한 황산 함량(또는 기타 다른 산 촉매의 경우, 등가의 산 강도)의 경우, 175℃ 내지 205℃의 반응 온도, 10% 내지 50% 범위의 당의 건조 고형물 로딩률, 10% 내지 25%의 최종 건조 고형물 농도, 및 2 분 내지 10 분의 평균 체류 또는 반응 시간이 유리한 것으로 나타난다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "평균 체류 또는 반응 시간" 또는 유사한 용어는, 반응기 내로의 당 용액(14)의 도입으로부터 혼합물(18)의 냉각이 개시될 때까지 경과된 시간을 지칭한다.
물론, 일반적인 상황으로서, 헥소스 당의 더 적은 로딩률보다는 오히려 더 큰 로딩률을 갖는 당 용액(14)을 가공하는 것이 바람직하겠지만, 전체 당 점유율 면에서 그리고 기타 다른 측면에서 일부 트레이드-오프(trade-off)가 관찰되었으며, 이들은 주어진 공급원료에 대해 관찰될 최적 조건을 결정하는 데 고려되어야 할 필요가 있을 것이다. 유사하게, 더 온화한 반응 조건이 일반적으로 더 적은 전환을 제공하지만, 증가된 당 점유률을 가능하게 한다.
최대 20%의 최종 건조 고형물 농도를 제공하는 40% 건조 고형물 로딩률 HFCS 42 공급물의 특정 예의 경우, 더 짧은 반응 시간 및 더 높은 종점을 향한 온도의 사용이 바람직할 것 같으며, 예를 들어 200℃에서 5 분이다. HFCS 90의 경우, 동일한 산 출발 농도를 고려하면, 반응 온도는 185℃ 내지 205℃의 범위일 수 있으며, 당 용액(14) 내의 헥소스 당의 건조 고형물 로딩률은 30% 내지 50%이고, 8% 내지 15%의 최종 건조 고형물 농도를 제공할 수 있으며, 반응 시간은 5 분 내지 10 분일 수 있다.
한 공급원료를 다른 한 공급원료에 대하여 가공하는 데 수반되는 고려사항의 예시로서, HFCS 42와 대조적으로 HFCS 90의 경우, 20%의 최종 건조 고형물 농도는 동일한 전체 당 점유율로 가공될 수 없었으며, 더 낮은 최종 건조 고형물 농도가 바람직한 것으로 나타났다. 10%의 최종 건조 고형물 농도의 경우, 185℃의 반응 온도 및 10 분의 반응 시간이 유리한 결과를 제공하는 것으로 관찰되었다. 스트림 또는 부분(24) 내의 회수된 당에 대해 유리한 조건은 당 용액(14) 내의 새롭게 공급된 당에 대해 고려되는 것들과 상이할 수 있는데, 여기서는 추가의 HMF 생성물을 제조하기 위해 재순환이 고려된다.
임의의 경우에, 원하는 반응 온도로의 가열은 바람직하게는 15 분 이내에 달성되고, 바람직하게는 11 분 미만으로 달성되며, 더 바람직하게는 8 분 이내에 달성되고, 훨씬 더 바람직하게는 5 분 이내에 달성된다. WO 2013/106136 출원의 실시예에 의해 입증된 바와 같이, 다량의 상온의 헥소스 당 용액의 (2분 이내로의) 고온 수성 산 매트릭스로의 급속한 공급은, 덜 급속한 공급과 비교하여, HMF 선택성, 수율 및 전체 당 점유율 중 하나 이상에서 일관된 개선을 제공하였으며, 이는 심지어 상기 양의 헥소스 당 용액이 완전히 도입되었을 때와 냉각이 개시되었을 때 사이의 동일한 경과 시간을 고려했을 때에도 그러하다. 반응 온도로부터 50℃ 이하까지의 급속한 냉각은 바람직하게 5 분 이내에, 특히 3 분 이내에 달성된다.
보다 구체적으로는, 배치(batch) 반응기에서, 이미 원하는 반응 온도에 가깝거나 그 온도에 있는 고온 반응기 내의 당 용액(14)과 산 촉매를 배합하는 경우, 당 용액(14) 및 산 촉매가 반응기에 첨가되고, 이어서 원하는 반응 온도까지 함께 점차로 가열되는 경우와 비교할 때 개선된 결과를 제공한다.
연속 공정에 관하여, 당 용액(14) 및 산 촉매를 급속히 가열하기 위한 한 가지 적합한 수단은 직접 스팀 주입(direct steam injection)일 것이다. 미국 워싱턴주 워케샤 400 파일롯 커트 소재의 Hydro-Thermal Corporation사로부터 구매가능한 인라인 직접 스팀 주입 장치인 Hydro-Thermal Hydroheater™는 초음파 속도의 스팀을 일련의 갭을 통해 입구 파이프로부터 유동하는 액체(예컨대, 당 용액(14))의 얇은 층 내로 주입한다. 스팀 유동은 가변 영역 노즐을 통해 출구 유체 온도가 큰 액체 턴다운(turndown) 비에 걸쳐 0.5℉ 이내로 제어가능하도록 요구되는 정도까지 정확하게 조정된다. 특수 설계된 결합 튜브 내에서는, 일련의 갭을 (가로지르는 압력 강하 또는) 통한 스팀 유동 및 액체 유동의 조정에 따라 조정가능한 정도의 전단력을 가지면서, 난류 혼합이 일어난다. 이러한 일반적인 특징의 장치는, 예를 들어 US 5,622,655; US 5,842,497; US 6,082,712; 및 US 7,152,851에 기재되어 있다.
이러한 장치를 사용한 WO 2013/106136에서 보고된 실시예에서, HFCS 42 시럽으로부터의 최고의 HMF 수율 및 당 점유률은, 황산(당의 0.5 중량%), 20%의 초기 건조 고형물 농도, 및 직접 스팀 주입에 의한 반응 혼합물의 급속한 가열과, 1.48 MPa, 게이지 내지 1.52 MPa, 게이지(215 psig 내지 220 psig)의 시스템 배압, 1.9 MPa, 게이지(275 psig)의 스팀 압력, 직접 스팀 주입에 의해 제공된 반응 온도에서의 5 분 내지 6 분의 시간 및 압력 해제 전의 생성물 혼합물의 급속한 냉각으로 이루어진 시스템을 포함하였다. 온도 제어 요소에 의해 모니터링했을 때, 반응 제어 설정점은 200℃였으며, 정지 상태의 튜브의 단부에서 달성된 최대 온도는 166℃였다. 이들 조건으로 최대 20% 몰 수율로 HMF를 수득하였으며, 이때 전체 당 점유율은 90% 초과였다. 불용성 후민의 가시적인 생성은 실질적으로 없었다.
동일한 장치 내에서 가공된 HFCS 90 시럽의 경우, 최고의 HMF 수율 및 당 점유률은, 황산(당의 0.5 중량%), 10%의 초기 건조 고형물 농도, 및 직접 스팀 주입에 의한 반응 혼합물의 급속한 가열과, 1 MPa, 게이지(150 psig)의 시스템 배압, 1.4 MPa, 게이지(200 psig)의 스팀 압력, 직접 스팀 주입에 의해 제공된 반응 온도에서의 11 분의 시간 및 압력 해제 전의 생성물 혼합물의 급속한 냉각으로 이루어진 시스템을 포함하였다. 반응 제어 설정점은 185℃였으며, 정지 상태의 튜브의 단부에서 달성된 최대 온도는 179℃였다. 이들 조건으로 최대 31% 몰 수율로 HFCS 90으로부터 HMF를 수득하였으며, 이때 전체 당 점유율은 95% 초과였다. 역시나, 불용성 후민의 가시적인 생성은 실질적으로 없었다.
혼합물(18)의 급속한 냉각이 다양한 수단에 의해 달성되었다. 예를 들어, 적어도 특정의 하기 실시예에서는 압력 감소 전에 브레이징 판형 열 교환기(brazed plate heat exchanger)를 사용하였지만, 기타 다른 유형의 교환기가 사용될 수 있었다. 기타 다른 선택사항이 당업자에게 명백할 것이다.
산-촉진 탈수 단계(16)는 배치식(batchwise), 반배치(semi-batch) 또는 연속 모드로 수행될 수 있음이 이해될 것이다. 헥소스-함유 재료를 HMF로 탈수하기 위한 다양한 산 촉매가 이전에 기술되어 왔으며, 이에는 균일 및 불균일 고체 산 촉매가 포함된다. 재사용을 위해 더 용이하게 분리되고 회수되는 것을 고려하면 고체 산 촉매가 바람직하겠지만, 물의 존재 하에서 그리고 탈수 단계(16)를 수행하는 데 필요한 온도에서 만족스런 활성 및 안정성을 유지할 촉매를 선택하는 것은 문제가 될 수 있다. WO 2013/106136 출원의 실시예에서는 황산을 사용하였으며, 하기 실시예에서 황산이 사용되며, 우수한 수율 및 탁월한 당 점유율을 제공하였다.
본 발명은 하기의 실시예에 의해 예시된다:
실시예 1 및 비교예 1
결정질 프룩토스(5 g)를 7 mL의 물 중에 용해시키고, 25 mL 2 구 둥근바닥 플라스크에 장입하였다. 이 플라스크에는, 가스(건조 공기(비교예 1) 또는 질소(실시예 1))를 이 용액을 통해 스파징하기 위한 튜브, 및 환류 응축기를 구비하였다. 가스(건조 공기 또는 질소)를 5 분 동안 용액을 통해 스파징하고, 이어서 1 방울의 진한 황산을 용액에 첨가하였다. 이어서, 스파징 가스가 빠져나갈 수 있도록 16 게이지 바늘을 삽입한 고무 격막으로 플라스크를 막고, 7 시간 동안 환류하였다. 7 시간의 반응 시간 후에, 공기-스파징된 실행 및 질소-스파징된 실행 둘 모두로부터의 내용물은 호박색이었지만, 양성자 NMR로부터, 질소-스파징된 실행의 반응기 내용물에는 레불린산 및 포름산이 실질적으로 없었으며(표 1), 반면 통상적인 건조 공기-스파징된 반응기 내용물은 둘 모두 상당한 양을 나타내었다.
스파징 가스 프룩토스 전환율(%) HMF
(%)		 레불린산
(%)		 포름산
(%)
질소 3.17 2.99 결정되지 않음 0.18
건조 공기 5.8 4.91 0.93 1.57
실시예 2 내지 실시예 5와 비교예 2 내지 비교예 5
500 mg의 용융된 하이드록시메틸푸르푸랄이 담긴 바이알에 1000 ppm(중량 기준)의 부틸화 하이드록시아니솔(BHA)(실시예 2)을 첨가하였다. 이 혼합물을 와동 교반하고, 이어서 85℃로 설정된 오븐 내에 넣었다. 비교를 위하여, 500 mg의 용융된 하이드록시메틸푸르푸랄은 담겨 있지만 BHA는 담겨 있지 않은 바이알(비교예 2)을 오븐 내의 첫 번째 바이알 옆에 놓았다.
850 mg의 HMF를 150 mg의 물과 배합함으로써, 샘플들의 제2 세트(실시예 3 및 비교예 3)를 제조하였으며; 샘플들 중 하나에는 1000 ppm 당량의 BHA를 첨가하였고, 반면 다른 하나에는 어떤 것도 첨가하지 않았다. 두 샘플 모두를 격렬하게 교반하고 85℃ 오븐 내에 넣었다.
이어서, 100 mg의 HMF를 900 mg의 물과 배합함으로써 물 중 10 중량%의 HMF의 4 개의 샘플을 제조하였다. 샘플들 중 하나(실시예 4)에 1000 ppm 당량의 BHA를 첨가하였다. 두 번째 샘플(실시예 5)의 경우, 용액을 통해 아르곤을 버블링함으로써 공기를 퍼징(purging)하고, 바이알을 밀봉하여 아르곤 분위기 하에 HMF를 보존하였다. 세 번째 샘플 (비교예 4)의 경우, HMF의 10 질량% 포름산을 바이알 내로 스파이킹(spiking)하였다. 네 번째 샘플 (비교예 5)의 경우 전혀 변형시키지 않았다. 4 개의 샘플 모두를 격렬한 교반 후에 다시 85℃ 오븐 내에 넣었다.
1 주 후에, 그리고 (아르곤-스파징된 샘플을 제외하고) 이어서 다시 2 주 후에 다양한 바이알의 조성을 분석하였으며, 결과는 각각 표 2 및 표 3에 나타내어져 있다.
1 주
예 설명 HMF(중량%) 포름산(중량%) 레불린산(중량%)
실시예 2 HMF + BHA 87.26 0.12 0.32
비교예 2 HMF 82.27 0.35 0.38
실시예 3 85% HMF
+ BHA		 81.86 0.10 0.04
비교예 3 85% HMF 79.51 0.28 0.43
실시예 4 10% HMF
+ BHA		 8.41 0.15 0.12
비교예 4 10% HMF
+ 포름산		 8.49 0.24 0.30
실시예 5 10% HMF + Ar 9.17 0.12 0.04
비교예 5 10% HMF 8.47 0.15 0.13
2 주
예 설명 HMF(중량%) 포름산(g/L) 레불린산(g/L)
실시예 2 HMF + BHA 85.61 2.82 2.25
비교예 2 HMF 72.74 5.63 4.63
실시예 3 85% HMF
+ BHA		 78.98 1.72 0.38
비교예 3 85% HMF 54.99 2.81 2.26
실시예 4 10% HMF
+ BHA		 6.66 3.24 2.64
비교예 4 10% HMF
+ 포름산		 6.77 2.67 2.16
비교예 5 10% HMF 6.90 3.07 2.46
실시예 6 및 실시예 7
산화방지제 BHA가 또한, HMF에 더하여 HMF의 에스테르 및 에테르 유도체를 효과적으로 안정시킬지의 여부를 평가하기 위하여 이들 실시예를 수행하였다.
에스테르 유도체: 에스테르 예를 위하여, 5-아세톡시메틸푸르푸랄(AcHMF)을 (Aldrich사로부터) 상업적으로 구매하고, n-헥산/메틸 tert-부틸 에테르 혼합물로부터 재결정화해서 이의 순도를 개선하였다. 500 ppm 당량의 BHA가 담긴 바이알에, 900 mg의 AcHMF를 첨가하였다. 비교를 위하여, 700 mg의 AcHMF가 담긴 두 번째 샘플을 BHA 없이 제조하였다. 헤드스페이스를 아르곤으로 퍼징하고, AcHMF를 용융시키고 혼합하였다. 이들 샘플을 공기 분위기에 재노출시키고, 85℃의 어두운 오븐 내에 넣었으며, 1 주 후에 그리고 다시 2 주 후에 분석하였다.
이 안정화제는 명백히 부작용을 갖지 않지만, 적어도 이들 조건 하에서 그리고 시험된 기간 내에서, 어느 것도 어떠한 현저한 분해도 갖지 않았으며, 따라서 언급된 조건 하에서, 결과는 결론에 이르지 못하였다.
설명 주 1
(중량%)		 주 2
(중량%)
AcHMF - 블랭크 94.57 94.59
AcHMF - 500 ppm의 BHA 94.13 94.34
TUV 검출기(280 nm에서 모니터링함)를 구비한 Waters Acquity H-Class UPLC 장치를 사용하여, 초고성능 액체 크로마토그래피(UPLC)에 의해 에스테르 예에 대한 HMF 및 AcHMF를 분석하였으며, 하기는 추가 분석 세부사항이다.
컬럼: Waters BEH C18 2.1 x 50 mm, 1.7 m
온도: 50℃
유량: 0.5 mL/분
퍼지 용매: 10% 아세토니트릴
세척 용매: 50% 아세토니트릴
용매 C: 50% 아세토니트릴
용매 D: 물
구배:
Figure pct00001
주입 부피: 0.5 uL
이동 시간: 2.5 분
에테르 유도체: HMF의 에테르 유도체를 위하여, 더 이상 부틸 레불리네이트가 NMR에 의해 관찰가능하지 않을 때까지 5-부톡시메틸푸르푸랄(BMF)을 n-헥산으로부터 재결정화하였다. BMF(700 mg)를 500 ppm 당량의 BHA가 담긴 바이알에 첨가한 후, 완전히 혼합하였다. 비교를 위하여, 300 mg의 BMF를 BHA가 담겨 있지 않은 바이알 내에 넣었다. 이들 바이알을 어두운 85℃ 오븐 내에 유지하고, 1 주 및 2 주 기간 후에 분석을 위하여 샘플링하였다.
시험 결과는 표 5에 나타낸 바와 같았다.
설명 주 1
(GC %면적)		 주 2
(GC %면적)
BMF - 블랭크 98.079 96.546
BMF - 500 ppm의 BHA 99.327 98.773
가스 크로마토그래피에 의해 BMF를 분석하였다. 샘플을 아세토니트릴에 의해 1 mg/mL의 농도로 희석시키고, GC 면적%를 측정하였으며, 이는 표 5에 기록된 바와 같다. 출발 재료는 GC 면적에 의하면 99.9% 초과였다. 모든 분해 생성물이 확인된 것은 아니겠지만, 그리고 실제로는 일부 분해 생성물이 검출되지 않았을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 결과는, BHA가 에테르 유도체 BMF를 안정화시키는 데 도움이 되었음을 입증한다.
이 분석 방법의 특정 세부사항은 하기와 같았다.
기기: 7693 오토샘플러를 구비한 Agilent 7890 GC
컬럼: DB-5 UI 60 m x 250 m x 0.25 m
캐리어 가스: H2
유량: 1 mL/분(일정)
주입기 온도: 200℃
스플리트: 50:1
검출기: 340℃
온도 프로그램: 초기: 50℃
램프(ramp) 1: 180℃까지 5°/분
램프 2: 200℃까지 20℃/분, 200℃에서 1 분 유지

Claims (9)

  1. 하나 이상의 헥소스를 포함하는 수용액으로부터 하이드록시메틸푸르푸랄을 제조하기 위한 방법으로서, 산소가 감소된 환경 내에서 산에 대한 노출을 통해 헥소스 수용액을 탈수하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 하이드록시메틸푸르푸랄의 에스테르 또는 에테르 유도체가, 각각 알코올 또는 카르복실산의 존재 하에서 탈수를 수행함으로써 형성되는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 또 다른 불활성 가스 내에서 스파징(sparging)함으로써, 탈수가 일어나는 반응기의 헤드스페이스(headspace)로부터 산소가 대체되는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 질소 또는 이산화탄소를 반응기 내로 스파징하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 하이드록시메틸푸르푸랄 또는 하이드록시메틸푸르푸랄 유도체의 분해 저항성을 개선하기 위한 방법으로서, 하나 이상의 산화방지제를 첨가하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제8항에 있어서, 부틸화 하이드록시아니솔이 하나 이상의 산화방지제에 포함되는 방법.
  7. 하나 이상의 산화방지제와 함께 하이드록시메틸푸르푸랄을 포함하는, 안정성이 개선된 하이드록시메틸푸르푸랄 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 하이드록시메틸푸르푸랄 및 부틸화 하이드록시아니솔을 포함하는 조성물.
  9. 저장된 하이드록시메틸푸르푸랄의 사용 전에 이의 분해 저항성을 개선하기 위한 방법으로서, 하이드록시메틸푸르푸랄을 산소가 감소된 환경 내에서 저장하는 단계를 포함하는 방법.
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