KR20170128481A - 고체염으로부터 푸란-2,5-디카복실산(fdca)을 제조하는 방법 - Google Patents

고체염으로부터 푸란-2,5-디카복실산(fdca)을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 푸란-2,5-디카복실레이트 염(MFDC)을 푸란-2,5-디카복실산(FDCA)으로 전환시킴으로써 푸란-2,5-디카복실산(FDCA)을 제조하는 방법으로서,
- 고체 MFDC와 무기산(HY)을 혼합하여, 푸란-2,5-디카복실레이트 염의 양이온과 무기산의 음이온으로부터 생성되는 염의 용액(MY 용액) 중에 1∼15 중량%의 농도로 고체 FDCA를 포함하는 반응 혼합물을 형성하는 단계,
- 고액 분리 단계에서 반응 혼합물로부터 고체 FDCA를 분리하는 단계, 및
- 고액 분리 단계로부터 얻은 40 부피% 이상의 MY 용액을, MFDC와 HY를 혼합하는 단계에 제공하는 단계
를 포함하는 방법에 관한 것이다.
고액 분리 단계로부터 얻은 MY 염 용액의 일부를 MFDC와 HY의 혼합 단계에 제공하는 단계는, 우수한 품질과 고수율로 FDCA 생성물을 수득하는 안정하고 경제적인 공정을 구현할 수 있게 한다.

Description

고체염으로부터 푸란-2,5-디카복실산(FDCA)을 제조하는 방법
본 발명은 고체염으로부터 푸란-2,5-디카복실산(FDCA)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
FDCA는 많은 적용분야에 있어서, 특히 폴리머 제조를 위한 출발 물질로서 매력적인 재료이며, FDCA 베이스의 코폴리머는, 특히 폴리에틸렌 테레프탈산 폴리머(PET)의 대체물질이다. FDCA 에스테르 역시 가소제 또는 가교제로서 사용될 수 있다. FDCA의 디메틸에스테르는 중합에 있어서 특히 유익할 수 있다. 고급 알코올의 에스테르, 예를 들어 디부틸 FDCA, 디에틸헥실 FDCA 및 디옥틸 FDCA는 가소제로서, 그리고 폴리머 및 코팅에 사용함에 있어서 특히 유익할 수 있다.
FDCA는 다양한 방법을 통해 제조될 수 있다. 특히 매력적인 한 방법은 재생 가능한 자원으로부터 출발하는 발효 기반 공정이다. 이 방식으로, FDCA를 환경 친화적으로 얻을 수 있다.
당업계에 공지된 바와 같이, 발효를 통한 FDCA의 제조는 일반적으로 5-(하이드록시메틸)푸르푸랄(HMF)의 발효에 의한 생물학적 산화(fermentative biooxidation)의 형태를 취한다. 이것은, 예를 들어 WO2011/026913에 기재되어 있다. 공정이 행해지는 액체를 발효액 또는 발효 배지라 부른다. 공정에서의 FDCA의 형성은 발효액의 pH 감소를 초래한다. 그러한 pH 감소가 미생물의 대사 과정을 손상시킬 수 있기 때문에, 종종 중화제, 즉 염기를 발효 배지에 첨가하여, pH를 중화시키거나 미생물을 위한 최적 pH 값을 유지한다.
그 결과, 발효 배지에서 생성된 FDCA는 일반적으로 발효 배지 중에 용해될 수 있는 염의 형태로 존재하거나, 고체염의 형태로 존재하거나, 발효 배지 중에 용해되기도 하고 고체염의 형태로 존재하기도 한다.
FDCA의 염을 산을 전환시키기 위해, FDCA의 염을 무기산과 반응시켜, FDCA 및 FDCA의 염의 양이온과 무기산의 음이온으로부터 형성되는 염을 생성하는 방법이 구상되었다. 예를 들어, WO2013/025106은 특히 염산에 의한 마그네슘 FDC의 산성화(acidulation)에 대해 기재한다.
그러나, 이 반응은 이론적으로는 간단하고 명쾌하지만, 실제로 수행할 때에는 다양한 공정상의 문제가 발생하며, 그로 인해 고품질의 FDCA를 얻으면서 경제적으로 매력적인 방식으로 반응을 안정하게 가동시키는 것이 어렵다. WO2013/025106에서는, 산성화 반응을 MgFDC의 낮은 용해도를 고려하여 높은 희석률로 수행한다. 실시예 1에서는, 1.7 중량% 농도의 MgFDC 용액이 사용된다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 고도로 희석된 용액은 적어도 2 가지 이유에서 불리하다. 첫째, 그러한 용액은 상대적으로 큰 장치 투자금을 요한다. 둘째, 공정에 다량의 물이 사용되는 것은 반응 혼합물 중의 용해에 의해 FDCA 생성물의 손실을 초래한다.
그러므로, 고도로 희석된 용액을 사용할 필요가 없고 경제적으로 매력적인 방식으로 안정한 운전이 가능한 한편 고품질과 고수율로 FDCA를 얻을 수 있는 방법으로, 산성화를 통해 FDCA 염을 FDCA로 전환시키는 방법이 당해 기술분야에 요구되고 있다. 본 발명은 그러한 방법을 제공한다.
본 발명은, 푸란-2,5-디카복실레이트 염(MFDC)을 푸란-2,5-디카복실산(FDCA)으로 전환시킴으로써 푸란-2,5-디카복실산(FDCA)을 제조하는 방법으로서,
- 고체 MFDC와 무기산(HY)을 혼합하여, 푸란-2,5-디카복실레이트 염의 양이온과 무기산의 음이온으로부터 생성되는 염의 용액(MY 용액) 중에 1∼15 중량%의 농도로 고체 FDCA를 포함하는 반응 혼합물을 형성하는 단계,
- 고액 분리 단계에서 상기 반응 혼합물로부터 고체 FDCA를 분리하는 단계,
- 고액 분리 단계로부터 얻은 MY 용액의 40 부피% 이상을, MFDC와 HY를 혼합하는 단계에 제공하는 단계
를 포함하는 방법에 관한 것이다.
FDCA의 일부 염, 특히, MgFDC 및 CaFDC는 제한된 수용해도를 갖는다는 점에 주목해야 한다. FDCA 또한 낮은 수용해도를 갖는다. 그 결과, 상기 공정은 고체 화합물로부터 고체 화합물로의 전환을 포함한다. 이러한 유형의 반응들은 화학 공정에서 일반적으로 회피되는데, 왜냐하면 그러한 반응들은 높은 생성물 순도를 얻으면서 고수율로 수행하기가 어렵기 때문이다. 그러나, 본 발명에서는 실제로 이 공정을 수행할 수 있다는 것을 확인하였다.
이하에서 본 발명의 방법의 추가적인 특징에 대해 설명한다. 상기에 기재한 바와 같이, FDCA는 수용해도가 낮다. 이론적으로, 이것은 다른 반응물 성분들을 함유하는 수성 혼합물로부터 FDCA를 분리하는 것을 쉽게 만들 것으로 예상된다. 그러나, FDCA 결정의 특수한 형상으로 인해, FDCA의 진한 현탁액을 처리하는 것이 어렵다는 것이 확인되었다. 반면에, FDCA 현탁액의 희석은 더 많은 FDCA가 용해되기 때문에 수율 손실을 초래한다. 따라서, 고체 FDCA의 특성은 특별한 대책을 필요로 한다.
특수한 재순환과 함께 고체 FDCA 염으로부터 출발하는 특수한 특징을 갖는 본 발명의 방법은, 안정하고 실제 수행될 수 있는 공정을 동시에 가지면서, 생성물 손실을 줄임과 동시에 고품질의 FDCA를 얻을 수 있게 한다.
이하에서 본 발명에 대해 더 상세히 설명한다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명할 것이지만, 본 발명이 그 도면에 또는 그 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태를 예시한다.
도 2는, 다양한 재순환 스트림을 포함하는, HCl에 의한 마그네슘 푸란-2,5-디카복실레이트의 산성화에 특별히 적용될 수 있는 실시형태를 예시한다.
도 3은 다양한 온도에서 염화마그네슘 농도에 따른 FDCA의 수용해도를 도시한다.
도 1에서, 푸란-2,5-디카복실레이트 염(MFDC)이 라인(1)을 통해 반응 용기(3)에 제공된다. MFDC는 고체 형태로 존재한다. 무기산(HY)은 라인(2)를 통해 반응 용기(3)에 제공된다. 반응 용기에는 또한 라인(71)을 통해 염 용액(MY 용액)이 제공된다. 반응 용기에서, MFDC와 HY가 반응하여 FDCA 및 MY를 형성하고, FDCA 및 HY를 포함하는 반응 혼합물이 라인(4)를 통해 고액 분리 단계(5)로 이송된다. 도 1에 도시되지는 않았지만, 반응 용기에서 고액 분리 단계를 수행하는 것도 물론 가능하다. 고액 분리 단계(5)에서, 고체 FDCA가 MY 염 용액으로부터 분리되어 라인(6)을 통해 인출된다. 염 용액은 라인(7)을 통해 인출된다. 염 용액의 40 부피% 이상이 라인(71)을 통해 반응 용기(3)에 제공된다. 염 용액의 다른 일부는 라인(72)를 통해 인출된다.
본 발명에 따른 방법은 푸란-2,5-디카복실산(MFDC)의 염으로부터 출발한다. 이 염은 고체 형태로, 예를 들어, 건조물로서, 필터 케익의 형태로, 또는 현탁액의 형태로 존재한다.
푸란-2,5-디카복실레이트 염은 바람직하게는 마그네슘 푸란-2,5-디카복실레이트(MgFDC), 칼슘 푸란-2,5-디카복실레이트(CaFDC), 나트륨 푸란-2,5-디카복실레이트(NaFDC), 칼륨 푸란-2,5-디카복실레이트(KFDC), 또는 암모늄 푸란-2,5-디카복실레이트(NH4FDC)로부터 선택된다. 이들 염은, 예를 들어 발효 공정으로부터 비교적 용이하게 얻을 수 있기 때문에 출발 물질로서 매력적인 것으로 확인되었다. 다른 한편으로, 이들 염이 본 발명에 따른 방법에 사용될 경우, 고수율, 고품질 및 높은 공정 효율로 FDCA가 얻어진다.
일 실시형태에서, MFDC는 MgFDC 및 CaFDC로부터 선택되며, MgFDC가 특히 바람직하다. 낮은 수용해도를 고려할 때, 이들 염은 본 발명에 따른 방법에서의 처리에 특히 적합한데, 그 이유는 이들 염을 용해된 형태로 처리하는 것이 고도로 희석된 용액의 사용으로 이어지기 때문이다. 게다가, MgFDC 및 CaFDC, 특히 MgFDC는 이들의 가용성(availability)과 수득되는 생성물의 고품질로 인하여 매력적인 것으로 확인되었다. MgFDC의 경우, 이것이 HCl 존재 하에 처리될 경우 추가적인 공정 이점이 있다. 이에 대해서는 아래에서 더 상세히 설명한다.
고체 MFDC는, 예를 들어, 건조물의 형태, 필터 케익의 형태, 또는 현탁액의 형태일 수 있다. 필터 케익이 사용될 경우, 이것은 일반적으로 고체 함량이 90∼50 중량%(나머지는 MFDC의 수용액임)이며, 더 높은 고체 함량이 바람직하다. (수성) 현탁액이 사용될 경우, 이것은 일반적으로 고체 함량이 10∼50 중량%, 특히 20∼40 중량%이다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, MFDC는 NaFDC, KFDC 및 NH4FDC로부터 선택된다. NaFDC, KFDC 및 NH4FDC의 경우, 고체 형태, 예를 들어 건조물, 필터 케익, 또는 현탁액의 형태로 염을 제공하는 것도 가능하다. 이들 염의 경우, 건조물 또는 필터 케익의 형태로 염을 제공하는 것이 바람직하다.
MFDC를 무기산(HY)과 혼합하여, MFDC의 양이온과 무기산의 음이온으로부터 형성되는 염의 용액(MY 용액) 중에 고체 FDCA를 포함하는 반응 혼합물을 형성한다.
당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에서, 산과 염의 조합은 MFDC의 양이온 M과 무기산 HY의 음이온 Y가 공정 조건 하에 염이 침전되지 않을 정도로 높은 수용해도를 갖는 염을 형성하도록 선택되어야 한다. 예를 들어, CaFDC와 황산의 조합은, 침전이 일어나는 황산칼슘의 형성을 초래하기 때문에 적합하지 않다. 10 중량% 이상의 MY 염의 용해도가 일반적으로 충분하다.
본 발명에 따른 방법에서 첨가되는 무기산은 FDCA 염을 산으로 전환시키는 역할을 한다. 무기산의 성질과 계내에 존재하는 다른 성분들에 따라, 무기산은 수용액의 형태로, 또는, 예를 들어, 염산의 경우 기체상 형태로 제공될 수 있다. 무기산은 일반적으로 강무기산, 즉, pKa가 0 미만인 산이다. 적절한 산의 예로는 황산, 염산, 질산, 인산, 브롬화수소산 및 이들의 유도체, 예컨대 NH4HSO4가 있다. 황산, 염산 및 질산의 사용이 바람직할 수 있으며, 염산의 사용이 특히 바람직하다.
수용액의 산 농도는 일반적으로 본 발명에 중요하지 않다. 예를 들어, 산 농도가 5% 이상, 특히 10% 이상, 더 특히 15 중량% 이상인 진한 용액이 공정 경제성의 이유로 일반적으로 바람직하다. 최고 농도는 해당 산의 가용성 또는 혼화성에 따라 결정된다. 35 중량% 이하의 일반적인 값이 언급될 수 있다. 진한 HY 용액의 사용이, 계내의 물의 양을 제한하기 때문에 바람직하다.
산의 첨가량은 일반적으로 적어도 FDCA 염을 중화시키는 데 충분하다. 이것은 존재하는 FDCA 염의 양으로부터 쉽게 산출할 수 있으며, 반응 매질의 pH를 모니터링함으로써 결정할 수 있다. 반응 매질의 pH는 2 이하인 것이 바람직하다. 반응 매질의 pH는 너무 과잉의 산을 피함과 동시에 높은 FDCA 수율을 얻을 수 있도록 1∼2 범위인 것이 바람직할 수 있는데, 그 이유는 과잉의 산은 공정 장치에 유해할 수 있거나 재료의 불필요한 재순환을 초래할 수 있기 때문이다.
가용성 무기염을 생성하는 FDCA 염과 무기산의 조합의 예는 다음을 포함한다:
나트륨 FDCA와 황산, 염산, 브롬화수소산, 인산 및 질산 중 어느 하나;
칼륨 FDCA와 황산, 염산, 브롬화수소산, 인산 및 질산 중 어느 하나;
암모늄 FDCA와 황산, 염산, 브롬화수소산, 인산 및 질산 중 어느 하나;
칼슘 FDCA와 염산, 브롬화수소산 및 질산 중 어느 하나;
마그네슘 FDCA와 황산, 염산, 브롬화수소산 및 질산 중 어느 하나.
본 발명의 일 실시형태에서, 무기산(HY)은 염산, 질산 및 황산으로부터 선택되며, 단, MFDC가 CaFDC인 경우, 무기산(HY)은 염산 및 질산으로부터 선택된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 무기산(HY)은 염산 HCl이고, MFDC는 MgFDC이며, 상기 방법은
- 혼합 단계에서 염화마그네슘 용액 중에서 고체 MgFDC와 염산을 혼합하여 염화마그네슘 용액 중에 1∼15 중량%의 농도로 고체 FDCA를 포함하는 반응 혼합물을 형성하는 단계,
- 고액 분리 단계에서 반응 매질로부터 고체 FDCA를 분리하는 단계, 및
- 고액 분리 단계로부터 얻은 염화마그네슘 용액의 40 부피% 이상을, 고체 염화마그네슘과 염산을 혼합하는 단계에 제공하는 단계
를 포함한다.
본 발명에 따른 방법에서, MFDC의 양과 그 수분 함량, 산의 양과 그 농도, 및 MY 용액의 혼합량은 반응 혼합물 중의 FDCA 농도가 1∼15 중량%, 특히 1∼10 중량% 범위 내가 되도록 선택된다. 반응 혼합물 중의 FDCA의 양이 1 중량% 미만일 경우, 처리해야 하는 스트림의 부피가 불필요하게 커진다. 반면에, 형성되는 FDCA의 양이 15 중량%를 초과하면, 반응 혼합물의 처리성과 후속 고액 분리가 불리한 영향을 받게 되는 것으로 확인되었다. 몇몇 경우, 각종 성분들의 양 및 농도는, 형성되는 FDCA의 양이 반응 혼합물의 총 중량을 기준으로 계산했을 때 2∼8 중량%, 특히 3∼7 중량%의 범위 내가 되도록 선택되는 것이 바람직할 수 있다. 여기서 FDCA의 양은 고체 FDCA의 양이다. FDCA는 이 계내에서 낮은 용해도를 갖기 때문에, FDCA의 총량과 고체 FDCA의 양은 거의 동일하다.
고체 FDCA는 고액 분리 단계에서 반응 혼합물로부터 분리된다. 고액 분리 단계는 당업계에 공지된 방법에 의해, 예를 들어, 여과, 원심분리, 침강 중 하나 이상을 포함하거나 하이드로사이클론을 이용하는 방법에 의해 수행할 수 있다. 많은 경우 여과를 이용하는 것이 바람직하다. 고액 분리 단계에서 분리된 FDCA를 필요에 따라 처리할 수 있다. 필요하다면, 세척 단계를 실시할 수 있다.
고체 FDCA를 분리하고 나면, 염 용액이 남고, 그 용액 중의 양이온은 원래의 FDCA 염의 양이온(M)에 상응하고, 음이온은 무기산의 음이온(Y)에 상응한다. 고액 분리 단계 후에 남아있는 염 용액 중 40 부피% 이상이 FDCA의 염과 무기산의 혼합 단계로 재순환되는 것이 본 발명의 특징이다.
재순환되는 MY 용액의 양은, 형성된 고체 FDCA의 양이 상기에 기재한 범위 내에 들도록 선택된다. 따라서, 재순환되는 MY 용액의 양은 제공되는 산의 농도 및 MFDC가 제공되는 형태에 따라서도 달라진다. MY 용액의 상당 부분을 FDCA의 염과 무기산을 혼합하는 단계에 제공하는 것이 바람직하다.
MFDC와 HY를 혼합하는 단계에서 MY 용액이 비교적 다량으로 존재하는 것이 FDCA 수율을 더 높인다는 것을 확인하였다. 이론에 의해 구속되는 것을 원하는 것은 아니지만, 이것은, MY 용액 중의 FDCA의 용해도가, 적어도 일부 염에 대해서는, FDCA의 수용해도보다 낮다는 사실에 의해 유발된다고 생각된다. 그와 함께, 염 용액의 존재는, 상응하는 양의 물이 존재하는 계와 비교할 때, 고체 FDCA의 침전 증가를 초래하는 것으로 생각된다. 고액 분리 단계로부터 얻은 MY 용액의 50 부피% 이상, 특히 60 부피% 이상, 몇몇 실시형태에서 70 부피% 이상 및/또는 95 부피% 이하가 MFDC와 HY의 혼합 단계로 제공되는 것이 바람직할 수 있다.
고액 분리 단계로부터 인출되는 MY 용액, 예를 들어 염화마그네슘 용액의 농도는 넓은 범위에서 변경될 수 있다. 최소값으로서, 5 중량% 이상, 특히 10 중량% 이상의 값을 언급할 수 있다. 상한은 MY 염의 용해도에 의해 결정된다. 일반적인 최대값으로서 30 중량%의 값을 언급할 수 있다. 10∼20 중량% 범위가 바람직할 수 있다.
MFDC는, 예를 들어, FDCA 염을 포함하는 수성 공급물이 형성되는 발효 공정으로부터 얻을 수 있다. 그러한 단계는 일반적으로 미생물을 이용하여 탄소원을 발효시키는 부단계와, FDCA를 포함하는 발효 배지를 형성하는 부단계와, 일반적으로 발효 중에, 바람직한 pH를 확립하기 위해, 중화제, 즉 염기를 첨가함으로써 발효 배지를 (부분적으로) 중화시키는 부단계를 포함한다. 적절한 염기는 나트륨, 칼륨, 암모늄, 칼슘 및 마그네슘의 산화물, 수산화물 및 탄산염을 포함한다.
상기에 나타낸 바와 같이, 발효를 통한 FDCA의 제조는 일반적으로 5-(하이드록시메틸)푸르푸랄(HMF)의 발효에 의한 생물학적 산화의 형태를 취한다. 이러한 공정은 당업계에 공지되어 있고, FDCA의 형성을 유도하는 발효 공정을 선택하는 것은 당업자의 기술 범위 내이다.
발효 배지에 대해 일반적으로 바이오매스 제거 단계가 실시된다. 바이오매스는, 예를 들어, 바이오매스의 (한외)여과, 원심분리 또는 디캔테이션에 의해 제거될 수 있다. 바이오매스를 제거하면 개선된 특성을 갖는 최종 성성물이 얻어지는 것으로 확인되었다.
FDCA 염이 수용성일 경우, 바이오매스 제거 후, 용해된 FDCA 염을 포함하는 용액이 얻어지며, 이것은, 경우에 따라 추가 정제 및/또는 물 제거 단계 후, 본 발명에 따른 방법에서 출발 물질로서 사용될 수 있다.
발효액이 고체 상태의 FDCA 염을 포함하는 경우, FDCA 염은 여과 또는 상기에 기재한 다른 방법들 중 하나와 같은 고액 분리 방법을 통해 발효액으로부터 분리할 수 있다. 이렇게 얻어진 고체 FDCA 염은, 경우에 따라 추가 정제 단계 후, 본 발명에 따른 방법에서 출발 물질로서 사용될 수 있다.
상기에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태에서, MFDC 출발 물질은 마그네슘 FDC인 한편, 무기산은 염산이다. 이 경우, MY 용액은 염화마그네슘 용액이다.
이 실시형태에 있어서, 고액 분리 단계에서 얻은 염화마그네슘 용액의 일부를 열분해 단계에 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 열분해 단계에서, 염화마그네슘은 산화마그네슘 및 염산으로 전환된다. 열분해 공정은 또한 열적 가수분해(thermal hydrolysis) 및 열가수분해(thermohydrolysis)라는 용어로도 알려져 있다. 염화마그네슘 용액은 열가수분해 단계에 바로 제공될 수 있거나, 농축 단계 또는 건조 단계와 같은 중간 단계 후에 제공될 수 있다.
열분해는 일반적으로 300℃ 이상의 온도에서 수행된다. 바람직하게는, 열분해는 350℃ 이상의 온도에서 수행된다. 에너지 비용으로 인해, 온도는 바람직하게는 1000℃ 미만, 더 바람직하게는 800℃ 미만이다. 예를 들어, 열분해가 행해지는 온도는 350∼800℃ 또는 400∼600℃일 수 있다.
염화마그네슘 용액이 열분해 단계에 제공되는 경우, 염화마그네슘 용액은 바람직하게는 염화마그네슘 농도가 15∼40 중량%, 더 바람직하게는 25∼35 중량%이다. 용액 중에 존재하는 염화마그네슘의 양이 지나치게 많으면, 열가수분해 유닛에 진입 시 염화마그네슘의 침전이 일어날 수 있다. 바람직한 염화마그네슘 농도를 얻기 위해 본 발명의 이러한 실시형태에서 회수되는 염화마그네슘 용액에 물을 첨가할 수도 있고 그로부터 물을 제거할 수도 있다.
열분해를 수행하기 위한 적절한 장치는 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 스프레이 로스터(spray roaster) 또는 유동층 로스터(fluid bed roaster)가 사용될 수 있다. 그러한 장치들은, 예를 들어 SMS Siemag, Andritz. Tenova, CMI 및 Chemline에서 입수할 수 있다. 열분해로 얻어지는 산화마그네슘은 고체 형태이다. 본 발명의 일 실시형태에서, 산화마그네슘은 발효 공정에, 바람직하게는 탄소원이 발효액 중의 미생물에 의해 발효되고 FDCA가 형성되는 발효 공정에 중화제로서 바로 제공되거나 수산화물 또는 탄산염으로의 전환 후에 제공된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 열분해 단계로부터 얻어진 염산은 마그네슘 FDC와 무기산(HY)을 혼합하는 단계에 제공되어, 본 발명에 따라, 용액 중에 고체 FDCA를 포함하는 반응 혼합물을 형성한다. 상기에 기재한 바와 같이 산화마그네슘 재순환 단계와 염산 재순환 단계를 둘 다 수행하는 것이 특히 바람직하다.
도 2는, 다양한 재순환 스트림을 포함하는, HCl에 의한 MgFDC의 산성화에 특별히 적용될 수 있는 실시형태를 예시한다.
도 2에서, MgFDC가 라인(1)을 통해 반응 용기(3)에 제공된다. 염산은 라인(2)를 통해 반응 용기(3)에 제공된다. 반응 용기에 또한 라인(71)을 통해 염화마그네슘이 제공된다. 반응 용기에서, MgFDC와 HCl이 반응하여, FDCA 및 (용해된) 염화마그네슘을 형성하고, 용액 중에 FDCA 및 염화마그네슘을 포함하는 반응 혼합물이 라인(4)를 통해 고액 분리 단계(5)로 이송된다. 도시되지는 않았지만, 반응 용기에서 고액 분리 단계를 수행하는 것도 물론 가능하다. 고액 분리 단계(5)에서, 고체 FDCA는 염화마그네슘 염 용액으로부터 분리되어 라인(6)을 통해 인출된다. 염화마그네슘 용액은 라인(7)을 통해 인출된다. 염화마그네슘 용액의 일부는 라인(71)을 통해 반응 용기(3)에 제공된다. 마그네슘 용액의 또 다른 일부는 라인(72)를 통해 인출되어 열분해 유닛(8)으로 제공된다. 열분해 유닛에서, 염화마그네슘은 산화마그네슘 및 염산으로 전환된다. 염산은 라인(2)를 통해 열분해 유닛(8)으로부터 인출되어, 반응 용기(3)에 제공된다. 염산은 열분해 유닛에서 기체상 형태로 형성된다. 이것은 기체상 형태로 반응 용기(3)에 제공될 수 있지만, 용해 유닛(도시되지 않음)에서 먼저 물에 용해시켜 염산 용액을 형성할 수도 있다. 산화마그네슘은 라인(9)를 통해 열분해 유닛(8)으로부터 인출되어, 바로 또는 수산화마그네슘 또는 탄산마그네슘으로의 전환시킨 후에 중화제로서 발효 유닛(10)에 제공된다. 발효 유닛(10)에서, 탄소원은 발효액 중의 미생물에 의해 발효되어 마그네슘 FDC를 형성한다. 발효액은 라인(11)을 통해 제거되고, 경우에 따라 바이오매스 제거 단계(도시되지 않음)를 실시하여, 고액 분리 단계(12)로 제공되며, 여기에서 고체 마그네슘 FDC가 분리된다. 고체 마그네슘 FDC는 인출되어 라인(1)을 통해 반응 용기(3)에 제공된다. 경우에 따라, 고체 마그네슘 FDC에 대해 중간 처리 단계, 예를 들어 세척 단계(도시되지 않음)를 실시할 수 있다.
여러 단락들에서 전술한 본 발명의 다양한 측면들이 조합될 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다.
본 발명을 후술하는 실시예로 설명하지만, 본 발명이 그것에 또는 그에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 염화마그네슘 농도에 따른 FDCA의 수용해도
염화마그네슘 6수화물을 물에 용해시켜 염화마그네슘 수용액을 제조하였다. 각각의 용액(30 g)에 고체 FDCA를 첨가하고, 혼합물을 21.8℃에서 24시간 동안 교반하였다. 교반한 후 샘플을 취하여, 0.45 마이크론 필터를 사용하여 여과하였다. 맑은 여과액을 HPLC를 이용하여 FDCA 함량에 대해 분석하였다. 이 실험은 48.8℃에서 반복하였다. 결과는 도 3에 제시되어 있다.
도 3으로부터, FDCA의 용해도가 염화마그네슘의 온도와 농도에 크게 의존한다는 것을 알 수 있다. 이것은, MFDC와 HY의 혼합 단계에서의 MY 용액의 존재가 FDCA의 수율을 증가시킨다는 것을 나타낸다.
실시예 2 - 비교예: MY 용액의 재순환을 이용하지 않는 MgFDC 용액의 산성화
4 중량%(무수물로서)의 MgFDC 용액 1 L를 20 중량%의 염산으로 산성화하고 교반형 반응기에서 50℃로 가열하였다.
약 1시간에 걸쳐 HCl을 첨가하였고, 최종 pH는 1.5였다. 최종 혼합물은 FDCA 함량이 3.2 중량%였고, MgCl2 함량은 2.0 중량%였다. 고체 FDCA를 여과하고, 물로 세척하였다. 20℃에서 포화 농도이기 때문에 4 중량%의 농도를 선택하였다.
이 실시예는, MgFDC 용액의 산성화에 의해 FDCA를 얻을 수 있으나, 매우 희석된 염화마그네슘 용액이 얻어진다는 것을 보여준다. 또한, FDCA의 상당 부분이 용액으로 남아 있다. 따라서, 이 실시예는 MY 용액 부재 하에 산성화 반응을 수행하는 것의 단점을 보여준다.
실시예 3 - 비교예: 희석을 이용하지 않는 산성화
150 ml의 재킷 유리 용기를 자동 온도 조절식 배쓰를 이용하여 20℃로 조절하고 MgFDC.6H2O(175 mmol) 50.03 g을 투입하였다. 기계적/수작업으로 혼합하면서 20 중량%(62.8 g, 344 mmol) 염산을 세 부분으로 나눠 첨가하였다. 그 결과 pH가 0이고 작은 덩어리를 갖는 백색의 펌핑 불가능한 페이스트가 얻어졌다.
이 실시예는 20 중량% HCl에 의한 MgFDC.6H2O의 직접 산성화가 가공 불가능한 페이스트를 산출한다는 것을 보여준다. 이 페이스트는 FDCA 농도가 23∼24 중량%이다.
실시예 4: MY 용액의 첨가를 이용한 HCl에 의한 MgFDC의 산성화
14 중량%의 염화마그네슘(MgCl2) 수용액 128.25 g에 MgFDC.6H2O(42.75g, 0.15 mol)를 현탁시켰다. 반응기에 14 중량%의 MgCl2 수용액 174.3 g을 투입하고 100℃로 가열하였다. 14 중량% MgCl2 중 MgFDC.6H2O의 현탁액을 45분에 걸쳐 반응기에 첨가하였다. 첨가하는 동안, 20 중량%의 염산 수용액을 동시에 첨가함으로써, pH를 1.5로 일정하게 유지하였다.
최종 혼합물은 FDCA 함량이 5.7 중량%, MgCl2 함량이 16 중량%였다. 슬러리는 문제 없이 교반되었다. 고체 FDCA를 여과하고 물로 세척하였다. 이 실험에서, 총 염화마그네슘 용액 재순환량은 69 부피%였다.
이 실시예는, (재순환) 염화마그네슘 용액을 사용할 경우, MgFDC.6H2O 결정을 현탁시키기 위해 추가분의 물을 첨가할 필요가 없다는 것을 보여준다. 또한, 산성화 후에 가공성이 우수한 현탁액이 얻어져서, FDCA의 용이한 고액 분리를 담보한다. 나아가, 액체 중 염화마그네슘의 농도가 비교적 높기 때문에, FDCA의 용해량이 매우 적다.

Claims (12)

  1. 푸란-2,5-디카복실레이트 염(MFDC)을 푸란-2,5-디카복실산(FDCA)으로 전환시킴으로써 푸란-2,5-디카복실산(FDCA)을 제조하는 방법으로서,
    - 고체 MFDC와 무기산(HY)을 혼합하여, 푸란-2,5-디카복실레이트 염의 양이온과 무기산의 음이온으로부터 생성되는 염의 용액(MY 용액) 중에 1∼15 중량%의 농도로 고체 FDCA를 포함하는 반응 혼합물을 형성하는 단계,
    - 고액 분리 단계에서 상기 반응 혼합물로부터 고체 FDCA를 분리하는 단계, 및
    - 고액 분리 단계로부터 얻은 MY 용액의 40 부피% 이상을, MFDC와 HY를 혼합하는 단계에 제공하는 단계
    를 포함하는, 푸란-2,5-디카복실산(FDCA)의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 푸란-2,5-디카복실레이트 염이 마그네슘 푸란-2,5-디카복실레이트(MgFDC), 칼슘 푸란-2,5-디카복실레이트(CaFDC), 나트륨 푸란-2,5-디카복실레이트(NaFDC), 칼륨 푸란-2,5-디카복실레이트(KFDC) 및 암모늄 푸란-2,5-디카복실레이트(NH4FDC)로부터, 바람직하게는 MgFDC 및 CaFDC, 더 특히 MgFDC로부터 선택되는 것인 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 무기산(HY)이 염산(HCl), 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4)으로부터 선택되며, 단, 푸란-2,5-디카복실레이트 염이 CaFDC인 경우, 무기산(HY)이 염산(HCl) 및 질산(HNO3)으로부터 선택되는 것인 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 무기산(HY)이 염산(HCl)이고, 푸란-2,5-디카복실레이트 염이 MgFDC이며, 상기 방법은
    - 혼합 단계에서 염화마그네슘 용액 중에서 고체 MgFDC와 염산을 혼합하여, 염화마그네슘 용액 중에 1∼15 중량%의 농도로 고체 FDCA를 포함하는 반응 혼합물을 형성하는 단계,
    - 고액 분리 단계에서 반응 매질로부터 고체 FDCA를 분리하는 단계, 및
    - 고액 분리 단계로부터 얻은 염화마그네슘 용액의 40 부피% 이상을, 고체 염화마그네슘과 염산을 혼합하는 단계에 제공하는 단계
    를 포함하는 것인 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, MFDC의 양과 그 수분 함량, 산의 양과 그 농도, 및 혼합되는 MY 용액의 양은, 반응 혼합물의 총 중량을 기준으로 계산할 때, 반응 혼합물 중의 FDCA 농도가 1∼10 중량%, 몇몇 실시형태에서 2∼8 중량%, 더 특히 3∼7 중량% 범위 내가 되도록 선택되는 것인 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 고액 분리 단계로부터 얻은 MY 용액의 50 부피% 이상, 특히 60 부피% 이상, 몇몇 실시형태에서 70 부피% 이상 및/또는 95 부피% 이하가 MFDC와 HY를 혼합하는 단계에 제공되는 것인 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 고액 분리 단계로부터 인출된 MY 용액, 예를 들어 염화마그네슘 용액의 농도는 5 중량% 이상, 특히 10 중량% 이상, 및/또는 30 중량% 이하, 바람직하게는 10∼20 중량%의 농도를 갖는 것인 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, MFDC가 발효 공정으로부터 생성되는 것인 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 고액 분리 단계로부터 얻은 HY 용액, 특히 염화마그네슘 용액 중 일부는 혼합 단계로 재순환시키고, 다른 일부는 혼합 단계로 재순환시키지 않는 것인 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, HY 용액은 염화마그네슘 용액이고, 혼합 단계로 재순환되지 않는 염화마그네슘 스트림 부분에 대해 열분해 단계를 실시하며, 열분해 단계에서 염화마그네슘이 물과 반응하여 염산 및 산화마그네슘을 형성하는 것인 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 열분해로부터 생성된 염산을, 기체상 형태로 또는 수용액에 도입한 후, 혼합 단계에 제공하는 것인 제조 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 산화마그네슘은 바로 또는 수산화마그네슘 또는 탄산마그네슘으로 전환시킨 후, 발효 공정, 특히 탄화수소원이 발효되어 FDCA를 형성하는 발효 공정에 중화제로서 제공되는 것인 제조 방법.
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