WO2014129833A1 - 수소화 당의 연속 탈수반응을 통한 무수당 알코올의 제조방법 - Google Patents

수소화 당의 연속 탈수반응을 통한 무수당 알코올의 제조방법 Download PDF

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WO2014129833A1
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acid
anhydrosugar alcohol
reaction
hydrogenated sugar
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류훈
정영재
김진경
경도현
박혁민
조성호
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주식회사 삼양제넥스
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    • B01J2231/40—Substitution reactions at carbon centres, e.g. C-C or C-X, i.e. carbon-hetero atom, cross-coupling, C-H activation or ring-opening reactions

Definitions

  • the present invention relates to a method for preparing anhydrosugar alcohol, and more particularly, in the step of converting the hydrogenated sugar into anhydrosugar alcohol by dehydration in a reactor, the hydrogenated sugar into the reactor during the dehydration reaction is performed.
  • This continuously charged and produced anhydrosugar alcohol is continuously discharged out of the reactor, and the reaction mixture does not circulate in and out of the reactor during the dehydration reaction, thereby allowing batch or semi-batch
  • the present invention relates to a method for producing anhydrosugar alcohols, which is particularly suitable for a large scale anhydrosugar alcohol manufacturing process, since the production efficiency can be remarkably improved compared to a conventional process employing a batch-type dehydration reaction.
  • Hydrogenated sugar means a compound obtained by adding hydrogen to a reducing end group of a saccharide, and generally HOCH 2 (CHOH) n CH 2 OH, where n is an integer of 2 to 5 ) And are classified according to carbon number to trititol, pentitol, hexitol and heptitol (4, 5, 6 and 7 carbon atoms, respectively).
  • hexitol having 6 carbon atoms includes sorbitol, mannitol, iditol, galactitol and the like, and sorbitol and mannitol are particularly useful substances.
  • Anhydrosugar alcohols have a diol form having two hydroxyl groups in the molecule, and may be prepared using hexitol derived from starch (eg, Korean Patent No. 10-1079518, Korean Patent Publication No. 10). -2012-0066904).
  • Anhydrosugar alcohols have been studied for a long time with a great deal of interest in that they are environmentally friendly materials derived from renewable natural resources.
  • isosorbide made from sorbitol has the widest range of industrial applications at present.
  • anhydrosugar alcohols is very diverse, such as treatment of heart and vascular diseases, adhesives of patches, mouthwashes and the like, solvents of the composition in the cosmetic industry, emulsifiers in the food industry.
  • it can also be used as an environmentally friendly solvent of adhesives, environmentally friendly plasticizers, biodegradable polymers, water-soluble lacquer.
  • anhydrosugar alcohols are receiving a lot of attention due to their various applicability, and their use in actual industries is also gradually increasing.
  • the existing anhydrosugar alcohol manufacturing method has a high cost of the catalyst used in the dehydration reaction, and has a low conversion rate, distillation and purification yield.
  • the conventional method was mainly used to convert the hydrogenated sugar to anhydrosugar alcohol through a batch reaction, but this method is inconvenient to work, longer working time, reactor size for industrial scale production There is a problem that is too large.
  • this method there is a semi-batch method in which a plurality of batch reactors are connected and continuously operated, but this method is also inconvenient for work, long working time, and difficult to set step temperature. There is a problem that the equipment is more complicated.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and in performing the step of dehydrating hydrogenated sugars to anhydrosugar alcohols, a new method different from the conventional batch or semi-batch dehydration reactions is provided. It can be introduced to provide a reaction product having a quality equivalent to or higher than that of the existing method while significantly improving the production efficiency, thereby providing a method for producing anhydrosugar alcohol, which is particularly suitable for large scale anhydrosugar alcohol manufacturing process. It is technical problem to do.
  • the present invention in the method for producing anhydrosugar alcohol comprising the step of converting the hydrogenated sugar in the reactor to anhydrosugar alcohol, hydrogenated sugar into the reactor while the dehydration reaction is performed This continuously charged and produced anhydrous sugar alcohol is continuously discharged out of the reactor, and furthermore, the reaction mixture provides a method characterized in that the reaction mixture does not circulate in and out of the reactor.
  • the conversion of hydrogenated sugars to anhydrosugar alcohols through continuous dehydration reactions provides a reaction product having a quality equivalent to or higher than that of the existing method while significantly improving the production efficiency compared to the conventional batch or semi-batch type.
  • the time required to lead to the subsequent process can also be shortened. Therefore, the method for producing anhydrosugar alcohols according to the present invention may be particularly suitably applied to a large scale process for producing anhydrosugar alcohols.
  • the hydrogenated sugar is continuously introduced into the reactor while the dehydration reaction of the hydrogenated sugar is performed, and the produced anhydrosugar alcohol is continuously discharged out of the reactor. That is, in the present invention, while the dehydration reaction of the hydrogenated sugar is carried out, a continuous flow by the reaction mixture is formed inside the reactor.
  • the flow rate of the reaction mixture forming a continuous flow in the reactor during the dehydration reaction may be appropriately selected depending on the specific reactor specifications and other operating conditions.
  • an embodiment of the present invention applies a flow rate of 2-4 mL / min when using a reactor of 1L size, it is by no means limited to this, as the equipment becomes larger and / or changes in other operating conditions.
  • One skilled in the art can easily select an appropriate flow rate.
  • the continuous flow formed inside the reactor during the dehydration reaction may preferably be a steady state flow.
  • Normal flow here means that the external observer sees no substantial change in the reaction system, i.e., the rate of material input into the reactor and the rate of material discharge out of the reactor is substantially the same, where "substantially the same.” This means, for example, that the rate of material input into the reactor is 0.95 to 1.05 times the discharge rate, more preferably 0.99 to 1.01 times and most preferably both are the same.
  • the reaction mixture does not circulate in and out of the reactor while the dehydration reaction is carried out.
  • the dehydration reactor is in line with an external independent plant (eg, a heat exchanger, etc.), while some of the material in the vaccum reactor is discharged out of the reactor and re-introduced into the reactor via the external plant during the reaction.
  • Such a circulating process of the reaction mixture has advantages such as supplying an additional heat source in the reactor, performing an additional agitation function, but making it difficult to control the flow rate of the material continuously introduced into the reactor as a whole, and the irregularity caused by the circulation of the liquid.
  • This has the disadvantage of preventing uniform continuous flow from forming in the reactor. Therefore, in the present invention, by not circulating the reaction mixture into and out of the reactor while the dehydration reaction is performed, it is easy to control the continuous input of the material into the reactor, so that a uniform continuous flow can be formed in the reactor.
  • the continuous dehydration reaction of the present invention may be carried out in a single reactor or, if necessary, may be carried out using a plant in which two or more reactors are connected in series. When two or more reactors are used in conjunction, they are all recognized as one reactor and the continuous flow formed during the dehydration reaction is maintained throughout these reactors.
  • the interior of the reactor in which the continuous dehydration reaction of the present invention is performed may be divided into two or more sections as necessary, and operating conditions such as temperature and pressure of each section may be independently controlled.
  • each reactor When two or more reactors are connected and operated, each reactor may correspond to the above sections.
  • the material inlet / discharge rate of each section (or each reactor) can be set differently as needed, and maintains a continuous flow as a whole.
  • the continuous dehydration reaction of the hydrogenated sugar is, for example, 1 to 1 at a temperature condition of 105 to 200 ° C (more preferably 110 to 150 ° C) and a pressure condition of 1 to 100 mmHg (more preferably 1 to 50 mmHg). It may be performed for 10 hours (more preferably 2 to 5 hours), but is not necessarily limited thereto.
  • operating conditions such as temperature and pressure in each section may be independently adjusted within the above range.
  • by-product by lowering the reaction temperature of the rear end section relative to the front end section based on the reaction mixture liquid flow can be produced rapidly by the overheating in the latter part of the reaction It is preferable because it can reduce.
  • Hydrogenated sugar is also commonly referred to as sugar alcohol, and refers to a compound obtained by adding hydrogen to a reducing end group of a saccharide. Hydrogenated sugars are classified according to carbon number into tetratritol, pentitol, hexitol and heptitol (4, 5, 6 and 7 carbon atoms, respectively). Among them, hexitol having 6 carbon atoms includes sorbitol, mannitol, iditol, galactitol and the like, and sorbitol and mannitol are particularly useful substances.
  • anhydrous alcohol means any substance obtained by removing one or more water molecules from the original internal structure of the hydrogenated sugar (or sugar alcohol) in one or more steps in any manner.
  • hexitol is preferably used as the hydrogenated sugar, more preferably hydrogenated sugar selected from sorbitol, mannitol, iditol and mixtures thereof.
  • dianhydrohexitol which is a dehydration product of hexitol is preferably obtained as the anhydrosugar alcohol, and more preferably isosorbide (1,4-3,6-dianhydrosorbitol), iso Anhydrosugar alcohols selected from mannide (1,4-3,6-dianhydromannitol), isoidide (1,4-3,6-dianhydroiditol) and mixtures thereof are obtained.
  • isosorbide is particularly high in industrial and medical applications.
  • Acid catalysts are preferably used to dehydrate the hydrogenated sugars and convert them to anhydrosugar alcohols.
  • a single acid catalyst such as sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, p-toluene sulfonic acid, phosphoric acid may be used as the acid catalyst, and more preferably sulfuric acid may be used.
  • a mixed acid of a first acid and a second acid may be used as the acid catalyst, more preferably sulfuric acid as the first acid, p-toluene sulfonic acid as the second acid, methane sulfide
  • sulfur-containing acid materials selected from the group consisting of phonic acid, ethane sulfonic acid, benzene sulfonic acid, naphthalene sulfonic acid and aluminum sulfate can be used.
  • the amount of acid catalyst used is preferably 0.5 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of hydrogenated sugar (eg, hexitol). If the amount of the acid catalyst is too small than this range, the conversion time to anhydrosugar alcohol may be too long, while if the amount of the acid catalyst is too large than this range, there is a problem that the production of saccharide polymer is increased and the conversion rate is lowered. have.
  • the reaction resultant is preferably neutralized. Neutralization can be carried out after the reaction is completed by lowering the reaction resultant temperature (eg, 100 ° C. or lower) and adding a known alkali such as sodium hydroxide.
  • the pH of the neutralized reaction resultant is preferably 6-8.
  • the neutralized reaction resultant obtained as described above may then be prepared into a high purity anhydrosugar alcohol product after pretreatment if necessary, after distillation, and subsequent purification.
  • the pretreatment is for removing substances having low water and low boiling point remaining in the resultant liquid of the conversion step before being put into the subsequent distillation step, and is usually converted under a temperature of 90 ° C. to 110 ° C. and a pressure of 10 mmHg to 100 mmHg.
  • the reaction resultant may be carried out by stirring for 1 hour or more (eg, 1 to 4 hours), but is not limited thereto.
  • the pretreatment process for removing water and the like from the conversion step resultant liquid may be performed using a degasser or a flash box, or may be performed by removing water by vacuum in a storage tank. However, this is not particularly limited.
  • distillation of the resultant conversion step there is no particular limitation on the distillation of the resultant conversion step, and known methods and devices known in the art may be used as they are or as appropriately modified.
  • a general condenser type distillation column or a distillation column distillation machine may be used, or may be implemented using a thin film distillation machine.
  • Subsequent purification of the distillation resultant may include one or more selected from crystallization, decolorization treatment and ion exchange resin treatment, but is not limited thereto, and the order thereof is not particularly limited. These subsequent purification processes can also be utilized as such or without modification, known methods and apparatus known in the art for the treatment process without particular limitation.
  • the distillation may be performed using a thin film distillation, and the crystallization may be carried out by a crystallization method using a solvent (eg, acetone solvent) or in a melt crystallization method using no solvent. It may also be performed by.
  • the decolorization treatment may be performed using activated carbon, and the ion exchange resin treatment may be performed using a strong cationic exchange resin, a strong anionic ion exchange resin, or both in sequence.
  • a reaction facility for implementing a continuous dehydration reaction was constructed as follows. First, prepare two 1L reactors equipped with a stirring rod, a condenser, and a thermometer (for measuring internal temperature), connect the upper part of each condenser with a pressure reducing device, and then connect the two reactors using a heat resistant silicone tube and an adapter. It was. Next, one of the two reactors (reactor 1) was connected using a container (raw material supply container) containing a mixture of sorbitol melt and catalyst maintained at 120 ° C, using a heat resistant silicone tube and an adapter, and the other reactor (reactor 2).
  • Continuous dehydration was carried out as follows. First, in order to implement a continuous flow state of the reaction mixture, 300 mL of reaction liquids containing isosorbide content of 71.2% are respectively filled in reactors 1 and 2, and the temperature of reactor 1 is fixed at 150 ° C, and the temperature of reactor 2 is maintained. The pump was operated without decompression while maintaining the temperature below 140 ° C to fill the reaction liquid in all connecting tubes. Next, the pump was operated under reduced pressure, and the mixed melt of sorbitol and catalyst (sulfuric acid and methanesulfonic acid) was started from the raw material supply container to the reactor 1 at a constant speed.
  • sorbitol and catalyst sulfuric acid and methanesulfonic acid
  • both the feed rate of the feed mixture into reactor 1 and the reaction product discharge rate from reactor 2 were maintained at 3 mL per minute.
  • the target content of isosorbide was set at 71%.

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Abstract

본 발명은 무수당 알코올의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수소화 당을 반응기 내에서 탈수반응시켜 무수당 알코올로 전환하는 단계를 수행함에 있어서, 탈수반응이 수행되는 동안 상기 반응기 내로 수소화 당이 연속적으로 투입되고 생성된 무수당 알코올은 반응기 바깥으로 연속적으로 배출되도록 하며, 또한, 탈수반응이 수행되는 동안 반응 혼합물은 반응기 내외를 순환하지 않도록 함으로써, 배치(batch)식 또는 세미-배치(semi-batch)식 탈수반응을 채택한 종래의 공정에 비하여 생산효율을 현저히 개선할 수 있어 대규모의 무수당 알코올 제조공정에 특히 적합하게 적용할 수 있는 무수당 알코올의 제조방법에 관한 것이다.

Description

수소화 당의 연속 탈수반응을 통한 무수당 알코올의 제조방법
본 발명은 무수당 알코올의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수소화 당을 반응기 내에서 탈수반응시켜 무수당 알코올로 전환하는 단계를 수행함에 있어서, 탈수반응이 수행되는 동안 상기 반응기 내로 수소화 당이 연속적으로 투입되고 생성된 무수당 알코올은 반응기 바깥으로 연속적으로 배출되도록 하며, 또한, 탈수반응이 수행되는 동안 반응 혼합물은 반응기 내외를 순환하지 않도록 함으로써, 배치(batch)식 또는 세미-배치(semi-batch)식 탈수반응을 채택한 종래의 공정에 비하여 생산효율을 현저히 개선할 수 있어 대규모의 무수당 알코올 제조공정에 특히 적합하게 적용할 수 있는 무수당 알코올의 제조방법에 관한 것이다.
수소화 당(“당 알코올”이라고도 함)은 당류가 갖는 환원성 말단기에 수소를 부가하여 얻어지는 화합물을 의미하는 것으로, 일반적으로 HOCH2(CHOH)nCH2OH (여기서, n은 2 내지 5의 정수)의 화학식을 가지며, 탄소수에 따라 테트리톨, 펜티톨, 헥시톨 및 헵티톨(각각, 탄소수 4, 5, 6 및 7)로 분류된다. 그 중에서 탄소수가 6개인 헥시톨에는 소르비톨, 만니톨, 이디톨, 갈락티톨 등이 포함되며, 소르비톨과 만니톨은 특히 효용성이 큰 물질이다.
무수당 알코올은 분자 내 하이드록시기가 두 개인 디올(diol) 형태를 가지며, 전분에서 유래하는 헥시톨을 활용하여 제조할 수 있다(예컨대, 한국등록특허 제10-1079518호, 한국공개특허공보 제10-2012-0066904호). 무수당 알코올은 재생 가능한 천연자원으로부터 유래한 친환경 물질이라는 점에서 오래 전부터 많은 관심과 함께 그 제조방법에 관한 연구가 진행되어 오고 있다. 이러한 무수당 알코올 중에서 솔비톨로부터 제조된 이소소르비드가 현재 산업적 응용범위가 가장 넓다.
무수당 알코올의 용도는 심장 및 혈관 질환 치료, 패치의 접착제, 구강 청정제 등의 약제, 화장품 산업에서 조성물의 용매, 식품산업에서는 유화제 등 매우 다양하다. 또한, 폴리에스테르, PET, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 에폭시 수지 등 고분자 물질의 유리전이온도를 올릴 수 있고, 이들 물질의 강도 개선효과가 있으며, 천연물 유래의 친환경소재이기 때문에 바이오 플라스틱 등 플라스틱 산업에서도 매우 유용하다. 또한, 접착제, 친환경 가소제, 생분해성 고분자, 수용성 락카의 친환경 용매로도 사용될 수 있는 것으로 알려져 있다.
이렇듯 무수당 알코올은 그 다양한 활용가능성으로 인해 많은 관심을 받고 있으며, 실제 산업에의 이용도도 점차 증가하고 있다. 하지만, 기존의 무수당 알코올 제조방법은 탈수반응에 사용되는 촉매 비용이 높고, 전환율, 증류 및 정제수율 등이 낮은 한계를 지니고 있다.
특히, 기존에는 배치(batch)식 반응을 통하여 수소화 당을 무수당 알코올로 전환시키는 방식을 주로 사용하였으나, 이러한 방식은 작업이 불편하고, 작업 시간이 길어지며, 산업적 규모로의 생산을 위해서는 반응기 사이즈가 지나치게 커지는 문제점이 있다. 그 대안으로서, 복수의 배치식 반응기를 연결하여 연속식으로 운전하는 세미-배치(semi-batch) 방식이 있으나, 이 방식 역시 작업이 불편하고, 작업 시간이 길 뿐만 아니라, 단계별 온도 설정이 어렵고, 설비가 더욱 복잡해지는 문제점이 있다.
따라서, 새로운 작업방식으로 생산효율을 개선하여 대규모의 상업적 제조공정에 적합하게 활용될 수 있는 무수당 알코올 제조방법의 개발이 요청되고 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점들을 해결하고자 한 것으로서, 수소화 당을 탈수반응시켜 무수당 알코올로 전환하는 단계를 수행함에 있어서, 기존의 배치식 또는 세미-배치식 탈수반응과는 다른 새로운 방식을 도입하여 생산효율을 현저히 개선하면서 기존 방식과 동등 수준 또는 그 이상의 품질을 지닌 반응 결과물을 제공할 수 있어, 대규모의 무수당 알코올 제조공정에 특히 적합하게 적용할 수 있는 무수당 알코올의 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은, 수소화 당을 반응기 내에서 탈수반응시켜 무수당 알코올로 전환시키는 단계를 포함하는 무수당 알코올의 제조방법에 있어서, 탈수반응이 수행되는 동안 상기 반응기 내로 수소화 당이 연속적으로 투입되고 생성된 무수당 알코올은 반응기 바깥으로 연속적으로 배출되며, 또한, 탈수반응이 수행되는 동안 반응 혼합물은 상기 반응기 내외를 순환하지 않는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따라 연속 탈수반응을 통해 수소화 당을 무수당 알코올로 전환시키면, 기존의 배치식 또는 세미-배치식 대비 생산효율을 현저히 개선하면서 기존 방식과 동등 수준 또는 그 이상의 품질을 지닌 반응 결과물을 제공할 수 있고, 후속 공정으로 이어지는 데에 소요되는 시간이 또한 단축될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 무수당 알코올 제조방법은 대규모의 무수당 알코올 제조공정에 특히 적합하게 적용될 수 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 무수당 알코올 제조 방법에서는, 수소화 당의 탈수반응이 수행되는 동안 반응기 내로 수소화 당이 연속적으로 투입되고, 생성된 무수당 알코올은 반응기 바깥으로 연속적으로 배출되는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 있어서 수소화 당의 탈수반응이 수행되는 동안, 반응기 내부에는 반응 혼합액에 의한 연속적인 유동(flow)이 형성된다.
탈수반응 동안 반응기 내부에 연속적인 유동을 형성하는 반응 혼합액의 유속은 구체적인 반응기의 사양 및 다른 운전조건 등에 따라 적절히 선택될 수 있다. 따라서, 비록 본 발명의 실시예에서 1L 크기의 반응기 사용시 2~4mL/분의 유속을 적용하기는 하였으나, 이에 한정되는 것은 결코 아니며, 설비가 대형화됨에 따라 및/또는 다른 운전조건의 변경에 따라 이 기술분야의 통상의 기술자는 적절한 유속을 용이하게 선택할 수 있다.
탈수반응 동안 반응기 내부에 형성되는 연속적인 유동은, 바람직하게는, 정상 유동(steady state flow)일 수 있다. 여기서 정상 유동이란, 외부 관찰자가 보기에 반응계에 실질적인 변화가 없는 상태, 즉, 반응기 내로의 물질 투입 속도와 반응기 바깥으로의 물질 배출 속도가 실질적으로 동일함을 의미하며, 여기서 “실질적으로 동일”하다는 것은, 예컨대, 반응기 내 물질 투입 속도가 배출 속도의 0.95~1.05배, 보다 바람직하게는 0.99~1.01배, 가장 바람직하게는 양자가 동일함을 의미한다.
본 발명에 있어서, 탈수반응이 수행되는 동안 반응 혼합물은 반응기 내외를 순환하지 않는다. 일부 종래 기술에서는 탈수 반응기를 외부의 독립설비(예컨대, 열 교환기 등)와 라인 연결하고, 반응이 수행되는 동안 빈응기 내의 물질의 일부를 반응기 바깥으로 배출하고 상기 외부 설비를 거쳐 반응기 내부로 재투입시키는 공정을 채택하고 있다. 이러한 반응 혼합물의 순환 공정은 반응기 내에 추가적인 열원을 공급하고, 추가적인 교반 기능을 수행하는 등의 장점이 있지만, 반응기 내로 연속적으로 투입되는 물질의 유량을 전체적으로 제어하기 어렵게 만들고, 액체의 순환이 발생시키는 불규칙성으로 인하여 균일한 연속 유동이 반응기 내에 형성되는 것을 방해하는 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는, 탈수반응이 수행되는 동안 반응 혼합물을 반응기 내외로 순환시키지 않음으로써, 반응기 내로의 연속적인 물질 투입을 용이하게 제어하고, 반응기 내에 균일한 연속 유동이 형성될 수 있도록 한다.
본 발명의 연속 탈수반응은 단일 반응기 내에서 수행될 수도 있고, 필요에 따라 둘 이상의 반응기를 직렬 연결한 설비를 사용하여 수행될 수도 있다. 둘 이상의 반응기를 연결하여 사용하는 경우, 이들은 전체가 하나의 반응기로서 인식되며, 탈수반응 동안 형성되는 연속적인 유동은 이들 반응기 전체에 걸쳐 유지된다.
본 발명의 연속 탈수반응이 수행되는 반응기 내부는 필요에 따라 둘 이상의 구간으로 나누어질 수 있으며, 각 구간의 온도 및 압력 등 운전 조건은 독립적으로 조절될 수 있다. 둘 이상의 반응기를 연결하여 운전하는 경우에는, 각 반응기가 상기한 구간들에 대응될 수 있다. 이 때, 상기 각 구간(또는 각 반응기)의 물질 유입/배출 속도는 필요에 따라 달리 설정될 수 있으며, 전체적으로 연속적인 유동을 유지한다.
본 발명에 있어서, 수소화 당의 연속 탈수반응은, 예컨대, 105~200℃의 온도조건(보다 바람직하게는 110~150℃) 및 1 내지 100mmHg의 압력조건(보다 바람직하게는 1 내지 50mmHg) 에서 1~10시간(보다 바람직하게는 2~5시간) 동안 수행될 수 있으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 앞서 설명하였듯이, 연속 탈수반응이 수행되는 반응기 내부가 둘 이상의 구간으로 나누어지는 경우, 각 구간의 온도 및 압력 등 운전 조건은 상기 범위 내에서 독립적으로 조절될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 반응기 내부가 둘 이상의 구간으로 나누어지는 경우, 반응 혼합액 흐름을 기준으로 후단 구간의 반응온도를 전단 구간에 비하여 낮추는 것이 반응 후반부에서 과열에 의해 급격히 생성될 수 있는 부산물을 감소시킬 수 있어서 바람직하다.
수소화 당(hydrogenated sugar)은 일반적으로 당 알코올(sugar alcohol)로도 불리우며, 당류가 갖는 환원성 말단기에 수소를 부가하여 얻어지는 화합물을 의미한다. 수소화 당은 탄소수에 따라 테트리톨, 펜티톨, 헥시톨 및 헵티톨(각각, 탄소수 4, 5, 6 및 7)로 분류된다. 그 중에서 탄소수가 6개인 헥시톨에는 소르비톨, 만니톨, 이디톨, 갈락티톨 등이 포함되며, 소르비톨과 만니톨은 특히 효용성이 큰 물질이다.
본 명세서에 있어서 상기 '무수당 알코올'이라는 표현은 임의의 방식으로 하나 이상의 단계에서 상기 수소화 당(또는 당 알코올)의 원래 내부 구조로부터 하나 이상의 물 분자를 제거하여 얻은 임의의 물질을 의미한다.
본 발명에 있어서 수소화 당으로는 헥시톨이 바람직하게 사용되며, 보다 바람직하게는 소르비톨, 만니톨, 이디톨 및 이들의 혼합물로부터 선택된 수소화 당이 사용된다.
따라서, 본 발명에 있어서 바람직하게는 상기 무수당 알코올로서 헥시톨의 탈수물인 디언하이드로헥시톨이 얻어지며, 보다 바람직하게는 이소소르비드(1,4-3,6-디언하이드로소르비톨), 이소만니드(1,4-3,6-디언하이드로만니톨), 이소이디드(1,4-3,6-디언하이드로이디톨) 및 이들의 혼합물로부터 선택된 무수당 알코올이 얻어진다. 그 중에서 이소소르비드는 산업적, 의약적 활용도가 특히 높다.
수소화 당을 탈수시켜 무수당 알코올로 전환하는 데에는 산 촉매가 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 산 촉매로서 황산, 질산, 염산, p-톨루엔 설폰산, 인산 등의 단일 산 촉매를 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 황산을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에 따르면, 상기 산 촉매로서 제1산 및 제2산의 혼합산을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 제1산으로 황산, 제2산으로 p-톨루엔 설폰산, 메탄 설폰산, 에탄 설폰산, 벤젠 설폰산, 나프탈렌 설폰산 및 황산 알루미늄으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 황-함유 산 물질을 사용할 수 있다.
산 촉매의 사용량은 수소화 당(예컨대, 헥시톨) 100중량부당 0.5 내지 10중량부인 것이 바람직하다. 산 촉매의 양이 이 범위보다 지나치게 적으면 무수당 알코올로의 전환 시간이 너무 길어질 수 있고, 반면 산 촉매의 양이 이 범위보다 지나치게 많으면 당류 고분자의 생성이 많아지고 전환율이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
수소화 당의 탈수 반응시 산 촉매를 사용하는 경우, 반응 결과액은 중화되는 것이 바람직하다. 중화는 반응 완료후 반응 결과액 온도를 낮추고(예컨대, 100℃ 이하) 수산화나트륨과 같은 공지의 알칼리를 첨가하는 것에 의해 수행될 수 있다. 중화된 반응 결과액의 pH는 6~8인 것이 바람직하다.
상기와 같이 하여 얻어진, 중화된 반응 결과액은 이후, 필요시 전처리후, 증류, 및 후속 정제공정을 거쳐 고순도의 무수당 알코올 제품으로 제조될 수 있다.
상기 전처리는, 후속 증류 단계에 투입하기 전에, 전환 단계 결과액 내에 잔류하는 수분 및 비점이 낮은 물질을 제거하기 위한 것으로, 통상 90℃~110℃의 온도 및 10 mmHg~100 mmHg의 압력조건 하에서 전환 반응 결과액을 1시간 이상(예컨대, 1~4시간) 교반하는 것에 의해 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전환 단계 결과액으로부터 수분 등을 제거하는 전처리 공정은 탈기장치(degasser) 또는 플래시 박스(flash box)를 사용하여 수행될 수도 있고, 또는 저장조 내에서 진공으로 물을 제거하는 방법에 의해 수행될 수도 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
전환 단계 결과액의 증류에는 특별한 제한이 없으며, 당 분야에 알려진 공지의 방법 및 장치를 그대로 또는 적절히 변형하여 활용할 수 있다. 예컨대, 일반적인 컨덴서 타입 증류기 또는 증류탑 증류기를 사용할 수도 있고, 박막 증류기를 활용하여 실시할 수도 있다.
증류 결과액의 후속 정제공정으로는, 결정화, 탈색처리 및 이온교환수지 처리로부터 선택된 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 그 순서에도 특별한 제한은 없다. 이들 후속 정제공정 역시 특별한 제한 없이, 해당 처리공정을 위하여 당 분야에 알려진 공지의 방법 및 장치를 그대로 또는 적절히 변형하여 활용할 수 있다.
본 발명의 구체예에 따르면, 상기 증류는 박막 증류기를 사용하여 수행될 수 있고, 상기 결정화는 용매(예컨대, 아세톤 용매)를 사용한 결정화 방법에 의해 수행될 수도 있고 용매를 사용하지 않는 용융결정화 방법에 의해 수행될 수도 있다. 상기 탈색처리는 활성탄을 사용하여 수행될 수 있고, 상기 이온교환수지 처리는 강양이온성 교환수지, 강음이온성 이온교환수지, 또는 이들 모두를 순차적으로 사용하여 수행될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.
[실시예 및 비교예]
실시예 1
연속 탈수반응을 구현하기 위한 반응설비를 다음과 같이 구성하였다. 먼저, 교반봉, 콘덴서 및 온도계(내부온도 측정용)를 장착한 1L 반응기 두 개를 준비하고, 각각의 콘덴서 상부를 감압장치와 연결한 뒤, 두 개의 반응기를 내열성 실리콘 튜브 및 어댑터를 이용하여 연결하였다. 다음으로, 둘 중 하나의 반응기(반응기 1)를, 120℃로 유지되는 솔비톨 용융액과 촉매의 혼합액이 든 용기(원료공급용기)와 내열성 실리콘 튜브 및 어댑터를 이용하여 연결하고, 나머지 반응기(반응기 2)를 증류액 포집용 플라스크 및 콘덴서가 연결된 반응액 포집용기와 내열성 실리콘 튜브 및 어댑터를 이용하여 연결하였다. 각각의 용기 중간에 실리콘 튜브가 지나도록 정량이송펌프(peristaltic pump)를 설치하여 반응 혼합액의 연속적인 이송이 가능하도록 하였다.
연속 탈수반응은 다음과 같이 실시되었다. 먼저, 반응 혼합액의 연속적인 유동 상태를 구현하고자, 이소소르비드 함량이 71.2%인 반응액을 반응기 1과 2에 각각 300mL씩 채우고, 반응기 1의 온도를 150℃로 고정하고, 반응기 2의 온도를 140℃ 이하로 유지하면서 감압 없이 펌프를 가동하여 모든 연결튜브에 반응액을 채웠다. 다음으로, 감압조건 하에서 펌프를 가동하여 원료공급용기로부터 솔비톨 및 촉매(황산 및 메탄설폰산)의 혼합 용융액을 반응기 1로 일정 속도로 이송하기 시작하였다. 반응이 진행되는 동안 반응기 1로의 원료 혼합액 투입속도 및 반응기 2로부터의 반응 생성물 배출 속도 모두 분당 3mL를 유지하였다. 반응 혼합액의 반응기 내 체류시간(= 반응 혼합액 부피/유속)은 총 200분이었다. 이소소르비드의 목표 함량은 71%로 설정하였다.
반응액 포집용기로부터 일정시간 간격으로 샘플을 취하고 가스크로마토그래프법으로 분석하여 시간대별 반응 혼합액 내 이소소르비드 함량을 구하였다. 결과는 표 1과 같았다.
Figure PCTKR2014001402-appb-I000001
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 이소소르비드의 목표 함량을 71%로 한 연속 탈수반응을 수행하는 동안 실제 이소소르비드 함량은 70.8~71.4% 범위 내에서 안정적으로 유지되었다.
실시예 2
실시예 1과 같은 설비를 사용하여 연속 탈수반응을 수행하되, 반응기 1의 반응액(이소소르비드 함량 71.2%) 부피를 500mL, 반응기 2의 반응액 부피를 200mL로 하고, 반응기 1로의 원료 혼합액 투입속도를 분당 4mL, 반응기 2로부터의 반응 생성물 배출 속도를 분당 2mL로 하였다. 이 때 체류시간은 반응기 1에서 125분, 반응기 2에서 100분으로 총 225분이었다. 이소소르비드의 목표 함량은 71%로 설정하였다.
반응액 포집용기로부터 일정시간 간격으로 샘플을 취하고 가스크로마토그래프법으로 분석하여 시간대별 반응 혼합액 내 이소소르비드 함량을 구하였다. 결과는 표 2와 같았다.
Figure PCTKR2014001402-appb-I000002
상기 표 2에서 알 수 있듯이, 이소소르비드의 목표 함량을 71%로 한 연속 탈수반응을 수행하는 동안 실제 이소소르비드 함량은 70.5~71.2% 범위 내에서 안정적으로 유지되었다.
실시예 3
실시예 1과 같은 설비를 사용하여 연속 탈수반응을 수행하되, 반응기 1의 반응액(이소소르비드 함량 71.2%) 부피를 200mL, 반응기 2의 반응액 부피를 200mL로 하고, 반응기 1로의 원료 혼합액 투입속도 및 반응기 2로부터의 반응 생성물 배출 속도를 모두 분당 2mL로 하였다. 이 때 체류시간은 총 200분이었다. 이소소르비드의 목표 함량은 71%로 설정하였다.
반응액 포집용기로부터 일정시간 간격으로 샘플을 취하고 가스크로마토그래프법으로 분석하여 시간대별 반응 혼합액 내 이소소르비드 함량을 구하였다. 결과는 표 3과 같았다.
Figure PCTKR2014001402-appb-I000003
상기 표 3에서 알 수 있듯이, 이소소르비드의 목표 함량을 71%로 한 연속 탈수반응을 수행하는 동안 실제 이소소르비드 함량은 70.8~72.0% 범위 내에서 안정적으로 유지되었다.
실시예 4
실시예 1과 같은 설비를 사용하여 연속 탈수반응을 수행하되, 반응기 1의 반응액(이소소르비드 함량 71.2%) 부피를 370mL, 반응기 2의 반응액 부피를 370mL로 하고, 반응기 1로의 원료 혼합액 투입속도 및 반응기 2로부터의 반응 생성물 배출 속도를 모두 분당 3mL로 하였다. 이 때 체류시간은 총 250분이었다. 이소소르비드의 목표 함량은 71%로 설정하였다.
반응액 포집용기로부터 일정시간 간격으로 샘플을 취하고 가스크로마토그래프법으로 분석하여 시간대별 반응 혼합액 내 이소소르비드 함량을 구하였다. 결과는 표 4와 같았다.
Figure PCTKR2014001402-appb-I000004
상기 표 4에서 알 수 있듯이, 이소소르비드의 목표 함량을 71%로 한 연속 탈수반응을 수행하는 동안 실제 이소소르비드 함량은 70.6~71.3% 범위 내에서 안정적으로 유지되었다.
비교예 1(배치식 탈수반응)
소르비톨 분말800 g을 4구 유리 반응기에 넣고, 교반기, 콘덴서, 증류액 포집용 플라스크 및 온도계를 연결한 다음, 승온하여 소르비톨을 용융시켰다. 110℃의 용융액에 8g의 황산과 3.4g의 메탄설폰산을 투입한 후에 35 mmHg이하의 감압조건에서 내부온도를 130 내지 135℃로 유지되도록 가열하면서 약 3시간 동안 감압하여 탈수반응을 진행시켰다. 반응 완료 후, 샘플을 취하고 가스크로마토그래프법으로 분석한 결과, 반응 결과액 내 이소소르비드 함량은 71.0%이었다.
상기 실시예에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 연속 탈수반응으로 무수당 알코올을 제조하는 경우, 연속 공정이 수행되는 동안 반응 혼합액 내 이소소르비드 함량을 목표 수준에서 매우 안정적으로 유지할 수 있었는바, 본 발명에 따르면 기존의 배치식 또는 세미-배치식 대비 생산효율을 현저히 개선하면서 기존 방식과 동등 수준 또는 그 이상의 품질을 지닌 반응 결과물을 제공할 수 있음이 이로써 확인되었다.

Claims (12)

  1. 수소화 당을 반응기 내에서 탈수반응시켜 무수당 알코올로 전환시키는 단계를 포함하며,
    상기 탈수반응이 수행되는 동안 상기 반응기 내로 수소화 당이 연속적으로 투입되고 생성된 무수당 알코올은 반응기 바깥으로 연속적으로 배출되며, 또한, 탈수반응이 수행되는 동안 반응 혼합물은 상기 반응기 내외를 순환하지 않는 것을 특징으로 하는,
    무수당 알코올의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 수소화 당의 탈수반응이 수행되는 동안, 반응기 내부에 반응 혼합액에 의한 연속적인 유동이 형성되는 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연속적인 유동이 정상 유동(steady state flow)인 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 반응기 내로의 수소화 당 투입 속도가 반응기 바깥으로의 무수당 알코올 배출 속도의 0.95~1.05배인 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 수소화 당의 탈수반응이 단일 반응기 내에서 수행되거나, 둘 이상의 반응기를 직렬 연결한 설비를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 수소화 당의 탈수반응이 둘 이상의 반응기를 직렬 연결한 설비를 사용하여 수행되며, 탈수반응이 진행되는 동안 이들 반응기 전체에 걸쳐, 반응 혼합액에 의한 연속적인 유동이 형성되고 유지되는 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 수소화 당을 탈수시켜 무수당 알코올로 전환하는 단계에서 산 촉매가 사용되는 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 산 촉매가 황산, 질산, 염산, p-톨루엔 설폰산 및 인산으로부터 선택되는 단일 산이거나; 산 촉매가 제1산 및 제2산의 혼합산이며, 여기서 제1산은 황산이고, 제2산은 p-톨루엔 설폰산, 메탄 설폰산, 에탄 설폰산, 벤젠 설폰산, 나프탈렌 설폰산 및 황산 알루미늄으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 황-함유 산 물질인 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 수소화 당의 탈수 반응 결과액을 중화시키는 단계를 추가로 포함하는 무수당 알코올의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 중화된 수소화 당의 탈수 반응 결과액으로부터 수분을 제거한 뒤에 이를 증류하는 단계를 추가로 포함하는 무수당 알코올의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 증류가 박막증류기를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 증류후 결과액을 결정화, 탈색처리 및 이온교환수지 처리로부터 선택된 하나 이상의 공정에 의해 정제하는 것을 추가로 포함하는 무수당 알코올의 제조방법.
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