JP6328990B2 - Method for synthesizing hydroxymethylfurfural - Google Patents
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Description
本発明は、5−ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)の製造方法に関する。さらに詳しくは、木質バイオマスを直接の原料として、効率的にHMFを製造する方法に関する。本発明は、セルロースやグルコース、フルクトースを含む木質バイオマス原料から、当該原料にアルコール等を含む高温高圧水を用いた処理を施すことにより、木質バイオマスに含まれるセルロース、ヘミセルロースがグルコース、フルクトースへと糖化分解されると同時に、脱水反応を起こしHMFを安定的に合成する新技術を提供するものである。 The present invention relates to a method for producing 5-hydroxymethylfurfural (HMF). More specifically, the present invention relates to a method for efficiently producing HMF using woody biomass as a direct raw material. In the present invention, cellulose and hemicellulose contained in the woody biomass are saccharified into glucose and fructose from a woody biomass material containing cellulose, glucose, and fructose by subjecting the raw material to treatment using high-temperature and high-pressure water containing alcohol or the like. At the same time as it is decomposed, it provides a new technology for causing a dehydration reaction and stably synthesizing HMF.
従来、バイオマスに含まれるセルロース等を水熱条件等で処理すると、主に炭素数が1個から6個の炭化水素を基本骨格とした多くの化合物が得られる。その化合物の中で、おもにHMFは、炭素数は6個で、化1に示した化合物を経由して得られること(HMF生成ルート)が知られている。 Conventionally, when cellulose or the like contained in biomass is treated under hydrothermal conditions or the like, many compounds mainly having hydrocarbons having 1 to 6 carbon atoms as a basic skeleton are obtained. Among the compounds, it is known that HMF mainly has 6 carbon atoms and can be obtained via the compound shown in Chemical Formula 1 (HMF production route).
近年HMFが注目される理由として次の点が挙げられる。石化資源を経ずバイオマスを原料として容易に得られる化合物の一つであり、各種生理活性が見られることが最近の研究により報告され、環境にやさしい製造を目指す各種メーカーにとって、医薬品やその原料、そし各種化学原料や燃料改質剤等としての利用価値が急激に上がってきたことがある。実際、HMFを医薬品や機能性食品、化粧品、浴用品、医薬部外品に配合することで、安全性が高く容易に製造することができる新しい抗アレルギー剤、抗炎症剤を調整したり(特許文献1)、HMFを混合した鋳型造型用粘結剤(特許文献2)、その他HMFを原料としてバイオプラスチック、医薬、農薬、殺虫剤、抗菌剤、香料、バイオ燃料等を製造することができる(特許文献3)。 The following points can be cited as reasons why HMF attracts attention in recent years. It is one of the compounds that can be easily obtained from biomass without using petrochemical resources, and it has been reported by recent research that various physiological activities can be seen, and for various manufacturers aiming for environmentally friendly manufacturing, And the utility value as various chemical raw materials, fuel modifiers, etc. has increased rapidly. In fact, by adding HMF to pharmaceuticals, functional foods, cosmetics, bath products, quasi drugs, new antiallergic agents and anti-inflammatory agents that can be manufactured with high safety can be adjusted (patents) Document 1), binder for mold making mixed with HMF (Patent Document 2), and other bioplastics, pharmaceuticals, agricultural chemicals, insecticides, antibacterial agents, fragrances, biofuels, etc. can be manufactured using HMF as a raw material ( Patent Document 3).
HMFの合成は、様々な特徴のある手法を用いた合成方法が、特許文献4〜8、非特許文献1〜4等にて報告されている。しかし、現時点でHMFの製造方法は、フルフラールにホルムアルデヒドでヒドロキシメチル化させて合成するもので、HMF生成ルートは用いられていない。理由はフルクトースからの脱水で容易に得られるが、フルクトースは高価であること、又グルコースからの収率が低いことが挙げられる。 HMF synthesis has been reported in Patent Documents 4 to 8, Non-Patent Documents 1 to 4 and the like using various characteristic methods. However, at the present time, the production method of HMF is synthesized by synthesizing furfural by hydroxymethylation with formaldehyde, and no HMF production route is used. The reason is that it can be easily obtained by dehydration from fructose, but fructose is expensive and the yield from glucose is low.
この問題を解決するため、グルコースからHMFへの合成において、様々な手法が開発されている。手法は、溶媒の改良による方法、酸触媒の改良による方法の2つに大別される。溶媒の改良については、イオン液体を用いる手法が、多く報告されている。即ち、室温で液体の塩を溶媒として用い、そこに硫酸やCrなどの酸触媒を用いる(非特許文献1)。しかし、フルクトースを原料とした場合は、塩化ブチルメチルイミダゾリウム塩を媒体にして、硫酸を酸触媒とし、120℃で30分の反応で、96%のHMF収率を誇るが、グルコースを原料にすると途端に収率は11%となる(非特許文献2)。そのため、塩化クロムを触媒に添加することで、グルコースからの収率を91%に改善させている。しかし、更に原料をセルロースとした場合は、0%とHMFは生成しない(非特許文献3)。そのため、更に塩酸を触媒に加えることで、53%の収率を得ている(非特許文献4)。 In order to solve this problem, various techniques have been developed in the synthesis of glucose to HMF. The methods are roughly classified into two methods, ie, a method by improving the solvent and a method by improving the acid catalyst. For improving the solvent, many techniques using an ionic liquid have been reported. That is, a salt that is liquid at room temperature is used as a solvent, and an acid catalyst such as sulfuric acid or Cr is used there (Non-Patent Document 1). However, when fructose is used as a raw material, butylmethylimidazolium chloride is used as a medium, sulfuric acid is used as an acid catalyst, and the reaction takes place at 120 ° C for 30 minutes. As a result, the yield is 11% (Non-Patent Document 2). Therefore, the yield from glucose is improved to 91% by adding chromium chloride to the catalyst. However, when the raw material is cellulose, 0% and HMF are not generated (Non-patent Document 3). Therefore, the yield of 53% is obtained by further adding hydrochloric acid to the catalyst (Non-patent Document 4).
イオン液体を用いる場合は、イオン液体自体が特殊な溶媒で、価格が通常の溶媒と比べて著しく高価であり、更にCrを触媒にするため、HMFを原料とした医薬品などに用いるには、好ましくない。また、これら以外の報告でも、特にセルロースを原料としたときにHMFの収率は高くない。 When an ionic liquid is used, the ionic liquid itself is a special solvent, and the price is significantly higher than that of a normal solvent. Further, since Cr is used as a catalyst, it is preferable for use in medicines using HMF as a raw material. Absent. Even in reports other than these, the yield of HMF is not high particularly when cellulose is used as a raw material.
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、セルロースを原料として、環境にもやさしく、入手が容易な水等を媒体にしつつ、Crなどの触媒を用いることなく、効率的にヒドロキシメチルフルフラールを製造する方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-described prior art, and it is efficient without using a catalyst such as Cr while using cellulose as a raw material and using environmentally friendly and easily available water as a medium. An object of the present invention is to provide a method for producing hydroxymethylfurfural.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、水等の溶媒を用いて、比較的安価なアンモニウム塩などの有機塩とごく微量有機酸を触媒とし、かつ高温高圧条件下で、複数段階に反応温度を変化させたところ、セルロースからHMFを比較的短い反応時間で高い収率で合成する方法を見出すことに成功し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have used a solvent such as water, a relatively inexpensive organic salt such as an ammonium salt and a very small amount of organic acid as a catalyst, and high temperature and high pressure conditions. Below, when the reaction temperature was changed in a plurality of stages, the inventors succeeded in finding a method for synthesizing HMF from cellulose in a high yield with a relatively short reaction time, and completed the present invention.
本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
[1]セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料又は該原料の分解物から5−ヒドロキシメチルフルフラールを製造する方法であって、高温高圧下で、セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料の水溶液または水分散液或いは該原料を分解して得られた各種糖を含む水溶液に、有機酸を加えて反応させてなる反応液を、触媒としての4級アンモニウム塩の存在下で、水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒に混合して、前記反応液の反応温度とは温度を変えて反応させることを特徴とする5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
The present invention has been completed based on these findings, and according to the present invention, the following inventions are provided.
[1] A method for producing 5-hydroxymethylfurfural from a raw material containing at least one of cellulose, oligosaccharides or monosaccharides or a decomposition product of the raw materials, and at least high temperature and high pressure of cellulose, oligosaccharides or monosaccharides In the presence of a quaternary ammonium salt as a catalyst, a reaction solution obtained by adding an organic acid to an aqueous solution or aqueous dispersion of a raw material containing one kind or an aqueous solution containing various sugars obtained by decomposing the raw material is reacted. The method for producing 5-hydroxymethylfurfural, comprising mixing in water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol and changing the reaction temperature from the reaction temperature.
[2]前記反応液として、セルロースおよびオリゴ糖を含む原料の水溶液または水分散液或いは該原料を分解して得られた各種糖を含む水溶液に、カルボン酸を加えてなる反応液を用い、該反応液を前記水又はアルコール又は水とアルコールの混用溶媒に混合する前と後を含めた少なくとも2段階以上の複数段階で反応温度を変化させながらさらに反応させることを特徴とする上記[1]に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 [2] As the reaction solution, a reaction solution obtained by adding carboxylic acid to an aqueous solution or aqueous dispersion of a raw material containing cellulose and oligosaccharide or an aqueous solution containing various sugars obtained by decomposing the raw material, In the above [1], the reaction solution is further reacted while changing the reaction temperature in a plurality of stages including at least two stages including before and after mixing with the water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol. The manufacturing method of 5-hydroxymethyl furfural of description.
[3]T字型マイクロミキサーを含む高温高圧用のマイクロ反応デバイスを用いて、前記反応液を、前記の水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒に急速に混合するとともに、温度を急速に変化させて、前記反応液を反応させることを特徴とする上記[1]又は[2]に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 [3] Using a high-temperature and high-pressure microreaction device including a T-shaped micromixer, the reaction solution is rapidly mixed with the water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol, and the temperature is rapidly changed. The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to the above [1] or [2], wherein the reaction solution is reacted.
[4]前記セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料が、杉、ユーカリ等の木質由来のバイオマスであることを特徴とする上記[1]〜[3]のいずれか1項に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 [4] The material according to any one of [1] to [3], wherein the raw material containing at least one of cellulose, oligosaccharide or monosaccharide is woody biomass such as cedar and eucalyptus. A process for producing 5-hydroxymethylfurfural.
[5]前記オリゴ糖が、グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトースの少なくとも1種類以上の単糖類から構成されるオリゴ糖であることを特徴とする上記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 [5] In any one of the above [1] to [4], the oligosaccharide is an oligosaccharide composed of at least one monosaccharide of glucose, galactose, mannose, and fructose. The manufacturing method of 5-hydroxymethyl furfural of description.
[6]前記オリゴ糖が、スクロース、ラクトース、マルトース、トレハロース、ツラノース、セロビオースの少なくとも1種類以上の二糖類であることを特徴とする上記[1]〜[5]のいずれ1項に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 [6] 5 in any one of [1] to [5] above, wherein the oligosaccharide is at least one disaccharide of sucrose, lactose, maltose, trehalose, tunulose, and cellobiose. -Method for producing hydroxymethylfurfural.
[7]前記単糖類が、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトースの少なくとも1種類以上であることを特徴とする上記[1]〜[6]の何れかに1項に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 [7] The above [1] to [1], wherein the monosaccharide is at least one of allose, altrose, glucose, mannose, gulose, idose, galactose, talose, psicose, fructose, sorbose, and tagatose [6] The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to any one of [1].
[8]前記アルコールが、炭素数1〜10の脂肪族系アルコールまたは芳香族系アルコールであって、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、フェノール、ベンジルアルコール、サリチルアルコール、クミニルアルコール、フェネチルアルコールのいずれか1種類以上を含むことを特徴とする上記[1]〜[7]のいずれか1項に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 [8] The alcohol is an aliphatic alcohol or aromatic alcohol having 1 to 10 carbon atoms, which is methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol, nonanol, decanol, phenol, benzyl The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to any one of [1] to [7] above, which comprises at least one of alcohol, salicyl alcohol, cuminyl alcohol, and phenethyl alcohol.
[9]前記混合溶媒を、200〜400℃、かつ0.1〜50MPaの条件下で混合することを特徴とする上記[1]〜[8]のいずれか1項に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 [9] The 5-hydroxymethyl according to any one of [1] to [8] above, wherein the mixed solvent is mixed under conditions of 200 to 400 ° C. and 0.1 to 50 MPa. Production method of furfural.
[10]前記4級アンモニウム塩が、テトラブチルアンモニウム塩、トリオクチルメチルアンモニウム塩、又はベンジルジメチルオクタデシルアンモニウム塩であって、アンモニウムクロライド、アンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムヨージド、テトラブチルアンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムクロライド、テトラブチルアンモニウムフロリド、ヒドロキシテトラブチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート、テトラブチルアンモニウム硫酸、テトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレートのいずれか1種類以上の塩であることを特徴とする上記[1]〜[9]のいずれか1項に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 [10] The quaternary ammonium salt is a tetrabutylammonium salt, a trioctylmethylammonium salt, or a benzyldimethyloctadecylammonium salt, which is ammonium chloride, ammonium bromide, tetrabutylammonium iodide, tetrabutylammonium bromide, tetrabutyl. The above-mentioned [1], which is one or more salts of ammonium chloride, tetrabutylammonium fluoride, hydroxytetrabutylammonium, tetrabutylammonium hexafluorophosphate, tetrabutylammonium sulfate, and tetrabutylammonium tetrafluoroborate. ] The manufacturing method of 5-hydroxymethyl furfural of any one of [9].
[11]前記有機酸が、カルボン酸であることを特徴とする上記[1]〜[10]のいずれか1項に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 [11] The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to any one of [1] to [10], wherein the organic acid is a carboxylic acid.
[12]前記カルボン酸が、ギ酸、酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、プロピオン酸、シュウ酸のいずれか1種類以上であることを特徴とする上記[11]に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 [12] The 5-hydroxymethylfurfural of [11] above, wherein the carboxylic acid is at least one of formic acid, acetic acid, trichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, propionic acid, and oxalic acid Production method.
水に溶解するグルコース等の糖類はもとより、原料にパルプ等の水に溶けないセルロースを含むバイオマスを原料にできる。一般的に糖類の水熱分解で得られる不純物の一つで、水不溶のフミン化合物等による沈殿物が殆ど無い。更に、生成したHMFの水酸基がアルコールとエーテル結合を形成すること、またはアルデヒド基がアセタールを形成して保護されることにより、HMFの多量化等を防ぐため、これらの不純物の生成が少ない。更に金属触媒等の塩を含まず、安価な4級アンモニウム塩を用いることが出来、コストもあまりかからない。結果として、フロー式またはパーコレート式の場合は、反応時間(滞留時間)自体が10分以内と短時間でありながら、HMFの選択率、収率が高くなる効果が得られる。 Biomass containing not only saccharides such as glucose dissolved in water but also cellulose that does not dissolve in water such as pulp can be used as a raw material. Generally, it is one of the impurities obtained by hydrothermal decomposition of saccharides, and there is almost no precipitate due to water-insoluble humic compounds. Furthermore, since the hydroxyl group of the produced HMF forms an ether bond with the alcohol or the aldehyde group is protected by forming an acetal, the amount of HMF is prevented from being increased. Furthermore, a salt such as a metal catalyst is not included, and an inexpensive quaternary ammonium salt can be used, and the cost is not so high. As a result, in the case of the flow type or percolate type, the effect of increasing the selectivity and yield of HMF is obtained while the reaction time (residence time) itself is as short as 10 minutes or less.
本発明は、高温高圧下で、セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料の水溶液または水分散液或いは該原料を分解して得られた各種糖を含む水溶液に有機酸を加えて反応させてなる反応液を、触媒としての4級アンモニウム塩の存在下で、水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒に混合して、前記反応液の反応温度とは温度を変えて反応させることによる5−ヒドロキシメチルフルフラールを製造する方法である。 The present invention reacts by adding an organic acid to an aqueous solution or aqueous dispersion of a raw material containing at least one of cellulose, oligosaccharides or monosaccharides or an aqueous solution containing various sugars obtained by decomposing the raw materials at high temperature and high pressure. The reaction solution is mixed with water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol in the presence of a quaternary ammonium salt as a catalyst, and the reaction temperature of the reaction solution is changed at a temperature. This is a method for producing 5-hydroxymethylfurfural.
本発明において、原料としては、セルロースやグルコース、フルクトースを含む木質バイオマス、草本系バイオマス原料を用いることができる。木質バイオマスは主にセルロースからなり、その他ヘミセルロースとリグニンを含んでいる。バイオマスには、糖類として、単糖類、二糖類、三糖類、四糖類、オリゴ糖、多糖類が存在する。単糖類としてヘキソースに属する、アルドース類(アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース)、ケトヘキソース類(プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトース)、ヘキソースからなる二糖類(ショ糖、ラクツロース、乳糖、麦芽糖、トレハロース、セロビオース等)、同様に三糖類、四糖類、オリゴ糖、その他セルロースを含む多糖類を例示できる。また、これらの成分は水溶性で有る必要は無い。 In the present invention, the raw material may be woody biomass containing cellulose, glucose, or fructose, or a herbaceous biomass raw material. Woody biomass is mainly composed of cellulose and contains hemicellulose and lignin. Biomass includes monosaccharides, disaccharides, trisaccharides, tetrasaccharides, oligosaccharides, and polysaccharides as saccharides. Disaccharides consisting of aldoses belonging to hexose as monosaccharides (allose, altrose, glucose, mannose, gulose, idose, galactose, talose), ketohexoses (psicose, fructose, sorbose, tagatose), hexose (sucrose, (Lactulose, lactose, maltose, trehalose, cellobiose, etc.), as well as trisaccharides, tetrasaccharides, oligosaccharides, and other polysaccharides including cellulose. Moreover, these components do not need to be water-soluble.
本発明は、前記セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料が、杉、ユーカリ等の木質由来のバイオマスであること、即ち木質バイオマスを原料とすることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the raw material containing at least one of cellulose, oligosaccharides or monosaccharides is biomass derived from wood such as cedar and eucalyptus, that is, woody biomass is used as a raw material.
前記オリゴ糖が、グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトースの少なくとも1種類以上の単糖類から構成されるオリゴ糖である。 The oligosaccharide is an oligosaccharide composed of at least one monosaccharide of glucose, galactose, mannose and fructose.
前記オリゴ糖が、スクロース、ラクトース、マルトース、トレハロース、ツラノース、セロビオースの少なくとも1種類以上の二糖類である。 The oligosaccharide is at least one disaccharide of sucrose, lactose, maltose, trehalose, tunulose, and cellobiose.
前記単糖類が、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトースの少なくとも1種類以上である。 The monosaccharide is at least one of allose, altrose, glucose, mannose, gulose, idose, galactose, talose, psicose, fructose, sorbose, and tagatose.
本発明は、前記反応液として、セルロースおよびオリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料の水溶液または水分散液或いは該原料を分解して得られた各種糖を含む水溶液に、有機酸を加えて高温高圧下で、反応させてなる反応液を用いる。該反応液を前記水又はアルコール又は水とアルコールの混用溶媒に混合する前と後を含めた少なくとも2段階以上の複数段階で反応温度を変化させながらさらに反応させることがより好ましい。 In the present invention, as the reaction solution, an organic acid is added to an aqueous solution or aqueous dispersion of a raw material containing at least one of cellulose and oligosaccharides or monosaccharides or an aqueous solution containing various sugars obtained by decomposing the raw material. A reaction solution obtained by reacting at high temperature and high pressure is used. More preferably, the reaction solution is further reacted while changing the reaction temperature in a plurality of stages including at least two stages including before and after mixing with water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol.
前記2段階以上の複数段階で反応温度を変化させなるとは、反応液を水又はアルコール又は水とアルコールの混用溶媒に混合する前と後を含めた段階で、反応させる温度を少なくとも二段階に変化させることをいう。まず最初の第一段階は、酸糖化と抽出によるセルロースを糖化する過程である。 The reaction temperature can be changed in a plurality of stages of the two or more stages. The reaction temperature is changed to at least two stages before and after the reaction liquid is mixed with water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol. It means to make it. The first first step is a process of saccharifying cellulose by acid saccharification and extraction.
次の第二段階は、糖化された糖類を、反応溶媒と触媒とで転位・脱水反応させ、HMFを合成する段階である。この際に、反応は第一段階よりも高い反応温度で行うことが好ましい。なかでも急速に昇温させないと、糖類の脱水、レトロアルドール反応等を起こして不純物を多く生成するため、マイクロミキサー等を用いて短時間で所定の温度にして反応を起こさせるのがより好ましい。 The next second stage is a stage in which saccharified sugars are rearranged and dehydrated with a reaction solvent and a catalyst to synthesize HMF. At this time, the reaction is preferably carried out at a higher reaction temperature than in the first stage. In particular, unless the temperature is raised rapidly, dehydration of saccharides, retroaldol reaction, and the like are caused to generate a large amount of impurities. Therefore, it is more preferable to cause the reaction to occur at a predetermined temperature in a short time using a micromixer or the like.
本発明における反応方法は、原料の糖化分解と同時に、脱水反応を行える方法ならば、バッチ式、フロー式、パーコレート式のいずれの方法でも行うことができる。なかでもフロー式が反応、処理効率が良いので好ましい。 The reaction method in the present invention can be carried out by any of batch, flow and percolate methods as long as the dehydration reaction can be performed simultaneously with the saccharification / decomposition of the raw material. Of these, the flow type is preferred because of its good reaction and processing efficiency.
本発明において、高温高圧とは、一般に、高温高圧水ならば、超臨界状態ないし亜臨界状態の水をいう。水の超臨界状態とは、水の臨界点(臨界温度Tc=374度、臨界圧力Pc=22.1MPa)を超えて、液体と気体の境界線がなくなった状態のことをいう。また、亜臨界状態とは、温度が150℃以上374℃未満、圧力が0.4MPa以上22.1MPa未満の状態で、液体と気体が併存した状態のことをいう。 In the present invention, high temperature and high pressure generally refers to water in a supercritical state or a subcritical state if it is high temperature and high pressure water. The supercritical state of water means a state where the boundary line between the liquid and the gas disappears beyond the critical point of water (critical temperature Tc = 374 degrees, critical pressure Pc = 22.1 MPa). The subcritical state refers to a state in which a liquid and a gas coexist in a state where the temperature is 150 ° C. or higher and lower than 374 ° C. and the pressure is 0.4 MPa or higher and lower than 22.1 MPa.
本発明においては、反応溶媒として水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒を用いる。なかでも、水、又は水とアルコールの混合溶媒を用いるのが、HMFの収率からしてより好ましい。混合溶媒の場合は、アルコールが0を超え95質量%であるのが好ましく、0を超え70質量%であるのがより好ましく、10〜50質量%であるのが更により好ましい。 In the present invention, water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol is used as a reaction solvent. Especially, it is more preferable from the yield of HMF to use water or a mixed solvent of water and alcohol. In the case of a mixed solvent, the alcohol content is preferably more than 0 and 95% by mass, more preferably more than 0 and 70% by mass, and even more preferably 10 to 50% by mass.
反応溶媒に使用する水としては、水道水、蒸留水、イオン交換水、純水、超純水等が挙げられるが、反応収率を向上させるためには、イオン交換水、蒸留水、純水、超純水を使用することが好ましく、イオン交換水、蒸留水、純水、超純水を脱気した状態で使用することがより好ましい。 Examples of the water used for the reaction solvent include tap water, distilled water, ion exchange water, pure water, ultrapure water, etc. In order to improve the reaction yield, ion exchange water, distilled water, pure water, etc. It is preferable to use ultrapure water, and it is more preferable to use ion-exchanged water, distilled water, pure water, and ultrapure water in a degassed state.
反応溶媒として用いるアルコールとしては、炭素数1〜10の脂肪族系アルコールまたは芳香族系アルコールを用いることができる。脂肪族アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、芳香族系アルコールとしては、フェノール、ベンジルアルコール、サリチルアルコール、クミニルアルコール、フェネチルアルコールなどが例示でき、これらのいずれか1種類以上を含む。なかでも脂肪族系アルコールのメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノールを用いるのがより好ましい。 As alcohol used as a reaction solvent, C1-C10 aliphatic alcohol or aromatic alcohol can be used. Examples of aliphatic alcohols include methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol, nonanol, decanol, and aromatic alcohols such as phenol, benzyl alcohol, salicyl alcohol, cuminyl alcohol, and phenethyl alcohol. It can illustrate and includes any one or more of these. Of these, aliphatic alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, and hexanol are more preferably used.
反応温度は、実際は、100℃〜500℃の範囲で行うことが可能であるが、反応の内容に応じて好適な温度を選べばよい。好ましくは、200℃〜400℃の範囲である。原料の糖化分解における反応、即ち糖化部分で150℃〜250℃、次の転位・脱水部分で250℃〜350℃あるのが好ましい。 In practice, the reaction temperature can be in the range of 100 ° C. to 500 ° C., but a suitable temperature may be selected according to the content of the reaction. Preferably, it is the range of 200 to 400 degreeC. The reaction in the saccharification / decomposition of the raw material, that is, 150 ° C. to 250 ° C. in the saccharification part and 250 ° C. to 350 ° C. in the next rearrangement / dehydration part is preferable.
反応圧力は、本発明の製造方法を実施することができる範囲のものであれば特に限定されないが、0.1MPa〜50MPaの範囲が好ましい。5MPa〜40MPaの範囲がより好ましく、15MPa〜25MPaの範囲が更により好ましく、HMFをさらに収率良く得ることができる。 The reaction pressure is not particularly limited as long as the production method of the present invention can be carried out, but a range of 0.1 MPa to 50 MPa is preferable. The range of 5 MPa to 40 MPa is more preferable, the range of 15 MPa to 25 MPa is even more preferable, and HMF can be obtained with higher yield.
反応時間は、本発明の製造方法を実施することができる範囲のものであれば特に限定されない。好ましい反応時間は、所定温度(100℃〜500℃)、所定圧力条件下(5MPa〜40MPa)によって変化するが、通常、糖化分解における反応と転位・脱水反応の双方で、バッチ式の反応方法では、数時間、フロー式の反応方法では、数十分以下、パーコレート式の反応方法では、3時間程度である。糖化分解における反応における反応時間の方が時間を要し、転位・脱水反応はより短い反応時間である。例えば、フロー式の反応方法では、糖化分解、転位・脱水時間として、反応時間自体は10分以下である。 The reaction time is not particularly limited as long as it is within a range where the production method of the present invention can be carried out. The preferred reaction time varies depending on a predetermined temperature (100 ° C. to 500 ° C.) and a predetermined pressure condition (5 MPa to 40 MPa). Usually, both the reaction in saccharification and the rearrangement / dehydration reaction are performed in the batch-type reaction method. For several hours, in the flow type reaction method, it is several tens of minutes or less, and in the percolate type reaction method, it takes about 3 hours. The reaction time in the reaction in saccharification / decomposition requires more time, and the rearrangement / dehydration reaction has a shorter reaction time. For example, in the flow-type reaction method, the reaction time itself is 10 minutes or less as saccharification / rearrangement / dehydration time.
本発明の原料の糖化分解反応には、反応溶媒と触媒を必要とする。反応溶媒としては、上記した水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒を用いるのが好ましい。なかでも、水とアルコール(メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなど)の混合溶媒が好ましく、混合溶媒の使用により、糖鎖からのフミン体の生成、HMFの2量化、重合等、反応中の閉塞等を抑制することができる。ここで、アルコールは、HMFの水酸基と反応してエーテル体またはアルドール体となり、HMFの重合を抑制する効果があると考えられる。 The saccharification reaction of the raw material of the present invention requires a reaction solvent and a catalyst. As the reaction solvent, it is preferable to use the above-mentioned water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol. Of these, a mixed solvent of water and alcohol (methanol, ethanol, propanol, butanol, etc.) is preferable. By using the mixed solvent, humic acid forms from sugar chains, HMF dimerization, polymerization, etc., blocking during the reaction, etc. Can be suppressed. Here, it is considered that the alcohol reacts with the hydroxyl group of HMF to form an ether or aldol, and has an effect of suppressing the polymerization of HMF.
上記触媒としては、酸触媒を用いることができる。例えば、ギ酸、酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、スルホン酸等の有機酸類、無機酸類を例示することができる。なかでも、ギ酸、酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、プロピオン酸、シュウ酸を用いることが好ましい。酸触媒濃度としては、原料に対して1μM〜1Mであることが好ましい。より好ましくは1mM〜1Mである。 As the catalyst, an acid catalyst can be used. For example, organic acids such as formic acid, acetic acid, trichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, propionic acid, oxalic acid, and sulfonic acid, and inorganic acids can be exemplified. Of these, formic acid, acetic acid, trichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, propionic acid, and oxalic acid are preferably used. The acid catalyst concentration is preferably 1 μM to 1 M with respect to the raw material. More preferably, it is 1 mM-1M.
次の段階の反応は、反応溶媒と触媒とで転位・脱水反応させHMFを合成する段階である。反応溶媒としては、上記した水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒を用いるのが好ましい。なかでも、水とアルコールの混合溶媒を用いるのがより好ましい。 The next stage reaction is a stage in which HMF is synthesized by rearrangement and dehydration reaction between a reaction solvent and a catalyst. As the reaction solvent, it is preferable to use the above-mentioned water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol. Among these, it is more preferable to use a mixed solvent of water and alcohol.
上記転位・脱水反応させるのに触媒として、有機塩を用いるのが好ましい。なかでもテトラブチルアンモニウムブロマイドなどの4級アンモニウム塩、4級アルキルアンモニウム塩などがより好ましい。以下、これらを4級アンモニウム塩という。また、反応溶媒が水とアルコールとの混合溶媒の場合、一般的に、相間移動触媒の部類に属する塩類が効果を発揮すると考えられる。 An organic salt is preferably used as a catalyst for the rearrangement / dehydration reaction. Of these, quaternary ammonium salts such as tetrabutylammonium bromide and quaternary alkyl ammonium salts are more preferred. Hereinafter, these are referred to as quaternary ammonium salts. In addition, when the reaction solvent is a mixed solvent of water and alcohol, it is generally considered that salts belonging to the class of phase transfer catalysts are effective.
前記4級アンモニウム塩が、テトラブチルアンモニウム塩、トリオクチルメチルアンモニウム塩、又はベンジルジメチルオクタデシルアンモニウム塩であって、アンモニウムクロライド、アンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムヨージド、テトラブチルアンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムクロライド、テトラブチルアンモニウムフロリド、ヒドロキシテトラブチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート、テトラブチルアンモニウム硫酸、テトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレートのいずれか1種類以上の塩を例示できる。 The quaternary ammonium salt is a tetrabutylammonium salt, a trioctylmethylammonium salt, or a benzyldimethyloctadecylammonium salt, and is ammonium chloride, ammonium bromide, tetrabutylammonium iodide, tetrabutylammonium bromide, tetrabutylammonium chloride, Examples of the salt include one or more of tetrabutylammonium fluoride, hydroxytetrabutylammonium, tetrabutylammonium hexafluorophosphate, tetrabutylammonium sulfate, and tetrabutylammonium tetrafluoroborate.
転位・脱水反応させHMFを合成する段階では、反応溶媒として、水とアルコールの混合溶媒を用い、触媒として、4級アンモニウム塩の触媒を用いる組み合わせが、より好ましくHMFをさらに収率良く得ることができる。 In the step of synthesizing HMF by rearrangement and dehydration reaction, a combination of using a mixed solvent of water and alcohol as a reaction solvent and a catalyst of a quaternary ammonium salt as a catalyst is more preferable, and HMF can be obtained with higher yield. it can.
本発明において使用することができるマイクロミキサーおよびマイクロリアクターは、高温高圧水を使用する技術分野において通常マイクロミキサーおよびマイクロリアクターと認識することが可能なものであれば特に制限はない。 The micromixer and microreactor that can be used in the present invention are not particularly limited as long as they can be generally recognized as micromixers and microreactors in the technical field using high-temperature and high-pressure water.
マイクロミキサーとは、例えば、複数の配管を介して導入される2流体以上を混合して混合流体を生成する混合器において、第一流体を導入または第一流体と第二流体以降の混合流体を導出するための接続配管を有し、該接続配管の外周に作られた空間を通じて、第二流体以降の流体を導入し、第一流体の接続配管の先端に設けられた空間で、第一流体と第二流体以降の流体を混合して混合流体にする構造を有することを少なくとも満たすマイクロ混合デバイスのことを指すことがあり、特開2013−039503号に開示されたマイクロ混合デバイスを例示することができる。 The micromixer is, for example, a mixer that mixes two or more fluids introduced through a plurality of pipes to generate a mixed fluid, and introduces the first fluid or the mixed fluid after the first fluid and the second fluid. A connecting pipe for derivation, the fluid after the second fluid is introduced through the space formed on the outer periphery of the connecting pipe, and the first fluid is a space provided at the tip of the connecting pipe of the first fluid; This may refer to a micro-mixing device that at least satisfies that it has a structure that mixes the fluid after the second fluid with the fluid after the second fluid, and exemplifies the micro-mixing device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-039503 Can do.
また、マイクロリアクターとは、通常、極小サイズの反応装置をいい、特開2011−224480号に開示されたマイクロリアクターを例示することができる。 Moreover, a microreactor usually refers to a reaction device of a very small size, and can be exemplified by a microreactor disclosed in JP2011-224480A.
マイクロミキサー、マイクロリアクターの材質は、耐高温高圧であれば特に限定されないが、例えば、Inconel625(Ni系合金)、Hasteroy(Ni系合金)、SUS316、SUS306、SUS304(ステンレス系)、Ti、Wなどが例示される。また、耐熱・耐圧がある材料であれば樹脂などを用いることも可能で、特に限定はされない。 The material of the micromixer or microreactor is not particularly limited as long as it is resistant to high temperatures and pressures. For example, Inconel 625 (Ni alloy), Hasteroy (Ni alloy), SUS316, SUS306, SUS304 (stainless steel), Ti, W, etc. Is exemplified. In addition, a resin or the like can be used as long as the material has heat resistance and pressure resistance, and is not particularly limited.
本発明では、例えば、反応に高温高圧マイクロミキサーを使用することができ、より具体的な例としては、図1に示す高温高圧マイクロリアクションシステムを好適に使用することができる。また、これと同効のシステムであれば同様に使用することが可能である。当該マイクロリアクションシステムは、高温高圧水と原料水溶液を混合する混合手段、反応管から構成される反応部、これらを収容するためのオーブン設備、反応液の温度条件を所定の温度にコントロールするための熱電対、反応管で、高温高圧水条件下で反応させた反応液を所定の温度に冷却するための冷却器(熱交換器)、冷却した後に脱圧するための背圧弁などを備えている。 In the present invention, for example, a high-temperature and high-pressure micromixer can be used for the reaction. As a more specific example, the high-temperature and high-pressure microreaction system shown in FIG. 1 can be preferably used. In addition, any system having the same effect can be used in the same manner. The microreaction system includes a mixing means for mixing high-temperature and high-pressure water and a raw material aqueous solution, a reaction section composed of a reaction tube, an oven facility for storing these, and a temperature condition for the reaction liquid to be controlled to a predetermined temperature. A thermocouple and a reaction tube are provided with a cooler (heat exchanger) for cooling a reaction solution reacted under high-temperature and high-pressure water conditions to a predetermined temperature, a back pressure valve for releasing pressure after cooling, and the like.
本発明の製造方法を実施することができる範囲のものであれば特に限定されないが、反応は、例えば、Inconel625製またはSUS316製で、外径1/16インチ、内径0.5mm、長さ11mのチューブタイプの反応管を用いて行うことができる。この場合、反応管の外径、内径、長さなどは、その実施に当たり適宜設計することが可能であり、上記反応管の材質、外径、内径、長さの条件についても適宜設定することができる。 The reaction is not particularly limited as long as the production method of the present invention can be carried out, but the reaction is made of, for example, Inconel 625 or SUS316, and has an outer diameter of 1/16 inch, an inner diameter of 0.5 mm, and a length of 11 m. A tube-type reaction tube can be used. In this case, the outer diameter, inner diameter, length, etc. of the reaction tube can be designed as appropriate for its implementation, and the conditions for the material, outer diameter, inner diameter, length of the reaction tube can be set as appropriate. it can.
本発明は、T字型マイクロミキサーを含む高温高圧用のマイクロ反応デバイスを用いて、前記反応液を、前記の水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒に急速に混合するとともに、温度を急速に変化させて、前記反応液を反応させることができる。 The present invention uses a micro reaction device for high temperature and high pressure including a T-shaped micromixer to rapidly mix the reaction solution into the water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol, and rapidly increase the temperature. The reaction solution can be reacted by changing.
本発明において、HMFの収率は、木紛に含まれるセルロースをグルコース量で換算したモル数に対する得られたサンプルのHMFの濃度より換算したHMFのモル量の百分率で表す。セルロースの転化率は、木片に含まれるセルロース量に対する、反応したセルロース量の百分率、HMFの選択率は、転化率に対するHMFの収率の百分率である。 In the present invention, the yield of HMF is expressed as a percentage of the molar amount of HMF converted from the concentration of HMF in the obtained sample with respect to the number of moles of cellulose contained in the wood flour converted into the amount of glucose. The conversion rate of cellulose is the percentage of the amount of cellulose reacted with respect to the amount of cellulose contained in the wood chip, and the selectivity of HMF is the percentage of the yield of HMF with respect to the conversion rate.
次に、実施例および比較例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例などによって何ら限定されるものではない。 Next, the present invention will be specifically described based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
反応は、図1に示した通りの装置を用いて反応を行った。反応装置は、ヒーターで温度制御された反応器1(SUS316製内径0.9cm×長さ15cm(容量9.53cm3)、同じくヒーターで温度制御された反応器2(反応管長(SUS316製内径0.1cm×長さ500cm(容量3.92cm3))、冷却器と背圧弁からなる装置を用いた。反応器1に未精製パルプ(0.9245g)を充填し、ポンプを用いて0.1%ギ酸水溶液を15MPa、225℃、0.5mL/分で流し、未精製パルプに含まれるセルロース成分のみを酸糖化と抽出を行いながら反応器2に導入した。同じくポンプを用いて0.1Mテトラブチルアンモニウムブロマイド溶液(エタノール:水=1:1)を15MPaの条件下、ヒーターで280℃まで加熱し、T字マイクロミキサーで先のパルプの糖化水溶液と混合させ、混合後の溶液の温度を急速に270℃にした後、そのまま反応器2中で270℃で反応させた。この時の反応器1での酸糖化+抽出時間(滞在時間)は、1.90秒、反応器2での反応時間(滞在時間)は、0.79秒、合計2.7秒である。反応後は、冷却器で冷却され、背圧弁にて常圧に圧力を下げ、5−ヒドロキシフルフラール含有水溶液を得た。
[Example 1]
The reaction was performed using an apparatus as shown in FIG. The reactor was a reactor 1 temperature controlled by a heater (SUS316 inner diameter 0.9 cm ×
得られたHMF水溶液は、20分毎(100mL)にサンプリングし、直ぐに其々のサンプルに含まれるHMFの含有量を液体クロマトグラフィー(条件を入力)にて分析を行った。得られたHMFの重量収率は、240分後に71.6%(図2、表1)となり、反応器1には未精製パルプの残渣は殆ど無く100%近くが変換された。また、各サンプルの選択率は、71.5%〜100%であった(表1)。 The obtained HMF aqueous solution was sampled every 20 minutes (100 mL), and the content of HMF contained in each sample was immediately analyzed by liquid chromatography (input conditions). The weight yield of the obtained HMF was 71.6% after 240 minutes (FIG. 2, Table 1), and there was almost no residue of unrefined pulp in the reactor 1, and almost 100% was converted. Moreover, the selectivity of each sample was 71.5%-100% (Table 1).
[実施例2]
実施例1と同様の条件で、T字マイクロミキサーを反応器2中に設置し、反応管長2の長さはそのままに、反応管長1を100cmにして、触媒温度を反応器2と同じ温度(270℃)にして反応を行った(図4)。T字マイクロミキサーにおいて混合直後の温度は、250℃程度に下がり、その後反応管2中に滞在する中で270℃となる。その結果、最終的なHMFの重量収率は、240分後に48.3%(図5)で、各サンプルにおける選択率は59.9%〜100%であった(図3)。
[Example 2]
Under the same conditions as in Example 1, a T-shaped micromixer was installed in the
[実施例3]
実施例2と同様の反応装置を用いて、原料にグルコースを用い、触媒(テトラブチルアンモニウムブロマイド)の溶液におけるエタノールと水の比について検討を行った。各エタノール比を、0%(水のみ)から100%(エタノールのみ)の条件で検討を行い、HMFの収量の変化を見た(図6)。なお、反応管長2を500cmと300cmの2通りで検討を行った。その結果、500cmの時は、エタノール濃度が50%の時に最大となり(HMF収率:28.6%)、300cmの時は10%〜30%の時に最大となった(HMF収率:26.3%)。
[Example 3]
Using the same reactor as in Example 2, the ratio of ethanol to water in the catalyst (tetrabutylammonium bromide) solution was examined using glucose as a raw material. Each ethanol ratio was examined under the condition of 0% (water only) to 100% (ethanol only), and a change in the yield of HMF was observed (FIG. 6). The
[実施例4]
実施例2と同様の反応装置を用いて、原料にグルコースを用い、触媒(テトラブチルアンモニウムブロマイド)の濃度について検討を行った。濃度0M〜0.3Mと各濃度において検討を行った。その結果、15MPa、500cmの時は、0.1Mの時に、最も良い値(HMF収率:33.9%)であることが分かった(図7)。
[Example 4]
Using the same reactor as in Example 2, the concentration of the catalyst (tetrabutylammonium bromide) was examined using glucose as a raw material. Examination was performed at concentrations of 0 to 0.3M. As a result, it was found that at 15 MPa and 500 cm, the best value (HMF yield: 33.9%) was obtained at 0.1 M (FIG. 7).
[実施例5]
実施例2と同様の反応装置を用いて、原料にグルコースを用い、各種無機塩を触媒として、水に溶解させて検討を行い、HMFの収量の変化を見た(図8)。その結果、触媒を加えない水のみのケースが最も良く(HMF収率:26.3%)、無機塩による大きな効果は見られなかった。
[Example 5]
Using the same reaction apparatus as in Example 2, glucose was used as a raw material, various inorganic salts were used as catalysts and dissolved in water for examination, and changes in the yield of HMF were observed (FIG. 8). As a result, the case of only water with no catalyst added was the best (HMF yield: 26.3%), and no significant effect was observed with the inorganic salt.
[実施例6]
実施例1と同様の反応装置を用いて、原料にグルコースを用い、触媒にテトラブチルアンモニウムブロマイドを用いて、圧力効果によるHMFの収量の変化を見た(図9)。その結果、溶媒として、水:エタノール=50:50の時は、15MPa以上であれば、HMF収率が、ほぼ100%のとなり、また、60:40の場合は、10MPaで、ほぼ100%の収率を得、100:0(水のみ)の場合は、15MPaでも30%であった。
[Example 6]
Using the same reaction apparatus as in Example 1, glucose was used as a raw material and tetrabutylammonium bromide was used as a catalyst, and changes in the yield of HMF due to the pressure effect were observed (FIG. 9). As a result, when water: ethanol = 50: 50 as a solvent, the HMF yield is almost 100% if it is 15 MPa or more, and in the case of 60:40, it is 10 MPa and almost 100%. In the case of 100: 0 (water only), the yield was 30% even at 15 MPa.
本発明は、水に溶解するグルコース等の糖類はもとより、原料にパルプ等の水に溶けないセルロースを含むバイオマスを原料として使用できる。本発明の合成方法では、一般的に糖類の水熱分解で得られる不純物の一つで、水不溶のフミン化合物等による沈殿物が殆ど無い。更に、生成したHMFの水酸基がアルコールとエーテル結合を形成すること、またはアルデヒド基がアセタールを形成して保護されることにより、HMFの多量化等を防ぐため、これらの不純物の生成が少ない。 In the present invention, not only saccharides such as glucose dissolved in water but also biomass containing cellulose that is not soluble in water such as pulp can be used as a raw material. In the synthesis method of the present invention, it is one of impurities generally obtained by hydrothermal decomposition of saccharides, and there is almost no precipitate due to a water-insoluble humic compound. Furthermore, since the hydroxyl group of the produced HMF forms an ether bond with the alcohol or the aldehyde group is protected by forming an acetal, the amount of HMF is prevented from being increased.
更に金属触媒等の塩を含まず、安価な4級アンモニウム塩を用いることが出来、コストもあまりかからない。結果として、フロー式またはパーコレート式の場合は、反応時間(滞留時間)自体が10分以内と短時間でありながら、HMFの選択率が71%、収率が72%と高くなる効果が得られる。 Furthermore, a salt such as a metal catalyst is not included, and an inexpensive quaternary ammonium salt can be used, and the cost is not so high. As a result, in the case of the flow type or percolate type, the effect of increasing the selectivity of HMF to 71% and the yield to 72% is obtained while the reaction time (residence time) itself is as short as 10 minutes or less. .
本発明は、水に溶解するグルコース等の糖類はもとより、原料にパルプ等の水に溶けないセルロースを含むバイオマスを原料として使用でき、本発明の合成方法では、HMFの多量化等を防ぐため、これらの不純物の生成が少ない。更に、反応時間(滞留時間)自体が従来より短時間でありながら、HMFの選択率、収率が高くなる効果が得られ有用である。 The present invention can use, as a raw material, a biomass containing cellulose that is not soluble in water such as pulp as a raw material, as well as sugars such as glucose that dissolves in water, and in the synthesis method of the present invention, in order to prevent a large amount of HMF, There is little production of these impurities. Furthermore, the reaction time (residence time) itself is shorter than before, but the effect of increasing the selectivity and yield of HMF is obtained and useful.
Claims (10)
まず、糖化反応において、杉、ユーカリ等の木質由来のバイオマスから得られるセルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも1種以上を主成分とする原料の水溶液または水分散液、或いは、杉、ユーカリ等の木質由来のバイオマスから得られるセルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも1種以上を主成分とする原料を分解して得られた各種糖を含む水溶液に、
有機酸を加えた200〜400℃、かつ0.1〜50MPaの温度・圧力範囲の条件にある亜臨界状態の流体を反応させて反応液を生成し、
次に、転位反応・脱水反応において、当該反応液を、4級アンモニウム塩の存在下で、水またはアルコールまたは水とアルコールの混合溶媒に混合し、
当該混合溶媒との混合の前後で、前記反応液の糖化反応での反応温度より高い温度で、当該反応液と混合溶媒とを反応させることを特徴とする5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 Two-stage reaction of saccharification reaction, rearrangement reaction and dehydration reaction from raw materials mainly composed of at least one of cellulose, oligosaccharide or monosaccharide obtained from woody biomass such as cedar and eucalyptus A method for producing 5-hydroxymethylfurfural through a process ,
First, in the saccharification reaction, an aqueous solution or aqueous dispersion of a raw material mainly comprising at least one of cellulose, oligosaccharide or monosaccharide obtained from woody biomass such as cedar and eucalyptus , or cedar and eucalyptus In an aqueous solution containing various sugars obtained by decomposing a raw material mainly composed of at least one of cellulose, oligosaccharides or monosaccharides obtained from woody biomass ,
A reaction liquid is produced by reacting a subcritical fluid in a temperature and pressure range of 200 to 400 ° C. and 0.1 to 50 MPa to which an organic acid is added,
Next, in the rearrangement reaction / dehydration reaction, the reaction solution is mixed with water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol in the presence of a quaternary ammonium salt,
A method for producing 5-hydroxymethylfurfural , wherein the reaction solution and the mixed solvent are reacted at a temperature higher than the reaction temperature in the saccharification reaction of the reaction solution before and after mixing with the mixed solvent .
カルボン酸を加えてなる反応液を用い、
該反応液を前記水またはアルコールまたは水とアルコールの混用溶媒に混合する前と後を含めた少なくとも2段階以上の複数段階で、反応温度を高い温度に変化させながら更に反応させることを特徴とする請求項1に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 As the reaction solution, various sugars obtained by decomposing an aqueous solution or aqueous dispersion of a raw material mainly containing at least one of cellulose, oligosaccharides or monosaccharides obtained from woody biomass such as cedar and eucalyptus In an aqueous solution containing
Using a reaction solution to which carboxylic acid is added,
The reaction liquid is further reacted in a plurality of stages including at least two stages including before and after mixing with water or alcohol or a mixed solvent of water and alcohol while changing the reaction temperature to a high temperature. The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to claim 1.
以 上 The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to claim 9 , wherein the carboxylic acid is at least one of formic acid, acetic acid, trichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, propionic acid, and oxalic acid.
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