Brevet FR3131313A1 — publié le 20230630

L’invention concerne un procédé de production d’une solution aqueuse de 5-hydroxyméthylfurfural (5-HMF), comprenant successivement a) une mise en contact de d’une charge contenant du 5-HMF et du diméthoxysulfoxyde (DMSO) avec un contre-extrait aqueux intermédiaire issu d’une étape c) de contre-lavage, b) une extraction liquide-liquide avec un solvant organique suivie d’une étape de contre-lavage c) par un solvant aqueux pour obtenir un raffinat organique riche en 5-HMF et en solvant. Le raffinat est ensuite soumis à une étape de concentration d) puis une étape d’hydrodistillation e) pour obtenir une solution aqueuse de 5-HMF. Figure 1 à publier Procédé de production d’une solution aqueuse de 5-hydroxyméthylfurfural (5-HMF) L’invention concerne un procédé de production d’une solution aqueuse de 5-hydroxyméthylfurfural (5-HMF). Le 5-HMF est un composé d’intérêt issu de la biomasse qui peut être valorisé dans de nombreux domaines notamment en pharmacie, en agrochimie ou en chimie de spécialité. La production de 5-HMF par déshydratation de sucres est connue depuis de nombreuses années et a fait l’objet d’un grand nombre de travaux de recherches. Les conditions de déshydratation sont nombreuses, on peut notamment citer à titre d’exemple les méthodes suivantes : - Le 5-HMF peut être obtenu en milieu aqueux, généralement en présence d’un catalyseur acide. Ce catalyseur acide permet de déshydrater le sucre en C6 (en particulier le fructose) en 5-HMF, mais catalyse également la réhydratation du 5-HMF en acide formique et acide lévulinique, ce qui nuit fortement au rendement. - Le 5-HMF peut également être obtenu en milieu polaire protique non aqueux, avec des solvants tels que le méthanol, l’éthanol ou l’acide acétique, et en présence d’un catalyseur acide. Dans ces conditions, le 5-HMF est obtenu en mélange avec un dérivé éther ou ester du 5-HMF en fonction du milieu réactionnel utilisé. La formation de ces produits secondaires est due à la réaction du 5-HMF avec le solvant de réaction en milieu acide. - La demande WO 2007/104514 décrit la synthèse du 5-HMF par déshydratation de sucre en utilisant le méthanol ou l’éthanol comme solvant en présence d’un catalyseur acide. Dans ce cas, la présence dudit catalyseur catalyse aussi la réaction d’éthérification du 5-HMF par l’alcool pour donner un mélange de 5-HMF et de sa forme d’éther méthylique ou éthylique suivant l’alcool utilisé comme solvant. - Le 5-HMF peut également être produit en milieu polaire aprotique avec ou sans catalyseur acide. On peut citer plus particulièrement l’utilisation du diméthylsulfoxyde (DMSO) qui, avec ou sans catalyseur acide, permet de produire du 5-HMF avec de très bons rendements, et sans les réactions indésirables listées ci-dessus. Par ailleurs, quel que soit le milieu de synthèse (eau, méthanol, DMSO, etc.), des produits secondaires polymériques appelés humines sont formés lors de la production du 5-HMF (van Dam, H. E.; Kieboom, A. P. G.; van Bekkum, H. (1986) The Conversion of Fructose and Glucose in Acidic Media: Formation of Hydroxymethylfurfural. In : Starch - Stärke, vol. 38, n° 3, p. 95–101). La synthèse du 5-HMF dans un milieu tel que le DMSO est particulièrement intéressante, car elle permet d’obtenir le 5-HMF sous sa forme alcool (et non éther) avec de très bons rendements. Néanmoins, les propriétés physico-chimiques du DMSO (ou tout autre solvant polaire aprotique) le rendent très difficilement séparable du 5-HMF par les méthodes usuelles connues de l’homme du métier. Une méthode connue pour isoler le 5-HMF du DMSO est l’extraction liquide-liquide, suivie d’une cristallisation de l’extrait, telle que décrite dans le brevet FR 2669635. La demanderesse a déjà proposé une amélioration du procédé décrit dans le brevet FR 2669635, qui a fait l’objet du brevet FR 1758605. Cette amélioration est basée sur la modification de l’étape d’extraction, notamment en ajoutant une étape de contre-lavage à l’eau, et en recyclant les eaux de contre-lavage à l’étape optionnelle de filtration. Cette amélioration permet d’augmenter la pureté du 5-HMF sans perte de rendement en produit d’intérêt, et de réaliser l’étape de cristallisation du 5-HMF dans des conditions plus favorables. Néanmoins, malgré les améliorations apportées par le brevet FR 1758605, la cristallisation du 5-HMF reste une opération couteuse. Un coût de production élevé du 5-HMF limite son utilisation, et le développement d’un procédé permettant de réduire les coûts est nécessaire. La demanderesse a découvert un procédé permettant de récupérer le 5-HMF non pas sous la forme cristallisée mais en solution aqueuse, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour la valorisation du 5-HMF dans diverses applications, ou pour des transformations ultérieures qui ne pourraient être réalisées ni dans le DMSO, ni dans le solvant d’extraction. Par ailleurs, le procédé selon l’invention permet ainsi de récupérer le 5-HMF en solution aqueuse, tout en limitant les coûts d’opérabilité, les rejets d’eau et donc l’impact environnemental dudit procédé. Un objet de la présente invention concerne un procédé de production d’une solution aqueuse de 5-HMF. L’invention concerne plus particulièrement un procédé de production d’une solution aqueuse de 5-hydroxyméthylfurfural (5-HMF), ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - une étape a) de mise en contact d’une charge comprenant du 5-HMF et du diméthoxysulfoxyde (DMSO), avec au moins une fraction d’un contre-extrait aqueux intermédiaire, avantageusement issu de l’étape c), de manière à obtenir au moins un mélange aqueux, - une étape b) d’extraction liquide-liquide du mélange aqueux obtenu à l’issue de l’étape a) en présence d’un solvant d’extraction, de manière à produire un raffinat aqueux et un extrait organique intermédiaire, puis - une étape c) de contre-lavage par un solvant aqueux, de manière à produire le contre-extrait aqueux intermédiaire et un raffinat organique qui comprend le 5-HMF et un solvant organique, - une étape d) de concentration du raffinat organique issu de l’étape c) par élimination d’au moins une partie du solvant organique, produisant un extrait organique concentré, comprenant du 5-HMF, de préférence à une teneur supérieure ou égale 40% poids, et du solvant organique résiduel, de préférence à une teneur inférieure ou égale à 60% poids, et un flux comprenant du solvant organique, - une étape e) d’hydrodistillation mise en œuvre par distillation de l’extrait organique concentré issu de l’étape d) en présence d’eau, pour produire une solution aqueuse de 5-HMF et un flux comprenant du solvant organique, - une étape optionnelle f) de traitement des mélanges eau-DMSO produits au sein du procédé, permettant de produire un effluent aqueux, qui peut être utilisé en tout ou partie à l’étape c) de contre-lavage, et/ou à l’étape e). Procédé production d’une solution aqueuse d’hydroxyméthylfurfural (5-HMF), ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - une étape a) de mise en contact d’une charge (1) comprenant du 5-HMF et du diméthoxysulfoxyde (DMSO), avec au moins une fraction d’un contre-extrait aqueux intermédiaire (9), avantageusement issu de l’étape c), de manière à obtenir au moins un mélange aqueux (3), - une étape b) d’extraction liquide-liquide du mélange (3) obtenu à l’issu de l’étape a) en présence d’un solvant d’extraction (4), de manière à produire un raffinat aqueux (5) et un extrait organique intermédiaire (6), puis - une étape c) de contre-lavage par un solvant aqueux (7), de manière à produire le contre-extrait aqueux intermédiaire (9) et un raffinat organique (8) comprenant le 5-HMF et un solvant organique, - une étape d) de concentration du raffinat organique (8) issu de l’étape c) par élimination d’au moins une partie du solvant organique, produisant un extrait organique concentré (10), comprenant du 5-HMF, de préférence à une teneur supérieure ou égale 40% poids, et du solvant organique résiduel, de préférence à une teneur inférieure ou égale à 60% poids, et un flux (11) comprenant du solvant organique, - une étape e) d’hydrodistillation mise en œuvre par distillation de l’extrait organique concentré (10) issu de l’étape d) en présence d’eau, pour produire une solution aqueuse de 5-HMF (12) et un flux (13) comprenant du solvant organique. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’extrait organique intermédiaire (6) issu de l’étape b) alimente l’étape c) de contre-lavage. Procédé selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel la vaporisation du solvant organique dans l’étape d) est réalisée à pression atmosphérique ou sous vide, de préférence à une pression entre 0,1 et 0,01 MPa, préférentiellement sous vide à une pression entre 0,09 et 0,01 MPa. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la température du liquide dans l’étape d) est maintenue inférieure à 130°C, de manière préférée maintenue inférieure 100°C, de manière préférée maintenue inférieure à 70°C. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’extrait organique concentré (10) obtenu à l’issue de l’étape d) présente un taux de 5-HMF d’au moins 40 % poids, de préférence d’au moins 50% poids, de préférence d’au moins 60% poids, par rapport au poids d’extrait organique concentré, et de préférence d’au plus 95 % poids, de préférence d’au plus 90 % poids et de manière préférée d’au plus 85 % poids par rapport au poids d’extrait organique concentré, et un taux de solvant organique résiduel d’au moins 5 % poids, de préférence d’au moins 10 % poids, par rapport au poids d’extrait organique concentré, et de préférence d’au plus 60% poids, de préférence d’au plus 50% poids, de préférence d’au plus 40 % poids, par rapport au poids d’extrait organique concentré. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel un flux aqueux (14) alimente l’étape e) d’hydrodistillation. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape e) est réalisée à pression atmosphérique ou sous vide et en particulier à une pression comprise entre 0,1 MPa et 0,001MPa, de préférence sous vide à une pression entre 0,08 et 0,005 MPa. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape e) est mise en œuvre dans une colonne de distillation, de préférence à une température de fond de colonne inférieure à 140°C, de préférence inférieure à 130°C, de préférence inférieure à 120°C, de préférence inférieure à 110°C et de manière préférée inférieure à 100°C. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le solvant d’extraction (4) est choisi parmi le dichlorométhane, le diethyléther, le diisopropyléther, la méthyléthylcétone, la methylisopropylcétone, la methylisobutylcétone, le thiophène, l’anisole et le toluène, de manière très préférée la methylisobutylcétone. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le rapport pondéral (poids/poids) en solvant aqueux (7) par rapport à l’extrait organique intermédiaire (6) dans l’étape c) de contre-lavage est de 0,04 à 5, de préférence entre 0,07 et 3, de préférence entre 0,1 et 1. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, comprenant une étape de déshydratation des sucres en 5-HMF, située en amont de l’étape a), de préférence par mise en contact d’une charge sucre comprenant un ou plusieurs sucres avec du DMSO et un catalyseur acide de déshydratation, de préférence à une température comprise entre 50 et 150°C, de préférence entre 60 et 140°C, de préférence entre 70 et 130°C et de manière préférée entre 80 et 120°C, et de préférence à une pression comprise entre 1 et 0,001 MPa, de préférence entre 0,1 et 0,01 MPa. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, comprenant une étape f) de traitement des mélanges eau-DMSO produits au sein du procédé, permettant de produire un effluent aqueux, qui peut être utilisé en tout ou partie à l’étape c) de contre-lavage, et/ou à l’étape e).