(57)【要約】【課題】ヘキソース糖水溶液から、とりわけ異性化糖生成物から、ヒドロキシメチルフルフラールを製造する。【解決手段】糖溶液を高温に急速に加熱し、得られた生成物混合物を急冷することにより、１回通過当たりのＨＭＦへの変換が制限されるが；それに対応して、生成するＨＭＦの酸性高温条件への全曝露も制限されるため、副生成物が低減する。生成物の分離回収が簡単になり、残留糖類生成物中の、ＨＭＦのレベルおよび発酵によるエタノール生成を阻害することが知られている他のヘキソース脱水生成物のレベルは、残留糖類生成物が直接発酵してエタノールとなるのに適するかまたは他の用途に適する程度まで低減される。【選択図】図１
2015504069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１種類以上のヘキソースを含む水溶液から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、ヒドロキシメチルフルフラールおよび残留未変換糖類を含む生成物混合物を生成するために、ヘキソース水溶液を酸触媒による脱水に供する工程と、その後、生成物混合物をヒドロキシメチルフルフラール生成物と残留糖類生成物とに分離する工程を含み、残留糖類生成物はエタノールを製造するための発酵プロセスに供給原料として直接使用するのに好適であるほどエタノール発酵阻害物質の含有量が十分低い、方法。
【請求項２】
残留糖類生成物を直接、エタノール発酵に、リシンを製造するための発酵に、乳酸を製造するための発酵に、または糖アルコール製造方法の供給原料として使用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
追加のヒドロキシメチルフルフラールを製造するために、残留糖類生成物の少なくとも一部をリサイクルする工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ヘキソース水溶液がグルコースとフルクトースの両方を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
グルコースとフルクトースがヘキソース水溶液中に、ＨＦＣＳ４２異性化糖製品またはＨＦＣＳ５５異性化糖製品またはＨＦＣＳ９０異性化糖製品と同じ割合で存在する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
酸触媒を含有する反応器であって、酸触媒による脱水工程が行われる温度に実質的に予熱された反応器にヘキソース水溶液を添加する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
反応温度が１７５℃〜２０５℃である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
ヘキソース水溶液を含有する反応器内に加圧蒸気を噴射し、ヘキソース水溶液を１７５℃〜２０５℃の温度に直接加熱する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
生成物混合物を５分以内で５０℃以下に急冷する、請求項６〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
ヘキソース水溶液を１５分未満で周囲温度から反応温度に加熱する、請求項６〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
脱水により、ヒドロキシメチルフルフラールを１０〜５５％のモル収率、残留糖類を３０〜８０％のモル収率、および他の生成物を１０％以下のモル収率で有する生成物混合物が生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
生成物混合物が、ヒドロキシメチルフルフラールを２０〜５５％のモル収率、残留糖類を４０〜７０％のモル収率、および他の生成物を５％以下のモル収率で含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
生成物混合物が、ヒドロキシメチルフルフラールを４０〜５５％のモル収率、残留糖類を２５〜４０％のモル収率、および他の生成物を５％以下のモル収率で含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
生成物混合物を分離する工程が、酢酸エチルでの抽出を１回以上繰り返してヒドロキシメチルフルフラールおよび他の脱水生成物を生成物混合物から除去することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
生成物混合物中のヒドロキシメチルフルフラール、残留糖類およびレブリン酸のモル収率パーセンテージの合計が７０％を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
生成物混合物中のヒドロキシメチルフルフラール、残留糖類およびレブリン酸のモル収率パーセンテージの合計が８０％を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
生成物混合物中のヒドロキシメチルフルフラール、残留糖類およびレブリン酸のモル収率パーセンテージの合計が９０％を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
１種類以上のヘキソースを含む水溶液からヒドロキシメチルフルフラールエーテルを製造する方法であって、ヒドロキシメチルフルフラールエーテルおよび残留未変換糖類を含む生成物混合物を生成するために、ヘキソース水溶液をアルコールの存在下で酸触媒による脱水に供する工程、その後、生成物混合物をヒドロキシメチルフルフラールエーテル生成物と残留糖類生成物に分離する工程を含み、残留糖類生成物はエタノールを製造するための発酵プロセスに供給原料として直接使用するのに好適であるほどエタノール発酵阻害物質の含有量が十分低い、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、糖類から、限定的ではないが特にグルコースおよびフルクトースなどのヘキソース炭水化物からヒドロキシメチルフルフラールおよびその誘導体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸触媒によるフルクトースの脱水における主生成物は、２−ヒドロキシメチル−５−フルアルデヒドであり、これはヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）としても知られる。ＨＭＦの構造を下記に示す：
【化１】
2015504069.tif 000003
【０００３】
ＨＭＦは、炭水化物のような再生可能な資源から容易に到達できる重要な中間物質の１つであり、ＨＭＦおよびＨＭＦのある特定の誘導体（ＨＭＦのエステルおよびエーテル誘導体など）は、非石油由来高分子材料の製造に使用される様々なフランモノマーを生成するためのバイオベースの供給原料として提案されてきた。理論に拘泥するものではないが、一般に、フルクトースは非環式経路でＨＭＦに変換されるものと考えられているが、環式フルクトフランシル中間体経路でＨＭＦに変換されるという証拠もある。ＨＭＦの生成機構にかかわらず、反応中に生成する中間種はさらに、縮合、再水和、解重合および他の転位などのさらなる反応を経て、多量の望ましくない副産物を生成する。
【０００４】
下記は、提案されたフルクトースからＨＭＦへの変換経路の１つである：
【化２】
2015504069.tif 000004
【０００５】
前述のように、ＨＭＦおよびその関連する２，５−二置換フラン系誘導体は、再生資源由来の中間化学物質の分野における有用性が大きいと考えられてきた。より詳細には、その様々な官能性のため、ＨＭＦは、ポリマー、溶剤、界面活性剤、医薬品および病虫害防除剤などの広範囲にわたる製品の製造に使用できることが提案され、また、ＨＭＦは抗菌性および防食性を有することが報告されてきた。ＨＭＦはまた、フルフリルジアルコール、ジアルデヒド、エステル、エーテル、ハロゲン化物およびカルボン酸などの様々な化合物の合成における出発物質または中間体として重要な成分でもある。
【０００６】
さらに、ＨＭＦは、持続可能な化石燃料代替として、バイオマスに由来する燃料であるバイオ燃料の開発に有用であると考えられてきた。ＨＭＦはさらに鎌状赤血球貧血の治療剤としても評価されてきた。簡潔に言えば、ＨＭＦは重要な化合物であり、不純物、副産物および残存出発物質を相当量含まないＨＭＦを製造するための大規模での合成方法が１世紀近くの間探求されてきた。
【０００７】
ＨＭＦは、容易に得ることができるヘキソース炭水化物から、例えば、脱水法により製造できることが長い間知られてきたが、残念ながら、良好な選択性および高収率でＨＭＦを得る方法はまだ発見されていない。ＨＭＦの再水和により、レブリン酸やギ酸などの副生成物が生成するという厄介な問題が生じる。別の望ましくない副反応には、ＨＭＦおよび／またはフルクトースの重合が含まれ、その結果、固体廃産物であるフミンポリマーが生成する。溶媒選択の結果として他の厄介な問題が生じ得る。水は、処理が容易であり、フルクトースを溶解させるが、残念ながら、水性条件下では選択性が低く、ポリマーの生成が増加し、フミンが増加する。
【０００８】
デンプン、セルロース、スクロースまたはイヌリンなどの農業原料は、グルコースおよびフルクトースなどのヘキソースを製造するための安価な出発物質である。前述のように、これらのヘキソースをさらにＨＭＦに変換することができる。糖類を脱水してＨＭＦを製造することは周知である。ＨＭＦは、１８９５年にDullによりレブロースから（Chem. Ztg., 19, 216）、またKiermayerによりスクロースから（Chem. Ztg., 19, 1003）初めて製造された。しかし、これらの初期の合成は、出発物質から生成物への変換率が低かったため、実用的なＨＭＦ製造方法ではなかった。
【０００９】
ＨＭＦの製造に一般的に使用される触媒としては、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４およびＨＣｌなどの安価な無機酸が挙げられる。これらの酸触媒は溶液として使用され、再生が困難である。再生および処理の問題を回避するために、固体スルホン酸触媒が使用されてきた。残念ながら、樹脂の表面に触媒を失活させるフミンポリマーが生成するため、固体酸樹脂の有用性は限られている。
【００１０】
ＨＭＦの精製は煩雑な操作であることも判明している。ＨＭＦおよび合成混合物に伴う不純物は、所望の生成物を蒸留できる温度に長時間曝露されると、タール状の分解生成物を生成する傾向がある。このような熱不安定性のため、さらに流下膜式減圧蒸留装置(falling film vacuum)を使用しなければならない。このような装置内であっても加熱面に樹脂状の固体が生成して、ロータの失速や頻繁な運転停止時間が生じ、操業が非効率的になる。従来の研究は、蒸留およびＰＥＧ−６００のような不揮発性溶媒の添加により固体フミンポリマーの蓄積を防止することに関して行われてきた（Cope、米国特許第２，９１７，５２０号）。残念ながら、ポリグリコール類を使用すると、ＨＭＦ−ＰＥＧエーテルが生成する。
【００１１】
従来技術の方法はまた、経済的に行うことができるＨＭＦの製造方法を提供することができない。例えば、Besemerら Netherlands Organ. Appl. Sci. Res. Nutr. Food Res.は、酵素を用いたＨＭＦエステルの合成について記載している。この方法は、高価な酵素の使用を必要とし、従って、経済的に実現可能なＨＭＦエステル合成経路を提供しない。
【００１２】
Garberら、カナダ特許第６５４２４０号は、過剰量の酸無水物およびピリジン溶媒を使用してＨＭＦから２，５−テトラヒドロフランジメタノールモノエステルを合成することを記載している。ジエチルエーテル中でラネーＮｉ触媒を使用して還元を行う。しかし、この参考文献は、フルクトースからまたはカルボン酸を使用してＨＭＦエステルを合成することを開示していない。さらに、ラネーＮｉ触媒の除去は危険であり、且つ触媒の処理費用が負担になり得る。
【００１３】
Sanbornらによる国際公開第２００９／０７６６２７号パンフレットには、炭水化物源を固相触媒と接触させることにより炭水化物源から実質的に純粋なＨＭＦおよびＨＭＦエステルを製造する方法が提供されており；「実質的に純粋な」は、ＨＭＦの純度約７０％以上、任意選択により約８０％以上、または約９０％以上を参照するものと定義された。
【００１４】
炭水化物源および有機酸からＨＭＦエステルを製造する方法は、一実施形態では、炭水化物出発物質を溶媒と共にカラム内で加熱し、加熱された炭水化物および溶媒を、有機酸の存在下、固相触媒を連続的に流通させてＨＭＦエステルを生成することを含んだ。溶媒をロータリーエバポレータで留去して、実質的に純粋なＨＭＦエステルを得る。別の実施形態では、炭水化物を有機酸および固体触媒と共に溶液中で加熱して、ＨＭＦエステルを生成する。次いで、得られたＨＭＦエステルを、濾過、蒸発、抽出、および蒸留、またはこれらの任意の組み合わせにより精製することができる。
【００１５】
Dignanらによる国際公開第２００９／０１２４４５号パンフレットには、フルクトースおよび無機酸触媒の水溶液を水不混和性有機溶媒と混合または撹拌して、水相および有機相からなるエマルションを形成した後、エマルションを流通型反応器内で高圧で加熱し、水相と有機相を相分離させることにより、ＨＭＦを製造することが提案されている。ＨＭＦは、水相および有機相内にほぼ同量存在し、その両方から、例えば、有機相から減圧蒸発および減圧蒸留により、ならびに水相をイオン交換樹脂を通過させることにより除去される。残留フルクトースは水相に存在する。反応するフルクトースの量に対して使用する溶媒の量を比較的少なくするため、初期水相のフルクトースレベルを高くすることが推奨されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の態様の幾つかについて基本的な理解が得られるように、以下に本発明の簡単な要約を示す。この要約は、本発明の包括的な概要ではなく、本発明の鍵となる要素もしくは重要な要素を明確にするものでも、本発明の範囲を示すものでもない。この要約の目的は単に、本発明の幾つかの概念を、後述のより詳細な説明の前置きとして簡単に示すことに過ぎない。
【００１７】
これを念頭に置いて、本発明は、一態様では、ヘキソース糖水溶液からＨＭＦを製造する方法に関し、本方法では、ヘキソース糖水溶液を酸触媒により脱水してＨＭＦと未変換の糖類との混合物を生成した後、吸着、溶媒抽出またはこれらの組み合わせによりＨＭＦと糖類を分離し、エタノールを製造するための発酵プロセスに直接供給されるのに好適な形態および状態で糖類を回収する（「発酵可能な状態の糖類」）が、本発明の目的では、これらの発酵可能な状態の糖類を、その用途または他の考えられ得る任意の特定の代替の用途に、例えば、リシンまたは乳酸を製造するための発酵に、レブリン酸を製造するために（例えば、下記で参照する、本出願人に譲渡された同時継続中の米国特許出願に記載の方法により）、糖アルコールおよびその誘導体生成物を製造するために、および本発明の方法にリサイクルすることにより追加のＨＭＦおよび／またはＨＭＦ誘導体を製造するため等に投入される必要はないことが理解されるであろう。
【００１８】
別の態様では、Sanbornに付与された国際公開第２００６／０６３２２０号パンフレットに概説されているものなどのＨＭＦエーテル誘導体は、アルコールをヘキソース水溶液と共に含むことにより、同方法で同様に有利に製造することができる。
【００１９】
いずれの態様でも好ましい実施形態では、ヘキソース水溶液は、グルコースとフルクトースの一方または両方を含み（より好ましくは、その両方から、市販の異性化糖(high fructose corn syrup)製品に関連する共通の比で構成されており）、酸触媒による脱水工程は、ヘキソース水溶液を周囲温度から反応温度まで急速に加熱して、ならびにＨＭＦおよび／またはＨＭＦ誘導体生成物から発酵可能な状態の残留糖類生成物を分離する前にＨＭＦおよび／またはＨＭＦ誘導体未変換糖混合物を急冷して行う。さらに、ヘキソース水溶液の反応器への導入時点と、ＨＭＦおよび／またはＨＭＦエーテル生成物の冷却開始時点との間の時間は、好ましくは制限される。
【００２０】
１回通過当たりの（per-pass）ＨＭＦへの限られた変換を容認することにより、所与の任意のヘキソース水溶液から生成するＨＭＦの酸性高温条件への全曝露が制限され、好ましくは、廃棄物処理を必要とするフミン質などの望ましくないまたは使用不能な副生成物がほとんどまたは全く生成しなくなる。生成物の分離回収が簡単になり、残留糖類生成物中のＨＭＦ、および発酵によるエタノール生成を阻害することが知られている他のヘキソース脱水生成物のレベルが、必要に応じて、残留糖類生成物をエタノール発酵に直接使用できる程度まで低減される。本発明者らは、さらに、より詳細に後述するように行われる方法が、非常に高い糖アカウンタビリティ（accountabilities）および高い変換効率を特徴とすることができ、糖類の損失が非常に低いことが明らかであることを見い出した。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】好ましい実施形態における本発明の方法の概略図である。
【図２】本発明の方法の一例による残留糖類生成物を分離回収するための非官能化樹脂を使用した破過試験(breakthrough test)の結果を示す図である。
【図３Ａ】溶媒抽出による残留糖類流の分離回収の結果を示す図である。
【図３Ｂ】当該溶媒を使用した水相と有機相との間での生成物の分配の内訳を示す図である。
【図４】図４は、本発明の方法の一例において同一の処理を行った場合の、異性化糖製品であるＨＦＣＳ４２、ＨＦＣＳ５５およびＨＦＣＳ９０間の生成物の分配差を示す。
【図５Ａ】濃度の異なる３つのＨＦＣＳ９０溶液をある反応時間で処理することにより得られる糖アカウンタビリティおよび生成物収率を示す。
【図５Ｂ】濃度の異なる３つのＨＦＣＳ９０溶液を別の反応時間で処理することにより得られる糖アカウンタビリティおよび生成物収率を示す。
【図６Ａ】溶解固形分９〜１５％の単一のＨＦＣＳ９０溶液および反応時間１０分での生成物収率および選択性に対する反応温度の影響を示す。
【図６Ｂ】溶解固形分９〜１５％の単一のＨＦＣＳ９０溶液および反応時間７分での生成物収率および選択性に対する反応温度の影響を示す。
【図７】下記の実施例６７〜９４に使用した比較的大規模な反応器設備を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の方法の一実施形態１０を図１に概略的に示す。一般的に、使用するヘキソース水溶液は、六炭糖（ヘキソース）の１種類以上を含むことができる。特定の実施形態では、ヘキソース水溶液は、比較的一般的なヘキソースであるグルコースとフルクトースの一方または両方を含むことができ、ある特定の実施形態では、グルコースとフルクトースの両方を含む。図１に概略的に示す実施形態１０は、グルコースとフルクトースの両方を含むヘキソース水溶液をベースにする。
【００２３】
本方法１０では、酸もしくは酵素を用いたデンプンの加水分解により得られたものであっても、またはセルロース材料の加水分解により得られたものであってもよいグルコースを、まず、工程１２でイソメラーゼを使用することによりヘキソース糖水溶液１４の形態のグルコースとフルクトースとの混合物に酵素変換する。デンプンからグルコースを製造する方法およびグルコースの一部をフルクトースに変換する方法は、例えば、異性化糖の製造において周知である。あるいは、勿論、グルコースの異性化によるものではなく、ショ糖またはテンサイに由来するフルクトースをグルコースと所望の割合で混合することもできる。さらに別の実施形態では、グルコースの異性化と、他の既知の供給源からのフルクトースの混入を併用して、さらに処理されるヘキソース糖水溶液を形成するためのグルコースとフルクトースとの混合物を得ることができる。好都合には、ヘキソース糖水溶液１４は、流通している異性化糖製品、例えば、ＨＦＣＳ４２（フルクトース約４２％およびグルコース約５３％を含有）、ＨＦＣＳ９０（ＨＦＣＳ４２からさらに精製することにより製造される、フルクトース約９０％ならびにグルコースおよびマルトース各約５％）またはＨＦＣＳ５５（フルクトース約５５％を含有、従来、ＨＦＣＳ４２とＨＦＣＳ９０とをブレンドすることにより製造される）に相当するものであってもよく、既存のＨＦＣＳ製造能力を使用してＨＭＦおよび誘導体生成物を製造し、資産活用が改善され、ＨＦＣＳの需要および価格設定ならびにＨＭＦおよびＨＭＦ誘導体の需要および価格設定で示される資本利益率が改善されるようにする。
【００２４】
次いで、工程１６でヘキソース糖水溶液１４を、酸を用いて脱水し、ＨＭＦと未変換の糖類との混合物１８を得る。フルクトースはグルコースよりずっと容易に脱水するため、混合物１８中のグルコースの割合は、ヘキソース糖溶液１４中より高くなるであろう。混合物１８中のＨＭＦと未変換のヘキソース糖類の相対量、および未変換の糖類部分中のグルコースとフルクトースの相対量は、酸脱水工程１６を行う方法およびヘキソース糖水溶液１４の組成に応じて変わり得る。一般に、未変換の残留糖類からのエタノールの生成よりＨＭＦ生成の方が有利である場合、勿論、ＨＦＣＳ９０の方が、同じ酸脱水条件であれば、ＨＦＣＳ５５より多くＨＭＦを生成し、ＨＦＣＳ５５の方がＨＦＣＳ４２より多くＨＭＦを生成するであろう（フルクトースの方がグルコースより容易に脱水してＨＭＦになるため）。
【００２５】
ある特定の実施形態では、前述のように、酸触媒による脱水工程１６は、ヘキソース糖水溶液１４を周囲温度から所望の脱水反応温度に急速に加熱し、その後、発酵可能な状態の残留糖類生成物をＨＭＦ生成物から分離する前にＨＭＦ／未変換糖混合物１８を急冷して行う。同様に、糖溶液１４の導入からＨＭＦ／未変換糖混合物の冷却開始までの時間も制限される。
【００２６】
このようにして１回通過当たりのＨＭＦへの限られた変換を容認することにより、生成するＨＭＦの酸性高温条件への全曝露がそれに対応して制限されるため、好ましくは、廃棄物処理を必要とするフミン質などの望ましくないまたは使用不能な副生成物がほとんどまたは全く生成しなくなる。生成物の分離回収が簡単になり、残留糖類生成物中のＨＭＦ、および発酵によるエタノール生成を阻害することが知られている他のヘキソース脱水生成物のレベルが、必要に応じて、残留糖類生成物をエタノール発酵に直接使用できる程度まで低減される。
【００２７】
その結果、典型的には、混合物１８は、ＨＭＦを１０〜５５％のモル収率、未変換の残留糖類を３０〜８０％のモル収率、およびフルフラール、レブリン酸、フミン質等のその他の物質を１０％以下のモル収率で含むであろう。好ましくは、混合物１８は、ＨＭＦを３０〜５５％の収率、未変換の残留糖類を４０〜７０％の収率、およびフルフラール、レブリン酸、フミン質等のその他の物質を５％以下の収率で含むであろう。より好ましくは、混合物１８は、ＨＭＦを４５〜５５％の収率、未変換の残留糖類を２５〜４０％の収率、およびフルフラール、レブリン酸、フミン質等のその他の物質を５％以下の収率で含むであろう。
【００２８】
ここで図１に戻ると、分離工程２０で、混合物１８中のＨＭＦと未変換の残留糖類を吸着、溶媒抽出、またはこれらの組み合わせにより分離して、ＨＭＦ生成物流または部分２２と発酵可能な状態の糖類流または部分２４とを得、後者を任意選択によりエタノール生成物２８を生成するためのエタノール発酵工程２６に供給することができる。
【００２９】
工程２０の吸着は、混合物１８中の残留ヘキソース糖類からＨＭＦを優先的に吸着する任意の物質で行うことができる。ＨＭＦおよび生成した少量のレブリン酸の保持に非常に有効であることが判明した物質には、DOWEX（登録商標）OPTIPORE（登録商標）V-493マクロ孔質スチレンジ−ビニルベンゼン樹脂（CAS 6901 1-14-9, The Dow Chemical Company, Midland, MI）があり、これはその製造業者により２０〜５０メッシュ粒度、平均孔径４６Åおよび細孔容積１．１６ｍＬ／ｇ、表面積１００ｍ２／ｇおよび嵩密度６８０ｇ／Ｌであると記載されている。吸着されたＨＭＦの大部分を脱着するのにエタノール洗浄が有効であり、その後、樹脂をアセトンで洗浄することにより、吸着されたＨＭＦが定量的に回収された。代替としては、AMBERLITE（商標）XAD（商標）-4ポリスチレンジビニルベンゼンポリマー吸着樹脂（CAS 37380-42-0, Rohm & Haas Company, Philadelphia, PA）があり、これは、乾燥密度１．０８ｇ／ｍＬ、表面積７２５ｍ２／ｇ、平均孔径５０Å、湿潤時２０〜６０メッシュ粒度および細孔容積０．９８ｍＬ／ｇの非官能化樹脂である。他の好適な吸着剤は、活性炭、ゼオライト、アルミナ、粘土、非官能化樹脂（LEWATIT（登録商標）AF-5、 LEWATIT（登録商標）S7968、LEWATIT（登録商標）VPOC1064樹脂、全てLanxess AG製）、Amberlite（登録商標）XAD-4 巨大網状架橋ポリスチレンジビニルベンゼンポリマー樹脂（CAS 37380-42-0, Rohm & Haas Company, Philadelphia, PA）、および陽イオン交換樹脂とすることができ、米国特許第７，３１７，１１６Ｂ２号（Sanborn）および後の米国特許第７，８９７，７９４号（GeierおよびSoper）を参照されたい。脱着溶媒としては、極性有機溶媒、例えば、エタノール、アミルアルコール、ブタノールおよびイソペンチルアルコールなどのアルコール、ならびに酢酸エチル、メチルテトラヒドロフランおよびテトラヒドロフランを挙げることができる。
【００３０】
溶媒抽出に好適な溶媒としては、メチルエチルケトン、およびとりわけ酢酸エチルが挙げられ、その理由は、後者のＨＭＦおよびレブリン酸に対する親和性が大きく、沸点が低く（７７℃）、水からの分離が容易なためである。下記の実施例の幾つかに示すように、混合物１８からの糖類およびＨＭＦの実質的に完全な回収は、一連の酢酸エチル抽出により達成された。さらに、他の手段で回収された残留糖類はその後のエタノール発酵工程２６でエタノールに直接処理されるのに依然として好適であるが、酢酸エチルで定量的抽出を行った後に回収されたものは、非最適条件下であっても阻害性が著しく低いことが認められた。二相系でのＨＭＦおよびＨＭＦ誘導体の合成および回収に関する文献では、他の様々な溶媒が提案または使用され、これらは本発明に関して使用するのに適している可能性がある。他の有用な溶媒の例としては、ブタノール、イソアミルアルコール、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジエチルエーテル、シクロペンチルジメチルエーテル、メチルテトラヒドロフラン、およびメチルブチルエーテルがある。
【００３１】
エタノール発酵工程２６は、発酵可能な状態の糖類流または部分２４で示される種類のヘキソース糖類供給原料をエタノールを含む１種類以上の生成物に、少なくとも一部発酵手段により変換することができる既知の任意の方法を包含することができる。従って、発酵可能な状態の糖類流または部分２４から好気条件または嫌気条件および他の適切な条件下でエタノールを産生する能力を有する様々な酵母のいずれか（例えば、クルイベロマイセス・ラクティス（kluyveromyces lactis）、クルイベロマイセス・リポリティカ（kluyveromyces lipolytica）、サッカロミセス・セレビシアエ（saccharomyces cerevisiae）、ｓ．ウバルム（s. uvarum）、ｓ．モナセンシス（s. monacensis）、ｓ．パストリアヌス（s. pastorianus）、ｓ．バヤヌス（s. bayanus）、ｓ．エリプソイデュウス（s. ellipsoidues）、カンジダ・シェハタ（Candida shehata）、ｃ．メリビオシカ（c. melibiosica）、ｃ．インターメディア、（c. intermedia））または様々な細菌のいずれか（例えば、クロストリジウム・スポロゲネス（Clostridium sporogenes）、ｃ．インドリス（c. indolis）、ｃ．スフェノイデス（c. sphenoides）、ｃ．ソルデリー（c. sordelli）、カンジダ・ブラカレンシス（Candida bracarensis）、カンジダ・デュブリニエンシス（Candida dubliniensis）、ザイモモナス・モビリス（zymomonas mobilis）、ｚ．ポマセアス（z. pomaceas））を使用する好気工程と嫌気工程の両方が考えられる。使用する特定の酵母（または細菌）およびこれらの様々な酵母（または細菌）を使用する発酵の他の詳細は、発酵分野の当業者による通常の選択の問題であるが、下記の実施例は、一般的な嫌気性酵母株の１つであるサッカロミセス・セレビシアエ（saccharomyces cerevisiae）の機能性を実証する。糖類流または部分２４が酸脱水生成物ＨＭＦの製造方法から得られることを考慮すれば、リグノセルロース系バイオマスからバイオマスおよび／またはバイオマス由来のセルロース画分の酸加水分解により得られる糖類に特に使用されることが実証された酵母または細菌が好ましい可能性がある。例えば、好気性細菌であるコリネバクテリウム・グルタミカムＲ（corynebacterium glutamicum R）は、Sakaiら, “Effect of Lignocellulose-Derived Inhibitors on Growth of and Ethanol Production by Growth-Arrested Corynebacterium glutamicum R”, Applied and Environmental Biology, vol. 73, no. 7, pp 2349-2353 (April 2007）において、バイオマスの希酸前処理により副生する有機酸、フラン類およびフェノール類副生成物に対する解毒手段の代替として評価され、有望であると判明した。
【００３２】
ＨＭＦ（および／または、場合によりＨＭＦエーテル）および未変換残留糖類の量は幾分変わり得るが、好ましくは全ての実施形態で、高度の糖アカウンタビリティが達成され、ここで「糖アカウンタビリティ」は、混合物１８中の同定可能な生成物のモル収率を添加する−本質的にはＨＭＦ（および／またはＨＭＦエーテル）、レブリン酸、フルフラールおよび残留未変換糖類のモル収率を添加する主な原因となる、酸脱水工程１６に投入された糖類のパーセンテージを指すものと理解されたい。好ましくは、本発明の方法は、少なくとも７０％、より好ましくは少なくとも８０％、最も好ましくは少なくとも９０％の全糖アカウンタビリティを特徴とする。
【００３３】
発酵可能な状態の糖類流または部分２４を全部または一部、エタノールの製造以外の他の目的に使用することもできる。例えば、追加のＨＭＦまたはＨＭＦエーテルを製造するために、流れまたは部分２４中の糖類を酸脱水工程１６の始めにリサイクルすることができる。他のバイオベースの燃料および燃料添加剤（エタノール以外またはエタノールに加えて）を製造するために、流れまたは部分２４で示されるヘキソース糖類を水素化して糖アルコールを得ることもでき、例えば、Yaoらに付与された米国特許第７，６７８，９５０号を参照されたい。流れまたは部分２４中の糖類を、既知の方法により発酵させてリシンもしくは乳酸を生成することができる、またはレブリン酸などの別の脱水生成物を製造するために使用することができる。前述の工程で得られる糖類流または部分２４の特性を考慮すると、当業者にはさらに他の用途が明らかになるであろう。
【００３４】
ＨＭＦ生成物流または部分２２の予想される幾つかの用途を既述したが、考えられる重要な用途の１つには、Sanbornらの米国特許出願公開第２００９／１０５６８４１号および“Process for Producing Both Biobased Succinic Acid and 2,5- Furandicarboxylic Acid”として、２０１２年８月２８日に出願された同時継続中の特許協力条約出願第ＰＣＴ／ＵＳ１２／５２６４１に記載のように、酸化条件下でMid-Century型Ｃｏ／Ｍｎ／Ｂｒ酸化触媒を使用した２，５−フランジカルボン酸（ＦＤＣＡ）の製造における用途があり、これらの文献は共に参照により本明細書に援用される。考えられる別の用途には、より熱的に安定な中間体であるレブリン酸の製造、特に、“Process for Making Levulinic Acid”として２０１２年１月１０日に出願された、本出願人に譲渡された同時継続中の米国特許出願第６１／５８４，８９０号による製造があり、この出願も参照により本明細書に援用される。
【００３５】
酸脱水工程１６は、好ましくは１回通過当たりのＨＭＦへの変換および生成するＨＭＦの酸性高温条件への曝露を制限するように行われる。所与の量のヘキソース糖溶液１４に関してこれらの目的を達成するためには、ヘキソース糖溶液１４の急速な加熱および酸による脱水工程１６により生成するＨＭＦ／未変換糖混合物の急冷を行うことが望ましい。さらに、ヘキソース水溶液１４が所望の反応温度範囲に到達した後、ヘキソース水溶液が酸性高温条件に曝されたままとなる程度も好ましくは制限される。最適な条件は実施形態毎に幾分変わり得るが、例えば、下記に明確に示すようにＨＦＣＳ４２対ＨＦＣＳ５５対ＨＦＣＳ９０の処理において、一般的には、糖溶液１４中のヘキソース糖類の質量に基づき約０．５重量％の濃硫酸含有率（または他の酸触媒では、同等の酸強度）では、反応温度１７５℃〜２０５℃、糖類の乾燥固形分添加量１０〜５０％の範囲、最終乾燥固形分濃度１０〜２５％、および平均滞留時間または反応時間２〜１０分が有利であると思われる。「平均滞留時間または反応時間」または本明細書で使用する類似の用語は、糖溶液１４の反応器への導入から、混合物１８の冷却開始までに経過する時間を指す。
【００３６】
全糖類アカウンタビリティに関しておよび他の点に関して幾らかのトレードオフが認められたが、一般的な事柄として、勿論、ヘキソース糖類の添加量が比較的少ない糖溶液ではなく、ヘキソース糖類の添加量が比較的多い糖溶液１４を処理する方が好ましく、所与の供給原料に関して認められる最適条件を決定する際にこれらを考慮する必要がある。同様に、反応条件を穏やかにすると、一般に変換は減少するが、糖類アカウンタビリティの増加が可能になる。
【００３７】
２０％以下の最終乾燥固形分濃度を提供する４０％の乾燥固形分添加量のＨＦＣＳ４２供給原料の特定の実施例では、比較的短い反応時間と上端に近い温度、例えば、２００℃で５分を使用することが好ましいように思われる。ＨＦＣＳ９０では、同じ酸開始濃度であれば、反応温度は１８５℃〜２０５℃の範囲とすることができ、糖溶液１４中のヘキソース糖類の乾燥固形分添加量は３０〜５０％とし、８〜１５％の最終乾燥固形分濃度を提供することができ、反応時間は５〜１０分とすることができる。
【００３８】
ある供給原料対別の供給原料の処理に関わる考慮事項の一例として、ＨＦＣＳ９０ではＨＦＣＳ４２と対照的に、２０％の最終乾燥固形分濃度を同じ全糖類アカウンタビリティで処理することはできず、比較的低い最終乾燥固形分濃度が好ましいことが分かった。１０％の最終乾燥固形分濃度では、反応温度１８５℃および反応時間１０分で好ましい結果が得られることが認められた。追加のＨＭＦ生成物またはレブリン酸を製造するためにリサイクルを考える場合、流れまたは部分２４中の回収された糖類に有利な条件は、糖溶液１４中に新たに供給される糖類に関して考えられるものとは異なり得ることに留意すべきである。
【００３９】
いずれにせよ、所望の反応温度への加熱は、好ましくは１５分以内で達成され、好ましくは１１分以内で達成され、より好ましくは８分以内で達成され、さらにより好ましくは５分以内で達成される。後述する実施例で示されるように、ある一定量のヘキソース糖溶液を完全に導入した時点と冷却を開始した時点との間の経過時間が同じであっても、ある一定量の周囲ヘキソース糖溶液を熱水性酸マトリックスに急速に（２分で）供給することにより、あまり急速に供給しない場合と比較して、ＨＭＦ選択性、収率および全糖類アカウンタビリティの１つ以上が着実に改善される。反応温度から５０℃以下への急冷は、好ましくは５分以内、とりわけ３分以内で達成される。
【００４０】
より詳細には、バッチ式反応器（下記の実施例で明確に示すような）では、既に所望の反応温度に近いまたは既に所望の反応温度になっている熱反応器内で糖溶液１４と酸触媒を混合すると、糖溶液１４と酸触媒を反応器に添加した後、一緒に所望の反応温度に徐々に加熱する場合と比較して、改善された結果が得られる。
【００４１】
連続法に関して、糖溶液１４と酸触媒を急速に加熱するのに好適な手段の１つは、直接蒸気噴射であろう。市販のインライン直接蒸気噴射装置である、Hydro-Thermal Corporation, 400 Pilot Court, Waukesha, WI製のHydro-Thermal Hydroheater（商標）で音速流を、入口管から一連の間隙を通って流入する薄い液体（糖溶液１４など）の層に噴射する。蒸気流は、大きい液体ターンダウン比の間出口流体温度が０．５°Ｆ以内で制御可能であると主張されている程度まで、可変面積ノズルにより正確に調節される。蒸気流量および一連の間隙を通る液体流量（または一連の間隙での圧力低下）の調節に対応した調節可能な剪断度で、乱流混合が特殊設計された混合管内で起こる。この一般的特性を有する装置は、例えば、米国特許第５，６２２，６５５号；米国特許第５，８４２，４９７号；米国特許第６，０８２，７１２号；および米国特許第７，１５２，８５１号に記載されている。
【００４２】
図７に示す反応系でこのような装置を使用する下記で報告する実施例では、ＨＦＣＳ４２異性化糖からの最も高いＨＭＦ収率および糖アカウンタビリティには、硫酸（糖類の０．５重量％）の系、初期乾燥固形分濃度２０％、およびシステム背圧２１５〜２２０ｐｓｉｇ、蒸気圧２７５ｐｓｉｇでのHydro-Thermal Hydroheater（商標）による（Ａでの）直接蒸気噴射による反応混合物の急速な加熱、直接蒸気噴射により提供される反応温度での時間５〜６分および圧力解放前の生成物混合物の急冷が含まれた。温度制御要素（Ｃ）により監視される反応制御設定値は２００℃であり、静止管（resting tube）の端部で（Ｄで）到達した最高温度は１６６℃であった。これらの条件ではＨＭＦは２０％以下のモル収率で、９０％超の全糖アカウンタビリティで得られた。目に見えるほどの不溶性フミン質の生成は実質的になかった。
【００４３】
同装置で処理されたＨＦＣＳ９０異性化糖では、最も高いＨＭＦ収率および糖アカウンタビリティには、硫酸（糖類の０．５重量％）の系、初期乾燥固形分濃度１０％、およびシステム背圧１５０ｐｓｉｇ、蒸気圧２００ｐｓｉｇでの直接蒸気噴射による反応混合物の急速な加熱、直接蒸気噴射により提供される反応温度での時間１１分および圧力解放前の生成物混合物の急冷が含まれた。反応制御設定値は１８５℃であり、静止管の端部で達成された最高温度は１７９℃であった。ＨＭＦは、ＨＦＣＳ９０からこれらの条件ではモル収率３１％以下、全糖アカウンタビリティ９５％超で得られた。目に見えるほどの不溶性フミン質の生成は実質的になかった。
【００４４】
混合物１８の急冷は、様々な手段で達成することができる。例えば、下記の実施例の少なくとも幾つかでは、圧力低下の前に鑞付けプレート式熱交換器を使用したが、他のタイプの交換機を使用することもできる。当業者には他の選択肢が明らかになるであろう。
【００４５】
酸触媒による脱水工程１６をバッチ法、半バッチ法または連続法で実施できることが分かるであろう。ヘキソース含有材料を脱水してＨＭＦを得るための、均一系固体酸触媒と不均一系固体酸触媒の両方を含む様々な酸触媒について既に記載されている。固体酸触媒は、それらが再使用のための分離回収を行うのが比較的容易であることを考慮すれば好ましいが、水の存在下および脱水工程１６の実施に必要な温度で十分な活性および安定性を維持する触媒の選択が問題となり得る。そのため下記の実施例では硫酸を使用し、本発明の方法で良好な収率と優れた糖アカウンタビリティが得られた。
【実施例】
【００４６】
以下の実施例で本発明を説明する：
【００４７】
実施例１〜２６
実施例１〜２６では、最初の一連の炭水化物脱水反応は、Parr multireactor system（Parr Instrument Company, Moline, IL）を使用してベンチスケールで行った。各運転（run）で、７５ｍＬの反応室にまず酸性水溶液を仕込んだ。酸性水溶液を、約８５０ｒｐｍの制御された速度で磁気撹拌しながら２０〜３０分間かけて指定された温度に加熱した。所望の温度に到達した後、室温のＨＦＣＳ４２ベースの糖溶液を酸性水溶液にEldex高圧ポンプ（Eldex Laboratories, Inc, Napa, CA）で約２０〜１２０秒間で急速に導入した。反応をある特定の時間継続した後、生成物を１／８”のステンレス鋼製の管からなる冷却コイルを流通させ、回収バイアルに入れた。試料の分析はＨＰＬＣで行った。結果を下記の表１に記載する。
【００４８】
【表１】
2015504069.tif 000005
【００４９】
実施例２７〜３２
ベンチスケールの実施例で見られた結果に基づき、同じＨＦＣＳ４２供給原料で一連の連続ベンチスケール運転を行った。これらの実施例では、全糖類の重量を基準にして０．５％の硫酸を含む乾燥固形分１５％の溶液を、１８５℃〜２０５℃の範囲の選択された温度に維持された加熱ステンレス鋼製コイル（１／１６”管、長さ２２２ｃｍ）を約２．７〜約４．０分の範囲の流通時間で流通させた。システムの背圧は、Upchurch Scientificから入手した背圧調整装置を使用することにより４０〜７０ｂａｒに維持した。次いで、生成物を冷却コイル（ステンレス鋼、１／１６”管）を流通させ、回収し、ＨＰＬＣ法で分析し、その結果を表２に示す：システムの目詰まりは認められず、不溶性ポリマーまたはフミン質はほとんど生成しなかったことが示唆される。
【００５０】
【表２】
2015504069.tif 000006
【００５１】
実施例３３〜３４
２０５℃で平均保持または流通時間４．００分に対応する、実施例２７〜３２から得られる全生成物からなる試料全体（aggregate sample）を、吸着樹脂であるDOWEX（商標）OPTIPORE（商標）V493汎用高架橋スチレン−ジビニルベンゼンマクロ孔質樹脂（CAS 69011-14-9, The Dow Chemical Company, Midland, MI）で処理した。使用した樹脂の量は全体の３０重量％であった。油浴を使用して混合物を４０℃で２時間撹拌した後、減圧濾過して樹脂と淡黄色の濾液を分離した。エタノール約１００ｇを湿潤樹脂に添加し、混合物を再度、油浴を使用して３５℃でさらに２時間撹拌した後、２回目の減圧濾過を行い、樹脂とマッシュルーム色の濾液を得た。次いで、アセトンをさらに５０ｍＬ湿潤樹脂に添加し、混合物を室温でさらに２時間撹拌した後、混合物の３回目の減圧濾過を行い、３番目の濾液試料を得た。
【００５２】
次いで、高速液体クロマトグラフィーで各濾液を分析し、１番目の濾液は残存する全未変換糖類の９４％を含有することが判明した。比較して、ＨＭＦの約６８％は樹脂に吸着され、この約９２％がエタノール洗浄により除去されて２番目の濾液に入った。その後、アセトンで樹脂を洗浄することにより、吸着されたＨＭＦの残部が第３の濾液中に定量的に回収された。
【００５３】
異なる非官能化樹脂であるAmberlite（登録商標）XAD-4巨大網状架橋ポリスチレンジビニルベンゼンポリマー樹脂（CAS 37380-42-0, Rohm & Haas Company, Philadelphia, PA）を使用して、２番目の試料全体の破過試験を行った。その結果を図２に示し、その結果から、水およびアセトンで洗浄した後、吸着／脱着されたＨＭＦ生成物中のＨＭＦの９８％および残留糖類生成物中の残留糖類の９５％が回収されたことが分かる。
【００５４】
実施例３５〜３７
実施例２７〜３２から得られる全生成物からなる他の２つの試料全体を、DOWEX（商標） OPTIPORE（商標） V493汎用高架橋スチレン−ジビニルベンゼンマクロ孔質樹脂を用い、吸着されたＨＭＦを脱着するためにエタノールを使用して（表３のエントリー１および２にはアセトンを使用しなかった）吸着／脱着することにより、ＨＭＦと残留糖生成物に分離したが、３番目の試料全体は、酢酸エチルで３回溶媒抽出した（エントリー３）。３つの試料から回収された残留糖生成物の組成を以下の表３に示す：
【００５５】
【表３】
2015504069.tif 000007
【００５６】
これらの３つの糖画分を、サッカロミセス・セレビシアエ（saccharomyces cerevisiae）を用いた発酵に送った。表３中のエントリー＃２のエタノール収率は７７〜８０％であった。糖画分のいずれについても阻害は認められず、生存度は一定のままであった。
【００５７】
実施例３８
下記の表５中の実施例７４〜７７の混合生成物からの生成物混合物全体を酢酸エチルで３回溶媒抽出し、各抽出操作後、水相と有機相の分析を行った。図３Ａは、１回の抽出と３回の抽出の有効性を比較し、３回の抽出により高パーセンテージのＨＭＦおよびレブリン酸脱水生成物が回収されることを示す。図３Ｂは、ＨＭＦ、残留糖類およびレブリン酸生成物の水相と有機抽出相との間での分配を示し、酢酸エチルにより残留糖類とＨＭＦおよびレブリン酸脱水生成物が互いに非常に有効に分離されることを立証している。
【００５８】
実施例３９
実施例３８における３回の酢酸エチル抽出により累積した残留糖類を含有する水性画分をＨＰＬＣ法で分析し、全質量を基準にしてフルクトースを１０．４重量％、グルコースを１２．２重量％、ＨＭＦを２．５重量％、およびレブリン酸を０．５重量％含有することが確認された。さらに２００℃に急速に加熱し、水性分画をこの温度に２．５分から１２分までの範囲の様々な時間保持すると、反応時間４〜５分後に９８％までフルクトースの変換が実現したが、グルコース変換はずっと低かった。全糖類アカウンタビリティは、加熱するだけで、２．５分の反応時間での９０％強から１２分の反応時間で７０％強まで低下したが、さらに硫酸０．６５％を添加すると、９０％超（反応／保持時間１２分）の糖アカウンタビリティは１００％（反応時間７分以内）に上昇した。脱水生成物は、少なくとも４．７５分の反応時間では、５０％超の合計モル収率で生成したが、合計モル％ベースでの脱水生成物収率は、全ての場合において、追加の酸がない場合、約４０％以下であった。
【００５９】
実施例４０〜５１
次いで、実施例２７〜３２で生成した生成物の追加分を、次の表３に示すように吸着剤と接触させてまたは溶媒抽出して残留糖類画分を分離回収し、DASGIP Biotools, LLC, Shrewsbury, MA製のパラレル・バイオリアクター（parallel bioreactors）内で、同じサッカロミセス・セレビシアエ（saccharomyces cerevisiae）酵母株を使用したが異なる運転ｐＨおよび接種レベルで発酵試験を行った。結果を表３に示し、その結果から、回収された糖類がエタノール製造に直接使用するのに好適となり得ることが分かる：
【００６０】
【表４】
2015504069.tif 000008
【００６１】
実施例５２〜５４
グルコースはフルクトースほど容易に脱水してＨＭＦにならないため、これらの実施例では、ＨＦＣＳ４２、ＨＦＣＳ５５およびＨＦＣＳ９０を、反応器温度２００℃、反応／保持時間７分、供給原料中の全糖類に基づき０．５重量％の硫酸を用いて同一の処理を並行して行い、所与の一連の反応条件についての、グルコース／フルクトース比の生成物組成および全糖類アカウンタビリティに対する関係を評価した。結果を図４に示す。
【００６２】
実施例５５〜６０
実際的な点から、ＨＭＦの製造には、比較的容易に脱水されるフルクトースの量が最も多いＨＦＣＳ製品であるＨＦＣＳ９０を使用できることが好ましいであろう。従って、一連の３つの実験をＨＦＣＳ９０供給原料で、反応混合物中の最終乾燥固形分濃度を変えて並行して行ったが、他の点では条件は同一であり、全糖類質量に基づき硫酸０．５重量％、反応器温度２００℃、反応混合物の急速な加熱（供給時間４０秒）および生成物の急冷、および反応時間５分とした。最終乾燥固形分９％、１５％および１９％で３つの運転を行ったが、その結果を図５Ａに示す。同様に、これらの同じ最終乾燥固形分濃度で追加の３つの運転を行ったが、使用した反応時間は５分ではなく７分であった。これらの結果を図５Ｂに示す。
【００６３】
実施例６１〜６６
これらの実施例では、反応／保持時間１０分、最終乾燥固形分１０％（実施例６１〜６３）と、反応／保持時間７分、最終乾燥固形分１５％（実施例６４〜６６）の両方について、３つの異なる反応器温度でＨＦＣＳ９０供給原料を脱水した。得られた生成物混合物の分析により、図６Ａ（１０分運転）および図６ｂ（７分運転）に図示する結果が得られた。
【００６４】
実施例６７〜９４
ＨＦＣＳ４２異性化糖とＨＦＣＳ９０異性化糖の両方を供給原料として使用し、供給原料の急速な加熱を行うために直接蒸気噴射を使用して様々な反応条件で幾つかの比較的大規模な連続運転を行った。使用した装置を図７に概略的に示すが、ＣＡＴトリプレックス高圧ポンプを使用して糖類溶液を、微細動作コリオリ式質量流量計で示されるようにおよび可変周波数駆動装置により、一定速度で反応器に連続的に供給した。蒸気を設定圧力で送出し、流動する糖類溶液中に噴射して半径方向の混合を容易にし、蒸気送出圧力は２００ｐｓｉｇ〜４５０ｐｓｉｇの範囲であった。温度制御要素で観察された所望の温度設定値からの偏位に基づき流量制御弁で必要に応じて蒸気流を調節した。システム背圧は１４０ｐｓｉｇ〜４４０ｐｓｉｇの範囲であり、反応設定値温度は１８０℃〜２１０℃の範囲であった。静止管の端部での温度を記録し、それは９５℃〜１８０℃の範囲であった。ＨＦＣＳ４２溶液の反応滞留時間は５〜６分に維持し、反応器の容積を考慮してこのような滞留時間が達成されるように必要に応じて流量の調節を行った。ＨＦＣＳ９０溶液の反応器滞留時間は約１１分に保った。ＨＦＣＳ４２溶液の乾燥固形分濃度は２０重量％であったが、ＨＦＣＳ９０溶液では１０重量％の乾燥固形分濃度を使用した。比較的大規模な試験の結果を下記の表５に示す。圧力低下の前に鑞付けプレート式熱交換器を使用することにより、各運転について反応生成物を８０℃以下に急速に（１分未満で）冷却した。全ての場合において、不溶性フミン質の生成は実質的に認められなかった。
【００６５】
【表５】
2015504069.tif 000009
【００６６】
実施例９５
この実施例では、実施例１〜２６の装置および手順を使用したが、但し、一例では、室温のＨＦＣＳ−４２ベースの糖溶液（乾燥固形分ベースで６％）を反応器に２分間で急速に供給し、第２の運転では溶液を反応器に３０分間かけてゆっくり供給した。いずれの場合も、その後、糖溶液を硫酸（糖類の全質量に基づき０．４重量％）の存在下、１７０℃の温度でさらに６０分間脱水した。生成物のＨＰＬＣ分析から、「急速供給」法の生成物では糖類が９６％に達し得たが、３０分の供給サイクル運転では糖アカウンタビリティは僅か４３％であった。フラン系生成物（ＨＭＦ、フルフラールおよびエトキシメチルフルフラール）の合計モル％収率は、急速供給法では２８％であったが、３０分の供給サイクル運転ではわずか約１６％であった。残留糖類は、急速供給法では２７％のモル収率で生成したのに対し、より長い供給サイクルでは９％であった。
【００６７】
実施例９６および９７
ＨＭＦエーテル誘導体の合成におけるＨＦＣＳ−４２の２２％溶液（ここでも乾燥固形分ベース）についての、急速供給／加熱対比較的緩速な供給／加熱の影響を示すために、実施例９５と同じ装置および手順を使用し、エタノールをエタノール：糖溶液１．１：１の重量比で用いて１２％の最終乾燥固形分重量にした。しかし、２分と３０分の供給サイクルの結果をさらに６０分の単一の反応時間で比較するのではなく、運転は５分、７．５分、１０分、１２．５分および１５分の反応時間で終了した。さらに、反応は１７０度ではなく１８０度で行った。結果を表６に報告する：
【００６８】
【表６】
2015504069.tif 000010
【００６９】
実施例９８および９９
実施例９６および９７と同じ装置および手順を使用したが、但し、エタノールではなく酢酸を同じ１．１：１の重量比で混合し、硫酸を糖類の全質量に基づき０．２重量％に低減した。しかし、エタノールを用いたＨＭＦの合成とＨＭＦエーテルの合成の両方で見られた結果とは対照的に、比較的徐々に供給／加熱したサイクルと比較して、急速供給／加熱を使用した場合の利点はほとんど見られなかった。詳細な結果を表７に示す：
【００７０】
【表７】
2015504069.tif 000011
【図１】
2015504069.tif 000012
【図２】
2015504069.tif 000013
【図７】
2015504069.tif 000014
【図３Ａ】
2015504069.tif 000015
【図３Ｂ】
2015504069.tif 000016
【図４】
2015504069.tif 000017
【図５Ａ】
2015504069.tif 000018
【図５Ｂ】
2015504069.tif 000019
【図６Ａ】
2015504069.tif 000020
【図６Ｂ】
2015504069.tif 000021
【国際調査報告】
2015504069.tif 000022
2015504069.tif 000023