(57)【要約】  炭素数６の炭水化物を含有する材料、または炭素数６の炭水化物を含有する材料に由来するフラン系脱水生成物、またはこれらの組み合わせの供給原料を、反応器に制御して時間をかけて所望の合計または全供給原料レベルまで供給し、供給原料を酸加水分解してレブリン酸を生成する方法を記載する。特定の実施形態では、レブリン酸の誘導体を製造する。
2015507637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素数６の炭水化物を含有する材料の供給原料、または炭素数６の炭水化物を含有する材料に由来するフラン系脱水生成物の供給原料、またはこれらの組み合わせの供給原料を、制御して時間をかけて所望の供給レベルまで反応器に供給する工程、および前記供給原料を酸加水分解して、レブリン酸を含む生成物を生成する工程を含む方法。
【請求項２】
前記レブリン酸からレブリン酸誘導体を生成する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記供給原料が、ある期間間隔を空けて段階的に前記反応器に供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記供給原料が、ある期間間隔を空けた複数の連続供給間隔で前記反応器に供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記供給原料が、所望の供給レベルまである期間にわたり連続的に前記反応器に供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記供給原料が、フルクトース、グルコース、またはフルクトースとグルコースとの両方で構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記供給原料が異性化糖である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記供給原料が、リグノセルロースバイオマスのセルロース画分を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記供給原料がフルフリルアルコールをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
リグノセルロースバイオマスをリグニン含有画分、セルロース画分およびヘミセルロース画分に分画する工程；前記ヘミセルロース画分中のペントースを脱水してフルフラールを得る工程；フルフラールをフルフリルアルコールに変換する工程をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、糖類、限定的ではないが特にバイオマス由来の糖類からレブリン酸およびその誘導体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー需要の大部分ならびに合成製品および化学物質の大多数は、従来、化石燃料を原料としてきた。しかし、化石燃料が希少になってきたため、即ち、入手しにくくなってきたため、また近年、化石燃料の探査、回収および使用に関連する財務費用、環境費用およびその他の社会的費用が増加したため、エネルギー需要を満たし、化石燃料をベースにする材料を代替し得るバイオマスから化学製品を製造するために、かなりの研究努力が行われてきた。
【０００３】
バイオマスは、液化炭化水素および化学物質の製造に不可欠な固定炭素の唯一の再生可能な供給源である。光合成により毎年１５００億トンを超えるバイオマスが製造されるが、食物および食物以外の目的でヒトに使用されるのは３〜４％に過ぎない。価値の低い農業残渣および林業残渣、草本およびエネルギー作物は、バイオベースまたは生物由来の燃料および化学製品を製造するための好ましいバイオマス源であり、再生可能な資源から必要な輸送用燃料および化学製品を製造する機会を提供する。
【０００４】
National Renewable Energy Laboratory（米国、デンバー）は、バイオマスから製造できる幾つかの重要な糖由来の基幹化学物質の１つとしてレブリン酸を認識した。レブリン酸を使用して様々な用途のための様々な物質を製造することができ、これには、例えば、樹脂、ポリマー、除草剤、医薬品および香味剤、溶剤、可塑剤、不凍剤およびバイオ燃料／含酸素燃料添加剤を製造するための、コハク酸、１，４−ブタンジオール、１，４−ペンタンジオール、テトラヒドロフラン、γバレロラクトン、レブリン酸エチルおよび２−メチルテトラヒドロフランが含まれる。
【０００５】
Rackemann and Doherty, “The Conversion of Lignocellulosics to Levulinic Acid”, Biofuels, Bioproducts & Biorefining, 5:198-214 (2011)は、リグノセルロース系材料からレブリン酸を製造するための、公的に確認または提案された現在の技術および可能性のある技術の概要を記載している。評論家らによる「最も有望な」商業的方法は、２段階酸触媒法を含む、Fitzpatrickにより開発された（および、例えば、米国特許第５，６０８，１０５号に記載されている）Biofine（商標）法を使用したが、この方法では、第１の管型（plug flow）反応器内で、炭水化物含有材料（製紙で生じる初沈汚泥、古紙、廃木材、トウモロコシの皮、トウモロコシの穂軸、籾殻、わら、バガスなどの農業残渣、コーン、小麦、および大麦から生じる食品加工廃棄物）を２１０〜２３０℃で３０秒未満脱水し２，５−ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）を得た後、第２の反応器内で１９５〜２１５℃で１５〜３０分間反応させてレブリン酸を製造する。しかし、評論家らは、バイオマスからレブリン酸を費用効率的に製造するためには、さらなる改善を行わなければならないと結論付けている：
「バイオマスからのレブリン酸の製造の収率および効率を改善する鍵は、［多段階］反応経路の各工程で中間生成物を最適化および単離し、再重合および副反応を低減できることにある。新規な方法（マイクロ波照射およびイオン性液体の使用を含む）および選択性の高い触媒の開発により、鍵反応を最適化するために必要な工程が変化するであろう。二相系の使用および／または生成物の連続抽出が可能な処理環境により、反応速度および収率が増加し、生成物の品質が向上するであろう。
【０００６】
そのため、バイオマス源由来のレブリン酸の製造に関連する出版物の主要部分を考慮すると、これらの評論家が示した更なる開発のための方向は、「バイオマス基材の複雑な性質」、「非セルロース成分の存在」、および「複数の工程および中間体を含む幾つかの経路で」バイオマスからレブリン酸への変換が進行することにより生じる「大きな課題」に対処するための、より複雑な多段階プロセスに関するものであった、Rackemann  and  Doherty、２１０頁。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一態様では、炭素数６の炭水化物を含有する材料、またはそれに由来する炭素数６の炭水化物を含有する材料に由来するフラン系材料、またはこれらの組み合わせを反応器に制御して時間をかけて所望の供給レベルまで供給し、反応器内で酸加水分解してレブリン酸を含む生成物を生成するレブリン酸の製造方法に関する。代替の実施形態では、生成物はさらにレブリン酸の誘導体を含む。
【０００８】
本発明者らは、六炭糖（バイオマス由来のものであれ、または別の供給源由来のものであれ）および／またはそれらの糖類に由来する対応するフラン系脱水生成物（下記に詳述する、中間脱水生成物であるヒドロキシメチルフルフラール（またはＨＭＦ）のエーテルおよびエステル誘導体を含む）をレブリン酸の製造方法に制御して時間をかけて−段階的（in increments）であれ、半連続的であれまたは連続的であれ全体的にまたは連続的に制御された添加速度で、即ち、実際、六炭糖および／またはそれらの対応するフラン系脱水生成物を時間をかけて所望の供給レベルまで投入する任意の添加方法で−提供することにより、これらの材料をバッチ法で一度に添加する場合または連続法で終了供給レベルで連続的に添加する場合と比較して、レブリン酸および／またはその誘導体を比較的高収率で製造できることを見い出した。さらに、六炭糖を反応器に供給する場合、別々の処理を行うためにフラン系脱水生成物中間体（例えば、ヒドロキシメチルフルフラール）を回収する必要がなく、レブリン酸を効率的に製造することができ、実際、好ましいことに未変換フラン系脱水生成物のレベルが低く、糖類のフラン系脱水中間生成物への変換、またはフラン系脱水生成物のレブリン酸への変換、またはその両方の変換に合わせた「選択性の高い触媒」の開発および／または使用を必要とすることなく、レブリン酸を製造することができる。
【０００９】
ついでながら、「フラン系脱水生成物」は、この用語が六炭糖の脱水以外の手段で製造される同材料を排除することを意図するものではない。例えば、ＨＭＦはこれらの糖類から酵素を用いて製造することができ、「フラン系脱水生成物」はこのようにして製造されるＨＭＦを包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】反応器に累積的に供給された溶解した固形分のパーセンテージに対する、本発明の制御された基質添加法を使用してデキストロース（グルコース）で実験的に達成されたレブリン酸のモル収率パーセンテージのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
多くの一般的な材料は、部分的にまたは全部炭水化物からなる。天然に存在する最も豊富なヘキソースまたはＣ６糖はグルコースであり、これは多糖類の形態でデンプンまたはセルロースとして（バイオマス中）および二糖類の形態でスクロース（グルコースおよびフルクトースから誘導される）として入手可能である。他の天然のヘキソースとしては、バイオマスのヘミセルロース成分中に存在するガラクトースおよびマンノース、ならびに多くの食品中にグルコースと共に存在し、重要な食物性単糖類であるフルクトースが挙げられる。
【００１２】
リグノセルロース系材料は、Ｃ６糖類が得られる特定の種類のバイオマスであって、セルロース画分、ヘミセルロース画分およびリグニン画分から構成されているバイオマスである。セルロースは、一般に、バイオマス中の最大の画分であり、植物の構造組織に由来し、１，４位を介して結合したβグルコシド残基の長鎖からなる。これらの結合のため、セルロースは結晶化度が高く、従って、セルロースをＣ６糖類またはヘキソースに加水分解するために提案された酵素または酸触媒の作用を受けにくい。対照的に、ヘミセルロースは容易に加水分解される非晶質ヘテロポリマーであるが、芳香族三次元ポリマーであるリグニンは、植物繊維細胞内でセルロースとヘミセルロースとの間に散在しており、さらに他のプロセス選択に適している。
【００１３】
ついでながら、リグニン画分に関して、「リグニン」という用語に包含されるものと理解される材料およびバイオマス中のリグニン含有量をそれに応じて定量した方法は、従来、リグニン含有量が考慮される文脈に依存するものであって、「リグニン」には明確な分子構造がなく、従ってバイオマス毎に実験的に決定される。畜産学および農学では、リグノセルロースバイオマスの可消化エネルギー含有量を考慮する際、例えば、所与のバイオマス中のリグニンの量は、酸性デタージェントリグニン法（Goering and Van Soest, Forage Fiber Analyses (Apparatus, Reagents, Procedures, and Some Applications), Agriculture Handbook No. 379, Agricultural Research Service, United States Dept of Agriculture (1970); Van Soest et al., “Methods for Dietary Fiber, Neutral Detergent Fiber, and Nonstarch Polysaccharides in Relation to Animal Nutrition”, J. Dairy Sci., vol. 74, pp 3583-3597 (1991)）を使用して求めることがより一般的であった。対照的に、紙パルプ産業では、所与のバイオマス中のリグニンの量は、従来、Klasonリグニン法（Kirk and Obst, “Lignin Determination”, Methods in Enzymology, vol 16, pp.: 89-101 (1988)）により求められてきた。本発明の目的では、Ｃ６糖類供給原料を提供するためにリグノセルロースバイオマスが意図される場合、最も重要なリグノセルロースバイオマスは、反芻動物にとって栄養価が比較的低く、そのため、概して他の用途に転用される成熟した寒地型草本と一致するリグニン含有量を少なくとも有し、このような草本は、典型的には、６％以上の酸性デタージェント不溶性材料（乾燥重量ベース）を特徴とする。
【００１４】
既に前述したように、バイオマスのヘミセルロース画分は、本発明の方法のためのＣ６糖類源となり得る。しかし、当業者は、本発明の方法に供給されるＣ６糖類の少なくとも一部を提供するためにリグノセルロースバイオマスを使用する場合、大部分キシランで構成されている（しかし、アラビナン、ガラクタンおよびマンナンも含有する）ヘミセルロース画分は、実質的なＣ５糖類（即ち、ペントース）源ともなり得ることが分かるであろう。本発明の一部を形成するものではないが、これらのＣ５糖類を既知の様々な方法により所望の同レブリン酸およびそのレブリン酸誘導体生成物に変換することもできる。
【００１５】
特に、Van De Graafらに付与された米国特許第７，２６５，２３９号、および上記で引用されたRackemann  and  Dohertyのレビューの２０３頁に詳細に記載されているように、フルフラールは、バイオマスのヘミセルロース画分中のペントースから酸触媒脱水生成物として得ることができ、フルフラールは、触媒を用いて水素添加によりフルフリルアルコールに還元することができ、フルフリルアルコールは、レブリン酸およびレブリン酸アルキルに変換することができる。'２３９号Van De Graaf特許では、フルフリルアルコールと水は、多孔質強酸イオン交換樹脂を使用してレブリン酸に変換されるか、またはフルフリルアルコールとアルキルアルコールはレブリン酸アルキルに変換される。さらに以前の参考文献は、フルフラールおよびフルフリルアルコールにより、バイオマスのヘミセルロース画分中のペントースをレブリン酸および／またはその誘導体に変換するための他の手段を記載しており、例えば、米国特許第２，７３８，３６７号；米国特許第４，２３６，０１２号；米国特許第５，１７５，３５８号；米国特許第２，７６３，６６５号；米国特許第３，２０３，９６４号；および米国特許第３，７５２，８４９号を参照されたい。
【００１６】
商業ベースでの生物由来レブリン酸生成物の製造に関してRackemann  and  Dohertyの論文で列挙された課題の１つは、バイオマス出発物質中のセルロース画分、ヘミセルロース画分およびリグニン画分の存在に関連する、しかし、おそらくは、存在する様々なバイオマス、ならびに、採集および回収方法および状況および貯蔵条件等に基づく所与のバイオマスの可変性にも関連する、バイオマス出発物質の複雑な性質に関する。確かに、これは、供給原料中の小さい組成差が、将来の商業的な生物由来レブリン酸の製造方法に関する論文で検討された「選択性の高い触媒」の性能に影響を及ぼし得る程度を考慮する際、大きな意味がある。
【００１７】
本発明の方法の利点は、以下の実施例で示されるように、炭素数６の炭水化物を含有する様々な材料、ならびに、化学合成用の代替の供給原料として使用することが提案された、Ｃ６糖類の酸触媒脱水により得られるヒドロキシメチルフルフラールおよびより安定なＨＭＦ誘導体（例えば、Sanbornらに付与された米国特許第７，３１７，１  １６号および米国特許第２００９／０１５６８４１号（ＨＭＦエーテルおよびＨＭＦエステル）を参照、これらの参考文献は共に参照により本明細書に援用される）に容易に適用可能なことである。
【００１８】
一実施形態では、リグノセルロースバイオマスを使用して、炭素数６の炭水化物を含有する材料を提供する。より詳細には、バイオマスを分画し、セルロース系材料をヘキソースおよびヘキソース誘導体生成物に加水分解する既知の様々な方法のいずれかにより、バイオマスのセルロース画分を加水分解して、ヘキソースモノマーおよびオリゴマー、ＨＭＦおよびＨＭＦ誘導体の幾つかの組み合わせを提供することができる。このような方法の１つには、勿論、Fitzpatrickに付与された米国特許第５，６０８，１０５号に記載のBiofine法がある。別の実施形態では、セルロース画分とヘミセルロース画分の両方を使用して、ヘミセルロース画分由来のペントースを前述のようにフルフラールに、次いで、フルフリルアルコール変換し、その後、本発明のレブリン酸の製造方法に単独で、またはセルロース画分由来のヘキソースおよびヘキソース誘導体生成物（ＨＭＦ、ＨＭＦエステル、ＨＭＦエーテルなど）と組み合わせて供給する。
【００１９】
バイオマスのセルロース画分、ヘミセルロース画分およびリグニン画分に差があるため、ならびに、Faroneらに付与された米国特許第５，５６２，７７７号、“Method of Producing Sugars Using Strong Acid Hydrolysis of Cellulosic and Hemicellulosic Materials”に記載のように、種々のバイオマス中に様々な程度存在する他の比較的少ない画分を考慮して、リグノセルロースバイオマスを分画し、セルロース画分およびヘミセルロース画分を加水分解して有用なヘキソースおよびペントース合成供給原料を得る幾つかの方法が何年にもわたり開発または提案されてきた。国際公開第２０１１／０９７０６５号パンフレットとして公開され、本出願人に譲渡された特許協力条約出願は参照により本明細書に援用されるが、これは、リグノセルロースバイオマスを分画して、セルロースおよびヘミセルロース画分を加水分解し、本発明のレブリン酸の製造方法に使用できるＣ６および任意選択によるＣ５糖類をそれぞれ得ることができる別の方法を記載している。
【００２０】
さらに別の実施形態では、グルコース、フルクトースまたはこれらの組み合わせは、本方法への、炭素数６の炭水化物を含有する供給原料を構成する。特に、異性化糖（ＨＦＣＳ）に対する要求の変化に応じて、一般的に使用されているＨＦＣＳ４２（水性シロップ中の全糖類の約４２％がフルクトースおよび５３％がグルコースであり；多くの食品および焼き菓子類に使用される）、ＨＦＣＳ５５（約５５％フルクトースおよび４２％グルコース、主にソフトドリンクに使用される）およびＨＦＣＳ９０（約９０％フルクトースおよび１０％グルコース、ＨＦＣＳ５５を製造するためにＨＦＣＳ４２とブレンドされるブレンド原料（blendstock）として使用される）の１種類以上を転用して、レブリン酸および他の有用な誘導体生成物を製造し、従って、ＨＦＣＳの製造業者にＨＦＣＳ製造設備の改善された資産活用および／または改善されたマージンを得る機会を提供することができる。
【００２１】
さらに別の実施形態では、六炭糖は、ヘキソース糖類を供給原料として使用する別の方法、例えば、このような糖類からヒドロキシメチルフルフラールおよび／またはその誘導体を製造するために提案された多数の方法のいずれかから回収される未変換の糖類であっても、またはそれを含んでもよい。特に、レブリン酸（および／またはレブリン酸から製造されるまたはそれをベースにする生成物）とＨＭＦ（および／またはＨＭＦから製造されるまたはそれをベースにする生成物）の両方を製造することが望ましい可能性がある場合、本明細書と同時に出願され、“Process For Making Hydroxymethylfurfural With Recovery Of Unreacted Sugars Suitable For Direct Fermentation To Ethanol”と題され、本出願人に譲渡された米国仮特許出願に記載のＨＭＦ製造方法から回収されるような、残留糖類生成物を使用することができ、このような出願は参照により本明細書に援用される。
【００２２】
前述のように、レブリン酸（およびその誘導体、例えば、レブリン酸エステルなど）を、様々な異なる用途のための幾つかの異なる生成物、例えば、樹脂、ポリマー、除草剤、医薬品および香味剤、溶剤、可塑剤、不凍剤およびバイオ燃料／含酸素燃料添加剤を製造するためのコハク酸、１，４−ブタンジオール、１，４−ペンタンジオール、テトラヒドロフラン、γバレロラクトン、レブリン酸エチルおよび２−メチルテトラヒドロフランの製造に使用することが意図されている。これらの様々な有用な誘導体を製造するために提案された方法の詳細な説明を本明細書で行う必要はないが、レブリン酸を使用する他の方法の一例としては、“Process for Producing Both Biobased Succinic Acid and 2,5- Furandicarboxylic Acid”として、２０１１年８月３日に出願された特許協力条約出願第ＰＣＴ／ＵＳ１２／５２６４１号による、レブリン酸を噴霧酸化してコハク酸を生成する方法がある。この特定の出願では、レブリン酸およびＨＭＦ−またはその誘導体、例えば、酸化して同コハク酸およびＦＤＣＡ生成物となるレブリン酸エステルおよびＨＭＦエステルなどを含む糖脱水生成物を、Mid-Century型Ｃｏ／Ｍｎ／Ｂｒ触媒の存在下、酸化条件下で同時に噴霧酸化して、バイオベースのコハク酸とＦＤＣＡの両方を得ることができる。そのため、本発明に関して、一部のＨＭＦまたはＨＭＦエステルがレブリン酸生成物中に残存する場合、それにもかかわらずその生成物を供給原料として前述の噴霧酸化法で直接処理し、それから有用な誘導体生成物を得ることができる。
【００２３】
本発明によるレブリン酸の製造方法は、一実施形態では、炭素数６の炭水化物を含有する材料または炭素数６の炭水化物を含有する材料に由来するフラン系脱水生成物またはこれらの組み合わせを含む供給原料を反応器に制御して時間をかけて所望の供給レベルまで供給する工程、およびその後、反応器内の供給原料を酸加水分解してレブリン酸を含む生成物を生成する工程を含む。代替の実施形態では、生成物はさらにレブリン酸の誘導体を含む。
【００２４】
本発明者らは、ヘキソースおよび／またはＨＭＦ、ＨＭＦエステルおよびエーテルを制御して時間をかけて−段階的であれ、半連続的であれ、または連続的であれ、全体的にまたは連続的に制御された添加速度で、即ち、実際、六炭糖および／またはそれらの対応するフラン系脱水生成物を時間をかけて所望の供給レベルまで投入する任意の添加方法で−提供することにより、これらの材料をバッチ法で一度に添加する場合または連続法で終了供給レベルで連続的に添加する場合と比較して、レブリン酸および／またはその誘導体を比較的高い収率または比率で製造できることを見い出した。さらに、六炭糖を反応器に供給する場合、別々の処理を行うためにフラン系脱水中間体（例えば、ヒドロキシメチルフルフラール）を回収する必要がなく、レブリン酸を効率的に製造することができ、実際、好ましいことには未変換フラン系脱水生成物のレベルが低く、糖類のフラン系脱水中間生成物への変換、またはフラン系脱水生成物のレブリン酸への変換、またはその両方の変換に合わせた「選択性の高い触媒」の開発および／または使用を必要とすることなく、レブリン酸を製造することができる。
【００２５】
所与の量の供給原料に対して達成され得るレブリン酸のモル収率の差は、供給原料の性質、反応条件、供給原料濃度および供給原料を反応器に供給する時間により変わり得る（以下の実施例で明確に示されるように）が、一般に、供給原料を一度に導入するのではなく、ある期間にわたり導入することにより、モルベースで５％以上、とりわけ１０％以上、またはさらには２０％以上の収率向上が達成可能である。さらに、幾つかの実施例から分かるように、一般に供給原料を段階的にまたは時間をかけて導入し、加水分解することにより、供給原料の処理量を増大し、本方法の生産性をさらに増大することが可能となるはずである。好ましくは、ヘキソース、ＨＭＦおよびＨＭＦエステルおよびエーテル誘導体を少なくとも５重量％多く、所与のバッチ内でまたは所与の運転時間にわたり連続法で反応させることができ、より好ましくは、同量の供給原料を一度に導入する場合と比較して、処理できる量がさらに少なくとも１０重量％多くなる。図１から分かるように、本明細書に記載の制御添加法を用いた場合、デキストロース濃度の増加が、レブリン酸生成物の全モル収率の上昇と一致することが実験的に認められた。
【００２６】
反応器への供給原料の添加を制御することにより、所望により低レベルの未変換残留ＨＭＦおよびＨＭＦ誘導体が得られる。これは、ヘキソース、ＨＭＦおよびＨＭＦ誘導体は、導入されると、比較的大きい酸性マトリックス内でレブリン酸および／またはその誘導体に迅速に完全に変換されるためである。好ましくは、低レベルの未変換ＨＭＦおよびＨＭＦ誘導体が求められる場合、得られるレブリン酸生成物は、生成したレブリン酸およびレブリン酸誘導体の量に対して３重量％以下のフラン系材料を含有する、より好ましくは生成した全レブリン酸および誘導体の２重量％以下のフラン系材料、最も好ましくは１．５重量％以下のフラン系材料を含有する。あるいは、勿論、特許協力条約出願第ＰＣＴ／ＵＳ１２／５２６４１号の方法によりＦＤＣＡとコハク酸の両方を同時に製造するための供給原料としてレブリン酸生成物が供給される場合、供給原材料を比較的短い時間枠で導入するが他の点では同じ加水分解条件とすることにより、または硫酸の使用量を低減することにより、比較的高いフラン類含有量を得ることができる。
【００２７】
他の点では通常のように、バッチ法、半バッチ法、または連続法で、このような均一系または不均一系酸触媒を使用し、ヘキソース、ＨＭＦおよびＨＭＦエステルおよびエーテル誘導体のレブリン酸およびその誘導体への変換に関して以前記載されたまたは有用であると判明したものなどの反応条件下で反応を行うことができる。触媒、触媒添加量、温度、供給量または増分量、供給サイクル時間（連続供給（一定であれ、可変であれまたは傾斜であれ）の場合）または供給原料増分間隔（段階的に供給する場合）の好ましい条件および最適条件は、選択される特定の供給原料に応じて変わることが予想できる。一般に、供給量およびその結果得られる全供給サイクル時間は、同量の所与の供給原料について、他の条件が同じであるとき、生成物分布および収率に幾らかの変化をもたらすことができ、比較的短い全サイクル時間に対する比較的長い全サイクル時間の費用および利点に基づき、おおよそある供給量（またはある範囲の供給量）およびある全供給サイクル時間（またはある範囲の時間）で、全プロセスを最適化することができる。
【００２８】
しかし、一実施形態では、糖類基質１ｇ当たり０．１〜０．５ｇの硫酸の存在下、１５０℃から、とりわけ１６０℃から２１０℃以下、しかしとりわけ１８５℃以下の温度で、ＨＦＣＳ９０をレブリン酸に変換することができる。このような実施形態におけるＨＦＣＳ９０の供給量は、毎分供給原料の２．５重量％とすることができる。このような実施形態では、好ましくは硫酸を反応器に供給して、所望の反応温度までゆっくり予熱した後、異性化糖を反応器に供給し始める。
【００２９】
別の実施形態では、１Ｌ反応器内で開始硫酸濃度が３〜３．５重量％となるように水および濃硫酸を供給することができ、反応器の内容物を１８０℃の温度にすることができる。水中に３０％〜５０％のフルクトースを含有するフルクトース溶液を反応器内に７ｍＬ／分の１分増分でパルス的に供給し、供給原料の逐次的増分を５〜９分間隔で、供給原料が反応器に完全に投入されるまで合計４〜６時間にわたりパルス的に供給する。第１の供給原料増分を反応器に入れる時、反応器は、全反応物質の０．６〜１重量％の有効糖濃度を有するものと特徴付けられる。最後の供給原料増分を反応器に入れる時、反応器内の有効糖濃度は、反応器内容物の０．２〜０．５重量％である。最後の供給原料増分を添加する時の反応器内容物中の対応する硫酸濃度は、０．７〜１．５重量％である。
【００３０】
以下の実施例で本発明をより詳細に説明する。
【実施例】
【００３１】
実施例１
脱イオン水（４０．２２ｇ）、ヒドロキシメチルフルフラール（９８％ＨＭＦ、蒸留法、０．７３ｇ）および硫酸（０．３Ｍ初期濃度）６３０μＬからなる溶液を７５ｍＬのParr反応容器内で２５分間かけて１８０℃に加熱した。溶液をこの温度に５分間、８５０ｒｐｍで連続撹拌しながら維持した後、氷浴に３〜４分間浸漬することにより急冷した。ＨＰＬＣ分析用に反応器内容物の試料を採取し、ＨＭＦのさらなる増分約０．７ｇを反応器に添加して、再度１８０℃に加熱し、１８０℃に５分間保持し、急冷して、分析用に試料を抜き取った。２つの追加のＨＭＦ増分を添加し、乾燥固形分ベースで反応器に添加された全ＨＭＦが約６．８５重量％になるまで同様に反応させた。ＨＭＦ供給原料の各増分に関する試料の分析から、レブリン酸の全収率は、完全に反応した各逐次的ＨＭＦ増分と共に、約７４ｍｏｌ％から約８１ｍｏｌ％に、約８２ｍｏｌ％に、最終的に約８５ｍｏｌ％に増加することが分かった。
【００３２】
ＨＰＬＣ装置は、LC-20ATポンプ（日本、東京、島津製作所）、CTO-20Aカラムオーブン（日本、東京、島津製作所）、RID検出器（日本、東京、島津製作所）およびSPD-10A紫外線検出器（日本、東京、島津製作所）から構成されるものを使用した。クロマトグラフィーのデータは、CBM-20Aシステムコントローラ（日本、東京、島津製作所）を使用して取得した。糖類、ギ酸およびレブリン酸の分離は、Shodex Sugarカラム（８．０ｍｍｌＤ×３００ｍｍＬ）で行った。５−ヒドロキシメチルフルフラールと２−フルアルデヒドの分離は、Waters Symmetry C18カラム（１５０ｍｍ×４．６ｍｍ）で行った。
【００３３】
糖分析用カラム用に選択された移動相は、５ｍＭ硫酸であった。移動相の流速は０．８ｍＬ／分であった。実験は全て５０．０℃で行った。検出にはRIDを使用した。Waters Symmetry C18カラム用に選択された移動相は、アセトニトリルと水との濃度勾配であった。実験は全て４０．０℃で行った。
【００３４】
外部標準を使用することにより、ピーク面積に基づいて定量分析を行った。本方法は、既知の濃度の一連の５つの外部標準を使用して較正された。
【００３５】
試料は希釈した。移動相を使用して糖分析用の試料を１：１希釈し、０．２μｍ  ＰＶＦＤフィルタで濾過した。１０％アセトニトリルを使用してフラン分析用の試料を希釈し、０．２μｍ  ＰＴＦＥフィルタで濾過した。希釈は、フラン類の理論量に依存した。
【００３６】
比較例１
実施例１で得られた結果と比較するため、乾燥固形分ベースで約６．４％のＨＭＦを水および硫酸と、一度に１回の添加で混合した。実施例１と同様に溶液を２５分間かけて１８０℃に加熱した後、１８０℃に５分間保持し、急冷した。反応器内容物の試料を採取して、実施例１に記載のように分析し、レブリン酸が約７５ｍｏｌ％生成していることが分かった。黒色固体（フミン質）の生成も幾らか認められた。
【００３７】
実施例２
ＨＦＣＳ９０の濃厚溶液を第１の増分で０．３Ｍ硫酸溶液と混合し、乾燥固形分ベースで酸溶液中にフルクトースが約１．５％となるようにした。溶液を約２５分間かけて徐々に１８０℃に加熱した。この温度を２．５分間保持した後、反応容器を氷浴中で１〜２分間急冷した。分析用に試料を抜き取り、さらなる増分を添加して、加熱し、保温し、冷却して、乾燥固形分添加量が約２．９％（第２の増分）、４．３％（第３）、５．６％（第４）、６．９％（第５）、８．１％（第６）および９．２％（第７）の時点でサンプリングを行った。反応器内容物の分析から、反応器内容物中のレブリン酸のモル収率は、第１の増分から乾燥固形分添加量５．６％までで、７０％未満から約８０％に増加することが分かった。その後、モルベースでのレブリン酸の全収率は、乾燥固形分ベースで９．２％の糖類が処理された後、僅かに減少して約７３％となり；同時に、ＨＭＦ中間体の収率は約１．０ｍｏｌ％から約４．０〜４．１ｍｏｌ％に増加した。フルフラールレベルは１．０〜０．５ｍｏｌ％であり、残留グルコース／レボグルコサンレベルは約３．４ｍｏｌ％から０．５ｍｏｌ％未満に減少した。
【００３８】
実施例３
ＨＦＣＳ９０の濃厚溶液を第１の増分で０．３Ｍ硫酸溶液と混合した。溶液を約２５分間かけて徐々に１８０℃に加熱した。この温度を６分間保持した後、反応容器を氷浴中で１〜２分間急冷した。分析用に試料を抜き取り、５つのさらなる増分、各０．９ｇ（乾燥固形分ベースで）を添加して、加熱し、保温し、冷却して、合わせた全乾燥固形分添加量が約７％になるまでサンプリングを行った。乾燥固形分ベースで７％の糖類を段階的に添加した後のレブリン酸のモル収率は、７４％であった。
【００３９】
比較例３
同量のＨＦＣＳ９０を０．３Ｍ硫酸に実施例３と同様に、しかし１回の添加で添加した。１８０℃に加熱し、この温度に６分間保持した後、反応混合物を氷浴中で急冷した。反応器内容物の分析から、レブリン酸は５５％のモル収率で生成し、段階的添加法式の場合よりほぼ２０パーセンテージポイント低いことが分かった。
【００４０】
実施例４
ＨＦＣＳ９０の濃厚溶液を第１の増分で０．３Ｍ硫酸溶液と混合した。溶液を約２５分間かけて徐々に１８０℃に加熱した。この温度を６分間保持した後、反応容器を氷浴中で１〜２分間急冷した。分析用に試料を抜き取り、４つのさらなる増分、各０．９ｇ（乾燥固形分ベースで）を添加して、加熱し、保温し、冷却して、合わせた全乾燥固形分添加量が約５％になるまでサンプリングを行った。乾燥固形分ベースで５％の糖類を段階的に添加した後のレブリン酸のモル収率は、８７％であった。
【００４１】
比較例４
同量のＨＦＣＳ９０を０．３Ｍ硫酸に実施例４と同様に、しかし１回の添加で添加した。１８０℃に加熱し、この温度に６分間保持した後、反応混合物を氷浴中で急冷した。反応器内容物の分析から、レブリン酸は６６％のモル収率で生成し、ここでも段階的添加法式の場合よりほぼ２０パーセンテージポイント低いことが分かった。
【００４２】
実施例５〜９
一連の実験は、同量のデキストロースを様々な全供給サイクル時間にわたり連続的に徐々に添加して行ったが、その他の点では条件は同一であった。これらの実施例では、全デキストロース供給原料１ｇ当たり硫酸０．６５ｇとなり、全デキストロース供給原料１ｇ当たりＡｌＣｌ３０．１７ｇを含有するように、乾燥固形分ベースで合計９％のデキストロースをある期間にわたり硫酸溶液に添加して、デキストロースを、比較的容易に変換されるフルクトースにする異性化が促進されるようにした。混合物を徐々に１８０℃に加熱し、その温度に１０分間保持した後、急冷し、サンプリングして分析した。供給サイクル時間は、１分から、２分、７分、２０分および４０分までの範囲であった。ｍｏｌ％ベースでのレブリン酸収率は、１分の供給サイクル時間では４６％、２分の供給サイクル時間では５１％、７分の連続添加供給サイクル時間では５９％、２０分のサイクルでは６２％、および４０分のサイクルでは６３％であった。
【００４３】
実施例１０〜１３
フルクトース１ｇ当たり硫酸０．５４ｇとなるように硫酸含有量を調節し、ＡｌＣｌ３は使用しなかったこと以外、実施例５〜９で使用したのと全体的に同じ方法を、乾燥固形分ベースで９％のフルクトースについて使用した。全供給サイクル時間は、１．２５分、５分、２０分および４０分であった。ｍｏｌ％ベースでの対応するレブリン酸収率は、それぞれ４７％、５２％、５１％および６５％であった。
【００４４】
実施例１４
水４０ｇ、硫酸１８００ｐＬ（デキストロース１ｇ当たり酸０．６６ｇとなる）およびＡｌＣｌ３０．８ｇ（デキストロース１ｇ当たり０．１６ｇとなる）からなる溶液を８５０ｒｐｍで撹拌しながら１８０℃に加熱した。デキストロースの２５％水溶液を反応器内に１．０ｍＬ／分で２０分間圧送し、乾燥固形分ベースでデキストロースが合計約８．１％となるようにした。添加プロセス中、１０分、１５分および２０分の時点で試料を抜き取り、これらを分析した。１０分添加した後の反応混合物中のレブリン酸モル収率は６２％であったが、１５分および２０分基材を添加した後は６４％であった。
【００４５】
実施例１５
脱イオン水（４０．３ｇ）、ＨＦＣＳ９０（０．９４ｇ）および硫酸６３０ｐＬからなる溶液を７５ｍＬのParr反応容器内で２５分間かけて１８０℃に加熱した。溶液をこの温度に６分間、８５０ｒｐｍで連続撹拌しながら維持した後、氷浴に浸漬することにより急冷した。分析用に試料を抜き取り、ＨＦＣＳ９０の７つの追加の増分について、反応器に添加された糖類の全量が乾燥固形分ベースで約１１．４％になるまでサイクルを繰り返した。反応混合物中の様々な成分のモル収率は、表１に、％の単位で示す通りであった。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
実施例１６
１リットルのオートクレーブ反応器に３．８重量％の硫酸（水）溶液３００ｇを仕込んだ。反応装置を組み立て、１８０℃に加熱した。設定温度に到達した後、フルクトース溶液を１分間供給し、次いで、１８０℃の温度に５分間保持した後、次の１分のフルクトース溶液の増分を添加することにより、３３重量％のフルクトース水溶液３００ｇを反応器に時間をかけてパルス的に供給した。フルクトース溶液を全部添加した後、反応器内容物を１８０℃にさらに３０分間保持し、その後、反応器を室温に冷却して、内容物を濾過した。約１５ｇのチャーを濾液から除去し、残部を分析した。試料（５９６ｇ）は、レブリン酸５．１６重量％、ギ酸２．２３重量％、ＨＭＦ０．０２重量％、フルフラール０．０１重量％を含有し、糖類は検出されなかった。レブリン酸のモルパーセンテージ収率は７８％であった。
【図１】
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【国際調査報告】
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