(57)【要約】  【課題】バッチ式またはセミバッチ（semi-batch）式脱水反応を採択した従来の工程に比べて、生産効率を顕著に改善することができ、大規模な無水糖アルコール製造工程に、特に適宜適用し得る無水糖アルコールの製造方法を提供する。  【解決手段】水素化糖を反応器内で脱水反応して、無水糖アルコールに転換する工程を含み、前記脱水反応が行われる間、前記反応器内に水素化糖が連続的に投入され、生成された無水糖アルコールは反応器の外に連続的に排出され、且つ脱水反応が行われる間、反応混合物は前記反応器内外を循環しないことを特徴とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素化糖を反応器内で脱水反応して、無水糖アルコールに転換する工程を含み、
前記脱水反応が行われる間、前記反応器内に水素化糖が連続的に投入され、生成された無水糖アルコールは反応器の外に連続的に排出され、且つ脱水反応が行われる間、反応混合物は前記反応器内外を循環しないことを特徴とする無水糖アルコールの製造方法。
【請求項２】
水素化糖の脱水反応が行われる間、反応器内部に反応混合液による連続的な流動が形成されることを特徴とする請求項１に記載の無水糖アルコールの製造方法。
【請求項３】
前記連続的な流動が、定常流動（steady state flow）であることを特徴とする請求項２に記載の無水糖アルコールの製造方法。
【請求項４】
反応器内への水素化糖投入速度が、反応器の外への無水糖アルコール排出速度の０．９５〜１．０５倍であることを特徴とする請求項１に記載の無水糖アルコールの製造方法。
【請求項５】
水素化糖の脱水反応が、単一反応器内で行われるか、２つ以上の反応器を直列連結した設備を用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の無水糖アルコールの製造方法。
【請求項６】
水素化糖の脱水反応が、２つ以上の反応器を直列連結した設備を用いて行われており、脱水反応が行われる間、これらの反応器全体にわたって、反応混合液による連続的な流動が形成され、維持されることを特徴とする請求項５に記載の無水糖アルコールの製造方法。
【請求項７】
水素化糖を脱水して、無水糖アルコールに転換する工程において、酸触媒が用いられることを特徴とする請求項１に記載の無水糖アルコールの製造方法。
【請求項８】
酸触媒が、硫酸、硝酸、塩酸、p−トルエンスルホン酸及びリン酸から選ばれる単一酸であるか；酸触媒が、第１の酸及び第２の酸の混酸であり、ここで、第１の酸は、硫酸であり、第２の酸は、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸及び硫酸アルミニウムよりなる群から選ばれる１種以上の硫黄−含有酸物質であることを特徴とする請求項７に記載の無水糖アルコールの製造方法。
【請求項９】
水素化糖の脱水反応結果液を中和する工程を、更に含む請求項１に記載の無水糖アルコールの製造方法。
【請求項１０】
中和した水素化糖の脱水反応結果液から水分を除去した後、これを蒸留する工程を、更に含む請求項９に記載の無水糖アルコールの製造方法。
【請求項１１】
蒸留が、薄膜蒸留器を用いて行われることを特徴とする請求項１０に記載の無水糖アルコールの製造方法。
【請求項１２】
蒸留後の結果液を結晶化、脱色処理及びイオン交換樹脂処理から選ばれた一つ以上の工程により精製することを、更に含む請求項１０に記載の無水糖アルコールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無水糖アルコールの製造方法に関する。さらに詳しくは、水素化糖を反応器内で脱水反応して、無水糖アルコールに転換する工程を含み、前記脱水反応が行われる間、前記反応器内に水素化糖が連続的に投入され、生成された無水糖アルコールは反応器の外に連続的に排出され、且つ脱水反応が行われる間、反応混合物は前記反応器内外を循環しないようにすることによって、バッチ式またはセミバッチ（semi-batch）式脱水反応を採択した従来の工程に比べて、生産効率を顕著に改善することができ、大規模な無水糖アルコール製造工程に、特に適宜適用し得る無水糖アルコールの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素化糖（“糖アルコール”ともいう）は、糖類が有する還元性末端基に水素を付加して得られる化合物を意味するものである。一般に、ＨＯＣＨ２（ＣＨＯＨ）ｎＣＨ２ＯＨ（ここで、ｎは２〜５の整数）の一般式を有し、炭素数に応じて、テトリトール、ペンチトール、ヘキシトール及びヘプチトール（それぞれ、炭素数４、５、６及び７）に分類される。その中で、炭素数６のヘキシトールには、ソルビトール、マンニトール、イジトール、ガラクチトールなどが含まれており、ソルビトールとマンニトールは特に効用性が大きな物質である。
【０００３】
無水糖アルコールは、分子内ヒドロキシ基が２つのジオール（diol）形態を有し、デンプンから由来するヘキシトールを活用して製造することができる（例えば、特許文献１、２）。無水糖アルコールは、再生可能な天然資源から由来した親環境物質である点で以前から多大な関心と共にその製造方法に関する研究が行われてきた。このような無水糖アルコールの中で、ソルビトールから製造されたイソソルビドが、現在産業的応用範囲が最も広い。
【０００４】
無水糖アルコールの用途は、心臓及び血管疾患治療、パッチの接着剤、口腔清浄剤等の薬剤、化粧品産業で組成物の溶媒、食品産業では乳化剤等非常に様々である。また、ポリエステル、ＰＥＴ、ポリカーボネート、ポリウレタン、エポキシ樹脂など高分子物質のガラス転移温度を上げることができ、これらの物質の強度改善効果があり、天然物由来の親環境素材であるため、バイオプラスチックなどプラスチック産業でも非常に有用である。また、接着剤、親環境可塑剤、生分解性高分子、水溶性ラッカーの親環境溶媒にも使用できることが知られている。
【０００５】
このように無水糖アルコールは、その様々な活用可能性により大きく注目されており、実際産業への利用度も次第に増大している。しかし、従来の無水糖アルコール製造方法は、脱水反応に使用される触媒費用が高く、転換率、蒸留及び精製収率などが低い限界を持っている。
【０００６】
特に、従来には、バッチ式反応を通して水素化糖を無水糖アルコールに転換する方式を主に使用していたが、このような方式は、作業が不便であり、作業時間が長くなり、産業的規模への生産のためには反応器サイズが過度に大きくなる問題があった。その代案として、複数のバッチ式反応器を連結し、連続式で運転するセミバッチ（semi-batch）方式があるが、この方式もまた作業が不便であり、作業時間が長いだけでなく、工程別温度設定が難しく、設備がさらに複雑になる問題があった。
【０００７】
従って、新しい作業方式で生産効率を改善し、大規模な商業的製造工程に適するように活用し得る無水糖アルコール製造方法の開発が求められているのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】韓国  登録特許第１０−１０７９５１８号
【特許文献２】韓国  公開特許公報第１０−２０１２−００６６９０４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前述した従来技術の問題を解決するためのものであり、水素化糖を脱水反応して、無水糖アルコールに転換する工程を行う際に、従来のバッチ式またはセミバッチ式脱水反応と異なる他の新しい方式を導入し、生産効率を顕著に改善しながら、従来方式と同等水準またはそれ以上の品質を有した反応結果物を提供することができ、大規模な無水糖アルコール製造工程に、特に適宜適用し得る無水糖アルコールの製造方法を提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記した技術的課題を解決するための、本発明は、水素化糖を反応器内で脱水反応して、無水糖アルコールに転換する工程を製造方法であって、前記脱水反応が行われる間、前記反応器内に水素化糖が連続的に投入され、生成された無水糖アルコールは反応器の外に連続的に排出され、且つ脱水反応が行われる間、反応混合物は前記反応器内外を循環しないことを特徴とする方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る連続脱水反応を通して水素化糖を無水糖アルコールに転換すれば、従来のバッチ式またはセミバッチ式対比生産効率を顕著に改善しながら従来方式と同等水準またはそれ以上の品質を有した反応結果物を提供することができ、また、後続工程に続くのにかかる時間が短縮することができる。従って、本発明に係る無水糖アルコール製造方法は、大規模な無水糖アルコール製造工程に特に適宜適用することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１３】
本発明の無水糖アルコール製造方法では、水素化糖の脱水反応が行われる間反応器内に水素化糖が連続的に投入され、生成された無水糖アルコールは反応器の外に連続的に排出されることを特徴とする。即ち、本発明において、水素化糖の脱水反応が行われる間、反応器内部には反応混合液による連続的な流動（flow）が形成される。
【００１４】
脱水反応の間、反応器内部に連続的な流動を形成する反応混合液の流速は、具体的な反応器の仕様及び他の運転条件などに応じて適宜選んでいてもよい。従って、たとい、本発明の実施例で１Ｌの大きさの反応器使用時、２〜４ｍＬ／分の流速を適用することにしたが、これに限定されるものではない。設備の大型化につれて、及び／又は他の運転条件の変更等によって、この技術分野の通常の技術者は適切な流速を容易に選択することができる。
【００１５】
脱水反応の間、反応器内部に形成される連続的な流動は、好ましくは、定常流動（steady state flow）であってもよい。ここで、定常流動とは、外部観察者から見て、反応系に実質的な変化のない状態、即ち、反応器内への物質投入速度と反応器の外への物質排出速度が実質的に同じであることを意味し、ここで「実質的に同じである」とは、例えば、反応器内の物質投入速度が排出速度の０．９５〜１．０５倍、より好ましくは、０．９９〜１．０１倍、最も好ましくは、両者が同じであることを意味する。
【００１６】
本発明において、脱水反応が行われる間、反応混合物は、反応器内外を循環しない。一部の従来技術では、脱水反応器を外部の独立設備（例えば、熱交換機等）とライン連結し、反応が行われる間、反応器内の物質の一部を反応器の外に排出し、前記外部設備を経て反応器内部に再投入させる工程を採択している。このような反応混合物の循環工程は、反応器内に追加的な熱源を供給し、追加的な撹拌機能を行う等の長所があるが、反応器内に連続的に投入される物質の流量を全体的に制御するのが難しく、液体の循環が発生させる不規則性により均一な連続流動が反応器内に形成されることを妨げる短所がある。従って、本発明では、脱水反応が行われる間、反応混合物を反応器内外に循環させることなく、反応器内への連続的な物質投入を容易に制御し、反応器内に均一な連続流動が形成できるようにする。
【００１７】
本発明の連続脱水反応は、単一反応器内で行っていてもよく、必要に応じて、２つ以上の反応器を直列連結した設備を用いて行っていてもよい。２つ以上の反応器を連結して使用する場合、これらは全体が一つの反応器として認識され、脱水反応の間、形成される連続的な流動はこれらの反応器全体にわたって維持される。
【００１８】
本発明の連続脱水反応が行われる反応器内部は、必要に応じて、２つ以上の区間に分けられており、各区間の温度及び圧力など運転条件は、独立して調節することができる。２つ以上の反応器を連結して運転する場合には、各反応器が前記した区間に対応され得る。このとき、前記各区間（または各反応器）の物質流入／排出速度は、必要に応じて、相違に設定されてもよく、全体的に連続的な流動を維持する。
【００１９】
本発明において、水素化糖の連続脱水反応は、例えば、１０５〜２００℃の温度条件（より好ましくは、１１０〜１５０℃）及び１〜１００ｍｍＨｇの圧力条件（より好ましくは、１〜５０ｍｍＨｇ）で、１〜１０時間（より好ましくは、２〜５時間）の間、行われていてもよいが、これらに必ずしも制限されるものではない。前述するように、連続脱水反応が行われる反応器内部が、２つ以上の区間に分かれた場合、各区間の温度及び圧力など運転条件は、前記範囲内で独立して調節することができる。本発明の一具体例によれば、反応器内部が２つ以上の区間に分かれた場合、反応混合液の流れを基準に、後段区間の反応温度を前段区間に比べて、低くすることが反応後半部において、過熱により急激に生成される副産物を低減することができ、好ましい。
【００２０】
水素化糖は、一般に糖アルコールとも呼ばれており、糖類が有する還元性末端基に水素を付加して得られる化合物を意味する。水素化糖は、炭素数に応じて、テトリトール、ペンチトール、ヘキシトール及びヘプチトール（それぞれ、炭素数４、５、６及び７）に分類される。その中で炭素数６のヘキシトールには、ソルビトール、マンニトール、イジトール、ガラクチトールなどが含まれており、ソルビトールとマンニトールは特に効用性が大きな物質である。
【００２１】
本明細書において、用語「無水糖アルコール」とは、任意の方式で１つ以上の工程で前記水素化糖（または糖アルコール）の元の内部構造から一つ以上の水分子を除去して、得られた任意の物質を意味する。
【００２２】
本発明において、水素化糖としては、ヘキシトールが好ましく、より好ましくは、ソルビトール、マンニトール、イジトール及びこれらの混合物から選ばれた水素化糖が挙げられる。
【００２３】
本発明において、前記脱水反応の結果物である無水糖アルコールとして、好ましくは、ヘキシトールの脱水物であるジアンヒドロヘキシトールが得られ、より好ましくは、イソソルビド（１，４−３，６−ジアンヒドロソルビトール）、イソマンニド（１，４−３，６−ジアンヒドロマンニトール）、イソイジド（１，４−３，６−ジアンヒドロイジトール）及びこれらの混合物から選択された無水糖アルコールが得られる。その中で、イソソルビドは、産業的、医薬的活用度が特に高い。
【００２４】
水素化糖を脱水して、水素化糖を脱水して、無水糖アルコールに転換するのには酸触媒が用いられるのが好ましい。
【００２５】
本発明の一具体例によれば、前記酸触媒として、硫酸、硝酸、塩酸、リン酸などの単一酸触媒を使用してもよく、好ましくは、硫酸を使用してもよい。
【００２６】
本発明の他の具体例によれば、前記酸触媒として、第１の酸及び第２の酸の混酸を使用でき、より好ましくは、第１の酸として硫酸、第２の酸としてメタンスルホン酸、ｐ−トルエンスルホン酸、ホウ酸、エタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸及び硫酸アルミニウムよりなる群から選択される１種以上の酸を使用することができる。
【００２７】
酸触媒の使用量は、水素化糖（例えば、ヘキシトール）１００重量部当たり、０.５〜１０重量部が好ましい。酸触媒の量が水素化糖１００重量部当たり０．５重量部未満のとき、無水糖アルコールへの転換時間が長くなり過ぎ、１０重量部を超えると糖類高分子の生成が多くなり、転換率が低下される虞がある。
【００２８】
水素化糖の脱水反応時、酸触媒を用いる場合、反応結果液は中和されるのが好ましい。中和は、脱水反応完了後、反応結果液温度を下げ（例えば、１００℃以下）、水酸化ナトリウムのような公知のアルカリを添加することにより遂行され得る。中和された反応結果液のｐＨは６〜８が好ましい。
【００２９】
前記のようにして得られた、中和された水素化糖の脱水反応結果液は、以降、必要に応じて、前処理後、蒸留、及び後続精製工程を経て高純度の無水糖アルコール製品として製造され得る。
【００３０】
前記前処理は、後続蒸留工程に投入する前に、転換工程結果液内に残留する水分及び沸点の低い物質を除去するためのものであり、通常９０℃〜１１０℃の温度及び１０ｍｍＨｇ〜１００ｍｍＨｇの圧力条件下で転換反応結果液を１時間以上（例えば、１〜４時間）撹拌することにより行ってもよいが、これに限定されるものではない。転換工程結果液から水分などを除去する前処理工程は、脱気装置（degasser）またはフラッシュボックス（flash box）を使用して行ってもよく、貯蔵槽内で真空にて水を除去する方法により行われてもよいが、これに特に限定されるものではない。
【００３１】
転換工程結果液の蒸留には特別な制限がなく、当分野に知らされた公知の方法及び装置をそのまま、または適宜変形して活用することができる。例えば、一般的なコンデンサータイプ蒸留器または蒸留塔蒸留器を使用してもよく、薄膜蒸留器を活用して実施してもよい。
【００３２】
蒸留結果液の後続精製工程としては、結晶化、脱色処理及びイオン交換樹脂処理から選択された一つ以上が挙げられるが、これに限定されなく、その順序においても特別な制限がない。これらの後続精製工程もまた特別な制限がなく、該当処理工程のために当分野に知らされた公知の方法及び装置をそのまま、または適宜変形して活用することができる。
【００３３】
本発明の具体例によれば、前記蒸留は、薄膜蒸留器を利用して遂行されてもよく、前記結晶化は、溶媒（例えば、アセトン溶媒）を用いた結晶化方法によって遂行されてもよく、また、溶媒を用いない溶融結晶化方法によって遂行されていてもよい。前記脱色処理は、活性炭を使用して遂行されてもよく、前記イオン交換樹脂処理は、強カチオン性交換樹脂、強アニオン性イオン交換樹脂、またはこれら両方を順次に用いて遂行されていてもよい。
【００３４】
以下、実施例及び比較例によって本発明を具体的に説明する。しかし、下記実施例は、本発明の理解を助けるためのものであり、本発明の範囲がこれらにより限定されるものではない。
【実施例】
【００３５】
実施例及び比較例
【００３６】
実施例１
【００３７】
連続脱水反応を具現するための反応設備を、以下の通りに構成した。まず、撹拌棒、コンデンサー及び温度計（内部温度測定用）付き１Ｌ反応器二つを準備し、それぞれのコンデンサー上部を減圧装置と連結した後、二つの反応器を耐熱性シリコーンチューブ及びアダプターを利用して連結した。次に、二つのうち一つの反応器（反応器１）を、１２０℃に維持されるソルビトール溶融液と触媒の混合液入りの容器（原料供給容器）と耐熱性シリコーンチューブ及びアダプターを利用して連結し、残りの反応器（反応器２）を蒸留液捕集用フラスコ及びコンデンサーが連結された反応液捕集容器と耐熱性シリコーンチューブ及びアダプターを利用して連結した。それぞれの容器の中間にシリコーンチューブが通るように蠕動ポンプ（peristaltic pump）を取り付け、反応混合液の連続的な移送が可能なようにした。
【００３８】
連続脱水反応は、次の通り実施された。まず、反応混合液の連続的な流動状態を具現するために、イソソルビド含量が７１．２％の反応液を反応器1と２にそれぞれ３００ｍＬずつ充填し、反応器１の温度を１５０℃に固定し、反応器２の温度を１４０℃以下に維持しながら減圧することなく、ポンプを稼働し、全ての連結チューブに反応液を充填した。次に、減圧条件下でポンプを稼動し、原料供給容器からソルビトール及び触媒（硫酸及びメタンスルホン酸）の混合溶融液を反応器１へ一定速度で移送を開始した。反応が進む間、反応器１への原料混合液投入速度及び反応器２からの反応生成物排出速度をいずれも１分当り３ｍＬを維持した。反応混合液の反応器内の滞留時間（＝反応混合液体積／流速）は総２００分であった。イソソルビドの目標含量は７１％に設定した。
【００３９】
反応液捕集容器から一定時間の間隔でサンプルを採取し、ガスクロマトグラフ法で分析し、時間別に反応混合液内のイソソルビド含量を求めた。結果は、表１に示した。
【００４０】
【表１】
2016513127.tif 000002
【００４１】
前記表１に示されるように、イソソルビドの目標含量を７１％にした連続脱水反応を行う間、実際のイソソルビド含量は７０．８〜７１．４％範囲内で安定して維持された。
【００４２】
実施例２
【００４３】
実施例１と同様の設備を使用して、連続脱水反応を行った。反応器１の反応液（イソソルビド含量７１．２％）の体積を５００ｍＬ、反応器２の反応液体積を２００ｍＬにし、反応器１への原料混合液投入速度を分当り４ｍＬ、反応器２からの反応生成物排出速度を分当り２ｍＬにした。このとき、滞留時間は反応器１が１２５分、反応器２が１００分と総２２５分であった。イソソルビドの目標含量は７１％に設定した。
【００４４】
反応液捕集容器から一定時間の間隔でサンプルを採取し、ガスクロマトグラフ法で分析し、時間別の反応混合液内のイソソルビド含量を求めた。結果は表２に示した。
【００４５】
【表２】
2016513127.tif 000003
【００４６】
前記表２に示されるように、イソソルビドの目標含量を７１％にした連続脱水反応を行う間、実際のイソソルビド含量は７０．５〜７１．２％範囲内で安定して維持された。
【００４７】
実施例３
【００４８】
実施例１と同様の設備を使用して、連続脱水反応を行った。反応器１の反応液（イソソルビド含量７１．２％）体積を２００ｍＬ、反応器２の反応液体積を２００ｍＬにし、反応器１への原料混合液投入速度及び反応器２からの反応生成物排出速度を、いずれも分当り２ｍＬにした。このとき、滞留時間は総２００分であった。イソソルビドの目標含量は７１％に設定した。
【００４９】
反応液捕集容器から一定時間の間隔でサンプルを採取し、ガスクロマトグラフ法で分析し、時間別の反応混合液内のイソソルビド含量を求めた。結果は表３に示した。
【００５０】
【表３】
2016513127.tif 000004
【００５１】
前記表３に示されるように、イソソルビドの目標含量を７１％にした連続脱水反応を行う間、実際のイソソルビド含量は７０．８〜７２．０％範囲内で安定して維持された。
【００５２】
実施例４
【００５３】
実施例１と同様の設備を使用して連続脱水反応を行った。反応器１の反応液（イソソルビド含量７１．２％）体積を３７０ｍＬ、反応器２の反応液体積を３７０ｍＬにし、反応器１への原料混合液投入速度及び反応器２からの反応生成物排出速度をいずれも分当り３ｍＬにした。このとき、滞留時間は総２５０分であった。イソソルビドの目標含量は７１％に設定した。
【００５４】
反応液捕集容器から一定時間の間隔でサンプルを採取し、ガスクロマトグラフ法で分析し、時間別の反応混合液内のイソソルビド含量を求めた。結果は表４に示した。
【００５５】
【表４】
2016513127.tif 000005
【００５６】
前記表４に示されるように、イソソルビドの目標含量を７１％にした連続脱水反応を行う間、実際のイソソルビド含量は７０．６〜７１．３％範囲内で安定して維持された。
【００５７】
比較例１（バッチ式脱水反応）
【００５８】
ソルビトール粉末８００ｇを４つ口ガラス反応器に入れ、撹拌器、コンデンサー、蒸留液捕集用フラスコ及び温度計を連結した後、昇温してソルビトールを溶融させた。１１０℃の溶融液に８ｇの硫酸と３．４ｇのメタンスルホン酸を投入した後、３５ｍｍＨｇ以下の減圧条件で内部温度を１３０〜１３５℃に維持されるように加熱しながら約３時間減圧し、脱水反応を行った。反応完了後、サンプルを採取し、ガスクロマトグラフ法で分析した結果、反応結果液内のイソソルビド含量は７１．０％であった。
【００５９】
前記実施例から分かるように、本発明により連続脱水反応で無水糖アルコールを製造する場合、連続工程が行われる間、反応混合液内のイソソルビド含量を目標水準で非常に安定して維持することができるところ、本発明によれば、従来のバッチ式又はセミバッチ式に比べ、生産効率を顕著に改善しながら従来方式と同等水準またはそれ以上の品質を有した反応結果物を提供できることが確認された。
【国際調査報告】
2016513127.tif 000006
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