Способ получения HMF из сахаров с пониженным образованием побочных продуктов и композиции HMF с улучшенной стабильностью
PROCESS FOR MAKING HMF FROM SUGARS WITH REDUCED BYPRODUCT FORMATION  AND IMPROVED STABILITY HMF COMPOSITIONS

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Данное изобретение в одном аспекте связано со способами получения гидроксиметилфурфурола из сахаров, и, в частности, но без ограничения, из гексозных углеводов, таких как глюкоза и фруктоза. Во втором аспекте данное изобретение относится к гидроксиметилфурфурольным продуктам, полученным дегидратацией из таких сахаров.
[0002] Сельскохозяйственное сырье, такое как крахмал, целлюлоза, сахароза или инулин, является недорогими исходными материалами для получения гексоз, таких как глюкоза и фруктоза. Дегидратация этих гексоз дает 2-гидроксиметил-5-фурфуральдегид, также известный как гидроксиметилфурфурол (HMF), помимо других продуктов, таких как левулиновая кислота и муравьиная кислота. HMF и его родственные 2,5-дизамещенные фурановые производные рассматривали как обладающие большим потенциалом для применения в области промежуточных химических веществ из возобновляемых ресурсов. Более конкретно, благодаря его различным функциональным группам, предположили, что HMF можно использовать для получения широкого ряда продуктов, таких как полимеры, растворители, поверхностно-активные вещества, лекарственные препараты и средства защиты растений, и сообщалось, что HMF имеет антибактериальные и антикоррозионные свойства. HMF также является ключевым компонентом в качестве либо исходного материала, либо промежуточного вещества в синтезе широкого ряда соединений, таких как фурфуриловые двухатомные спирты, диальдегиды, сложные эфиры, простые эфиры, галогениды и карбоновые кислоты. Примечательным примером соединения, которое можно получить из HMF, является 2,5-фурандикарбоновая кислота, или FDCA, которую можно получить из HMF, производных простых или сложных эфиров HMF посредством процесса окисления, см., например, US 7317116 и US 2009/0156841, выданные Sanborn и др. FDCA обсуждали в качестве восстанавливаемого заменителя терефталевой кислоты на биологической основе, в производстве таких полиэфирных полимеров, производимых многими миллионами тонн, как этилентерефталат или бутилентерефталат. Сложные эфиры FDCA недавно также были оценены в качестве замены для фталатных пластификаторов для PVC, см., например, WO 2011/023491 А1 и WO 2011/023590 А1, оба принадлежащие Evonik Oxeno GmbH, а также R.D. Sanderson и др., Journal of Appl. Pol. Sci. 1994, vol. 53, pp. 1785-1793.
[0003] Кроме того, HMF рассматривают как подходящий для разработки биотоплив, топлив, получаемых из биомассы, в качестве ресурсосберегающей альтернативы горючим ископаемым. Кроме того, HMF оценен в качестве средства терапии против серповидноклеточной анемии. Вкратце, HMF является важным химическим соединением, и способ синтеза для получения HMF в большом масштабе без значительных количеств примесей, побочных продуктов и остаточного исходного материала был предметом поиска на протяжении около столетия.
[0004] В то время как соответствующим образом давно известно, что HMF можно получать из сахаров посредством дегидратации, при этом его первоначально получил в 1895 году из левулозы Dull (Chem. Ztg., 19, 216) и из сахарозы Kiermayer (Chem. Ztg., 19, 1003), химики расходились во мнениях в течение многих лет относительно точных механизмов, по которым HMF получают из определенных сахаров. Как установлено совсем недавно в Weingarten et al., "Kinetics and Reaction Engineering of Levulinic Acid Production from Aqueous Glucose Solutions", ChemSusChem 2012, vol. 5, pp. 1280-1290 (2012), "в целом, существуют две школы мнений относительно механизма образования HMF из углеводов С6. Одна теория постулирует, что реакция протекает посредством ациклического 1,2-ендиольного промежуточного соединения. Другая при образовании HMF из фруктозы принимает в расчет фруктофуранозильное циклическое промежуточное соединение." В отношении глюкозы, в частности, Weingarten сообщает, что аналогично существуют две теории относительно того, как HMF получают из глюкозы: "Одна теория предполагает, что образование HMF из глюкозы протекает через фруктозу и что практически нулевое присутствие фруктозы может объясняться ее высокой реакционной способностью по сравнению с глюкозой. В свою очередь, другие авторы утверждают, что глюкоза может превращаться непосредственно в HMF посредством циклизации 3-дезокси-глюкозонового промежуточного соединения, образующегося из формы глюкозы с открытым кольцом. При этом относительно низкое превращение глюкозы в HMF вызвано ее низкой склонностью существовать в форме с открытым кольцом вследствие стабилизации пиранозных форм глюкозы в водном растворе".
[0005] Хотя, таким образом, похоже, что нет преобладающей единой позиции относительно точного пути, которым HMF и другие наблюдаемые продукты дегидратации образуются при дегидратации гексозных углеводов, таких как фруктоза и глюкоза, тем не менее существует единая позиция в том, что какой бы механизм ни работал и какие бы промежуточные частицы ни образовывались при таких механизмах, в любом случае вместе с HMF образуется ряд нежелательных побочных продуктов - независимо от того, посредством реакций, включающих промежуточные частицы или включающих HMF - так, что экономичный способ получения HMF в большом масштабе с хорошими выходами все еще не реализован. Затруднения возникают из повторной гидратации HMF, что приводит к образованию побочных продуктов, таких как левулиновая и муравьиная кислоты. Другая нежелательная побочная реакция включает полимеризацию HMF и/или фруктозы, приводящую к гуминовым полимерам, которые являются твердыми отходами. Дополнительные затруднения могут возникать в результате выбора растворителя. Воду легко утилизировать, и она легко растворяет фруктозу, но, к сожалению, в водных условиях увеличиваются низкая селективность и повышенное образование полимеров и гумина.
[0006] Реализация экономного коммерческого производства HMF также затруднена относительной нестабильностью HMF и склонностью к распаду, так, что очистка HMF от различных побочных продуктов и от непрореагировавших сахаров сама оказалась затруднительной. При длительном воздействии температур, при которых можно перегонять целевой продукт, например, HMF и примеси, связанные с реакционной смесью, склонны образовывать дегтеобразные продукты разложения. Вследствие этой тепловой нестабильности необходимо использовать вакуумный перегонный аппарат с падающей пленкой. Даже в таком аппарате на нагревающей поверхности образуются смолистые твердые вещества, вызывая остановку ротора и частое время простоя, что делает работу неэффективной. Предыдущая работа была выполнена с перегонкой и добавлением нелетучего растворителя типа PEG-600 для предотвращения накопления твердых гуминовых полимеров (Соре, патент США №2917520). К сожалению, применение полигликолей ведет к образованию простых эфиров HMF-PEG.
[0007] Еще другие более поздние попытки решить проблемы, связанные со сравнительной нестабильностью и склонностью HMF к деградации, преследовали цель либо образовывать более стабильные и легко отделяемые производные HMF, например, сложноэфирные и эфирные производные HMF, либо быстро удалять HMF из-под воздействия этих условий, например, кислотных условий, имеющих склонность способствовать его деградации.
[0008] Пример вышеупомянутого подхода можно найти в упомянутом выше патентном документе US 2009/0156841, выданном Sanborn и др, в котором предусмотрен способ получения практически чистого HMF и сложных эфиров HMF из источника углеводов путем приведения источника углеводов в контакт с твердофазным катализатором; "практически чистый" было определено как относящееся к чистоте HMF приблизительно 70% или более, необязательно приблизительно 80% или более или приблизительно 90% или более.
[0009] Способ получения сложных эфиров HMF из источника углеводов и органических кислот включал, в одном варианте осуществления, нагревание углеводного исходного материала с растворителем в колонке, и непрерывное пропускание нагретого углевода и растворителя через твердофазный катализатор в присутствии органической кислоты с образованием сложного эфира HMF. Растворитель удаляли на роторном испарителе с получением практически чистого сложного эфира HMF. В другом варианте осуществления углевод нагревают с органической кислотой и твердым катализатором в растворе для образования сложного эфира HMF. Полученный сложный эфир HMF можно затем очищать фильтрованием, выпариванием, экстракцией и перегонкой или любой их комбинацией.
[0010] Пример последнего подхода можно найти в WO 2009/012445, выданном Dignan и др., в котором HMF предлагают получать путем перемешивания или встряхивания водного раствора фруктозы и катализатора на основе неорганической кислоты с несмешивающимся с водой органическим растворителем с образованием эмульсии из водной и органической фаз, затем нагревания эмульсии в проточном реакторе при повышенных давлениях и предоставления возможности водной и органической фазам разделиться на фазы. HMF присутствует в водной и органической фазах в приблизительно равных количествах, и его извлекают из обеих, например, путем вакуумного выпаривания и вакуумной перегонки из органической фазы и путем пропускания водной фазы через ионообменную смолу. Остаточная фруктоза остается в водной фазе. Для исходной водной фазы рекомендуют высокие уровни фруктозы, чтобы использовать относительно меньшие количества растворителя по отношению к количеству реагирующей фруктозы.
[0011] В WO 2013/106136, выданном Sanborn и др., мы описали новый способ получения HMF или производных HMF (например, сложноэфирных или эфирных производных) из водного раствора гексозного сахара, в котором, согласно определенным вариантам осуществления, стадию кислотно-катализируемой дегидратации проводят с быстрым нагреванием водного раствора гексозы от температуры окружающей среды до температуры реакции, а также с быстрым охлаждением HMF и/или смеси производных HMF с непрореагировавшим сахаром перед отделением продукта готовых к ферментации остаточных сахаров от продукта HMF и/или производных HMF.. Кроме того, время между тем, когда водный раствор гексозы вводят в реактор, и когда продукты HMF и/или простые эфиры HMF начинают охлаждать, предпочтительно ограничено.
[0012] При принятии ограниченной однократной конверсии в HMF, суммарная подверженность HMF, образующегося из любого данного водного раствора гексозы, условиям кислотности и повышенной температуры ограничена, и предпочтительно образуется мало или не образуется нежелательных или бесполезных побочных продуктов, таких как гумины, требующих переработки отходов. Разделение и извлечение продуктов упрощено и уровни HMF и других продуктов дегидратации гексозы, известных тем, что они ингибируют образование этанола ферментацией, снижены в продукте остаточных сахаров до степени, при которой продукт остаточных сахаров при желании можно применять непосредственно для этанольной ферментации. Способы, проводимые согласно описанию, характеризовались очень высокими возможностями учета сахара и высокими эффективностями превращения, с выявленными очень низкими потерями сахаров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] Далее приведено упрощенное краткое описание настоящего изобретения с целью обеспечить базовое понимание некоторых из его аспектов. Данное краткое описание не является широким обзором настоящего изобретения и не предназначено ни для определения ключевых или критичных элементов настоящего изобретения, ни для очерчивания его рамок. Единственной целью данного краткого описания является представить некоторые идеи настоящего изобретения в упрощенной форме в качестве вступления к более подробному описанию, представленному далее.
[0014] С пониманием этого, в одном аспекте настоящее изобретение касается еще одного подхода к решению некоторых из затруднений, встречающихся при поиске производства HMF в промышленном масштабе, в частности, из распространенных гексозных сахаров из кукурузы влажного или сухого помола или из целлюлозной фракции лигноцеллюлозной биомассы, например, посредством предоставления способа получения HMF или производного HMF путем дегидратации одного или нескольких гексозных сахаров в среде с пониженным содержанием кислорода.
[0015] В другом, родственном аспекте, настоящее изобретение касается способа улучшения стабильности и устойчивости к деградации продукта HMF, такого, как может быть получен в результате кислотной дегидратации одного или нескольких гексозных сахаров, посредством объединения продукта HMF с одним или несколькими антиоксидантами, где подразумевается, что "антиоксиданты" в целом относятся к таким соединениям и комбинациям соединений, которые непосредственно или опосредованно способны ограничивать или даже предотвращать, независимо от конкретного принципа действия, сложные явления окисления, включая автоокисление, органических веществ натурального или синтетического происхождения, мономерной или полимерной природы, и, кроме того, касается композиций HMF с улучшенной стабильностью, которые сами содержат один или несколько антиоксидантов. Так, например, "антиоксиданты", используемые в данном документе, будут пониматься как включающие те материалы, которые традиционно описывали как антиоксиданты сами по себе, а также материалы, которые традиционно описывали или классифицировали иным образом, например, поглотители кислорода.
[0016] В еще дополнительном аспекте настоящее изобретение касается способа улучшения стабильности и устойчивости к деградации хранящегося продукта HMF, такого как может быть получен в результате кислотной дегидратации одного или нескольких гексозных сахаров, перед его применением, включающего хранение продукта HMF в среде с пониженным содержанием кислорода.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0017] На ФИГ. 1 представлено схематическое изображение способа согласно настоящему изобретению в одном иллюстративном варианте осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0018] Сравнительная нестабильность и склонность HMF к деградации уже упоминалась. Известно, что воздействие на HMF условий кислотности и повышенной температуры способствует деградации HMF, но настоящее изобретение основано на том открытии, что окисление, включая, в частности, автоокисление, HMF также играет прежде недооцененную роль. При проведении дегидратации одного или нескольких гексозных сахаров в среде с пониженным содержанием кислорода и/или при объединении HMF с одним или несколькими антиоксидантами, можно достичь значительных улучшений в стабильности и устойчивости HMF к деградации.
[0019] Хотя специалисты в данной области будут легко понимать, что природа настоящего изобретения такая, которая допускает его практическое использование с любым известным способом дегидратации одной или нескольких гексоз с образованием HMF или с образованием производного HMF при необходимости, тем не менее, только для иллюстративных целей на фигуре 1 схематически показан один вариант осуществления 10 способа по настоящему изобретению. В частности, вариант осуществления 10 касается модифицированного способа, без этого относящегося к вышеупомянутому WO 2013/106136, выданному Sanborn и др., в котором дегидратацию проводят в среде с пониженным содержанием кислорода и/или в котором один или несколько антиоксидантов объединяют с HMF и/или производными HMF, полученными в соответствии со способом, проведенным как описано в той заявке или проведенным как описано там, но в среде с пониженным содержанием кислорода для стадии дегидратации.
[0020] Обращаясь теперь к фигуре 1, водный раствор гексозы, который дегидратируют для получения HMF или производного HMF, может в целом содержать один или несколько шестиуглеродных сахаров (гексоз). В конкретных вариантах осуществления водный раствор гексозы может содержать одну или обе из более распространенных гексоз глюкозы и фруктозы, и в определенных вариантах осуществления будет содержать и глюкозу, и фруктозу. Вариант осуществления 10, схематически показанный на фигуре 1, основан на водном растворе гексозы, содержащем и глюкозу, и фруктозу.
[0021] В способе 10 глюкозу, которая может быть получена в результате гидролиза крахмала кислотами или ферментами или в результате гидролиза целлюлозных материалов, вначале ферментативно превращают на стадии 12 посредством применения изомеразы к смеси глюкозы и фруктозы в виде водного раствора гексозных сахаров 14. Способы получения глюкозы из крахмала и превращения части глюкозы во фруктозу хорошо известны, например, при получении кукурузных сиропов с высоким содержанием фруктозы. Альтернативно, естественно, с глюкозой можно объединять в желаемом соотношении фруктозу, полученную из тростникового сахара или сахарной свеклы, а не в результате изомеризации глюкозы. В еще одном варианте осуществления можно применять комбинацию изомеризации глюкозы с включением фруктозы из других известных источников, с целью предоставления комбинации глюкозы и фруктозы для образования водного раствора гексозных сахаров для дальнейшей переработки. В целях удобства, если водный раствор гексозных сахаров 14 может соответствовать современному продукту кукурузному сиропу с высоким содержанием фруктозы, например, HFCS 42 (содержащему приблизительно 42 процента фруктозы и приблизительно 53 процента глюкозы), HFCS 90 (изготовленному из HFCS 42 путем дополнительной очистки, приблизительно 90 процентов фруктозы и приблизительно по 5 процентов глюкозы и мальтозы) или HFCS 55 (содержащему приблизительно 55 процент фруктозы, обычно получаемому в результате смешивания HFCS 42 и HFCS 90), так, что имеющиеся производственные мощности для HFCS можно использовать для получения HMF и производных продуктов для улучшения задействования ресурсов и улучшения возврата капитала, как покажут спрос и ценообразование на HFCS и спрос и ценообразование на HMF и производные HMF.
[0022] Водный раствор гексозных сахаров 14 затем подвергается кислотно-катализируемой дегидратации на стадии 16 с получением смеси 18 HMF и непрореагировавших сахаров. Поскольку фруктоза дегидратируется значительно легче, чем глюкоза, доля глюкозы в непрореагировавших сахарах смеси 18 будет выше, чем в растворе гексозных сахаров 14. Относительные количества HMF и непрореагировавших гексозных сахаров в смеси 18 и относительные количества глюкозы и фруктозы в части непрореагировавших сахаров могут варьироваться в зависимости от образа, которым проводят стадию 16 кислотной дегидратации, а также от композиции водного раствора гексозных сахаров 14. В целом, естественно, в тех случаях, когда получение HMF предпочтительно по сравнению с получением этанола из непрореагировавших остаточных сахаров, HFCS 90 даст больше HMF при тех же условиях кислотной дегидратации, чем HFCS 55, a HFCS 55 даст больше, чем HFCS 42 (поскольку фруктоза легче дегидратируется до HMF, чем глюкоза).
[0023] В определенных вариантах осуществления, как упоминалось выше, стадию 16 кислотно-катализируемой дегидратации проводят с быстрым нагреванием водного раствора гексозных сахаров 14 от температуры окружающей среды до желаемой температуры реакции дегидратации, а затем с быстрым охлаждением смеси HMF/непрореагировавшие сахара 18 до отделения продукта готовых к ферментации остаточных сахаров от продукта HMF. Кроме того, время от введения раствора сахаров 14 до того, как смесь HMF/непрореагировавшие сахара начнет охлаждаться, также ограничено.
[0024] При принятии, таким образом, ограниченной однократной конверсии в HMF, суммарная подверженность образующегося HMF условиям кислотности и повышенной температуры соответственно ограничена, так, что предпочтительно образуется мало или не образуется нежелательных или бесполезных побочных продуктов, таких как гумины, требующих переработки отходов. Разделение и извлечение продуктов упрощено и уровни HMF и других продуктов дегидратации гексозы, известных тем, что они ингибируют образование этанола ферментацией, снижены в продукте остаточных сахаров до степени, при которой продукт остаточных сахаров при желании можно применять непосредственно для этанольной ферментации.
[0025] Следовательно, обычно смесь 18 будет содержать от 10 до 55 процентов молярного выхода HMF, от 30 до 80 процентов молярного выхода непрореагировавших, остаточных сахаров и не более 10 процентов молярного выхода других материалов, таких как фурфурол, левулиновая кислота, гумины и т.д. Предпочтительно смесь 18 будет содержать от 30 до 55 процентов выхода HMF, от 40 до 70 процентов выхода непрореагировавших, остаточных сахаров и не более 5 процентов выхода других материалов, таких как фурфурол, левулиновая кислота, гумины и т.д. Более предпочтительно, смесь 18 будет содержать от 45 до 55 процентов выхода HMF, от 25 до 40 процент выхода непрореагировавших, остаточных сахаров и не более 5 процентов выхода других материалов, таких как фурфурол, левулиновая кислота, гумины и т.д.
[0026] Помимо стремления ограничить общее воздействие на образующийся HMF условий кислотности и повышенной температуры, в иллюстративном варианте осуществления 10 способа дегидратации согласно настоящему изобретению, стадию 16 кислотно-катализируемой дегидратации проводят в среде с пониженным содержанием кислорода, в которой преобладает содержание кислорода меньшее, чем в атмосфере. Кислород предпочтительно замещают инертным газом, например, азотом или аргоном. Предпочтительно среду с пониженным содержанием кислорода создают в объеме реактора до введения водного раствора гексозных сахаров 14, или по меньшей мере до какого-либо воздействия на водный раствор гексозных сахаров 14 кислотного катализатора для выполнения стадии 16 дегидратации.
[0027] Возвращаясь теперь к фигуре 1, HMF и непрореагировавшие, остаточные сахара в смеси 18 затем разделяют адсорбцией, экстракцией растворителем или их комбинацией на стадии разделения 20 с получением потока или порции 22 продукта HMF и потока или порции 24 готовых к ферментации сахаров, которые можно факультативно направлять на стадию этанольной ферментации 26 для получения продукта этанола 28.
[0028] Адсорбцию на стадии 20 можно выполнять с помощью любого материала, который адсорбирует преимущественно HMF из остаточных гексозных сахаров в смеси 18. Материалом, который, как обнаружили, очень эффективен в удерживании HMF и всей левулиновой кислоты, образующихся на стадии 16 кислотно-катализируемой дегидратации, является макропористаая стирол-дивинилбензольная смола DOWEX OPTIPORE V-493 (CAS 69011-14-9, Dow Chemical Company, Мидленд, Мичиган), описанная производителем как имеющая размер частиц 20-50 меш, средний размер пор 46 ангстрем и объем пор 1,16 мл/г, удельную поверхность 1100 кв.м/г и насыпную плотность 680 г/л. Для десорбции большинства адсорбированного HMF была эффективна промывка этанолом, а последующее промывание смолы ацетоном обеспечивало количественное извлечение адсорбированного HMF. Альтернативой является полистирол-дивинилбензольная полимерная адсорбирующая смола AMBERLITE™ XAD™-4 (CAS 37380-42-0, Rohm & Haas Company, Филадельфия, Пенсильвания), нефункционализированная смола, имеющая сухую плотность 1,08 г/мл, удельную поверхность 725 квадратных метров на грамм, средний диаметр пор 50 ангстрем, размер пор во влажном состоянии 20-60 и объем пор 0,98 мл/грамм. Другими пригодными адсорбентами могут быть активированный уголь, цеолиты, оксид алюминия, глины, нефункционализированные смолы (смолы LEWATIT AF-5, LEWATIT S7968, LEWATIT VPOC1064, все от Lanxess AG), макропористая дивинилбензольная со сшитым полистиролом полимерная смола Amberlite XAD-4 (CAS 37380-42-0, Rohm & Haas Company, Филадельфия, Пенсильвания) и катионообменные смолы, см. патент США 7317116 (Sanborn) и более поздний патент США 7897794 (Geier и Soper). Десорбирующие растворители могут включать полярные органические растворители, например, спирты, такие как этанол, амиловый спирт, бутанол и изопентиловый спирт, а также этилацетат, метилтетрагидрофуран и тетрагидрофуран.
[0029] Пригодные растворители для экстракции растворителем включают метилэтилкетон и, в особенности, этилацетат благодаря большому сродству последнего к HMF и левулиновой кислоте, низкой температуре кипения (77 град. С) и легкости отделения от воды. Как показано в некоторых из примеров из заявки WO 2013/106136, посредством серии экстракций этилацетатом можно осуществить практически полное извлечение сахаров и HMF из смеси 18. Кроме того, в то время как остаточные сахара, извлеченные другими способами, были все еще пригодными для непосредственной переработки в этанол на последующей стадии этанольной ферментации 26, то извлеченные с последующей количественной экстракцией этилацетатом, как наблюдалось, были значительно менее ингибирующими даже при неоптимальных условиях. В литературе, касающейся синтеза и извлечения HMF и производного HMF в двухфазных системах, предлагали или использовали ряд других растворителей, и они могут быть пригодными для применения в контексте настоящего изобретения. Примерами других пригодных растворителей являются бутанол, изоамиловый спирт, метилэтилкетон, метилизобутилкетон, диэтиловый эфир, циклопентилдиметиловый эфир, метилтетрагидрофуран и метилбутиловый эфир.
[0030] Стадия этанольной ферментации 26 может охватывать любой известный способ, посредством которого сырье гексозных сахаров типа, представленного потоком или порцией 24 готовых к ферментации сахаров, можно превратить в один или несколько продуктов, включая этанол, по меньшей мере частично посредством способов ферментации. При этом предполагаются и аэробные, и анаэробные процессы, при которых применяют любой вид дрожжей (например, kluyveromyces lactis, kluyveromyces lipolytica, saccharomyces cerevisiae, s. uvarum, s. monacensis, s.pastorianus, s.bayanus, s.ellipsoidues, Candida shehata, c.melibiosica, c.intermedia) или любой вид бактерий (например, Clostridium sporogenes, с.indolis, с.sphenoides, с.sordelli, Candida bracarensis, Candida dubliniensis, zymomonas mobilis, z.pomaceas), способных к производству этанола из потока или порции 24 готовых к ферментации сахаров при аэробных или анаэробных условиях и других подходящих условиях. Конкретные используемые дрожжи (или бактерии) и другие технические показатели ферментаций, при которых используют эти различные дрожжи (или бактерии), являются вопросом стандартного выбора специалистами в области ферментации, хотя примеры ниже показывают функциональность одного распространенного штамма анаэробных дрожжей, saccharomyces cerevisiae. При условии, что поток или порцию 24 сахаров получают в результате способа получения продукта HMF кислотной дегидратацией, могут быть предпочтительны дрожжи или бактерии, которые, как было показано, используют конкретно с сахарами, полученными из лигноцеллюлозной биомассы посредством кислотного гидролиза биомассы и/или целлюлозной фракции из биомассы. Например, аэробная бактерия corynebacterium glutamicum R была оценена в Sakai et al., "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) в качестве альтернативы мерам по устранению токсического действия в отношении побочных продуктов, представляющих собой органические кислоты, фураны и фенолы, из предварительной обработки биомассы разбавленными кислотами, и была найдена перспективной.
[0031] При том, что количества HMF (и/или простых эфиров HMF соответственно) и непрореагировавших, остаточных сахаров могут немного варьироваться, предпочтительно во всех вариантах осуществления достигают высокую степень учитываемости сахаров, где "учитываемость сахаров" понимают как означающая процентную часть сахаров, подаваемых на стадию 16 кислотной дегидратации, которую можно подсчитать складыванием молярных выходов идентифицируемых продуктов в смеси 18 - по сути сложением молярных выходов HMF (и/или простых эфиров HMF), левулиновой кислоты, фурфурола и остаточных, непрореагировавших сахаров. Предпочтительно модифицированный способ 10 согласно настоящему изобретению характеризуется суммарной учитываемостью сахаров по меньшей мере 70 процентов, более предпочтительно по меньшей мере 80 процентов и наиболее предпочтительно по меньшей мере 90 процентов.
[0032] Поток или порцию 24 готовых к ферментации сахаров можно, полностью или частично, также применять для других целей, помимо получения этанола. Например, сахара в потоке или порции 24 можно рециркулировать в начало стадии 16 кислотной дегидратации для получения дополнительного HMF или простых эфиров HMF. Гексозные сахара, представленные потоком или порцией 24, можно также гидрировать до сахароспиртов для получения других топлив и топливных добавок на биологической основе (отличных от этанола или помимо него), см., например, патентный документ US 7678950, выданный Yao и др. Сахара в потоке или порции 24 можно ферментировать для получения лизина или молочной кислоты согласно известным способам, или использовать для получения другого продукта дегидратации, такого как левулиновая кислота. Еще другие применения будут очевидны специалистам в данной области, учитывая характер потока или порции 24 сахаров, предоставляемых описанным процессом.
[0033] Ряд возможных применений потока или порции 22 продукта HMF уже был упомянут, но одно важное предполагаемое применение будет в производстве 2,5-фурандикарбоновой кислоты (FDCA) с использованием катализатора окисления Со/Mn/Br типа Mid-Century при условиях окисления, как описано в публикации заявки на патент США №US 2009/1056841, выданной Sanborn и др., и в заявке по Договору о патентной кооперации сер. № PCT/US12/52641, поданной 28 авг. 2012 года, на "Способ получения и янтарной кислоты, и 2,5-фурандикарбоновой кислоты на биологической основе" ("Process for Producing Both Biobased Succinic Acid and 2,5-Furandicarboxylic Acid"), сейчас опубликованной как WO 2013/033081. В тех случаях, когда поток или порция 22 продукта HMF не используется непосредственно в способе превращения или иным образом может в применении подвергаться воздействию источника кислорода, так, что предвидится нежелательная деградация HMF (или производного HMF, которое подвержено деградации, хотя и в меньшей степени) посредством автоокисления (способы выполнения окисления потока или порции 22 продукта HMF или некоторой его части с получением, например, FDCA, являются примерами преобразовательных способов, включающих целенаправленное взаимодействие кислорода с HMF), то с потоком или порцией 22 продукта HMF или с некоторой их частью, которая предположительно подвержена воздействию источника кислорода и подвержена риску деградации посредством автоокисления, предпочтительно объединяют один или несколько антиоксидантов.
[0034] Хотя в примерах ниже используют бутилированный гидроксианизол (ВНА) в качестве антиоксидантной добавки, специалисты в данной области будут понимать, что ряд материалов хорошо известен и применяется в качестве антиоксидантов или в качестве поглотителей кислорода в других контекстах применения, и будет вполне в компетенции специалистов в данной области выбрать материалы (или комбинации материалов), отличные от ВНА, которые можно использовать в способе по настоящему изобретению, и определить требуемые количества таких материалов для улучшения стабильности и устойчивости HMF или производного HMF к деградации, которые иначе будут подвержены деградации посредством автоокисления. Учитывая значительную заинтересованность, как упоминалось ранее, в FDCA и сложных эфирах FDCA для применения в различных полимерах, ожидается, что те материалы, которые ранее были установлены как хорошо подходящие для применения в качестве антиоксидантов в полимерных композициях, найдут более широкое коммерческое применение в осуществлении настоящего изобретения. Различные такие материалы можно найти, например, в главе 1, названной "Antioxidants" ("Антиоксиданты"), в Plastics Additive Handbook, 5th ed., Carl Hanser Verlag, Munich, Germany (2001).
[0035] Как указано ранее, стадию 16 кислотной дегидратации предпочтительно проводят таким образом, чтобы ограничить однократную конверсию в HMF и подверженность образующегося HMF условиям кислотности и повышенной температуры. Для достижения этих целей для данного количества раствора гексозных сахаров 14 желательны быстрый нагрев раствора гексозных сахаров 14, а также быстрое охлаждение смеси HMF/непрореагировавших сахаров, полученной из стадии 16 кислотной дегидратации. Далее, как только водный раствор гексозы 14 достигнет желаемого диапазона температур реакции, степень, в которой водный раствор гексозы останется подверженным условиям кислотности и повышенной температуры, предпочтительно также ограничить. Хотя оптимальные условия будут несколько варьироваться от одного варианта осуществления к другому, например, в переработке HFCS 42 по сравнению с HFCS 55 по сравнению с HFCS 90, как очевидно показано в заявке WO 708, в целом выгодными оказываются условия для содержания концентрированной серной кислоты приблизительно 0,5 процента по массе на основе массы гексозных сахаров в растворе сахаров 14 (или эквивалентной силы кислоты для других кислотных катализаторов), температуры реакции от 175 градусов Цельсия до 205 градусов Цельсия, загрузки сухого твердого вещества сахаров в диапазоне от 10 до 50 процентов, конечной концентрации сухих твердых веществ от 10 до 25 процентов и среднего времени нахождения или реакции от 2 до 10 минут. "Среднее время нахождения или реакции" или подобная терминология при использовании в данном документе относится ко времени, проходящему от ввода раствора сахаров 14 в реактор до начала охлаждения смеси 18.
[0036] Как правило, конечно, было бы предпочтительно перерабатывать растворы сахаров 14, имеющие более высокую загрузку гексозных сахаров, а не меньшую загрузку, хотя наблюдались некоторые компромиссы относительно общей учитываемости сахаров и в других отношениях, и это следует учитывать в определении оптимальных условий, наблюдаемых для данного сырья. Аналогично, более мягкие условия реакции обычно приводят к меньшей степени превращения, но обеспечивают повышенную учитываемость сахаров.
[0037] Для конкретного примера 40 процентов загрузки сухого твердого вещества сырья HFCS 42, дающего до 20 процентов конечной концентрации сухого твердого вещества, использование более короткого времени реакции и температуры ближе к верхнему пределу кажутся предпочтительными, например, 5 минут при 200 градусах Цельсия. Для HFCS 90 при той же исходной концентрации кислот температура реакции может быть в диапазоне от 185 градусов до 205 градусов Цельсия, загрузка сухого твердого вещества гексозных сахаров в растворе сахаров 14 может быть от 30 до 50 процентов, и получают от 8 до 15 процентов конечной концентрации сухого твердого вещества, а время реакции может быть от 5 до 10 минут.
[0038] В качестве иллюстрации соображений, принимаемых в переработке одного сырья по сравнению с другим, для HFCS 90, в отличие от HFCS 42, конечную концентрацию сухого твердого вещества в 20 процентов нельзя было достигнуть с той же суммарной учитываемостью сахаров и как предпочтительная была определена более низкая конечная концентрация сухого твердого вещества. Для конечной концентрации сухого твердого вещества в 10 процентов было обнаружено, что положительные результаты дают температура реакции 185 градусов Цельсия и время реакции 10 минут. Следует отметить, что благоприятные условия для извлеченных сахаров в потоке или порции 24 могут отличаться от предполагаемых для только что поданных сахаров в растворе сахаров 14, где предполагается рециркуляция для получения дополнительного количества продукта HMF.
[0039] В любом случае, нагревание до желаемой температуры реакции предпочтительно осуществлять в течение не более чем 15 минут, предпочтительно осуществлять в течение 11 минут или менее, более предпочтительно в течение не более чем 8 минут и еще более предпочтительно осуществлять в течение не более чем пяти минут. Как показано примерами из заявки WO 2013/106136, быстрая подача количества раствора гексозных сахаров окружающей температуры в горячую матрицу водной кислоты (за две минуты) давала постоянные улучшения одного или нескольких параметров из селективности HMF, выхода и сумарной учитываемости сахаров по сравнению с менее быстрой подачей, даже при том же прошедшем времени между тем, как полностью ввели количество раствора гексозных сахаров и тем, когда начали охлаждение. Быстрое охлаждение от температуры реакции до 50 градусов Цельсия и ниже предпочтительно выполняют в течение не более чем 5 минут, в частности, 3 минут или менее.
[0040] Более конкретно, в реакторе периодического действия объединение раствора сахаров 14 и кислотного катализатора в горячем реакторе, уже находящемся близко к желаемой температуре реакции или при ней, обеспечивает улучшенные результаты по сравнению с тем, когда раствор сахаров 14 и кислотный катализатор добавляют в реактор и затем постепенно нагревают вместе до желаемой температуры реакции.
[0041] В отношении непрерывных процессов, одним пригодным средством для быстрого нагрева раствора сахаров 14 и кислотного катализатора может быть прямое введение пара. Коммерчески доступное встраиваемое устройство прямого введения пара, Hydro-Thermal Hydroheater™ от Hydro-Thermal Corporation, 400 Pilot Court, Вокеша, Висконсин, вводит пар на скорости звука в тонкий слой жидкости (такой как раствор сахаров 14), текущей из входной трубы через ряд щелей. Поток пара точно регулируется через сопло с регулируемым сечением до такой степени, при которой температуры выходящей текучей среды, как заявляется, управляемы с точностью до 0,5 градусов Фаренгейта в пределах большого динамического диапазона регулирования жидкости. Турбулентное смешивание происходит в специально разработанной трубе смешения с регулируемым коэффициентом трения, ответственным за регулировки потока пара и потока жидкости через (или падение давления между) ряд щелей. Устройства этого общего типа описаны, например, в US 5622655; US 5842497; US 6082712; и US 7152851.
[0042] В примерах, приводимых в WO 2013/106136 с использованием такого устройства, самый высокий выход HMF и учитываемость сахаров из сиропа HFCS 42 включали систему из серной кислоты (0,5% по массе сахаров), начальную концентрацию сухих твердых веществ в 20% и быстрое нагревание реакционной смеси прямым введением пара с противодавлением системы 1,48 МПа, манометрическим до 1,52 МПа, манометрическим (215-220 индикаторных фунтов на кв.дюйм), давлением пара 1,9 МПа, манометрическим (275 индикаторных фунтов на кв.дюйм), временем 5-6 минут при температурах реакции, обеспечиваемых прямым введением пара и быстрым охлаждением смеси продуктов перед сбросом давления. Заданная точка управления реакции, контролируемая элементом контроля температуры, составляла 200 градусов Цельсия, а максимальная температура, достигнутая в конце остановочной трубы, составляла 166 градусов Цельсия. С этими условиями получили HMF с молярным выходом до 20% с более чем 90% общей учитываемостью сахаров. Практически отсутствовало видимое образование нерастворимых гуминов.
[0043] Для сиропа HFCS 90, перерабатываемого в том же аппарате, самый высокий выход HMF и учитываемость сахаров включали систему из серной кислоты (0,5% по массе сахаров), начальную концентрацию сухих твердых веществ 10% и быстрое нагревание реакционной смеси прямым введением пара с противодавлением системы 1 МПа, манометрическим (150 индикаторных фунтов на кв.дюйм), давлением пара 1,4 МПа, манометрическим (200 индикаторных фунтов на кв.дюйм), временем 11 минут при температурах реакции, обеспечиваемых прямым введением пара и быстрым охлаждением смеси продуктов перед сбросом давления. Заданная точка управления реакции составляла 185 градусов С, а максимальная температура, достигнутая в конце остановочной трубы, составляла 179 градусов С. С этими условиями из HFCS 90 получили HMF с молярным выходом до 31% с более чем 95% общей учитываемостью сахаров. Опять же практически отсутствовало видимое образование нерастворимых гуминов.
[0044] Быстрое охлаждение смеси 18 можно осуществлять различными средствами. Например, в то время как по меньшей мере в некоторых из примеров ниже перед снижением давления был использован паяный пластинчатый теплообменник, можно использовать другие типы теплообменников. Другие возможности будут очевидны специалистам в данной области.
[0045] Будет понятно, что стадию 16 кислотно-катализируемой дегидратации можно проводить в порционном, полунепрерывном или непрерывном режиме. Ранее был описан ряд кислотных катализаторов для дегидратации содержащих гексозы материалов до HMF, включая как гомогенные, так и гетерогенные, твердые кислотные катализаторы. Твердые кислотные катализаторы были бы предпочтительными, учитывая, что их легче отделять и извлекать для повторного использования, но выбор катализатора, который будет сохранять удовлетворительную активность и стабильность в присутствии воды и при температурах, требуемых для проведения стадии 16 дегидратации, может быть проблематичным. В примерах из заявки WO 2013/106136 и в примерах ниже использована серная кислота, и она обеспечила хорошие выходы и отличные учитываемости сахаров.
[0046] Настоящее изобретение проиллюстрировано следующими примерами.
[0047] Пример 1 и сравнительный пример 1
[0048] Кристаллическую фруктозу (5 г) растворяли в 7 мл воды и загружали в 25 мл двугорлую круглодонную колбу. Колбу снабжали трубкой для пропускания газа (либо сухого воздуха (сравн. пр. 1), либо азота (пр. 1)) через раствор и обратным холодильником. Через раствор в течение пяти минут пропускали газ (сухой воздух или азот), затем к раствору добавляли одну каплю концентрированной серной кислоты. Затем колбу закрывали резиновой септой, вставив иглу 16-го калибра, чтобы позволить выходить пропущенному газу, и кипятили с обратным холодильником в течение 7 часов. После 7-часового времени реакции содержимое из обеих проб, через которые пропустили воздух и пропустили азот, было янтарного цвета, но из протонного ЯМР содержимое реактора из пробы, через которую пропустили азот, практически не содержало левулиновой и муравьиной кислот (Таблица 1), тогда как содержимое реактора, через который традиционно пропустили сухой воздух, показало значительные количества обеих.
[0049] Примеры 2-5 со сравнительными примерами 2-5
[0050] В ампулку, содержащую 500 мг расплавленного гидроксиметилфурфурола, добавляли 1000 ppm по массе бутилированного гидроксианизола (ВНА) (пр. 2). Смесь перемешивали на вихревой мешалке, затем помещали в печь, установленную на 85 градусов Цельсия. Для сравнения, ампулку, содержащую 500 мг расплавленного гидроксиметилфурфурола, но без ВНА (сравн. пр. 2) помещали в печь рядом с первой ампулкой.
[0051] Второй набор образцов - пример 3 и сравнительный пример 3 -получали путем объединения 850 мг HMF со 150 мг воды; к одному из образцов добавляли 1000 ppm эквивалента ВНА, тогда как ко второму ничего не добавляли. Оба образца энергично перемешивали и помещали в печь при 85 град. С.
[0052] Затем получали четыре образца с 10 процентами по массе HMF в воде путем объединения 100 мг HMF с 900 мг воды. К одному из образцов (пр. 4) добавляли 1000 ppm эквивалента ВНА. Для второго образца (пр. 5), вытесняли воздух путем барботирования аргона через раствор и ампулку запечатывали, чтобы сохранять HMF под атмосферой аргона. Для третьего образца (сравн. пр. 4), в ампулку вводили 10% муравьиной кислоты по массе от HMF. Четвертый образец (сравн. пр. 5) не модифицировали никак. Все четыре образца снова помещали в печь при 85 градусах Цельсия после интенсивного перемешивания.
[0053] Через 1 неделю проанализировали композиции различных ампулок и затем снова через 2 недели (за исключением образца, через который пропускали азот), с результатами, приведенными в таблицах 2 и 3 соответственно.
[0054] Примеры 6 и 7
[0055] Эти примеры выполняли, чтобы оценить, будет ли антиоксидант ВНА также эффективно стабилизировать сложноэфирные и эфирные производные HMF, помимо HMF.
[0056] Сложноэфирное производное. Для примера со сложным эфиром 5-ацетоксиметилфурфурол (AcHMF) приобретали коммерчески (от Aldrich) и перекристаллизовали из смеси н-гексан/метил-трет-бутиловый эфир для улучшения чистоты. В ампулку, содержащую 500 ppm эквивалента ВНА, добавляли 900 мг AcHMF. Для сравнения получали второй образец, содержащий 700 мг AcHMF, без ВНА. Пространство над продуктом заполняли аргоном и расплавляли и перемешали AcHMF. Образцы снова подвергали воздействию воздушной атмосферы и помещали в темную печь при 85°С, и анализировали через одну неделю и снова через две недели.
[0057] Стабилизатор однозначно не оказывает вредного воздействия, но по меньшей мере при условиях и в протестированных временных интервалах, не было какой-либо заметной деградации, так что при указанных условиях результаты не привели к определенным выводам.
[0058] HMF и AcHMF для примера со сложным эфиром анализировали с помощью сверхпроизводительной жидкостной хроматографии (UPLC), с использованием аппарата Waters Acquity H-Class UPLC с УФ-детектором с перестраиваемой длиной волны - контроль при 280 нм, и следующими дополнительными подробностями анализа.
[0059] Колонка: Waters ВЕН С18 2.1×50 мм, 1,7 мкм.
[0060] Температура: 50°С.
[0061] Расход: 0,5 мл/мин.
[0062] Вытесняющий растворитель: 10% ацетонитрил.
[0063] Промывающий растворитель: 50% ацетонитрил.
[0064] Растворитель С: 50% ацетонитрил.
[0065] Растворитель D: вода.
[0066] Градиент:
[0067] Вкалываемый объем: 0,5 мкл.
[0068] Время анализа: 2,5 мин.
[0069] Эфирное производное. Для эфирного производного HMF 5-бутоксиметилфурфурол (BMF) перекристаллизовывали из н-гексана до тех пор, пока по данным ЯМР не переставал наблюдаться бутиллевулинат. BMF (700 мг) добавляли в ампулку, содержащую 500 ppm эквивалента ВНА, с последующим тщательным перемешиванием. Для сравнения 300 мг BMF помещали в ампулку, не содержащую ВНА. Ампулки выдерживали в темной печи при 85°С и отбирали образцы для анализа через интервалы в 1 и 2 недели.
[0070] Результаты испытаний приведены в таблице 5.
[0071] BMF анализировали при помощи газовой хроматографии. Образец разбавляли до концентрации 1 мг/мл ацетонитрилом и процент площади GC измеряли, как приведено в таблице 5. Исходный материал имел >99,9% по площади GC. Хотя не все продукты разложения были идентифицированы и действительно хотя некоторые продукты деградации могли быть не обнаружены, тем не менее результаты показывают, что ВНА способствовал стабилизации эфирного производного BMF.
[0072] Конкретные подробности аналитического метода были следующими.
[0073] Инструмент: Agilent 7890 GC с автодозатором 7693.
[0074] Колонка: DB-5 UI 60 м × 250 мкм × 0,25 мкм.
2
[0075] Газ-носитель: Н.
[0076] Расход: 1 мл/мин (постоянный).
[0077] Температура дозатора: 200°С.
[0078] Деление: 50:1.
[0079] Детектор: 340°С
[0080] Температурная программа: начало: 50°С.
[0081] Скорость изменения температуры 1: 5°/мин до 180°С.
[0082] Скорость изменения температуры 2: 20°С/мин до 200°С выдержка 1 мин.