METODER FÖR TILLVERKNING AV ALKYLGLUKOSIDER

Fischer-glykosidering är den enda kemiska syntesmetoden som har möjliggjort utvecklingen av dagens ekonomiska och tekniskt fulländade lösningar för storskalig produktion av alkylpolyglukosider. Produktionsanläggningar med kapacitet på över 20 000 ton/år har redan realiserats och utökar produktsortimentet för tensidindustrin med ytaktiva ämnen baserade på förnybara råvaror. D-glukos och linjära C8-C16-fettalkoholer har visat sig vara de föredragna råvarorna. Dessa produkter kan omvandlas till ytaktiva alkylpolyglukosider genom direkt Fischer-glykosidering eller tvåstegs-transglykosidering via butylpolyglukosid i närvaro av syrakatalysatorer, med vatten som biprodukt. Vattnet måste destilleras från reaktionsblandningen för att förskjuta reaktionsjämvikten mot de önskade produkterna. Under glykosideringsprocessen bör inhomogeniteter i reaktionsblandningen undvikas, eftersom de leder till överdriven bildning av så kallade polyglukosider, vilka är mycket oönskade. Många tekniska strategier koncentrerar sig därför på att homogenisera edukterna n-glukos och alkoholer, vilka är svårblandbara på grund av deras skillnad i polaritet. Under reaktionen bildas glykosidbindningar både mellan fettalkohol och n-glukos och mellan n-glukosenheterna själva. Alkylpolyglukosider bildas följaktligen som blandningar av fraktioner med olika antal glukosenheter vid den långkedjiga alkylresten. Var och en av dessa fraktioner består i sin tur av flera isomera beståndsdelar, eftersom n-glukosenheterna antar olika anomera former och ringformer i kemisk jämvikt under Fischer-glykosidering och glykosidbindningarna mellan D-glukosenheterna förekommer i flera möjliga bindningspositioner. Anomerförhållandet för D-glukosenheterna är ungefär α/β = 2:1 och verkar svårt att påverka under de beskrivna förhållandena för Fischer-syntes. Under termodynamiskt kontrollerade förhållanden existerar n-glukosenheterna som ingår i produktblandningen huvudsakligen i form av pyranosider. Medelantalet n-glukosenheter per alkylrest, den så kallade polymerisationsgraden, är i huvudsak en funktion av molförhållandet mellan edukterna under tillverkningen. På grund av deras utpräglade tensidegenskaper[1] ges särskild preferens åt alkylpolyglukosider med polymerisationsgrader mellan 1 och 3, för vilka cirka 3-10 mol fettalkohol måste användas per mol n-glukos i processen.

Polymerisationsgraden minskar när överskottet av fettalkohol ökar. Överskott av fettalkoholer separeras och utvinns genom en flerstegs vakuumdestillationsprocess med fallande filmindunstare, så att termisk stress kan hållas till ett minimum. Indunstningstemperaturen bör vara precis tillräckligt hög och kontakttiden i den heta zonen precis tillräckligt lång för att säkerställa tillräcklig destillation av överskottet av fettalkohol och flöde av alkylpolyglukosidsmältan utan någon signifikant nedbrytningsreaktion. En serie indunstningssteg kan med fördel användas för att först separera den lågkokande fraktionen, sedan huvudmängden av fettalkohol och slutligen den återstående fettalkoholen, tills alkylpolyglykosiden smälter som en vattenlöslig rest.

Även under de mildaste förhållandena för syntes och avdunstning av fettalkoholer kommer oönskad brun missfärgning att uppstå, och blekningsprocesser krävs för att förfina produkten. En blekningsmetod som har visat sig lämplig är att tillsätta ett oxidationsmedel, såsom väteperoxid, till en vattenhaltig formulering av alkylpolyglykosid i ett alkaliskt medium i närvaro av magnesiumjoner.

De många studier och varianter som använts i syntes-, efterbehandlings- och raffineringsprocessen garanterar att det även idag inte finns någon allmänt tillämpbar "nyckelfärdig" lösning för att erhålla en specifik produktkvalitet. Tvärtom måste alla processsteg formuleras. Dongfu ger några förslag på lösningsdesign och tekniska lösningar, och förklarar de kemiska och fysikaliska förhållandena för reaktions-, separations- och raffineringsprocessen.

Alla tre huvudprocesserna – homogen transglykosidering, uppslamningsprocess och glukosmatningsteknik – kan användas under industriella förhållanden. Under transglykosidering måste koncentrationen av den mellanliggande butylpolyglukosiden, som fungerar som ett solubiliseringsmedel för edukterna D-glukos och butanol, hållas över cirka 15 % i reaktionsblandningen för att undvika inhomogeniteter. Av samma skäl måste vattenkoncentrationen i reaktionsblandningen som används för direkt Fischer-syntes av alkylpolyglukosider hållas på mindre än cirka 1 %. Vid högre vattenhalter finns det en risk att den suspenderade kristallina D-glukosen omvandlas till en klibbig massa, vilket i sin tur skulle resultera i dålig bearbetning och överdriven polymerisation. Effektiv omrörning och homogenisering främjar den fina fördelningen och reaktiviteten hos den kristallina D-glukosen i reaktionsblandningen.

Både tekniska och ekonomiska faktorer måste beaktas vid val av syntesmetod och dess mer sofistikerade varianter. Homogena transglykosideringsprocesser baserade på D-glukossirap verkar vara särskilt gynnsamma för kontinuerlig produktion i stor skala. De möjliggör permanenta besparingar vid kristallisering av råmaterialet D-glukos i förädlingskedjan, vilket mer än väl kompenserar för de högre engångsinvesteringarna i transglykosideringssteget och återvinningen av butanol. Användningen av n-butanol har inga andra nackdelar, eftersom den kan återvinnas nästan helt så att restkoncentrationerna i de återvunna slutprodukterna endast är några få miljondelar, vilket kan anses vara icke-kritiskt. Direkt Fischer-glykosidering enligt uppslamningsprocessen eller glukosmatningstekniken eliminerar transglykosideringssteget och återvinningen av butanol. Den kan också utföras kontinuerligt och kräver något lägre kapitalutgifter.

I framtiden kommer tillgången och priset på fossila och förnybara råvaror, liksom de fortsatta tekniska framstegen inom produktionen av alkylpolysackarider, att ha en avgörande inverkan på marknadskapaciteten och produktionskapaciteten för utveckling och tillämpning. Baspolysackarider har redan egna tekniska lösningar som kan ge viktiga konkurrensfördelar på ytbehandlingsmarknaden för företag som utvecklar eller har anammat sådana processer. Detta gäller särskilt när priserna är höga och låga. Tillverkningskostnaden för tillverkningsmedlet har stigit till den vanliga nivån, och även om priset på lokala råvaror sjunker något kan det fixa ersättningar för tensider och uppmuntra installationen av nya alkylpolysackaridproduktionsanläggningar.