METODER FÖR TILLVERKNING AV ALKYLGLUKOSIDER

Fischer-glykosidering är den enda metoden för kemisk syntes som har möjliggjort utvecklingen av dagens ekonomiska och tekniskt perfekta lösningar för storskalig produktion av alkylpolyglukosider. Produktionsanläggningar med en kapacitet på över 20 000 ton/år har redan realiserats och utökar produktsortimentet för ytaktiva ämnen med ytaktiva ämnen baserade på förnybara råvaror. D-glukos och linjära C8-C16 fettalkoholer har visat sig vara de föredragna råvarorna. Dessa edukter kan omvandlas till ytaktiva alkylpolyglukosider med hjälp av direkt Fischer-glykosidering eller tvåstegstransglykosidering via butylpolyglukosid i närvaro av sura katalysatorer, 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, som är dåligt blandbara på grund av deras skillnad i polaritet. Under reaktionen bildas glykosidbindningar både mellan fettalkohol och n-glukos och mellan själva n-glukosenheterna. 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 . Anomerkvoten för D-glukosenheterna är ungefär α/β＝ 2:1 och verkar svår att påverka under de beskrivna förhållandena för Fischer-syntes. Under termodynamiskt kontrollerade förhållanden existerar n-glukosenheterna i produktblandningen övervägande i form av pyranosider. Medelantalet n-glukosenheter per alkylrest, den så kallade polymerisationsgraden, är väsentligen en funktion av molförhållandet mellan edukterna under tillverkningen. På grund av deras uttalade ytaktiva egenskaper[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.

Graden av polymerisation minskar när överskottet av fettalkohol ökar. Överskott av fettalkoholer separeras och återvinns genom en flerstegs vakuumdestillationsprocess med fallande filmförångare, så att termisk stress kan hållas till ett minimum. Indunstningstemperaturen bör vara precis tillräckligt hög och kontakttiden i den varma zonen precis tillräckligt lång för att säkerställa tillräcklig destillation av överskottet av fettalkohol och flöde av alkylpolyglukosidsmältan utan någon signifikant nedbrytningsreaktion. En serie av förångningssteg kan med fördel användas för att separera först den lågkokande fraktionen, sedan huvudmängden 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 inträffa, och blekningsprocesser krävs för att förädla produkten. En metod för blekning 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 studierna och varianterna som används i syntes-, efterbearbetnings- och raffineringsprocessen garanterar att det ännu idag inte finns någon allmänt användbar "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, slurryprocess och glukosmatningsteknik – kan användas under industriella förhållanden. Under transglykosidering måste koncentrationen av mellanprodukten butylpolyglukosid, som fungerar som ett solubiliseringsmedel för edukterna D-glukos och butanol, hållas över cirka 15 % i reaktionsblandningen för att undvika inhomogeniteter. För samma ändamål måste vattenkoncentrationen i reaktionsblandningen som används för direkt Fischer-syntes av alkylpolyglukosider hållas vid mindre än cirka 1 %. Vid högre vattenhalter finns det risk för att det suspenderade kristallina D-glukosen omvandlas till en klibbig massa, vilket i efterhand skulle resultera i dålig bearbetning och överdriven polymerisation. Effektiv omrörning och homogenisering främjar den fina fördelningen och reaktiviteten av den kristallina D-glukosen i reaktionsblandningen.

Både tekniska och ekonomiska faktorer måste beaktas när man väljer syntesmetoden och dess mer sofistikerade varianter. Homogena transglykosideringsprocesser baserade på D-glukossirap förefaller särskilt gynnsamma för kontinuerlig produktion i stor skala. De möjliggör permanenta besparingar på kristallisering av råvaran D-glukos i förädlingskedjan, vilket mer än kompenserar för de högre engångsinvesteringarna i transglykosideringssteget och återvinningen av butanol. Användningen av n-butanol medför inga andra nackdelar, eftersom den kan återvinnas nästan fullständigt så att restkoncentrationerna i de återvunna slutprodukterna endast är några ppm, vilket kan anses vara icke-kritiskt. Direkt Fischer-glykosidering enligt slurryprocessen eller glukosmatningstekniken gör att transglykosideringssteget och återvinningen av butanol undviks. Det kan också utföras kontinuerligt och kräver något lägre investeringar.

I framtiden kommer tillgången och priset på fossila och förnybara råvaror, liksom de ytterligare tekniska framstegen inom produktionen av alkylpolysackarider, att ha en avgörande inverkan på marknadskapaciteten och produktionskapaciteten för utveckling och tillämpning. Baspolysackarid 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, även om priset på lokala råvaror sjunker något, kan det fixa ersättningarna för ytaktiva ämnen och kan uppmuntra installationen av nya anläggningar för produktion av alkylpolysackarider.