Transglykosideringsprocesser med D-glukos som råmaterial.

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 alkylpolyglykosider genom direkt Fischer-glykosylering eller genom tvåstegstransglykosider av butylpolyglykosid i närvaro av en sur katalysator, med vatten som biprodukt. Vatten måste destilleras från reaktionsblandningen för att förskjuta reaktionsjämvikten mot den önskade produkten. I glykosyleringsprocessen bör inhomogeniteter i reaktionsblandningen undvikas eftersom de kan leda till överdriven bildning av så kallad polydextros, vilket är mycket oönskat. Därför fokuserar många tekniska strategier på de homogena edukterna n-glukos och alkohol, som är svåra att blandbara på grund av deras olika polariteter. 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. Det genomsnittliga antalet normala glukosenheter per alkylrest, den så kallade polymerisationsgraden, är i grunden en funktion av molförhållandet mellan edukter under tillverkningsprocessen. På grund av deras anmärkningsvärda ytaktiva egenskaper är alkylpolyglykosider med en polymerisationsgrad mellan 1 och 3 särskilt föredragna, varför ca 3-10 mol fettalkoholer måste användas per mol normal glukos i denna metod.

Graden av polymerisation minskar vid ett ökande överskott av fettalkohol. Överskottet av fettalkohol separeras och återvinns med hjälp av flerstegs vakuumdestillationsprocesser med fallfilmsförångare, vilket gör det möjligt att hålla den termiska spänningen till ett minimum. Indunstningstemperaturen bör vara precis tillräckligt hög och kontakttiden i den varma zonen precis tillräckligt lång för att säkerställa adekvat destillation av överskottet av fettalkohol och flöde av alkylpolyglukosidsmältan, utan att några betydande nedbrytningsreaktioner inträffar. En serie av förångningssteg kan med fördel användas för att separera först lågkokande fraktioner, sedan huvudmängden fettalkohol och slutligen den återstående fettalkoholen tills alkylpolyglukosidsmältan erhålls som vattenlösliga rester.

Även när syntes och avdunstning av fettalkoholen utförs under de mest skonsamma förhållanden uppstår oönskad brun missfärgning, vilket kräver blekningsprocesser för att förfina produkterna. En blekningsmetod som har visat sig lämplig är tillsats av oxidanter såsom väteperoxid till vattenhaltiga preparat av alkylpolyglukosider i alkaliskt medium i närvaro av magnesiumjoner.

De mångfaldiga undersökningar och varianter som används under syntes, bearbetning och raffinering visar att det ännu idag inte finns några generellt tillämpliga "nyckelfärdiga" lösningar för att erhålla specifika produktkvaliteter. Tvärtom måste alla processsteg utarbetas, ömsesidigt anpassas och optimeras. Det här kapitlet har gett förslag och beskrivit några praktiska sätt att utarbeta tekniska lösningar, samt anger standardmässiga kemiska och fysikaliska förhållanden för att utföra reaktioner, separation och raffineringsprocesser.

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.

Den framtida tillgängligheten och priserna på fossila och förnybara råvaror, samt ytterligare tekniska framsteg inom produktion och applicering av alkylpolyglukosider, kan förväntas ha ett avgörande inflytande på utvecklingen av de senares marknadsvolym och produktionskapacitet. De hållbara tekniska lösningar som redan finns för produktion och användning av alkylpolyglukosider kan ge en avgörande konkurrensfördel på marknaden för ytaktiva ämnen till företag som har utvecklat eller redan använder sådana processer. Detta gäller särskilt vid höga råoljepriser och låga spannmålspriser. Eftersom de fasta tillverkningskostnaderna förvisso ligger på en sedvanlig nivå för industriella ytaktiva ämnen i bulk, kan till och med små sänkningar av priset på inhemska råvaror leda till utbyte av råvaror för ytaktiva ämnen och kan klart uppmuntra installationen av nya produktionsanläggningar för alkylpolyglukosider.