METODY WYTWARZANIA ALKILOGLUKOZYDÓW

Glikozydacja Fischera to jedyna metoda syntezy chemicznej, która umożliwiła opracowanie ekonomicznych i technicznie zaawansowanych rozwiązań w zakresie produkcji alkilopoliglukozydów na dużą skalę. Powstały już instalacje produkcyjne o wydajności ponad 20 000 ton rocznie, które poszerzają gamę produktów przemysłu surfaktantów o środki powierzchniowo czynne oparte na surowcach odnawialnych. Preferowanymi surowcami okazały się D-glukoza i liniowe alkohole tłuszczowe C8-C16. Produkty te można przekształcić w powierzchniowo czynne alkilopoliglukozydy poprzez bezpośrednią glikozydację Fischera lub dwuetapową transglikozydację za pomocą butylopoliglukozydu w obecności katalizatorów kwasowych, z wodą jako produktem ubocznym. Woda musi zostać oddestylowana z mieszaniny reakcyjnej, aby przesunąć równowagę reakcji w kierunku pożądanych produktów. Podczas procesu glikozydacji należy unikać niejednorodności w mieszaninie reakcyjnej, ponieważ prowadzą one do nadmiernego tworzenia się tzw. poliglukozydów, które są wysoce niepożądane. Wiele strategii technicznych koncentruje się zatem na homogenizacji eduktów n-glukozy i alkoholi, które są słabo mieszalne ze względu na różnicę polarności. Podczas reakcji wiązania glikozydowe powstają zarówno między alkoholem tłuszczowym a n-glukozą, jak i między samymi jednostkami n-glukozy. W konsekwencji poliglukozydy alkilowe tworzą mieszaniny frakcji o różnej liczbie jednostek glukozy przy długołańcuchowej reszcie alkilowej. Każda z tych frakcji z kolei składa się z kilku składników izomerycznych, ponieważ jednostki n-glukozy przyjmują różne formy anomeryczne i formy pierścieniowe w stanie równowagi chemicznej podczas glikozydacji Fischera, a wiązania glikozydowe między jednostkami D-glukozy występują w kilku możliwych pozycjach wiązania. Stosunek anomerów jednostek D-glukozy wynosi około α/β = 2:1 i wydaje się trudny do zmiany w opisanych warunkach syntezy Fischera. W warunkach kontrolowanych termodynamicznie jednostki n-glukozy zawarte w mieszaninie produktów występują głównie w postaci piranozydów. Średnia liczba jednostek n-glukozy na resztę alkilową, tzw. stopień polimeryzacji, jest zasadniczo funkcją stosunku molowego eduktów podczas produkcji. Ze względu na ich wyraźne właściwości powierzchniowo czynne[1], szczególnie preferowane są alkilopoliglukozydy o stopniu polimeryzacji między 1 a 3, dla których w procesie należy użyć około 3–10 moli alkoholu tłuszczowego na mol n-glukozy.

Stopień polimeryzacji maleje wraz ze wzrostem nadmiaru alkoholu tłuszczowego. Nadmiar alkoholi tłuszczowych jest oddzielany i odzyskiwany w wieloetapowym procesie destylacji próżniowej z wykorzystaniem parowników opadających, co pozwala zminimalizować naprężenia termiczne. Temperatura parowania powinna być wystarczająco wysoka, a czas kontaktu w strefie gorącej wystarczająco długi, aby zapewnić wystarczającą destylację nadmiaru alkoholu tłuszczowego i przepływ stopu alkilopoliglikozydu bez znaczącej reakcji rozkładu. Można korzystnie zastosować serię etapów parowania, aby najpierw oddzielić frakcję niskowrzącą, następnie główną ilość alkoholu tłuszczowego, a na końcu pozostałą część alkoholu tłuszczowego, aż alkilopoliglikozyd stopi się jako rozpuszczalna w wodzie pozostałość.

Nawet w najłagodniejszych warunkach syntezy i odparowywania alkoholi tłuszczowych może wystąpić niepożądane brązowe przebarwienie, dlatego do rafinacji produktu konieczne jest zastosowanie procesu bielenia. Jedną z metod bielenia, która okazała się skuteczna, jest dodanie środka utleniającego, takiego jak nadtlenek wodoru, do wodnego roztworu alkilopoliglikozydu w środowisku alkalicznym w obecności jonów magnezu.

Liczne badania i warianty stosowane w procesie syntezy, postprodukcji i rafinacji gwarantują, że nawet dziś nie ma powszechnie stosowanego, gotowego do użycia rozwiązania pozwalającego uzyskać określony gatunek produktu. Wręcz przeciwnie, wszystkie etapy procesu wymagają opracowania. Dongfu przedstawia sugestie dotyczące projektu rozwiązania i rozwiązań technicznych, a także wyjaśnia warunki chemiczne i fizyczne procesu reakcji, separacji i rafinacji.

Wszystkie trzy główne procesy – homogeniczna transglikozydacja, proces zawiesinowy i technika podawania glukozy – mogą być stosowane w warunkach przemysłowych. Podczas transglikozydacji stężenie pośredniego butylopoliglukozydu, który działa jako solubilizator dla eduktów D-glukozy i butanolu, musi być utrzymywane na poziomie powyżej około 15% w mieszaninie reakcyjnej, aby uniknąć niejednorodności. W tym samym celu stężenie wody w mieszaninie reakcyjnej stosowanej do bezpośredniej syntezy Fischera alkilopoliglukozydów musi być utrzymywane na poziomie poniżej około 1%. Przy wyższych zawartościach wody istnieje ryzyko przekształcenia zawieszonej krystalicznej D-glukozy w lepką masę, co w konsekwencji skutkowałoby nieprawidłowym przetwarzaniem i nadmierną polimeryzacją. Skuteczne mieszanie i homogenizacja sprzyjają dokładnemu rozprowadzeniu i reaktywności krystalicznej D-glukozy w mieszaninie reakcyjnej.

Przy wyborze metody syntezy i jej bardziej zaawansowanych wariantów należy uwzględnić zarówno czynniki techniczne, jak i ekonomiczne. Homogeniczne procesy transglikozydacji oparte na syropach D-glukozowych wydają się szczególnie korzystne w przypadku ciągłej produkcji na dużą skalę. Pozwalają one na trwałe oszczędności w zakresie krystalizacji surowca D-glukozy w łańcuchu wartości dodanej, co z nawiązką rekompensuje wyższe jednorazowe nakłady inwestycyjne w etapie transglikozydacji i odzysku butanolu. Zastosowanie n-butanolu nie stwarza innych wad, ponieważ można go niemal całkowicie poddać recyklingowi, dzięki czemu stężenia resztkowe w odzyskanych produktach końcowych wynoszą zaledwie kilka części na milion, co można uznać za niekrytyczne. Bezpośrednia glikozydacja Fischera, prowadzona metodą zawiesinową lub techniką podawania glukozy, eliminuje etap transglikozydacji i odzysku butanolu. Może być również prowadzona w sposób ciągły i wymaga nieco niższych nakładów inwestycyjnych.

W przyszłości podaż i cena surowców kopalnych i odnawialnych, a także dalszy postęp technologiczny w produkcji alkilopolisacharydów, będą miały decydujący wpływ na potencjał rynku oraz możliwości produkcyjne w zakresie rozwoju i zastosowań. Polisacharydy bazowe posiadają już własne rozwiązania techniczne, które mogą zapewnić istotną przewagę konkurencyjną na rynku obróbki powierzchni firmom, które opracowują lub wdrożyły takie procesy. Jest to szczególnie istotne w przypadku wysokich i niskich cen. Koszty produkcji środka produkcyjnego wzrosły do ​​zwykłego poziomu, nawet jeśli cena lokalnych surowców nieznacznie spadnie, może to utrwalić substytuty surfaktantów i zachęcić do instalacji nowych zakładów produkujących alkilopolisacharydy.