METODY VÝROBY ALKYLGLUKOSIDŮ

Fischerova glykosidace je jediná metoda chemické syntézy, která umožnila vývoj dnešních ekonomických a technicky zdokonalených řešení pro velkovýrobu alkylpolyglukosidů. Výrobní závody s kapacitou přes 20 000 t/rok již byly realizovány a rozšiřují sortiment produktů průmyslu povrchově aktivních látek o povrchově aktivní látky na bázi obnovitelných surovin. D-glukóza a lineární mastné alkoholy C8-C16 se ukázaly jako preferované vstupní suroviny. Tyto edukty lze převést na povrchově aktivní alkylpolyglukosidy pomocí přímé Fischerovy glykosidace nebo dvoustupňové transglykosidace přes butylpolyglukosid za přítomnosti kyselých katalyzátorů, s vodou jako vedlejším produktem. Voda musí být z reakční směsi destilována, aby se reakční rovnováha posunula směrem k požadovaným produktům. Během procesu glykosidace je třeba se vyhnout nehomogenitám v reakční směsi, protože vedou k nadměrné tvorbě tzv. polyglukosidů, které jsou vysoce nežádoucí. Mnoho technických strategem se proto zaměřuje na homogenizaci eduktů n-glukózy a alkoholů, které jsou kvůli rozdílné polaritě špatně mísitelné. Během reakce se tvoří glykosidické vazby jak mezi mastným alkoholem a n-glukózou, tak i mezi samotnými n-glukózovými jednotkami. Alkylpolyglukosidy se následně tvoří jako směsi frakcí s různým počtem glukózových jednotek na alkylovém zbytku s dlouhým řetězcem. Každá z těchto frakcí se zase skládá z několika izomerních složek, protože n-glukózové jednotky nabývají v chemické rovnováze během Fischerovy glykosidace různých anomerních forem a kruhových forem a glykosidické vazby mezi D-glukózovými jednotkami se vyskytují v několika možných vazebných pozicích. Poměr anomerů D-glukózových jednotek je přibližně α/β = 2:1 a zdá se, že za popsaných podmínek Fischerovy syntézy je obtížné jej ovlivnit. Za termodynamicky kontrolovaných podmínek existují n-glukózové jednotky obsažené ve směsi produktů převážně ve formě pyranosidů. Průměrný počet n-glukózových jednotek na alkylový zbytek, tzv. stupeň polymerace, je v podstatě funkcí molárního poměru eduktů během výroby. Vzhledem k jejich výrazným povrchově aktivním vlastnostem[1] se zvláštní přednost dává alkylpolyglukosidům se stupněm polymerace mezi 1 a 3, u kterých se v procesu musí použít přibližně 3–10 mol mastného alkoholu na mol n-glukózy.

Stupeň polymerace klesá s rostoucím množstvím přebytečného mastného alkoholu. Přebytečné mastné alkoholy se oddělují a regenerují vícestupňovým vakuovým destilačním procesem s odpařovači s klesajícím filmem, aby bylo možné minimalizovat tepelné namáhání. Teplota odpařování by měla být dostatečně vysoká a doba kontaktu v horké zóně dostatečně dlouhá, aby byla zajištěna dostatečná destilace přebytečného mastného alkoholu a tok taveniny alkylpolyglukosidu bez jakékoli významné rozkladné reakce. Série odpařovacích kroků může být s výhodou použita k oddělení nejprve nízkovroucí frakce, poté hlavního množství mastného alkoholu a nakonec zbývajícího mastného alkoholu, dokud se alkylpolyglykosid neroztaví jako ve vodě rozpustný zbytek.

I za nejmírnějších podmínek pro syntézu a odpařování mastných alkoholů dochází k nežádoucímu hnědému zbarvení a k rafinaci produktu jsou nutné bělicí procesy. Jednou z metod bělení, která se osvědčila, je přidání oxidačního činidla, jako je peroxid vodíku, do vodné formulace alkylpolyglykosidu v alkalickém prostředí za přítomnosti hořečnatých iontů.

Mnohočetné studie a varianty použité v procesu syntézy, následného zpracování a rafinace zaručují, že ani dnes neexistuje žádné široce použitelné „kompletní“ řešení pro získání specifické jakosti produktu. Naopak, všechny kroky procesu je třeba formulovat. Dongfu poskytuje několik návrhů pro návrh řešení a technická řešení a vysvětluje chemické a fyzikální podmínky pro reakční, separační a rafinační proces.

Všechny tři hlavní procesy – homogenní transglykosidaci, suspenzní proces a techniku přívodu glukózy – lze použít v průmyslových podmínkách. Během transglykosidace musí být koncentrace meziproduktu butylpolyglukosidu, který působí jako solubilizátor pro edukty D-glukózy a butanolu, v reakční směsi udržována nad přibližně 15 %, aby se zabránilo nehomogenitám. Ze stejného důvodu musí být koncentrace vody v reakční směsi použité pro přímou Fischerovu syntézu alkylpolyglukosidů udržována na méně než přibližně 1 %. Při vyšším obsahu vody existuje riziko přeměny suspendované krystalické D-glukózy na lepkavou hmotu, což by následně vedlo ke špatnému zpracování a nadměrné polymeraci. Efektivní míchání a homogenizace podporují jemné rozložení a reaktivitu krystalické D-glukózy v reakční směsi.

Při výběru metody syntézy a jejích sofistikovanějších variant je třeba zohlednit jak technické, tak ekonomické faktory. Homogenní transglykosidační procesy založené na D-glukózových sirupech se jeví jako obzvláště výhodné pro kontinuální výrobu ve velkém měřítku. Umožňují trvalé úspory na krystalizaci suroviny D-glukózy v hodnotovém řetězci, což více než kompenzuje vyšší jednorázové investice do kroku transglykosidace a zpětného získávání butanolu. Použití n-butanolu nepředstavuje žádné další nevýhody, protože jej lze téměř kompletně recyklovat, takže zbytkové koncentrace v získaných konečných produktech jsou pouze několik ppm, což lze považovat za nekritické. Přímá Fischerova glykosidace podle suspenzního procesu nebo techniky přívodu glukózy odstraňuje krok transglykosidace a zpětné získávání butanolu. Lze ji také provádět kontinuálně a vyžaduje mírně nižší kapitálové výdaje.

V budoucnu bude mít nabídka a cena fosilních a obnovitelných surovin, stejně jako další technologický pokrok ve výrobě alkylpolysacharidů, rozhodující vliv na tržní kapacitu a výrobní kapacitu vývoje a aplikace. Základní polysacharidy již disponují vlastními technickými řešeními, která mohou poskytnout významné konkurenční výhody na trhu povrchových úprav pro společnosti, které tyto procesy vyvíjejí nebo zavedly. To platí zejména v době, kdy jsou ceny vysoké a nízké. Výrobní náklady na výrobní činidlo vzrostly na obvyklou úroveň, a i když cena místních surovin mírně klesne, může to ovlivnit náhražky povrchově aktivních látek a podpořit instalaci nových závodů na výrobu alkylpolysacharidů.