Transglykosidační procesy s využitím D-glukózy jako suroviny.

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 alkylpolyglykosidy přímou Fischerovou glykosylací nebo dvoustupňovou transglykosidy butylpolyglykosidu za přítomnosti kyselého katalyzátoru, přičemž jako vedlejší produkt vzniká voda. Pro posunutí reakční rovnováhy směrem k požadovanému produktu je nutné z reakční směsi destilovat vodu. V procesu glykosylace je třeba se vyhnout nehomogenitám v reakční směsi, protože mohou vést k nadměrné tvorbě tzv. polydextrózy, což je velmi nežádoucí. Mnoho technických strategií se proto zaměřuje na homogenní edukty n-glukózy a alkoholu, které jsou kvůli své odlišné polaritě obtížně 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 normálních glukózových jednotek na alkylový zbytek, tzv. stupeň polymerace, je v podstatě funkcí molárního poměru eduktů během výrobního procesu. Vzhledem k jejich pozoruhodným povrchově aktivním vlastnostem jsou obzvláště preferovány alkylpolyglykosidy se stupněm polymerace mezi 1 a 3, a proto se při této metodě musí použít asi 3–10 molů mastných alkoholů na mol normální glukózy.

Stupeň polymerace klesá s rostoucím přebytkem mastného alkoholu. Přebytečný mastný alkohol se odděluje a regeneruje pomocí vícestupňových vakuových destilačních procesů s odpařovači s klesajícím filmem, které umožňují udržet tepelné namáhání na minimu. Teplota odpařování by měla být dostatečně vysoká a doba kontaktu v horké zóně dostatečně dlouhá, aby byla zajištěna dostatečná destilace přebytku mastného alkoholu a tok taveniny alkylpolyglukosidu, aniž by došlo k jakýmkoli významným rozkladným reakcím. Série odpařovacích kroků může být s výhodou použita k oddělení nejprve nízkovroucích frakcí, poté hlavního množství mastného alkoholu a nakonec zbývajícího mastného alkoholu, dokud se taveniny alkylpolyglukosidu nezískají jako ve vodě rozpustné zbytky.

I když se syntéza a odpařování mastného alkoholu provádí za nejšetrnějších podmínek, dochází k nežádoucímu hnědému zbarvení, které vyžaduje bělicí procesy k rafinaci produktů. Jednou z vhodných bělicích metod je přidání oxidačních činidel, jako je peroxid vodíku, k vodným přípravkům alkylpolyglukosidů v alkalickém prostředí za přítomnosti hořečnatých iontů.

Různé výzkumy a varianty použité během syntézy, zpracování a rafinace ukazují, že ani dnes neexistují obecně použitelná řešení „na klíč“ pro získání specifických jakostí produktů. Naopak, všechny procesní kroky je třeba propracovat, vzájemně upravit a optimalizovat. Tato kapitola poskytla návrhy a popsala některé praktické způsoby, jak navrhnout technická řešení, a také stanovila standardní chemické a fyzikální podmínky pro provádění reakcí, separačních a rafinačních procesů.

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.

Lze očekávat, že budoucí dostupnost a ceny fosilních a obnovitelných surovin, stejně jako další technický pokrok ve výrobě a aplikaci alkylpolyglukosidů, budou mít rozhodující vliv na vývoj objemu trhu a výrobních kapacit těchto látek. Životaschopná technická řešení, která již existují pro výrobu a použití alkylpolyglukosidů, mohou poskytnout zásadní konkurenční výhodu na trhu s povrchově aktivními látkami společnostem, které tyto procesy vyvinuly nebo již používají. To platí zejména v případě vysokých cen ropy a nízkých cen obilovin. Vzhledem k tomu, že fixní výrobní náklady jsou pro velkoobjemové průmyslové povrchově aktivní látky jistě na obvyklé úrovni, může i mírné snížení ceny domácích surovin naléhat na nahrazení komodit s povrchově aktivními látkami a může jasně podpořit instalaci nových výrobních závodů na alkylpolyglukosidy.