METODER FOR FRAMSTILLING AV ALKYLGLUKOSIDER

Fischer-glykosidering er den eneste metoden for kjemisk syntese som har muliggjort utviklingen av dagens økonomiske og teknisk perfeksjonerte løsninger for storskala produksjon av alkylpolyglukosider. Produksjonsanlegg med kapasitet på over 20 000 tonn/år er allerede realisert og utvider produktspekteret til overflateaktive stoffer basert på fornybare råvarer. D-glukose og lineære C8-C16-fettalkoholer har vist seg å være de foretrukne råstoffene. Disse produktene kan omdannes til overflateaktive alkylpolyglukosider ved hjelp av direkte Fischer-glykosidering eller totrinns transglykosidering via butylpolyglukosid i nærvær av syrekatalysatorer, med vann som biprodukt. Vannet må destilleres fra reaksjonsblandingen for å forskyve reaksjonslikevekten mot de ønskede produktene. Under glykosideringsprosessen bør inhomogeniteter i reaksjonsblandingen unngås, da de fører til overdreven dannelse av såkalte polyglukosider, som er svært uønskede. Mange tekniske strategier konsentrerer seg derfor om å homogenisere eduktene n-glukose og alkoholer, som er dårlig blandbare på grunn av deres forskjell i polaritet. Under reaksjonen dannes glykosidbindinger både mellom fettalkohol og n-glukose og mellom n-glukoseenhetene selv. Alkylpolyglukosider dannes følgelig som blandinger av fraksjoner med ulikt antall glukoseenheter ved den langkjedede alkylresten. Hver av disse fraksjonene består igjen av flere isomere bestanddeler, siden n-glukoseenhetene antar forskjellige anomere former og ringformer i kjemisk likevekt under Fischer-glykosidering, og glykosidbindingene mellom D-glukoseenhetene forekommer i flere mulige bindingsposisjoner. Anomerforholdet mellom D-glukoseenhetene er omtrent α/β = 2:1 og synes vanskelig å påvirke under de beskrevne forholdene for Fischer-syntese. Under termodynamisk kontrollerte forhold eksisterer n-glukoseenhetene i produktblandingen hovedsakelig i form av pyranosider. Det gjennomsnittlige antallet n-glukoseenheter per alkylrest, den såkalte polymerisasjonsgraden, er i hovedsak en funksjon av molforholdet mellom eduktene under fremstillingen. På grunn av deres uttalte overflateaktive egenskaper[1] gis spesiell preferanse til alkylpolyglukosider med polymerisasjonsgrader mellom 1 og 3, hvor omtrent 3–10 mol fettalkohol må brukes per mol n-glukose i prosessen.

Polymerisasjonsgraden avtar etter hvert som overskuddet av fettalkohol øker. Overskudd av fettalkoholer separeres og gjenvinnes ved en flertrinns vakuumdestillasjonsprosess med fallende filmfordampere, slik at termisk stress kan holdes på et minimum. Fordampningstemperaturen bør være akkurat høy nok og kontakttiden i den varme sonen akkurat lang nok til å sikre tilstrekkelig destillasjon av overskuddet av fettalkoholen og strømning av alkylpolyglukosidsmelten uten noen betydelig dekomponeringsreaksjon. En serie fordampningstrinn kan med fordel brukes til å separere først den lavtkokende fraksjonen, deretter hovedmengden av fettalkoholen og til slutt den gjenværende fettalkoholen, inntil alkylpolyglykosidet smelter som en vannløselig rest.

Selv under de mildeste forholdene for syntese og fordampning av fettalkoholer vil uønsket brun misfarging forekomme, og blekeprosesser er nødvendige for å raffinere produktet. En blekemetode som har vist seg egnet, er å tilsette et oksidasjonsmiddel, slik som hydrogenperoksid, til en vandig formulering av alkylpolyglykosid i et alkalisk medium i nærvær av magnesiumioner.

De mange studiene og variantene som brukes i syntese-, etterbehandlings- og raffineringsprosessen, garanterer at det selv i dag fortsatt ikke finnes noen allment anvendelig «nøkkelferdig» løsning for å oppnå en spesifikk produktkvalitet. Tvert imot må alle prosesstrinnene formuleres. Dongfu gir noen forslag til løsningsdesign og tekniske løsninger, og forklarer de kjemiske og fysiske forholdene for reaksjons-, separasjons- og raffineringsprosessen.

Alle tre hovedprosessene – homogen transglykosidering, oppslemmingsprosess og glukosetilførselsteknikk – kan brukes under industrielle forhold. Under transglykosidering må konsentrasjonen av det mellomliggende butylpolyglukosidet, som fungerer som et løseliggjøringsmiddel for eduktene D-glukose og butanol, holdes over omtrent 15 % i reaksjonsblandingen for å unngå inhomogeniteter. Av samme grunn må vannkonsentrasjonen i reaksjonsblandingen som brukes til direkte Fischer-syntese av alkylpolyglukosider holdes på mindre enn omtrent 1 %. Ved høyere vanninnhold er det en risiko for å gjøre den suspenderte krystallinske D-glukosen om til en klebrig masse, noe som deretter vil resultere i dårlig prosessering og overdreven polymerisering. Effektiv omrøring og homogenisering fremmer den fine fordelingen og reaktiviteten til den krystallinske D-glukosen i reaksjonsblandingen.

Både tekniske og økonomiske faktorer må vurderes når man velger syntesemetode og dens mer sofistikerte varianter. Homogene transglykosideringsprosesser basert på D-glukosesirup virker spesielt gunstige for kontinuerlig produksjon i stor skala. De gir permanente besparelser på krystallisering av råmaterialet D-glukose i verdiskapingskjeden, noe som mer enn kompenserer for de høyere engangsinvesteringene i transglykosideringstrinnet og utvinningen av butanol. Bruken av n-butanol gir ingen andre ulemper, siden den kan resirkuleres nesten fullstendig, slik at restkonsentrasjonene i de utvunnede sluttproduktene bare er noen få deler per million, noe som kan anses som ikke-kritisk. Direkte Fischer-glykosidering i henhold til slurryprosessen eller glukosetilførselsteknikken eliminerer transglykosideringstrinnet og utvinningen av butanol. Den kan også utføres kontinuerlig og krever litt lavere kapitalutgifter.

I fremtiden vil tilgangen på og prisen på fossile og fornybare råvarer, samt den videre teknologiske utviklingen innen produksjon av alkylpolysakkarider, ha en avgjørende innvirkning på markedskapasiteten og produksjonskapasiteten for utvikling og anvendelse. Basispolysakkarid har allerede sine egne tekniske løsninger som kan gi viktige konkurransefortrinn i markedet for overflatebehandling for selskaper som utvikler eller har tatt i bruk slike prosesser. Dette gjelder spesielt når prisene er høye og lave. Produksjonskostnadene for produksjonsmidlet har steget til det vanlige nivået, og selv om prisen på lokale råvarer synker noe, kan det fikse erstatninger for overflateaktive stoffer og oppmuntre til installasjon av nye alkylpolysakkaridproduksjonsanlegg.