METODER TIL FREMSTILLING AF ALKYLGLUCOSIDER
Fischer-glykosidering er den eneste kemiske syntesemetode, der har muliggjort udviklingen af nutidens økonomiske og teknisk perfekte løsninger til storskalaproduktion af alkylpolyglukosider. Produktionsanlæg med en kapacitet på over 20.000 t/år er allerede blevet realiseret og udvider produktsortimentet i overfladeaktive industrier med overfladeaktive stoffer baseret på vedvarende råmaterialer. D-glukose og lineære C8-C16 fedtalkoholer har vist sig at være de foretrukne råmaterialer. Disse produkter kan omdannes til overfladeaktive alkylpolyglukosider ved hjælp af direkte Fischer-glykosidering eller totrins transglykosidering via butylpolyglukosid i nærvær af syrekatalysatorer med vand som biprodukt. Vandet skal destilleres fra reaktionsblandingen for at forskyde reaktionsligevægten mod de ønskede produkter. Under glykosideringsprocessen bør inhomogeniteter i reaktionsblandingen undgås, da de fører til overdreven dannelse af såkaldte polyglukosider, som er yderst uønskede. Mange tekniske strategier koncentrerer sig derfor om at homogenisere edukterne n-glukose og alkoholer, som er dårligt blandbare på grund af deres forskel i polaritet. Under reaktionen dannes glycosidbindinger både mellem fedtalkohol og n-glukose og mellem n-glukoseenhederne selv. Alkylpolyglukosider dannes følgelig som blandinger af fraktioner med forskelligt antal glukoseenheder ved den langkædede alkylrest. Hver af disse fraktioner er igen opbygget af flere isomere bestanddele, da n-glukoseenhederne antager forskellige anomere former og ringformer i kemisk ligevægt under Fischer-glykosidering, og glycosidbindingerne mellem D-glukoseenhederne forekommer i flere mulige bindingspositioner. Anomerforholdet mellem D-glukoseenhederne er omtrent α/β = 2:1 og synes vanskeligt at påvirke under de beskrevne betingelser for Fischer-syntese. Under termodynamisk kontrollerede betingelser eksisterer de n-glukoseenheder, der er indeholdt i produktblandingen, overvejende i form af pyranosider. Det gennemsnitlige antal n-glucoseenheder pr. alkylrest, den såkaldte polymerisationsgrad, er i det væsentlige en funktion af molforholdet mellem edukterne under fremstillingen. På grund af deres udprægede overfladeaktive egenskaber[1] gives der særlig præference til alkylpolyglucosider med polymerisationsgrader mellem 1 og 3, hvortil der skal anvendes cirka 3-10 mol fedtalkohol pr. mol n-glucose i processen.
Polymerisationsgraden falder, efterhånden som den overskydende fedtalkohol stiger. Overskydende fedtalkoholer separeres og genvindes ved en flertrins vakuumdestillationsproces med faldfilmfordampere, således at termisk stress kan holdes på et minimum. Fordampningstemperaturen bør være lige akkurat høj nok, og kontakttiden i den varme zone lige akkurat lang nok til at sikre tilstrækkelig destillation af den overskydende fedtalkohol og strømning af alkylpolyglucosidsmelten uden nogen signifikant nedbrydningsreaktion. En række fordampningstrin kan med fordel anvendes til først at separere den lavtkogende fraktion, derefter hovedmængden af fedtalkohol og endelig den resterende fedtalkohol, indtil alkylpolyglycosidet smelter som en vandopløselig rest.
Selv under de mildeste forhold for syntese og fordampning af fedtalkoholer vil der forekomme uønsket brun misfarvning, og blegningsprocesser er nødvendige for at raffinere produktet. En blegningsmetode, der har vist sig egnet, er at tilsætte et oxidationsmiddel, såsom hydrogenperoxid, til en vandig formulering af alkylpolyglycosid i et alkalisk medium i nærvær af magnesiumioner.
De mange undersøgelser og varianter, der anvendes i syntese-, efterbehandlings- og raffineringsprocessen, garanterer, at der selv i dag stadig ikke findes en bredt anvendelig "nøglefærdig" løsning til at opnå en specifik produktkvalitet. Tværtimod skal alle procestrin formuleres. Dongfu giver nogle forslag til løsningsdesign og tekniske løsninger og forklarer de kemiske og fysiske forhold for reaktions-, separations- og raffineringsprocessen.
Alle tre hovedprocesser – homogen transglykosidering, opslæmningsproces og glukosetilførselsteknik – kan anvendes under industrielle forhold. Under transglykosidering skal koncentrationen af det mellemliggende butylpolyglukosid, der fungerer som et solubiliseringsmiddel for edukterne D-glukose og butanol, holdes over ca. 15 % i reaktionsblandingen for at undgå inhomogeniteter. Af samme årsag skal vandkoncentrationen i reaktionsblandingen, der anvendes til direkte Fischer-syntese af alkylpolyglukosider, holdes på under ca. 1 %. Ved højere vandindhold er der risiko for at omdanne den suspenderede krystallinske D-glukose til en klæbrig masse, hvilket efterfølgende vil resultere i dårlig forarbejdning og overdreven polymerisering. Effektiv omrøring og homogenisering fremmer den fine fordeling og reaktivitet af den krystallinske D-glukose i reaktionsblandingen.
Både tekniske og økonomiske faktorer skal tages i betragtning ved valg af syntesemetode og dens mere sofistikerede varianter. Homogene transglykosideringsprocesser baseret på D-glukosesirupper synes særligt gunstige til kontinuerlig produktion i stor skala. De muliggør permanente besparelser på krystallisering af råmaterialet D-glukose i værdikæden, hvilket mere end kompenserer for de højere engangsinvesteringer i transglykosideringstrinnet og genvindingen af butanol. Brugen af n-butanol giver ingen andre ulemper, da det kan genbruges næsten fuldstændigt, således at restkoncentrationerne i de genvundne slutprodukter kun er få dele per million, hvilket kan betragtes som ikke-kritisk. Direkte Fischer-glykosidering i henhold til opslæmningsprocessen eller glukosetilførselsteknikken eliminerer transglykosideringstrinnet og genvindingen af butanol. Den kan også udføres kontinuerligt og kræver lidt lavere kapitaludgifter.
I fremtiden vil udbuddet og prisen på fossile og vedvarende råmaterialer, samt den videre teknologiske udvikling inden for produktion af alkylpolysaccharider, have en afgørende indflydelse på markedskapaciteten og produktionskapaciteten for udvikling og anvendelse. Basispolysaccharid har allerede sine egne tekniske løsninger, der kan give vigtige konkurrencefordele på markedet for overfladebehandling for virksomheder, der udvikler eller har implementeret sådanne processer. Dette gælder især, når priserne er høje og lave. Produktionsomkostningerne for fremstillingsmidlet er steget til det sædvanlige niveau, og selvom prisen på lokale råmaterialer falder en smule, kan det muligvis fastsætte erstatninger for overfladeaktive stoffer og fremme installationen af nye alkylpolysaccharidproduktionsanlæg.
Opslagstidspunkt: 23. juli 2021