DE METHODEN VOOR DE PRODUCTIE VAN ALKYLGLUCOSIDEN

Fischer-glycosidatie is de enige chemische synthesemethode die de ontwikkeling mogelijk heeft gemaakt van de huidige economisch en technisch geperfectioneerde oplossingen voor de grootschalige productie van alkylpolyglucosiden. Productie-installaties met een capaciteit van meer dan 20.000 ton/jaar zijn reeds gerealiseerd en breiden het productaanbod van de oppervlakteactieve stoffenindustrie uit met oppervlakteactieve stoffen op basis van hernieuwbare grondstoffen. D-glucose en lineaire C8-C16 vetalcoholen blijken de voorkeursgrondstoffen te zijn. Deze educten kunnen worden omgezet in oppervlakteactieve alkylpolyglucosiden door middel van directe Fischer-glycosidatie of tweestapstransglycosidatie via butylpolyglucoside in aanwezigheid van zure katalysatoren, met water als bijproduct. Het water moet uit het reactiemengsel worden gedestilleerd om het reactie-evenwicht te verschuiven naar de gewenste producten. Tijdens het glycosidatieproces moeten inhomogeniteiten in het reactiemengsel worden vermeden, omdat deze leiden tot overmatige vorming van zogenaamde polyglucosiden, die zeer ongewenst zijn. Veel technische strategieën concentreren zich daarom op het homogeniseren van de educten n-glucose en alcoholen, die slecht mengbaar zijn vanwege hun verschil in polariteit. Tijdens de reactie worden glycosidische bindingen gevormd tussen zowel vetalcohol en n-glucose als tussen de n-glucose-eenheden zelf. Alkylpolyglucosiden vormen vervolgens mengsels van fracties met verschillende aantallen glucose-eenheden aan het langketenige alkylresidu. Elk van deze fracties bestaat op zijn beurt uit verschillende isomere bestanddelen, aangezien de n-glucose-eenheden verschillende anomere vormen en ringvormen aannemen in chemisch evenwicht tijdens Fischer-glycosidatie en de glycosidische bindingen tussen D-glucose-eenheden voorkomen in verschillende mogelijke bindingsposities. De anomeerverhouding van de D-glucose-eenheden is ongeveer α/β = 2: 1 en lijkt moeilijk te beïnvloeden onder de beschreven omstandigheden van Fischer-synthese. Onder thermodynamisch gecontroleerde omstandigheden bestaan de n-glucose-eenheden in het productmengsel voornamelijk in de vorm van pyranosiden. Het gemiddelde aantal n-glucose-eenheden per alkylrest, de zogenaamde polymerisatiegraad, is in wezen afhankelijk van de molaire verhouding van de educten tijdens de productie. Vanwege hun uitgesproken oppervlakteactieve eigenschappen[1] wordt bijzondere voorkeur gegeven aan alkylpolyglucosiden met een polymerisatiegraad tussen 1 en 3, waarvoor ongeveer 3-10 mol vetalcohol per mol n-glucose in het proces moet worden gebruikt.

De polymerisatiegraad neemt af naarmate de hoeveelheid overtollige vetalcohol toeneemt. Overtollige vetalcoholen worden afgescheiden en teruggewonnen door middel van een meerstaps vacuümdestillatieproces met vallende-filmverdampers, zodat thermische spanning tot een minimum kan worden beperkt. De verdampingstemperatuur moet net hoog genoeg zijn en de contacttijd in de hete zone net lang genoeg om voldoende destillatie van de overtollige vetalcohol en stroming van de alkylpolyglucosidesmelt te garanderen zonder een significante ontledingsreactie. Een reeks verdampingsstappen kan met voordeel worden gebruikt om eerst de laagkokende fractie, vervolgens de hoofdhoeveelheid vetalcohol en ten slotte de resterende vetalcohol te scheiden, totdat de alkylpolyglycoside smelt als een in water oplosbaar residu.

Zelfs onder de mildste omstandigheden voor de synthese en verdamping van vetalcoholen treedt ongewenste bruine verkleuring op en zijn bleekprocessen nodig om het product te verfijnen. Een bleekmethode die geschikt is gebleken, is het toevoegen van een oxidatiemiddel, zoals waterstofperoxide, aan een waterige formulering van alkylpolyglycoside in een alkalisch medium in aanwezigheid van magnesiumionen.

De vele studies en varianten die in het synthese-, nabewerkings- en raffinageproces worden gebruikt, garanderen dat er zelfs vandaag de dag nog steeds geen breed toepasbare kant-en-klare oplossing bestaat om een specifieke productkwaliteit te verkrijgen. Integendeel, alle processtappen moeten worden geformuleerd. Dongfu geeft enkele suggesties voor het ontwerp van de oplossing en de technische oplossingen, en legt de chemische en fysische omstandigheden uit voor het reactie-, scheidings- en raffinageproces.

Alle drie de hoofdprocessen – homogene transglycosidatie, slurryproces en glucosetoevoertechniek – kunnen onder industriële omstandigheden worden gebruikt. Tijdens transglycosidatie moet de concentratie van het intermediair butylpolyglucoside, dat als solubilisator voor de educten D-glucose en butanol fungeert, boven ongeveer 15% in het reactiemengsel worden gehouden om inhomogeniteiten te voorkomen. Om dezelfde reden moet de waterconcentratie in het reactiemengsel dat wordt gebruikt voor directe Fischer-synthese van alkylpolyglucosiden op minder dan ongeveer 1% worden gehouden. Bij hogere watergehaltes bestaat het risico dat de gesuspendeerde kristallijne D-glucose in een kleverige massa verandert, wat vervolgens zou resulteren in slechte verwerking en overmatige polymerisatie. Effectief roeren en homogeniseren bevorderen de fijne verdeling en reactiviteit van de kristallijne D-glucose in het reactiemengsel.

Zowel technische als economische factoren moeten in overweging worden genomen bij de keuze van de synthesemethode en de meer geavanceerde varianten ervan. Homogene transglycosidatieprocessen op basis van D-glucosesiropen lijken bijzonder gunstig voor continue productie op grote schaal. Ze maken permanente besparingen mogelijk op de kristallisatie van de grondstof D-glucose in de waardeketen, wat de hogere eenmalige investeringen in de transglycosidatiestap en de terugwinning van butanol ruimschoots compenseert. Het gebruik van n-butanol kent geen andere nadelen, aangezien het vrijwel volledig kan worden gerecycled, waardoor de restconcentraties in de teruggewonnen eindproducten slechts enkele ppm bedragen, wat als niet-kritisch kan worden beschouwd. Directe Fischer-glycosidatie volgens het slurryproces of glucosefeedtechniek maakt de transglycosidatiestap en de terugwinning van butanol overbodig. Deze kan ook continu worden uitgevoerd en vereist iets lagere kapitaalinvesteringen.

In de toekomst zullen het aanbod en de prijs van fossiele en hernieuwbare grondstoffen, evenals de verdere technologische vooruitgang in de productie van alkylpolysacchariden, een beslissende invloed hebben op de marktcapaciteit en de productiecapaciteit voor ontwikkeling en toepassing. Basispolysaccharide beschikt al over eigen technische oplossingen die belangrijke concurrentievoordelen kunnen bieden op de markt voor oppervlaktebehandeling voor bedrijven die dergelijke processen ontwikkelen of hebben geïmplementeerd. Dit geldt met name wanneer de prijzen hoog of laag zijn. De productiekosten van het productiemiddel zijn gestegen tot het gebruikelijke niveau, maar zelfs als de prijs van lokale grondstoffen licht daalt, kan dit de alternatieven voor oppervlakteactieve stoffen vastleggen en de installatie van nieuwe productiefaciliteiten voor alkylpolysacchariden stimuleren.