Transglycosidatieprocessen met D-glucose als grondstof.

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 alkylpolyglycosiden door directe Fischer-glycosylering of door tweestapstransglycosiden van butylpolyglycoside in aanwezigheid van een zure katalysator, met water als bijproduct. Water moet uit het reactiemengsel worden gedestilleerd om het reactie-evenwicht te verschuiven naar het gewenste product. Tijdens het glycosyleringsproces moeten inhomogeniteiten in het reactiemengsel worden vermeden, omdat deze kunnen leiden tot overmatige vorming van zogenaamde polydextrose, wat zeer ongewenst is. Daarom richten veel technische strategieën zich op de homogene educten n-glucose en alcohol, die moeilijk mengbaar zijn vanwege hun verschillende polariteiten. Tijdens de reactie worden glycosidische bindingen gevormd tussen vetalcohol en n-glucose en 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, omdat 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 normale glucose-eenheden per alkylrest, de zogenaamde polymerisatiegraad, is in principe afhankelijk van de molaire verhouding van de educten tijdens het productieproces. Vanwege hun opmerkelijke oppervlakteactieve eigenschappen hebben alkylpolyglycosiden met een polymerisatiegraad tussen 1 en 3 bijzondere voorkeur. Daarom moeten bij deze methode ongeveer 3-10 mol vetalcoholen per mol normale glucose worden gebruikt.

De polymerisatiegraad neemt af bij een toenemende overmaat aan vetalcohol. De overtollige vetalcohol wordt afgescheiden en teruggewonnen door middel van meerstaps vacuümdestillatieprocessen met vallende-filmverdampers, waardoor de thermische spanning tot een minimum beperkt kan worden. De verdampingstemperatuur moet net hoog genoeg zijn en de contacttijd in de hete zone net lang genoeg om een adequate destillatie van de overtollige vetalcohol en de stroming van de alkylpolyglucosidesmelt te garanderen, zonder dat er noemenswaardige ontledingsreacties optreden. Een reeks verdampingsstappen kan met voordeel worden toegepast om eerst de laagkokende fracties, vervolgens de hoofdhoeveelheid vetalcohol en ten slotte de resterende vetalcohol te scheiden, totdat de alkylpolyglucosidesmelten als wateroplosbare residuen worden verkregen.

Zelfs wanneer de synthese en verdamping van de vetalcohol onder de meest milde omstandigheden plaatsvinden, treedt ongewenste bruine verkleuring op, wat bleekprocessen vereist om de producten te verfijnen. Een bleekmethode die geschikt is gebleken, is de toevoeging van oxidatiemiddelen zoals waterstofperoxide aan waterige preparaten van alkylpolyglucosiden in een alkalisch milieu in aanwezigheid van magnesiumionen.

De vele onderzoeken en varianten die tijdens synthese, opwerking en raffinage worden gebruikt, tonen aan dat er zelfs vandaag de dag nog steeds geen algemeen toepasbare kant-en-klare oplossingen bestaan voor het verkrijgen van specifieke productkwaliteiten. Integendeel, alle processtappen moeten worden uitgewerkt, onderling worden afgestemd en geoptimaliseerd. Dit hoofdstuk heeft suggesties gegeven en enkele praktische manieren beschreven om technische oplossingen te bedenken, evenals standaard chemische en fysische omstandigheden voor het uitvoeren van reacties, scheidings- en raffinageprocessen.

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.

De toekomstige beschikbaarheid en prijzen van fossiele en hernieuwbare grondstoffen, evenals verdere technische ontwikkelingen in de productie en toepassing van alkylpolyglucosiden, zullen naar verwachting een beslissende invloed hebben op de ontwikkeling van het marktvolume en de productiecapaciteit van alkylpolyglucosiden. De haalbare technische oplossingen die al bestaan voor de productie en het gebruik van alkylpolyglucosiden kunnen bedrijven die dergelijke processen hebben ontwikkeld of al toepassen, een essentieel concurrentievoordeel geven op de markt voor oppervlakteactieve stoffen. Dit geldt met name in het geval van hoge ruwe olieprijzen en lage graanprijzen. Aangezien de vaste productiekosten zeker op een gebruikelijk niveau liggen voor industriële oppervlakteactieve stoffen in bulk, kunnen zelfs kleine prijsverlagingen van natuurlijke grondstoffen de vervanging van oppervlakteactieve grondstoffen en de installatie van nieuwe productiefaciliteiten voor alkylpolyglucosiden stimuleren.