Transglycosidatieprocessen waarbij D-glucose als grondstof wordt gebruikt.

Fischer-glycosidatie is de enige methode voor chemische synthese die de ontwikkeling mogelijk heeft gemaakt van de hedendaagse economische en technisch geperfectioneerde oplossingen voor de grootschalige productie van alkylpolyglucosiden. Er zijn al productie-installaties met een capaciteit van meer dan 20.000 ton/jaar gerealiseerd en deze vergroten het productassortiment van de oppervlakteactieve stoffenindustrie met oppervlakteactieve stoffen op basis van hernieuwbare grondstoffen. D-glucose en lineaire C8-C16-vetalcoholen zijn de voorkeursgrondstoffen gebleken. 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 in de richting van het gewenste product te verschuiven. Bij het glycosyleringsproces moeten inhomogeniteiten in het reactiemengsel worden vermeden, omdat deze kunnen leiden tot overmatige vorming van zogenaamde polydextrose, wat zeer ongewenst is. Daarom concentreren 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 zowel tussen vetalcohol en n-glucose als tussen de n-glucose-eenheden zelf. Alkylpolyglucosiden vormen zich bijgevolg als mengsels van fracties met verschillende aantallen glucose-eenheden aan de alkylrest met lange keten. 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 in verschillende mogelijke bindingsposities voorkomen. . 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 alkylresidu, de zogenaamde polymerisatiegraad, is in principe een functie van de molaire verhouding van de educten tijdens het productieproces. Vanwege hun opmerkelijke oppervlakte-actieve eigenschappen hebben alkylpolyglycosiden met een polymerisatiegraad tussen 1 en 3 bijzondere voorkeur, om welke reden bij deze werkwijze ongeveer 3-10 mol vetalcoholen per mol normale glucose moeten worden gebruikt.

Bij toenemende overmaat aan vetalcohol neemt de polymerisatiegraad af. De overtollige vetalcohol wordt afgescheiden en teruggewonnen door middel van meerstaps vacuümdestillatieprocessen met valfilmverdampers, waardoor de thermische belasting tot een minimum kan worden beperkt. De verdampingstemperatuur moet net hoog genoeg zijn en de contacttijd in de hete zone net lang genoeg om een ​​adequate destillatie van de overmaat vetalcohol en een stroming van de alkylpolyglucosidesmelt te garanderen, zonder dat er noemenswaardige ontledingsreacties optreden. Een reeks verdampingsstappen kan op gunstige wijze worden toegepast om eerst de laagkokende fracties, vervolgens de hoofdhoeveelheid vetalcohol en tenslotte de resterende vetalcohol af te scheiden totdat het alkylpolyglucoside smelt en als in water oplosbare residuen wordt verkregen.

Zelfs wanneer de synthese en verdamping van de vetalcohol onder de meest milde omstandigheden wordt uitgevoerd, treedt ongewenste bruine verkleuring op, waardoor bleekprocessen nodig zijn om de producten te verfijnen. Eén bleekmethode die geschikt is gebleken is de toevoeging van oxidatiemiddelen zoals waterstofperoxide aan waterige preparaten van alkylpolyglucosiden in alkalisch medium in aanwezigheid van magnesiumionen.

De vele onderzoeken en varianten die tijdens de synthese, opwerking en raffinage worden gebruikt, laten zien 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 aangepast en geoptimaliseerd. In dit hoofdstuk zijn 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 tussenproduct butylpolyglucoside, dat werkt als een solubilisator voor de educten D-glucose en butanol, in het reactiemengsel op ongeveer 15% worden gehouden om inhomogeniteiten te vermijden. Voor hetzelfde doel moet de waterconcentratie in het reactiemengsel dat wordt gebruikt voor de directe Fischer-synthese van alkylpolyglucosiden op minder dan ongeveer 1% worden gehouden. Bij hogere watergehalten bestaat het risico dat de gesuspendeerde kristallijne D-glucose in een kleverige massa verandert, wat vervolgens zou resulteren in een slechte verwerking en overmatige polymerisatie. Effectief roeren en homogeniseren bevorderen de fijne verdeling en reactiviteit van de kristallijne D-glucose in het reactiemengsel.

Bij het selecteren van de synthesemethode en de meer geavanceerde varianten ervan moet rekening worden gehouden met zowel technische als economische factoren. Homogene transglycosidatieprocessen op basis van D-glucosestropen blijken 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 brengt verder geen nadelen met zich mee, aangezien het vrijwel volledig kan worden gerecycled, zodat de restconcentraties in de teruggewonnen eindproducten slechts enkele delen per miljoen bedragen, wat als niet-kritisch kan worden beschouwd. Directe Fischer-glycosidatie volgens het slurryproces of de glucosetoevoertechniek maakt de transglycosidatiestap en de terugwinning van butanol overbodig. Het kan ook continu worden uitgevoerd en vereist iets lagere kapitaaluitgaven.

Verwacht mag worden dat de toekomstige beschikbaarheid en prijzen van fossiele en hernieuwbare grondstoffen, evenals verdere technische vooruitgang in de productie en toepassing van alkylpolyglucosiden, een beslissende invloed zullen hebben op de ontwikkeling van het marktvolume en de productiecapaciteiten van laatstgenoemde. De haalbare technische oplossingen die al bestaan ​​voor de productie en het gebruik van alkylpolyglucosiden kunnen een essentieel concurrentievoordeel op de markt voor oppervlakteactieve stoffen geven aan bedrijven die dergelijke processen hebben ontwikkeld of al gebruiken. Dit geldt met name bij hoge prijzen voor ruwe olie en lage graanprijzen. Omdat de vaste productiekosten zeker op een gebruikelijk niveau liggen voor industriële oppervlakteactieve stoffen in bulk, kunnen zelfs kleine verlagingen van de prijs van inheemse grondstoffen de vervanging van oppervlakteactieve stoffen aanmoedigen en duidelijk de installatie van nieuwe productie-installaties voor alkylpolyglucosiden aanmoedigen.