Procesi transglikozidacije korištenjem D-glukoze kao sirovine.
Fischerova glikozilacija je jedina metoda hemijske sinteze koja je omogućila razvoj današnjih ekonomskih i tehnički usavršenih rješenja za proizvodnju alkil poliglukozida velikih razmjera. Proizvodni pogoni kapaciteta preko 20.000 t/godišnje već su realizovani i proširuju asortiman proizvoda industrije surfaktanata sa površinski aktivnim sredstvima na bazi obnovljivih sirovina. D-glukoza i linearni C8-C16 masni alkoholi pokazali su se kao preferirane sirovine. Ovi edukti se mogu pretvoriti u površinski aktivne alkil poliglikozide direktnom Fischerovom glikozilacijom ili dvostepenom transglikozidima butil poliglikozida u prisustvu kiselog katalizatora, sa vodom kao nusproizvodom. Voda se mora destilovati iz reakcione smjese kako bi se ravnoteža reakcije pomjerila prema željenom proizvodu. U procesu glikozilacije treba izbjegavati nehomogenosti u reakcionoj smjesi jer mogu dovesti do prekomjernog stvaranja takozvane polidekstroze, što je vrlo nepoželjno. Stoga se mnoge tehničke strategije fokusiraju na homogene edukte n-glukoze i alkohola, koji se teško miješaju zbog njihovih različitih polariteta. Tokom reakcije, glikozidne veze se formiraju i između masnog alkohola i n-glukoze i između samih n-glukoznih jedinica. Alkil poliglukozidi se posljedično formiraju kao smjese frakcija s različitim brojem glukoznih jedinica na dugolančanom alkilnom ostatku. Svaka od ovih frakcija, pak, sastoji se od nekoliko izomernih sastojaka, budući da n-glukozne jedinice poprimaju različite anomerne oblike i oblike prstena u hemijskoj ravnoteži tokom Fischerove glikozidacije, a glikozidne veze između D-glukoznih jedinica se javljaju u nekoliko mogućih položaja vezivanja. Odnos anomera D-glukoznih jedinica je približno α/β = 2:1 i čini se da ga je teško utjecati pod opisanim uslovima Fischerove sinteze. Pod termodinamički kontroliranim uslovima, n-glukozne jedinice sadržane u smjesi proizvoda postoje pretežno u obliku piranozida. Prosječan broj normalnih glukoznih jedinica po alkil ostatku, takozvani stepen polimerizacije, u osnovi je funkcija molarnog odnosa edukata tokom procesa proizvodnje. Zbog svojih izuzetnih surfaktantnih svojstava, alkil poliglikozidi sa stepenom polimerizacije između 1 i 3 su posebno poželjni, zbog čega se u ovoj metodi mora koristiti oko 3-10 mola masnih alkohola po molu normalne glukoze.
Stepen polimerizacije se smanjuje sa povećanjem viška masnog alkohola. Višak masnog alkohola se odvaja i regenerira pomoću višestepenih procesa vakuumske destilacije sa isparivačima sa padajućim filmom, koji omogućavaju da se termički stres svede na minimum. Temperatura isparavanja treba da bude dovoljno visoka, a vrijeme kontakta u vrućoj zoni dovoljno dugo da se osigura adekvatna destilacija viška masnog alkohola i protok taline alkil poliglukozida, bez pojave bilo kakvih značajnih reakcija razgradnje. Niz koraka isparavanja može se povoljno koristiti za odvajanje prvo frakcija sa niskom tačkom ključanja, zatim glavne količine masnog alkohola i konačno preostalog masnog alkohola dok se taline alkil poliglukozida ne dobiju kao ostaci rastvorljivi u vodi.
Čak i kada se sinteza i isparavanje masnog alkohola izvode pod najnježnijim uslovima, dolazi do neželjene smeđe boje, što zahtijeva procese izbjeljivanja radi rafiniranja proizvoda. Jedna metoda izbjeljivanja koja se pokazala pogodnom je dodavanje oksidanata poput vodikovog peroksida vodenim preparatima alkil poliglukozida u alkalnoj sredini u prisustvu magnezijumovih iona.
Mnogobrojna istraživanja i varijante korištene tokom sinteze, obrade i rafiniranja pokazuju da čak ni danas ne postoje općenito primjenjiva rješenja po sistemu "ključ u ruke" za dobijanje specifičnih vrsta proizvoda. Naprotiv, sve procesne korake treba razraditi, međusobno prilagoditi i optimizirati. Ovo poglavlje je dalo prijedloge i opisalo neke praktične načine za osmišljavanje tehničkih rješenja, kao i navelo standardne hemijske i fizičke uslove za provođenje reakcija, odvajanja i procesa rafiniranja.
Sva tri glavna procesa - homogena transglikozidacija, proces suspenzije i tehnika dodavanja glukoze - mogu se koristiti u industrijskim uslovima. Tokom transglikozidacije, koncentracija međuprodukta butil poliglukozida, koji djeluje kao solubilizator za edukte D-glukozu i butanol, mora se održavati iznad oko 15% u reakcijskoj smjesi kako bi se izbjegle nehomogenosti. Iz istog razloga, koncentracija vode u reakcijskoj smjesi koja se koristi za direktnu Fischerovu sintezu alkil poliglukozida mora se održavati na manje od oko 1%. Pri većem sadržaju vode postoji rizik od pretvaranja suspendovane kristalne D-glukoze u ljepljivu masu, što bi posljedično rezultiralo lošom obradom i prekomjernom polimerizacijom. Efikasno miješanje i homogenizacija potiču finu distribuciju i reaktivnost kristalne D-glukoze u reakcijskoj smjesi.
Prilikom odabira metode sinteze i njenih sofisticiranijih varijanti, moraju se uzeti u obzir i tehnički i ekonomski faktori. Homogeni procesi transglikozidacije zasnovani na D-glukoznim sirupima čine se posebno povoljnim za kontinuiranu proizvodnju u velikim razmjerima. Oni omogućavaju trajne uštede na kristalizaciji sirovine D-glukoze u lancu dodane vrijednosti, što više nego kompenzira veća jednokratna ulaganja u korak transglikozidacije i oporavak butanola. Upotreba n-butanola ne predstavlja druge nedostatke, jer se može gotovo u potpunosti reciklirati tako da su rezidualne koncentracije u oporavljenim krajnjim proizvodima samo nekoliko dijelova na milion, što se može smatrati nekritičnim. Direktna Fischerova glikozidacija prema procesu suspenzije ili tehnici dodavanja glukoze eliminira korak transglikozidacije i oporavak butanola. Također se može izvoditi kontinuirano i zahtijeva nešto niža kapitalna ulaganja.
Očekuje se da će buduća dostupnost i cijene fosilnih i obnovljivih sirovina, kao i daljnji tehnički napredak u proizvodnji i primjeni alkil poliglukozida, imati odlučujući utjecaj na razvoj tržišnog obima i proizvodnih kapaciteta ovih potonjih. Održiva tehnička rješenja koja već postoje za proizvodnju i upotrebu alkil poliglukozida mogu dati vitalnu konkurentsku prednost na tržištu surfaktanata kompanijama koje su razvile ili već koriste takve procese. To se posebno odnosi na visoke cijene sirove nafte i niske cijene žitarica. Budući da su fiksni troškovi proizvodnje svakako na uobičajenom nivou za industrijske surfaktante u rasutom stanju, čak i mala smanjenja cijena domaćih sirovina mogu potaknuti zamjenu surfaktanata robom i jasno mogu potaknuti postavljanje novih proizvodnih pogona za alkil poliglukozide.
Vrijeme objave: 11. jul 2021.