Процеси трансглікозидування з використанням D-глюкози як сировини.

Глікозидування Фішера – єдиний метод хімічного синтезу, який дозволив розробити сучасні економічні та технічно досконалі рішення для великомасштабного виробництва алкілполіглюкозидів. Виробничі установки потужністю понад 20 000 т/рік вже реалізовані та розширюють асортимент продукції промисловості поверхнево-активних речовин з поверхнево-активними речовинами на основі відновлюваної сировини. D-глюкоза та лінійні жирні спирти C8-C16 виявилися кращою сировиною. Ці продукти можна перетворити на поверхнево-активні алкілполіглікозиди шляхом прямого глікозилювання Фішера або двостадійним трансглікозидом бутилполіглікозиду в присутності кислотного каталізатора з утворенням води як побічного продукту. Воду необхідно дистилювати з реакційної суміші, щоб змістити рівновагу реакції в бік бажаного продукту. У процесі глікозилювання слід уникати неоднорідностей у реакційній суміші, оскільки вони можуть призвести до надмірного утворення так званої полідекстрози, що є вкрай небажаним. Тому багато технічних стратегій зосереджені на гомогенних едуктах n-глюкози та спирту, які важко змішувати через їхню різну полярність. Під час реакції глікозидні зв'язки утворюються як між жирним спиртом та n-глюкозою, так і між самими n-глюкозними одиницями. Алкілполіглюкозиди, в результаті, утворюють суміші фракцій з різною кількістю глюкозних одиниць на довголанцюговому алкільному залишку. Кожна з цих фракцій, у свою чергу, складається з кількох ізомерних складових, оскільки n-глюкозні одиниці набувають різних аномерних форм та кільцевих форм у хімічній рівновазі під час глікозидування Фішера, а глікозидні зв'язки між D-глюкозними одиницями відбуваються в кількох можливих положеннях зв'язку. Аномерне співвідношення D-глюкозних одиниць приблизно становить α/β = 2:1 і, здається, важко піддається впливу за описаних умов синтезу Фішера. За термодинамічно контрольованих умов n-глюкозні одиниці, що містяться в суміші продуктів, існують переважно у формі піранозидів. Середня кількість одиниць нормальної глюкози на один алкільний залишок, так званий ступінь полімеризації, по суті є функцією молярного співвідношення вихідних речовин під час виробничого процесу. Завдяки своїм чудовим поверхнево-активним властивостям, алкілполіглікозиди зі ступенем полімеризації від 1 до 3 є особливо переважними, тому в цьому методі необхідно використовувати близько 3-10 молей жирних спиртів на моль нормальної глюкози.

Ступінь полімеризації знижується зі збільшенням надлишку жирного спирту. Надлишок жирного спирту відділяють та рекуперують за допомогою багатоступеневих процесів вакуумної дистиляції з використанням випарників із падаючою плівкою, що дозволяє мінімізувати термічне напруження. Температура випаровування повинна бути достатньо високою, а час контакту в гарячій зоні – достатньо довгим, щоб забезпечити адекватну дистиляцію надлишку жирного спирту та потік розплаву алкілполіглюкозиду без виникнення будь-яких значних реакцій розкладання. Для розділення спочатку низькокиплячих фракцій, потім основної кількості жирного спирту і, нарешті, решти жирного спирту можна сприятливо використовувати серію етапів випаровування, доки розплави алкілполіглюкозиду не будуть отримані у вигляді водорозчинних залишків.

Навіть коли синтез та випаровування жирного спирту проводяться в найщадніших умовах, виникає небажане коричневе знебарвлення, що вимагає процесів відбілювання для рафінування продуктів. Одним із методів відбілювання, який виявився придатним, є додавання окислювачів, таких як перекис водню, до водних препаратів алкілполіглюкозидів у лужному середовищі в присутності іонів магнію.

Численні дослідження та варіанти, що використовуються під час синтезу, обробки та рафінування, показують, що навіть сьогодні не існує загальноприйнятих «готових» рішень для отримання конкретних марок продукції. Навпаки, всі етапи процесу потребують розробки, взаємоузгодження та оптимізації. У цьому розділі наведено пропозиції та описано деякі практичні способи розробки технічних рішень, а також зазначено стандартні хімічні та фізичні умови для проведення реакцій, розділення та рафінування.

Усі три основні процеси – гомогенне трансглікозидування, суспензійний процес та метод подачі глюкози – можна використовувати в промислових умовах. Під час трансглікозидування концентрацію проміжного бутилполіглюкозиду, який діє як солюбілізатор для вихідних речовин D-глюкози та бутанолу, необхідно підтримувати на рівні понад приблизно 15% у реакційній суміші, щоб уникнути неоднорідностей. З цією ж метою концентрацію води в реакційній суміші, що використовується для прямого синтезу Фішера алкілполіглюкозидів, необхідно підтримувати на рівні менше приблизно 1%. При вищому вмісті води існує ризик перетворення суспендованої кристалічної D-глюкози на липку масу, що згодом призведе до поганої обробки та надмірної полімеризації. Ефективне перемішування та гомогенізація сприяють тонкому розподілу та реакційній здатності кристалічної D-глюкози в реакційній суміші.

При виборі методу синтезу та його більш складних варіантів необхідно враховувати як технічні, так і економічні фактори. Гомогенні процеси трансглікозидування на основі D-глюкозних сиропів видаються особливо сприятливими для безперервного виробництва у великих масштабах. Вони дозволяють постійно заощаджувати кошти на кристалізації сировини D-глюкози в ланцюжку створення доданої вартості, що більш ніж компенсує вищі одноразові інвестиції в етап трансглікозидування та відновлення бутанолу. Використання н-бутанолу не має інших недоліків, оскільки його можна майже повністю переробляти, так що залишкові концентрації у відновлених кінцевих продуктах становлять лише кілька частин на мільйон, що можна вважати некритичним. Пряме глікозидування Фішера за методом суспензії або методом подачі глюкози обходиться без етапу трансглікозидування та відновлення бутанолу. Його також можна проводити безперервно та вимагає дещо менших капітальних витрат.

Очікується, що майбутня доступність та ціни на викопну та відновлювану сировину, а також подальший технічний прогрес у виробництві та застосуванні алкілполіглюкозидів матимуть вирішальний вплив на розвиток обсягу ринку та виробничих потужностей останніх. Життєздатні технічні рішення, які вже існують для виробництва та використання алкілполіглюкозидів, можуть надати важливу конкурентну перевагу на ринку поверхнево-активних речовин компаніям, які розробили або вже використовують такі процеси. Це особливо актуально у разі високих цін на сиру нафту та низьких цін на зернові. Оскільки фіксовані виробничі витрати, безумовно, знаходяться на звичайному рівні для масових промислових поверхнево-активних речовин, навіть незначне зниження ціни на місцеву сировину може спонукати до заміни поверхнево-активних речовин товарами та може явно стимулювати встановлення нових виробничих потужностей для алкілполіглюкозидів.