Transglykozidačné procesy s použitím D-glukózy ako suroviny.

Fischerova glykozidácia je jediná metóda chemickej syntézy, ktorá umožnila vývoj dnešných ekonomických a technicky zdokonalených riešení pre veľkovýrobu alkylpolyglukozidov. Výrobné závody s kapacitou viac ako 20 000 t/rok už boli realizované a rozširujú sortiment produktov priemyslu povrchovo aktívnych látok o povrchovo aktívne látky na báze obnoviteľných surovín. D-glukóza a lineárne mastné alkoholy C8-C16 sa ukázali ako preferované vstupné suroviny. Tieto edukty sa môžu premeniť na povrchovo aktívne alkylpolyglykozidy priamou Fischerovou glykozyláciou alebo dvojstupňovými transglykozidmi butylpolyglykozidu v prítomnosti kyslého katalyzátora, pričom vedľajším produktom je voda. Voda sa musí z reakčnej zmesi destilovať, aby sa reakčná rovnováha posunula smerom k požadovanému produktu. V procese glykozylácie by sa malo zabrániť nehomogenitám v reakčnej zmesi, pretože môžu viesť k nadmernej tvorbe tzv. polydextrózy, čo je veľmi nežiaduce. Preto sa mnoho technických stratégií zameriava na homogénne edukty n-glukózy a alkoholu, ktoré sú kvôli ich odlišnej polarite ťažko miešateľné. Počas reakcie sa tvoria glykozidické väzby medzi mastným alkoholom a n-glukózou, ako aj medzi samotnými n-glukózovými jednotkami. Alkylpolyglukozidy následne tvoria zmesi frakcií s rôznym počtom glukózových jednotiek na dlhoreťazcovom alkylovom zvyšku. Každá z týchto frakcií sa zase skladá z niekoľkých izomérnych zložiek, pretože n-glukózové jednotky nadobúdajú počas Fischerovej glykozidácie v chemickej rovnováhe rôzne anomérne formy a kruhové formy a glykozidické väzby medzi D-glukózovými jednotkami sa vyskytujú v niekoľkých možných väzbových polohách. Pomer anomérov D-glukózových jednotiek je približne α/β = 2:1 a zdá sa, že za opísaných podmienok Fischerovej syntézy je ťažké ho ovplyvniť. Za termodynamicky kontrolovaných podmienok existujú n-glukózové jednotky obsiahnuté v produktovej zmesi prevažne vo forme pyranozidov. Priemerný počet jednotiek normálnej glukózy na alkylový zvyšok, takzvaný stupeň polymerizácie, je v podstate funkciou molárneho pomeru eduktov počas výrobného procesu. Vzhľadom na ich pozoruhodné povrchovo aktívne vlastnosti sú obzvlášť výhodné alkylpolyglykozidy so stupňom polymerizácie medzi 1 a 3, a preto sa pri tejto metóde musí použiť približne 3 až 10 mólov mastných alkoholov na mól normálnej glukózy.

Stupeň polymerizácie klesá so zvyšujúcim sa nadbytkom mastného alkoholu. Prebytočný mastný alkohol sa oddeľuje a regeneruje pomocou viacstupňových vákuových destilačných procesov s odparovačmi s klesajúcim filmom, ktoré umožňujú udržiavať tepelné namáhanie na minime. Teplota odparovania by mala byť dostatočne vysoká a čas kontaktu v horúcej zóne dostatočne dlhý, aby sa zabezpečila dostatočná destilácia prebytku mastného alkoholu a tok taveniny alkylpolyglukozidu bez výskytu akýchkoľvek významných rozkladných reakcií. Na oddelenie najprv nízkovrúcich frakcií, potom hlavného množstva mastného alkoholu a nakoniec zostávajúceho mastného alkoholu sa môže výhodne použiť séria krokov odparovania, až kým sa taveniny alkylpolyglukozidu nezískajú ako vo vode rozpustné zvyšky.

Aj keď sa syntéza a odparovanie mastného alkoholu vykonáva za najšetrnejších podmienok, dochádza k nežiaducemu hnedému sfarbeniu, ktoré si vyžaduje bieliace procesy na zušľachtenie produktov. Jednou z metód bielenia, ktorá sa ukázala ako vhodná, je pridanie oxidačných činidiel, ako je peroxid vodíka, k vodným prípravkom alkylpolyglukozidov v alkalickom prostredí za prítomnosti horčíkových iónov.

Rôzne výskumy a varianty použité počas syntézy, spracovania a rafinácie ukazujú, že ani dnes neexistujú všeobecne použiteľné riešenia „na kľúč“ na získanie špecifických druhov produktov. Naopak, všetky kroky procesu je potrebné prepracovať, vzájomne upraviť a optimalizovať. Táto kapitola poskytla návrhy a opísala niektoré praktické spôsoby, ako navrhnúť technické riešenia, ako aj stanoviť štandardné chemické a fyzikálne podmienky na vykonávanie reakcií, separačných a rafinačných procesov.

Všetky tri hlavné procesy – homogénna transglykozidácia, suspenzný proces a technika prívodu glukózy – sa môžu použiť v priemyselných podmienkach. Počas transglykozidácie sa musí koncentrácia medziproduktu butylpolyglukozidu, ktorý pôsobí ako solubilizátor pre edukty D-glukózy a butanolu, udržiavať v reakčnej zmesi nad približne 15 %, aby sa predišlo nehomogenitám. Z rovnakého dôvodu sa musí koncentrácia vody v reakčnej zmesi použitej na priamu Fischerovu syntézu alkylpolyglukozidov udržiavať na menej ako približne 1 %. Pri vyššom obsahu vody existuje riziko premeny suspendovanej kryštalickej D-glukózy na lepkavú hmotu, čo by následne viedlo k zlému spracovaniu a nadmernej polymerizácii. Účinné miešanie a homogenizácia podporujú jemné rozloženie a reaktivitu kryštalickej D-glukózy v reakčnej zmesi.

Pri výbere metódy syntézy a jej sofistikovanejších variantov je potrebné zvážiť technické aj ekonomické faktory. Homogénne transglykozidačné procesy založené na D-glukózových sirupoch sa javia ako obzvlášť výhodné pre kontinuálnu výrobu vo veľkom meradle. Umožňujú trvalé úspory pri kryštalizácii suroviny D-glukózy v hodnotovom reťazci, čo viac než kompenzuje vyššie jednorazové investície do kroku transglykozidácie a regenerácie butanolu. Použitie n-butanolu nepredstavuje žiadne ďalšie nevýhody, pretože sa dá takmer úplne recyklovať, takže zvyškové koncentrácie v regenerovaných konečných produktoch sú len niekoľko častíc na milión, čo možno považovať za nekritické. Priama Fischerova glykozidácia podľa suspenzného procesu alebo techniky prívodu glukózy odstraňuje krok transglykozidácie a regeneráciu butanolu. Môže sa tiež vykonávať kontinuálne a vyžaduje si mierne nižšie kapitálové výdavky.

Dá sa očakávať, že budúca dostupnosť a ceny fosílnych a obnoviteľných surovín, ako aj ďalší technický pokrok vo výrobe a aplikácii alkylpolyglukozidov, budú mať rozhodujúci vplyv na vývoj objemu trhu a výrobných kapacít týchto látok. Realizovateľné technické riešenia, ktoré už existujú na výrobu a použitie alkylpolyglukozidov, môžu poskytnúť spoločnostiam, ktoré vyvinuli alebo už používajú takéto procesy, zásadnú konkurenčnú výhodu na trhu s povrchovo aktívnymi látkami. Platí to najmä v prípade vysokých cien ropy a nízkych cien obilnín. Keďže fixné výrobné náklady sú určite na bežnej úrovni pre veľkoobjemové priemyselné povrchovo aktívne látky, aj mierne zníženie ceny domácich surovín môže nútiť k nahradeniu povrchovo aktívnych látok komoditami a môže jednoznačne podporiť inštaláciu nových výrobných závodov na alkylpolyglukozidy.