ΟΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΛΚΥΛΟΓΛΥΚΟΖΙΤΩΝ

Η γλυκοζυλίωση Fischer είναι η μόνη μέθοδος χημικής σύνθεσης που έχει επιτρέψει την ανάπτυξη των σημερινών οικονομικών και τεχνικά τελειοποιημένων λύσεων για την παραγωγή αλκυλοπολυγλυκοζιτών σε μεγάλη κλίμακα. Έχουν ήδη κατασκευαστεί μονάδες παραγωγής με δυναμικότητα άνω των 20.000 τόνων/έτος, οι οποίες διευρύνουν την γκάμα προϊόντων της βιομηχανίας επιφανειοδραστικών ουσιών με επιφανειοδραστικούς παράγοντες που βασίζονται σε ανανεώσιμες πρώτες ύλες. Η D-γλυκόζη και οι γραμμικές λιπαρές αλκοόλες C8-C16 έχουν αποδειχθεί οι προτιμώμενες πρώτες ύλες. Αυτά τα προϊόντα μπορούν να μετατραπούν σε επιφανειοδραστικούς αλκυλοπολυγλυκοζιτές μέσω άμεσης γλυκοζυλίωσης Fischer ή τρανσγλυκοζυλίωσης δύο σταδίων μέσω βουτυλοπολυγλυκοζιτών παρουσία όξινων καταλυτών, με νερό ως παραπροϊόν. Το νερό πρέπει να αποσταχθεί από το μείγμα αντίδρασης προκειμένου να μετατοπιστεί η ισορροπία της αντίδρασης προς τα επιθυμητά προϊόντα. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας γλυκοζυλίωσης, θα πρέπει να αποφεύγονται οι ανομοιογένειες στο μείγμα αντίδρασης, καθώς οδηγούν σε υπερβολικό σχηματισμό των λεγόμενων πολυγλυκοζιτών, οι οποίοι είναι εξαιρετικά ανεπιθύμητοι. Πολλές τεχνικές στρατηγικές επικεντρώνονται επομένως στην ομογενοποίηση των προϊόντων n-γλυκόζης και αλκοολών, τα οποία είναι ελάχιστα αναμίξιμα λόγω της διαφοράς στην πολικότητα. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, σχηματίζονται γλυκοσιδικοί δεσμοί τόσο μεταξύ λιπαρής αλκοόλης και n-γλυκόζης όσο και μεταξύ των ίδιων των μονάδων n-γλυκόζης. Κατά συνέπεια, οι αλκυλοπολυγλυκοζίτες σχηματίζονται ως μείγματα κλασμάτων με διαφορετικό αριθμό μονάδων γλυκόζης στο αλκυλικό υπόλειμμα μακράς αλυσίδας. Κάθε ένα από αυτά τα κλάσματα, με τη σειρά του, αποτελείται από πολλά ισομερή συστατικά, καθώς οι μονάδες n-γλυκόζης λαμβάνουν διαφορετικές ανωμερείς μορφές και μορφές δακτυλίου σε χημική ισορροπία κατά τη διάρκεια της γλυκοζυλίωσης Fischer και οι γλυκοσιδικοί δεσμοί μεταξύ των μονάδων D-γλυκόζης εμφανίζονται σε διάφορες πιθανές θέσεις σύνδεσης. Η αναλογία ανωμερών των μονάδων D-γλυκόζης είναι περίπου α/β = 2:1 και φαίνεται δύσκολο να επηρεαστεί υπό τις περιγραφόμενες συνθήκες σύνθεσης Fischer. Υπό θερμοδυναμικά ελεγχόμενες συνθήκες, οι μονάδες n-γλυκόζης που περιέχονται στο μείγμα προϊόντων υπάρχουν κυρίως με τη μορφή πυρανοσιδίων. Ο μέσος αριθμός μονάδων n-γλυκόζης ανά αλκυλικό υπόλειμμα, ο λεγόμενος βαθμός πολυμερισμού, είναι ουσιαστικά συνάρτηση της μοριακής αναλογίας των προϊόντων κατά την παρασκευή. Λόγω των έντονων επιφανειοδραστικών ιδιοτήτων τους[1], δίνεται ιδιαίτερη προτίμηση σε αλκυλοπολυγλυκοζίτες με βαθμούς πολυμερισμού μεταξύ 1 και 3, για τους οποίους πρέπει να χρησιμοποιούνται περίπου 3-10 mol λιπαρής αλκοόλης ανά mol n-γλυκόζης στη διαδικασία.

Ο βαθμός πολυμερισμού μειώνεται καθώς αυξάνεται η περίσσεια λιπαρής αλκοόλης. Η περίσσεια λιπαρών αλκοολών διαχωρίζεται και ανακτάται με μια διαδικασία απόσταξης κενού πολλαπλών σταδίων με εξατμιστές πτωτικής μεμβράνης, έτσι ώστε η θερμική καταπόνηση να διατηρείται στο ελάχιστο. Η θερμοκρασία εξάτμισης πρέπει να είναι αρκετά υψηλή και ο χρόνος επαφής στη θερμή ζώνη αρκετά μεγάλος ώστε να εξασφαλίζεται επαρκής απόσταξη της περίσσειας λιπαρής αλκοόλης και ροή του τήγματος αλκυλοπολυγλυκοζίτη χωρίς καμία σημαντική αντίδραση αποσύνθεσης. Μια σειρά σταδίων εξάτμισης μπορεί να χρησιμοποιηθεί πλεονεκτικά για να διαχωριστεί πρώτα το κλάσμα χαμηλού σημείου βρασμού, στη συνέχεια η κύρια ποσότητα λιπαρής αλκοόλης και τέλος η υπόλοιπη λιπαρή αλκοόλη, μέχρι να λιώσει το αλκυλοπολυγλυκοζίτη ως υδατοδιαλυτό υπόλειμμα.

Ακόμα και υπό τις πιο ήπιες συνθήκες για τη σύνθεση και την εξάτμιση λιπαρών αλκοολών, θα εμφανιστεί ανεπιθύμητος καφέ αποχρωματισμός και απαιτούνται διαδικασίες λεύκανσης για τη βελτίωση του προϊόντος. Μία μέθοδος λεύκανσης που έχει αποδειχθεί κατάλληλη είναι η προσθήκη ενός οξειδωτικού παράγοντα, όπως το υπεροξείδιο του υδρογόνου, σε μια υδατική σύνθεση αλκυλοπολυγλυκοζίτη σε αλκαλικό μέσο παρουσία ιόντων μαγνησίου.

Οι πολλαπλές μελέτες και παραλλαγές που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία σύνθεσης, μετεπεξεργασίας και εξευγενισμού εγγυώνται ότι ακόμη και σήμερα, δεν υπάρχει ευρέως εφαρμόσιμη λύση «με το κλειδί στο χέρι» για την επίτευξη συγκεκριμένης ποιότητας προϊόντος. Αντίθετα, όλα τα βήματα της διαδικασίας πρέπει να διατυπωθούν. Ο Dongfu παρέχει ορισμένες προτάσεις για τον σχεδιασμό της λύσης και τις τεχνικές λύσεις, και εξηγεί τις χημικές και φυσικές συνθήκες για τη διαδικασία αντίδρασης, διαχωρισμού και εξευγενισμού.

Και οι τρεις κύριες διεργασίες - ομοιογενής τρανσγλυκοζιδίωση, διεργασία πολτού και τεχνική τροφοδοσίας γλυκόζης - μπορούν να χρησιμοποιηθούν υπό βιομηχανικές συνθήκες. Κατά τη διάρκεια της τρανσγλυκοζιδίωσης, η συγκέντρωση του ενδιάμεσου βουτυλοπολυγλυκοζίτη, το οποίο δρα ως διαλυτοποιητής για τα παράγωγα D-γλυκόζη και βουτανόλη, πρέπει να διατηρείται πάνω από περίπου 15% στο μείγμα αντίδρασης, ώστε να αποφεύγονται οι ανομοιογένειες. Για τον ίδιο σκοπό, η συγκέντρωση νερού στο μείγμα αντίδρασης που χρησιμοποιείται για την άμεση σύνθεση Fischer αλκυλοπολυγλυκοζιτών πρέπει να διατηρείται σε λιγότερο από περίπου 1%. Σε υψηλότερες περιεκτικότητες σε νερό, υπάρχει κίνδυνος μετατροπής της αιωρούμενης κρυσταλλικής D-γλυκόζης σε κολλώδη μάζα, η οποία στη συνέχεια θα οδηγήσει σε κακή επεξεργασία και υπερβολικό πολυμερισμό. Η αποτελεσματική ανάδευση και ομογενοποίηση προάγουν την λεπτή κατανομή και αντιδραστικότητα της κρυσταλλικής D-γλυκόζης στο μείγμα αντίδρασης.

Κατά την επιλογή της μεθόδου σύνθεσης και των πιο εξελιγμένων παραλλαγών της, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τόσο τεχνικοί όσο και οικονομικοί παράγοντες. Οι ομοιογενείς διαδικασίες τρανσγλυκοζυλίωσης που βασίζονται σε σιρόπια D-γλυκόζης φαίνονται ιδιαίτερα ευνοϊκές για συνεχή παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα. Επιτρέπουν μόνιμη εξοικονόμηση στην κρυστάλλωση της πρώτης ύλης D-γλυκόζης στην αλυσίδα προστιθέμενης αξίας, η οποία αντισταθμίζει με το παραπάνω τις υψηλότερες εφάπαξ επενδύσεις στο στάδιο τρανσγλυκοζυλίωσης και την ανάκτηση της βουτανόλης. Η χρήση της n-βουτανόλης δεν παρουσιάζει άλλα μειονεκτήματα, καθώς μπορεί να ανακυκλωθεί σχεδόν πλήρως, έτσι ώστε οι υπολειμματικές συγκεντρώσεις στα ανακτημένα τελικά προϊόντα να είναι μόνο μερικά μέρη ανά εκατομμύριο, κάτι που μπορεί να θεωρηθεί μη κρίσιμο. Η άμεση γλυκοζυλίωση Fischer σύμφωνα με τη διαδικασία πολτού ή την τεχνική τροφοδοσίας γλυκόζης καταργεί το στάδιο τρανσγλυκοζυλίωσης και την ανάκτηση της βουτανόλης. Μπορεί επίσης να εκτελείται συνεχώς και απαιτεί ελαφρώς χαμηλότερες κεφαλαιουχικές δαπάνες.

Στο μέλλον, η προσφορά και η τιμή των ορυκτών και ανανεώσιμων πρώτων υλών, καθώς και η περαιτέρω τεχνολογική πρόοδος στην παραγωγή αλκυλοπολυσακχαριτών, θα έχουν καθοριστικό αντίκτυπο στην ικανότητα της αγοράς και την παραγωγική ικανότητα ανάπτυξης και εφαρμογής. Ο βασικός πολυσακχαρίτης έχει ήδη τις δικές του τεχνικές λύσεις που μπορούν να προσφέρουν σημαντικά ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα στην αγορά επιφανειακής επεξεργασίας για εταιρείες που αναπτύσσουν ή έχουν υιοθετήσει τέτοιες διαδικασίες. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα όταν οι τιμές είναι υψηλές και χαμηλές. Το κόστος παραγωγής του παράγοντα παραγωγής έχει αυξηθεί στο συνηθισμένο επίπεδο, ακόμη και αν η τιμή των τοπικών πρώτων υλών μειωθεί ελαφρώς, μπορεί να καθορίσει τα υποκατάστατα των επιφανειοδραστικών ουσιών και μπορεί να ενθαρρύνει την εγκατάσταση νέων μονάδων παραγωγής αλκυλοπολυσακχαριτών.