DIE VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON ALKYLglukosiden

Die Fischer-Glykosidierung ist die einzige Methode der chemischen Synthese, die die Entwicklung der heutigen wirtschaftlichen und technisch ausgereiften Lösungen für die großtechnische Produktion von Alkylpolyglukosiden ermöglicht hat. Produktionsanlagen mit Kapazitäten von über 20.000 t/Jahr wurden bereits realisiert und erweitern die Produktpalette der Tensidindustrie um oberflächenaktive Wirkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Als bevorzugte Rohstoffe haben sich D-Glucose und lineare C8-C16-Fettalkohole erwiesen. Diese Edukte können mittels direkter Fischer-Glycosidierung oder zweistufiger Transglycosidierung über Butylpolyglucosid in Gegenwart saurer Katalysatoren in oberflächenaktive Alkylpolyglucoside umgewandelt werden, wobei Wasser als Nebenprodukt entsteht. Um das Reaktionsgleichgewicht in Richtung der gewünschten Produkte zu verschieben, muss das Wasser aus der Reaktionsmischung abdestilliert werden. Bei der Glykosidierung sollten Inhomogenitäten im Reaktionsgemisch vermieden werden, da diese zu einer übermäßigen Bildung sogenannter Polyglucoside führen, die höchst unerwünscht sind. Viele technische Strategien konzentrieren sich daher auf die Homogenisierung der Edukte n-Glucose und Alkohole, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Polarität schlecht mischbar sind. Bei der Reaktion entstehen glykosidische Bindungen sowohl zwischen Fettalkohol und n-Glucose als auch zwischen den n-Glucose-Einheiten selbst. Alkylpolyglucoside entstehen somit als Gemische von Fraktionen mit unterschiedlicher Anzahl an Glucoseeinheiten am langkettigen Alkylrest. Jede dieser Fraktionen besteht wiederum aus mehreren isomeren Bestandteilen, da die n-Glucose-Einheiten im chemischen Gleichgewicht während der Fischer-Glykosidierung unterschiedliche anomere Formen und Ringformen annehmen und die glykosidischen Verknüpfungen zwischen D-Glucose-Einheiten an mehreren möglichen Bindungspositionen auftreten . Das Anomerenverhältnis der D-Glucose-Einheiten beträgt etwa α/β＝ 2:1 und scheint unter den beschriebenen Bedingungen der Fischer-Synthese schwer zu beeinflussen. Unter thermodynamisch kontrollierten Bedingungen liegen die im Produktgemisch enthaltenen n-Glucose-Einheiten überwiegend in Form von Pyranosiden vor. Die mittlere Anzahl an n-Glucose-Einheiten pro Alkylrest, der sogenannte Polymerisationsgrad, ist im Wesentlichen eine Funktion des Molverhältnisses der Edukte bei der Herstellung. Aufgrund ihrer ausgeprägten Tensideigenschaften werden insbesondere Alkylpolyglucoside mit Polymerisationsgraden zwischen 1 und 3 bevorzugt, für die im Verfahren pro Mol n-Glucose etwa 3-10 Mol Fettalkohol eingesetzt werden müssen.

Der Polymerisationsgrad nimmt mit zunehmendem Fettalkoholüberschuss ab. Überschüssige Fettalkohole werden durch ein mehrstufiges Vakuumdestillationsverfahren mit Fallfilmverdampfern abgetrennt und zurückgewonnen, so dass die thermische Belastung auf ein Minimum beschränkt werden kann. Die Verdampfungstemperatur sollte gerade hoch genug und die Kontaktzeit in der heißen Zone gerade lang genug sein, um eine ausreichende Destillation des überschüssigen Fettalkohols und ein Fließen der Alkylpolyglucosidschmelze ohne nennenswerte Zersetzungsreaktion sicherzustellen. Durch eine Reihe von Eindampfschritten kann vorteilhaft zunächst die Leichtsiederfraktion, dann die Hauptmenge an Fettalkohol und schließlich der restliche Fettalkohol abgetrennt werden, bis das Alkylpolyglycosid als wasserlöslicher Rückstand schmilzt.

Selbst unter den mildesten Bedingungen für die Synthese und Verdampfung von Fettalkoholen kommt es zu unerwünschten braunen Verfärbungen, und zur Verfeinerung des Produkts sind Bleichprozesse erforderlich. Eine bewährte Bleichmethode besteht darin, einer wässrigen Formulierung von Alkylpolyglykosiden in einem alkalischen Medium in Gegenwart von Magnesiumionen ein Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid zuzusetzen.

Die vielfältigen Studien und Varianten im Synthese-, Nachbearbeitungs- und Veredelungsprozess garantieren, dass es auch heute noch keine allgemein anwendbare „schlüsselfertige“ Lösung zur Erzielung einer bestimmten Produktqualität gibt. Vielmehr müssen alle Prozessschritte formuliert werden. Dongfu gibt einige Vorschläge für das Lösungsdesign und technische Lösungen und erläutert die chemischen und physikalischen Bedingungen für den Reaktions-, Trenn- und Raffinierungsprozess.

Alle drei Hauptverfahren – homogene Transglycosidierung, Slurry-Verfahren und Glucose-Feed-Technik – können unter industriellen Bedingungen eingesetzt werden. Bei der Transglycosidierung muss die Konzentration des Zwischenprodukts Butylpolyglucosid, das als Lösungsvermittler für die Edukte D-Glucose und Butanol fungiert, im Reaktionsgemisch über etwa 15 % gehalten werden, um Inhomogenitäten zu vermeiden. Aus demselben Grund muss die Wasserkonzentration in der Reaktionsmischung, die für die direkte Fischer-Synthese von Alkylpolyglucosiden verwendet wird, bei weniger als etwa 1 % gehalten werden. Bei höheren Wassergehalten besteht die Gefahr, dass die suspendierte kristalline D-Glucose in eine klebrige Masse übergeht, was in der Folge zu schlechter Verarbeitung und übermäßiger Polymerisation führen würde. Durch effektives Rühren und Homogenisieren wird die Feinverteilung und Reaktivität der kristallinen D-Glucose im Reaktionsgemisch gefördert.

Bei der Auswahl des Syntheseverfahrens und seiner anspruchsvolleren Varianten müssen sowohl technische als auch wirtschaftliche Faktoren berücksichtigt werden. Homogene Transglykosidierungsverfahren auf Basis von D-Glucosesirupen erscheinen für die kontinuierliche Produktion im großen Maßstab besonders günstig. Sie ermöglichen dauerhafte Einsparungen bei der Kristallisation des Rohstoffs D-Glucose in der Wertschöpfungskette, die die höheren Einmalinvestitionen im Transglykosidierungsschritt und der Rückgewinnung von Butanol mehr als ausgleichen. Die Verwendung von n-Butanol bringt keine weiteren Nachteile mit sich, da es nahezu vollständig recycelt werden kann, so dass die Restkonzentrationen in den gewonnenen Endprodukten nur noch wenige ppm betragen, was als unkritisch angesehen werden kann. Die direkte Fischer-Glykosidierung nach dem Slurry-Verfahren oder der Glucose-Feed-Technik macht den Transglykosidierungsschritt und die Rückgewinnung von Butanol überflüssig. Es kann auch kontinuierlich durchgeführt werden und erfordert einen etwas geringeren Investitionsaufwand.

Das Angebot und der Preis fossiler und nachwachsender Rohstoffe sowie der weitere technologische Fortschritt bei der Herstellung von Alkylpolysacchariden werden künftig einen entscheidenden Einfluss auf die Marktkapazität und Produktionskapazität von Entwicklung und Anwendung haben. Das Basispolysaccharid verfügt bereits über eigene technische Lösungen, die Unternehmen, die solche Prozesse entwickeln oder eingeführt haben, wichtige Wettbewerbsvorteile auf dem Markt für Oberflächenbehandlung verschaffen können. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Preise hoch und niedrig sind. Die Herstellungskosten des Herstellungsmittels sind auf das übliche Niveau gestiegen, selbst wenn die Preise für lokale Rohstoffe leicht sinken, könnte dies die Substitution von Tensiden festlegen und die Installation neuer Produktionsanlagen für Alkylpolysaccharide fördern.