Transglykosidierungsverfahren unter Verwendung von D-Glucose als Rohstoff.

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 durch direkte Fischer-Glykosylierung oder durch zweistufige Transglykoside von Butylpolyglykosid in Gegenwart eines Säurekatalysators mit Wasser als Nebenprodukt in oberflächenaktive Alkylpolyglykoside umgewandelt werden.Um das Reaktionsgleichgewicht in Richtung des gewünschten Produkts zu verschieben, muss Wasser aus der Reaktionsmischung abdestilliert werden.Beim Glykosylierungsprozess sollten Inhomogenitäten im Reaktionsgemisch vermieden werden, da diese zu einer übermäßigen Bildung von sogenannter Polydextrose führen können, was höchst unerwünscht ist.Daher konzentrieren sich viele technische Strategien auf die homogenen Edukte n-Glucose und Alkohol, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Polarität nur schwer 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 durchschnittliche Anzahl normaler Glucoseeinheiten pro Alkylrest, der sogenannte Polymerisationsgrad, ist grundsätzlich eine Funktion des Molverhältnisses der Edukte während des Herstellungsprozesses.Aufgrund ihrer bemerkenswerten Tensideigenschaften sind Alkylpolyglykoside mit einem Polymerisationsgrad zwischen 1 und 3 besonders bevorzugt, weshalb bei diesem Verfahren pro Mol normaler Glucose etwa 3-10 Mol Fettalkohole eingesetzt werden müssen.

Mit zunehmendem Überschuss an Fettalkohol nimmt der Polymerisationsgrad ab.Der überschüssige Fettalkohol wird durch mehrstufige Vakuumdestillationsverfahren mit Fallfilmverdampfern abgetrennt und zurückgewonnen, wodurch die thermische Belastung möglichst gering gehalten 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 zu gewährleisten, ohne dass es zu nennenswerten Zersetzungsreaktionen kommt.Durch eine Reihe von Eindampfschritten können vorteilhafterweise zunächst leichtsiedende Fraktionen, dann die Hauptmenge an Fettalkohol und schließlich der restliche Fettalkohol abgetrennt werden, bis die Alkylpolyglucosid-Schmelzen als wasserlösliche Rückstände anfallen.

Selbst wenn Synthese und Verdampfung des Fettalkohols unter schonendsten Bedingungen erfolgen, kommt es zu unerwünschten Braunverfärbungen, die Bleichprozesse zur Veredelung der Produkte erforderlich machen.Als geeignete Bleichmethode hat sich die Zugabe von Oxidationsmitteln wie Wasserstoffperoxid zu wässrigen Zubereitungen von Alkylpolyglucosiden in alkalischem Medium in Gegenwart von Magnesiumionen erwiesen.

Die vielfältigen Untersuchungen und Varianten bei der Synthese, Aufarbeitung und Veredelung zeigen, dass es auch heute noch keine allgemeingültigen „schlüsselfertigen“ Lösungen zur Erzielung spezifischer Produktqualitäten gibt.Vielmehr müssen alle Prozessschritte erarbeitet, aufeinander abgestimmt und optimiert werden.In diesem Kapitel wurden Vorschläge gemacht und einige praktikable Wege zur Entwicklung technischer Lösungen beschrieben sowie chemische und physikalische Standardbedingungen für die Durchführung von Reaktionen, Trennungs- und Raffinierungsprozessen angegeben.

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 Transglycosidierungsverfahren 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.

Es ist zu erwarten, dass die zukünftige Verfügbarkeit und Preise fossiler und nachwachsender Rohstoffe sowie weitere technische Fortschritte in der Produktion und Anwendung von Alkylpolyglucosiden einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung des Marktvolumens und der Produktionskapazitäten haben werden.Die bereits existierenden praktikablen technischen Lösungen für die Herstellung und Verwendung von Alkylpolyglukosiden können Unternehmen, die solche Verfahren entwickelt haben oder bereits anwenden, einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil auf dem Tensidmarkt verschaffen.Dies gilt insbesondere bei hohen Rohölpreisen und niedrigen Getreidepreisen.Da die fixen Herstellungskosten für industrielle Massentenside sicherlich auf einem üblichen Niveau liegen, können selbst geringfügige Preissenkungen bei einheimischen Rohstoffen die Substitution von Tensiden durch Rohstoffe vorantreiben und die Installation neuer Produktionsanlagen für Alkylpolyglucoside eindeutig fördern.