שיטות לייצור אלקיל גלוקוזידים

גליקוזידציה של פישר היא השיטה היחידה לסינתזה כימית שאפשרה את פיתוח הפתרונות הכלכליים והטכניים המושלמים כיום לייצור בקנה מידה גדול של אלקיל פוליגלוקוזידים. מפעלי ייצור בעלי קיבולת של מעל 20,000 טון לשנה כבר מומשו והרחיבו את מגוון המוצרים של תעשיית החומרים הפעילי שטח עם חומרים פעילי שטח המבוססים על חומרי גלם מתחדשים. D-גלוקוז ואלכוהולי שומן לינאריים C8-C16 הוכחו כחומרי גלם מועדפים. ניתן להמיר תוצרים אלה לפוליגלוקוזידים אלקיל פעילי שטח באמצעות גליקוזידציה ישירה של פישר או טרנסגליקוזידציה דו-שלבית באמצעות בוטיל פוליגלוקוזיד בנוכחות זרזים חומציים, כאשר מים הם תוצר לוואי. יש לזקק את המים מתערובת התגובה על מנת להזיז את שיווי המשקל של התגובה לכיוון התוצרים הרצויים. במהלך תהליך הגליקוזידציה, יש להימנע מאי-הומוגניות בתערובת התגובה, מכיוון שהן מובילות להיווצרות מוגזמת של מה שנקרא פוליגלוקוזידים, שהם מאוד לא רצויים. לכן, תחבולות טכניות רבות מתמקדות בהומוגניזציה של n-גלוקוז ואלכוהולים, אשר מתערבבים בצורה גרועה עקב ההבדל בקוטביות שלהם. במהלך התגובה, נוצרים קשרים גליקוזידיים הן בין אלכוהול שומני ל-n-גלוקוז והן בין יחידות ה-n-גלוקוז עצמן. כתוצאה מכך, אלקיל פוליגלוקוזידים נוצרים כתערובות של מקטעים עם מספר שונה של יחידות גלוקוז בשארית האלקיל ארוכת השרשרת. כל אחד מהמקטעים הללו, בתורו, מורכב מכמה מרכיבים איזומריים, מכיוון שיחידות ה-n-גלוקוז מקבלות צורות אנומריות וצורות טבעת שונות בשיווי משקל כימי במהלך גליקוזידציה של פישר והקשרים הגליקוזידיים בין יחידות D-גלוקוז מתרחשים במספר עמדות קשר אפשריות. יחס האנומרים של יחידות D-גלוקוז הוא בערך α/β = 2:1 ונראה שקשה להשפיע עליו בתנאים המתוארים של סינתזת פישר. בתנאים מבוקרים תרמודינמית, יחידות ה-n-גלוקוז הכלולות בתערובת התוצר קיימות בעיקר בצורת פירנוזידים. המספר הממוצע של יחידות n-גלוקוז לכל שארית אלקיל, מה שנקרא דרגת הפולימריזציה, הוא למעשה פונקציה של היחס המולרי של התוצרים במהלך הייצור. בשל תכונותיהם כחומר פעיל שטח מובהקות[1], ניתנת עדיפות מיוחדת לפוליגלוקוזידים אלקיליים בעלי דרגות פילמור בין 1 ל-3, שעבורם יש להשתמש בכ-3-10 מול אלכוהול שומני לכל מול של n-גלוקוז בתהליך.

דרגת הפולימריזציה יורדת ככל שכמות האלכוהול השומני העודפת עולה. עודפי האלכוהול השומני מופרדים ומוחזרים באמצעות תהליך זיקוק ואקום רב-שלבי עם מאיידים של שכבה נופלת, כך שניתן לשמור על מאמץ תרמי מינימלי. טמפרטורת האידוי צריכה להיות גבוהה מספיק וזמן המגע באזור החם ארוך מספיק כדי להבטיח זיקוק מספיק של עודפי האלכוהול השומני וזרימה של אלקיל פוליגלוקוזיד מותך ללא תגובת פירוק משמעותית. ניתן להשתמש בסדרה של שלבי אידוי כדי להפריד תחילה את החלק בעל הרתיחה הנמוכה, לאחר מכן את הכמות העיקרית של אלכוהול שומני, ולבסוף את אלכוהול השומן הנותר, עד שהאלקיל פוליגליקוזיד נמס כשארית מסיסה במים.

אפילו בתנאים המתונים ביותר לסינתזה ואידוי של אלכוהולים שומניים, יתרחש שינוי צבע חום לא רצוי, ונדרשים תהליכי הלבנה כדי לעדן את המוצר. שיטת הלבנה אחת שהוכחה מתאימה היא הוספת חומר חמצון, כגון מי חמצן, לפורמולציה מימית של אלקיל פוליגליקוזיד בתווך בסיסי בנוכחות יוני מגנזיום.

המחקרים והווריאציות הרבות ששימשו בתהליך הסינתזה, העיבוד שלאחר העיבוד והזיקוק מבטיחים שגם כיום, עדיין אין פתרון "מוכן לשימוש" נרחב להשגת דרגת מוצר ספציפית. להיפך, יש לנסח את כל שלבי התהליך. דונגפו מספקת מספר הצעות לתכנון הפתרון והפתרונות הטכניים, ומסבירה את התנאים הכימיים והפיזיקליים לתהליך התגובה, ההפרדה והזיקוק.

שלושת התהליכים העיקריים - טרנסגליקוזידציה הומוגנית, תהליך תרחיף וטכניקת הזנת גלוקוז - ניתנים לשימוש בתנאים תעשייתיים. במהלך הטרנסגליקוזידציה, יש לשמור על ריכוז הפוליגלוקוזיד בוטיל הביניים, הפועל כמסיר עבור גלוקוז D ובוטאנול, מעל כ-15% בתערובת התגובה, על מנת למנוע אי-הומוגניות. לאותה מטרה, יש לשמור על ריכוז המים בתערובת התגובה המשמשת לסינתזה ישירה של אלקיל פוליגלוקוזידים לפי פישר על פחות מ-1%. בתכולת מים גבוהה יותר קיים סיכון להפיכת גלוקוז D גבישי מרחף למסה דביקה, מה שיוביל לאחר מכן לעיבוד לקוי ולפולימריזציה מוגזמת. ערבוב והומוגניזציה יעילים מקדמים את הפיזור העדין והריאקטיביות של גלוקוז D גבישי בתערובת התגובה.

יש לקחת בחשבון גורמים טכניים וכלכליים כאחד בעת בחירת שיטת הסינתזה והווריאציות המתוחכמות יותר שלה. תהליכי טרנסגליקוזידציה הומוגניים המבוססים על סירופי D-גלוקוז נראים נוחים במיוחד לייצור רציף בקנה מידה גדול. הם מאפשרים חיסכון קבוע בגיבוש חומר הגלם D-גלוקוז בשרשרת הערך המוסף, אשר מפצה על ההשקעות החד-פעמיות הגבוהות יותר בשלב הטרנסגליקוזידציה ובהפקת הבוטנול. השימוש ב-n-בוטנול אינו מציג חסרונות נוספים, מכיוון שניתן למחזר אותו כמעט לחלוטין כך שריכוזי השיורים בתוצרים הסופיים הממוחזרים הם רק חלקים בודדים למיליון, דבר שניתן להתייחס אליו כלא קריטי. גליקוזידציה ישירה של פישר לפי תהליך הסלריה או טכניקת הזנת גלוקוז מבטלת את שלב הטרנסגליקוזידציה ואת הפקת הבוטנול. ניתן לבצע אותה גם באופן רציף ודורשת הוצאות הון נמוכות מעט.

בעתיד, להיצע ולמחיר של חומרי גלם מאובנים ומתחדשים, כמו גם להתקדמות הטכנולוגית הנוספת בייצור של פוליסכרידים אלקיליים, תהיה השפעה מכרעת על כושר הייצור של השוק ועל כושר הייצור של הפיתוח והיישום. לפוליסכריד הבסיסי כבר יש פתרונות טכניים משלו שיכולים לספק יתרונות תחרותיים חשובים בשוק טיפולי פני השטח עבור חברות המפתחות או אימצו תהליכים כאלה. זה נכון במיוחד כאשר המחירים גבוהים ונמוכים. עלות הייצור של חומר הייצור עלתה לרמה הרגילה, גם אם מחיר חומרי הגלם המקומיים יירד מעט, הדבר עשוי לקבע את התחליפים לחומרים פעילי שטח ועשוי לעודד את התקנתם של מפעלי ייצור חדשים של פוליסכרידים אלקיליים.