กระบวนการทรานส์ไกลโคซิเดชันโดยใช้ D-กลูโคสเป็นวัตถุดิบ

ไกลโคไซเดชันแบบฟิชเชอร์เป็นวิธีการสังเคราะห์ทางเคมีเพียงวิธีเดียวที่ช่วยให้สามารถพัฒนาโซลูชันที่ทันสมัยและประหยัดทางเทคนิคสำหรับการผลิตอัลคิลโพลีกลูโคไซด์ในปริมาณมากได้ โรงงานผลิตที่มีกำลังการผลิตมากกว่า 20,000 ตัน/ปี ได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว และได้ขยายขอบเขตผลิตภัณฑ์ของอุตสาหกรรมสารลดแรงตึงผิวด้วยสารลดแรงตึงผิวที่ผลิตจากวัตถุดิบหมุนเวียน แอลกอฮอล์ไขมัน D-กลูโคสและแอลกอฮอล์ไขมันเชิงเส้น C8-C16 ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นวัตถุดิบหลัก สารสกัดเหล่านี้สามารถเปลี่ยนเป็นอัลคิลโพลีกลูโคไซด์ที่ลดแรงตึงผิวได้โดยการทำไกลโคไซเลชันแบบฟิชเชอร์โดยตรง หรือโดยการทำทรานส์ไกลโคไซด์สองขั้นตอนของบิวทิลโพลีกลูโคไซด์ โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยากรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โดยมีน้ำเป็นผลพลอยได้ ต้องกลั่นน้ำออกจากส่วนผสมของปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนสมดุลของปฏิกิริยาไปสู่ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ในกระบวนการไกลโคซิเลชัน ควรหลีกเลี่ยงความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของส่วนผสมปฏิกิริยา เพราะอาจนำไปสู่การเกิดโพลีเดกซ์โทรสมากเกินไป ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์อย่างยิ่ง ดังนั้น กลยุทธ์ทางเทคนิคหลายอย่างจึงมุ่งเน้นไปที่สารที่เป็นเนื้อเดียวกัน เช่น เอ็น-กลูโคส และแอลกอฮอล์ ซึ่งยากต่อการผสมเนื่องจากขั้วที่แตกต่างกัน ระหว่างปฏิกิริยา พันธะไกลโคซิดิกจะเกิดขึ้นทั้งระหว่างแอลกอฮอล์ไขมันและเอ็น-กลูโคส และระหว่างหน่วยเอ็น-กลูโคสเอง แอลคิลโพลีกลูโคไซด์จึงก่อตัวเป็นส่วนผสมของเศษส่วนที่มีจำนวนหน่วยกลูโคสต่างกันที่บริเวณแอ่งแอลคิลสายยาว เศษส่วนเหล่านี้แต่ละส่วนประกอบด้วยองค์ประกอบไอโซเมอร์หลายชนิด เนื่องจากหน่วยเอ็น-กลูโคสมีรูปแบบอะโนเมอร์และรูปแบบวงแหวนที่แตกต่างกันในภาวะสมดุลทางเคมีระหว่างฟิชเชอร์ไกลโคซิเดชัน และพันธะไกลโคซิดิกระหว่างหน่วยดี-กลูโคสเกิดขึ้นที่ตำแหน่งพันธะที่เป็นไปได้หลายตำแหน่ง อัตราส่วนอะโนเมอร์ของหน่วย D-กลูโคสอยู่ที่ประมาณ α/β = 2:1 และดูเหมือนจะควบคุมได้ยากภายใต้สภาวะการสังเคราะห์แบบฟิชเชอร์ตามที่อธิบายไว้ ภายใต้สภาวะที่ควบคุมด้วยอุณหพลศาสตร์ หน่วย n-กลูโคสที่มีอยู่ในส่วนผสมของผลิตภัณฑ์จะอยู่ในรูปของไพราโนไซด์เป็นหลัก จำนวนเฉลี่ยของหน่วยกลูโคสปกติต่อกากอัลคิล หรือที่เรียกว่าระดับการเกิดพอลิเมอไรเซชัน โดยพื้นฐานแล้วจะขึ้นอยู่กับอัตราส่วนโมลาร์ของสารออกซิไดซ์ในกระบวนการผลิต เนื่องจากมีคุณสมบัติเป็นสารลดแรงตึงผิวที่โดดเด่น อัลคิลโพลีไกลโคไซด์ที่มีระดับการเกิดพอลิเมอไรเซชันระหว่าง 1 ถึง 3 จึงเป็นที่นิยมเป็นพิเศษ ดังนั้นจึงต้องใช้แอลกอฮอล์ไขมันประมาณ 3-10 โมลต่อโมลของกลูโคสปกติในวิธีการนี้

ระดับการเกิดพอลิเมอไรเซชันจะลดลงเมื่อมีปริมาณแอลกอฮอล์ไขมันส่วนเกินเพิ่มขึ้น แอลกอฮอล์ไขมันส่วนเกินจะถูกแยกและนำกลับมาใช้ใหม่โดยกระบวนการกลั่นสุญญากาศแบบหลายขั้นตอนโดยใช้เครื่องระเหยแบบฟิล์มตก ซึ่งทำให้สามารถลดความเครียดทางความร้อนให้น้อยที่สุด อุณหภูมิการระเหยควรสูงพอเหมาะ และระยะเวลาสัมผัสในเขตร้อนควรนานพอที่จะทำให้มั่นใจได้ว่าแอลกอฮอล์ไขมันส่วนเกินจะถูกกลั่นและไหลออกมาอย่างเพียงพอ โดยไม่เกิดปฏิกิริยาการสลายตัวที่รุนแรง ขั้นตอนการระเหยหลายขั้นตอนสามารถนำมาใช้เพื่อแยกส่วนที่มีจุดเดือดต่ำก่อน จากนั้นจึงแยกแอลกอฮอล์ไขมันปริมาณหลัก และสุดท้ายแยกแอลกอฮอล์ไขมันที่เหลือ จนกระทั่งได้สารละลายแอลกอฮอล์ไขมันที่ละลายแล้วเป็นกากที่ละลายน้ำได้

แม้การสังเคราะห์และการระเหยของแอลกอฮอล์ไขมันจะดำเนินการภายใต้สภาวะที่อ่อนโยนที่สุด ก็อาจเกิดการเปลี่ยนสีเป็นสีน้ำตาลที่ไม่พึงประสงค์ ซึ่งจำเป็นต้องมีกระบวนการฟอกสีเพื่อปรับสภาพผลิตภัณฑ์ให้บริสุทธิ์ วิธีการฟอกสีหนึ่งที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเหมาะสมคือการเติมสารออกซิไดซ์ เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ลงในสารละลายอัลคิลโพลีกลูโคไซด์ในน้ำในอาหารที่เป็นด่าง โดยมีไอออนของแมกนีเซียมอยู่ด้วย

การตรวจสอบและตัวแปรต่างๆ มากมายที่ใช้ในการสังเคราะห์ การเตรียมการ และการกลั่น แสดงให้เห็นว่าแม้กระทั่งในปัจจุบันก็ยังไม่มีโซลูชันแบบเบ็ดเสร็จ ("พร้อมใช้งาน") ที่ใช้ได้ทั่วไปสำหรับการรับเกรดผลิตภัณฑ์เฉพาะ ในทางกลับกัน ขั้นตอนกระบวนการทั้งหมดจำเป็นต้องได้รับการวางแผน ปรับเปลี่ยน และเพิ่มประสิทธิภาพร่วมกัน บทนี้ได้ให้ข้อเสนอแนะและอธิบายวิธีการที่เป็นไปได้ในการคิดค้นโซลูชันทางเทคนิค รวมถึงการระบุสภาวะทางเคมีและฟิสิกส์มาตรฐานสำหรับการทำปฏิกิริยา การแยก และกระบวนการกลั่น

กระบวนการหลักทั้งสามกระบวนการ ได้แก่ ทรานส์ไกลโคไซเดชันแบบเนื้อเดียวกัน กระบวนการทำสารละลาย และเทคนิคการป้อนกลูโคส สามารถนำมาใช้ในสภาวะอุตสาหกรรมได้ ในระหว่างการทำทรานส์ไกลโคไซเดชัน ความเข้มข้นของบิวทิลโพลีกลูโคไซด์ตัวกลาง ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวละลายสำหรับสารละลาย D-กลูโคสและบิวทานอล ต้องคงไว้ในส่วนผสมของปฏิกิริยามากกว่า 15% เพื่อหลีกเลี่ยงความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ในทำนองเดียวกัน ความเข้มข้นของน้ำในส่วนผสมของปฏิกิริยาที่ใช้สำหรับการสังเคราะห์อัลคิลโพลีกลูโคไซด์โดยตรงด้วยวิธีฟิชเชอร์ต้องคงไว้น้อยกว่า 1% เมื่อมีปริมาณน้ำสูง มีความเสี่ยงที่ผลึก D-กลูโคสที่แขวนลอยอยู่จะเปลี่ยนเป็นมวลเหนียว ซึ่งจะส่งผลให้กระบวนการแปรรูปไม่ดีและเกิดพอลิเมอไรเซชันมากเกินไป การกวนและการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันอย่างมีประสิทธิภาพจะส่งเสริมการกระจายตัวและปฏิกิริยาของผลึก D-กลูโคสในส่วนผสมของปฏิกิริยา

การเลือกวิธีการสังเคราะห์และรูปแบบที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นต้องพิจารณาปัจจัยทั้งทางเทคนิคและเศรษฐกิจ กระบวนการทรานส์ไกลโคไซเดชันแบบเนื้อเดียวกันที่ใช้น้ำเชื่อม D-กลูโคสดูเหมือนจะเอื้ออำนวยเป็นพิเศษสำหรับการผลิตต่อเนื่องในปริมาณมาก กระบวนการนี้ช่วยให้ประหยัดการตกผลึกของวัตถุดิบ D-กลูโคสในห่วงโซ่มูลค่าได้อย่างถาวร ซึ่งมากกว่าการลงทุนครั้งเดียวที่สูงกว่าในขั้นตอนทรานส์ไกลโคไซเดชันและการกู้คืนบิวทานอล การใช้ n-บิวทานอลไม่มีข้อเสียอื่นใด เนื่องจากสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้เกือบหมด ทำให้ความเข้มข้นที่เหลืออยู่ในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่กู้คืนมามีเพียงไม่กี่ส่วนในล้านส่วน ซึ่งถือว่าไม่สำคัญ ไกลโคไซเดชันฟิชเชอร์โดยตรงตามกระบวนการสารละลายหรือเทคนิคการป้อนกลูโคสจะไม่ต้องใช้ขั้นตอนทรานส์ไกลโคไซเดชันและการกู้คืนบิวทานอล นอกจากนี้ยังสามารถดำเนินการได้อย่างต่อเนื่องและต้องใช้เงินลงทุนที่ลดลงเล็กน้อย

คาดว่าความพร้อมและราคาในอนาคตของวัตถุดิบฟอสซิลและวัตถุดิบหมุนเวียน รวมถึงความก้าวหน้าทางเทคนิคเพิ่มเติมในการผลิตและการประยุกต์ใช้อัลคิลโพลีกลูโคไซด์ จะมีอิทธิพลสำคัญต่อการพัฒนาปริมาณตลาดและกำลังการผลิตของอัลคิลโพลีกลูโคไซด์ โซลูชันทางเทคนิคที่มีอยู่แล้วสำหรับการผลิตและการใช้อัลคิลโพลีกลูโคไซด์ อาจมอบความได้เปรียบในการแข่งขันที่สำคัญในตลาดสารลดแรงตึงผิวสำหรับบริษัทที่ได้พัฒนาหรือใช้กระบวนการดังกล่าวอยู่แล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ราคาน้ำมันดิบสูงและราคาธัญพืชตกต่ำ เนื่องจากต้นทุนการผลิตคงที่อยู่ในระดับปกติสำหรับสารลดแรงตึงผิวอุตสาหกรรมแบบเทกอง การลดราคาวัตถุดิบภายในประเทศแม้เพียงเล็กน้อยก็อาจกระตุ้นให้เกิดการทดแทนสารลดแรงตึงผิว และอาจกระตุ้นให้มีการตั้งโรงงานผลิตสารลดแรงตึงผิวแห่งใหม่