アルキルグルコシドの製造方法

フィッシャーグリコシド化は、アルキルポリグルコシドの大規模生産のための今日の経済的かつ技術的に完成したソリューションの開発を可能にした唯一の化学合成法です。年間20,000 tを超える生産能力を持つ生産プラントがすでに実現されており、再生可能な原料をベースとした界面活性剤により、界面活性剤産業の製品範囲が拡大しています。D-グルコースと直鎖C8-C16脂肪族アルコールが好ましい原料であることが証明されています。これらの抽出物は、直接フィッシャーグリコシド化、または酸触媒の存在下でブチルポリグルコシドを経由する2段階トランスグリコシド化によって、水が副産物として生成され、界面活性アルキルポリグルコシドに変換できます。反応平衡を目的の生成物の方向にシフトさせるには、反応混合物から水を蒸留する必要があります。グリコシド化プロセス中は、反応混合物の不均一性を避ける必要があります。不均一性があると、いわゆるポリグルコシドが過剰に生成し、非常に望ましくないからです。そのため、多くの技術的戦略は、極性が異なるために混和しにくい n-グルコースとアルコールという生成物を均質化することに集中しています。反応中、脂肪族アルコールと n-グルコースの間、および n-グルコース単位同士の間でグリコシド結合が形成されます。その結果、長鎖アルキル残基のグルコース単位の数が異なる画分の混合物としてアルキルポリグルコシドが形成されます。これらの画分はそれぞれ、複数の異性体成分で構成されています。これは、フィッシャーグリコシド化中に n-グルコース単位が化学平衡で異なるアノマー型と環型をとり、D-グルコース単位間のグリコシド結合が複数の可能な結合位置で発生するためです。 D-グルコース単位のアノマー比はおよそα/β＝2:1であり、記載されているフィッシャー合成条件下では変化させることは困難であると考えられる。熱力学的に制御された条件下では、生成物混合物に含まれるn-グルコース単位は主にピラノシドの形で存在する。アルキル残基あたりのn-グルコース単位の平均数、いわゆる重合度は、基本的に製造時の原料のモル比の関数である。顕著な界面活性特性[1]を有するため、重合度1～3のアルキルポリグルコシドが特に好ましく、この場合、製造工程においてn-グルコース1モルあたり約3～10モルの脂肪族アルコールを使用する必要がある。

重合度は、過剰の脂肪アルコールが増加するにつれて低下します。過剰の脂肪アルコールは、流下膜式蒸発器を用いた多段階真空蒸留プロセスによって分離・回収されます。これにより、熱ストレスを最小限に抑えることができます。蒸発温度は、過剰の脂肪アルコールを十分に蒸留し、アルキルポリグリコシド融液が顕著な分解反応を起こさずに流れ出るように、適度な高さと高温域での接触時間を確保する必要があります。一連の蒸発工程を有利に用いることで、まず低沸点留分を分離し、次に主要量の脂肪アルコールを分離し、最後に残りの脂肪アルコールを分離し、アルキルポリグリコシドが水溶性残渣として融解するまで分離することができます。

脂肪族アルコールの合成および蒸発において、最も穏やかな条件下でも望ましくない褐色への変色が発生するため、製品を精製するには漂白工程が必要となります。適切な漂白方法の一つとして、マグネシウムイオン存在下のアルカリ性媒体中でアルキルポリグリコシドの水性製剤に過酸化水素などの酸化剤を添加する方法が実証されています。

合成、後処理、精製プロセスにおける多様な研究と様々なバリエーションにより、今日に至るまで、特定の製品グレードを得るための広く適用可能な「ターンキー」ソリューションは未だ存在しない。むしろ、プロセスの全ステップを策定する必要がある。Dongfuは、ソリューション設計と技術的ソリューションに関する提案を提供し、反応、分離、精製プロセスの化学的および物理的条件について解説する。

均一なトランスグリコシド化、スラリー法、およびグルコース供給法の 3 つの主なプロセスはすべて、工業条件下で使用できます。トランスグリコシド化中、遊離体 D-グルコースとブタノールの可溶化剤として作用する中間体ブチルポリグルコシドの濃度は、不均一性を避けるために反応混合物中で約 15% 以上に維持する必要があります。同じ目的で、アルキルポリグルコシドの直接フィッシャー合成に使用する反応混合物中の水濃度は約 1 % 未満に維持する必要があります。水分含有量が多いと、懸濁した結晶性 D-グルコースが粘着性の塊に変わるリスクがあり、その結果、処理が不良になり、過剰に重合することになります。効果的な撹拌と均質化により、反応混合物中の結晶性 D-グルコースの微細な分散と反応性が促進されます。

合成法およびそのより高度な変法を選択する際には、技術的要因と経済的要因の両方を考慮する必要があります。D-グルコースシロップをベースとする均一なトランスグリコシド化プロセスは、特に大規模な連続生産に適しています。このプロセスは、付加価値チェーンにおける原料D-グルコースの結晶化にかかるコストを永続的に削減できるため、トランスグリコシド化工程とブタノール回収にかかる高額な一時投資を補って余りある効果をもたらします。n-ブタノールの使用には、ほぼ完全にリサイクルできるため、回収された最終製品中の残留濃度はわずか数ppmであり、問題とはならないため、その他のデメリットはありません。スラリー法またはグルコース供給法による直接フィッシャーグリコシド化は、トランスグリコシド化工程とブタノール回収を不要にします。また、連続的に実施できるため、資本支出も若干低くなります。

今後、化石燃料および再生可能原料の供給と価格、そしてアルキル多糖類の生産におけるさらなる技術進歩は、開発と応用における市場能力と生産能力に決定的な影響を与えるでしょう。ベース多糖類は、表面処理市場において、そのようなプロセスを開発または導入した企業に重要な競争優位性を提供できる独自の技術ソリューションをすでに備えています。これは、価格が高騰しているときや低迷しているときに特に当てはまります。製造剤の製造コストは通常のレベルまで上昇しており、たとえ現地の原料価格がわずかに下落したとしても、界面活性剤の代替品が定着し、新しいアルキル多糖類生産プラントの設置が促進される可能性があります。