طرق تصنيع الجلوكوسيدات الألكيلية

يُعدّ غليكوزيد فيشر الطريقة الوحيدة للتخليق الكيميائي التي أتاحت تطوير حلول اقتصادية وتقنية متطورة لإنتاج بولي غلوكوزيدات ألكيل على نطاق واسع. وقد تم بالفعل إنشاء مصانع إنتاج بطاقة إنتاجية تزيد عن 20,000 طن سنويًا، مما يُوسّع نطاق منتجات صناعة المواد الخافضة للتوتر السطحي باستخدام عوامل نشطة سطحيًا قائمة على مواد خام متجددة. وقد ثبت أن الجلوكوز D والكحولات الدهنية الخطية C8-C16 هي المواد الخام المُفضّلة. يمكن تحويل هذه المُنتجات إلى بولي غلوكوزيدات ألكيل نشطة سطحيًا عن طريق غليكوزيد فيشر المباشر أو تحويل الغليكوزيد على مرحلتين عبر بولي غلوكوزيد البوتيل بوجود مُحفّزات حمضية، مع الماء كناتج ثانوي. يجب تقطير الماء من خليط التفاعل لتغيير توازن التفاعل نحو النواتج المطلوبة. أثناء عملية الغليكوزيدة، يجب تجنب عدم التجانس في خليط التفاعل، لأنه يؤدي إلى تكوين مفرط لما يسمى بالبولي غلوكوزيدات، وهي غير مرغوب فيها للغاية. لذلك، تركز العديد من الاستراتيجيات التقنية على تجانس نواتج الجلوكوز-n والكحولات، والتي يصعب امتزاجها بسبب اختلاف قطبيتها. أثناء التفاعل، تتشكل روابط غليكوزيدية بين الكحول الدهني والجلوكوز-n، وبين وحدات الجلوكوز-n نفسها. وبالتالي، تتشكل بولي غلوكوزيدات الألكيل كمخاليط من الكسور ذات أعداد مختلفة من وحدات الجلوكوز عند بقايا الألكيل طويلة السلسلة. يتكون كل جزء من هذه الكسور، بدوره، من عدة مكونات متزامرة، حيث تتخذ وحدات الجلوكوز-n أشكالًا أنومرية وأشكالًا حلقية مختلفة في حالة التوازن الكيميائي أثناء غليكوزيدة فيشر، وتحدث الروابط الجليكوسيدية بين وحدات الجلوكوز-D في عدة مواضع رابطة محتملة. نسبة الأنومر لوحدات الجلوكوز-D تساوي تقريبًا α/β = 2:1، ويبدو من الصعب التأثير عليها في ظل الظروف الموصوفة لعملية تخليق فيشر. في ظل ظروف التحكم الديناميكي الحراري، توجد وحدات الجلوكوز-n في خليط المنتج بشكل رئيسي على شكل بيرانوسيدات. يعتمد متوسط عدد وحدات الجلوكوز-n لكل بقايا ألكيل، وهو ما يُسمى بدرجة البلمرة، بشكل أساسي على النسبة المولية للناتج أثناء التصنيع. نظرًا لخصائصها السطحية الواضحة[1]، تُعطى أفضلية خاصة لبولي جلوكوزيدات الألكيل بدرجات بلمرة تتراوح بين 1 و3، والتي تتطلب استخدام ما يقارب 3-10 مول من الكحول الدهني لكل مول من الجلوكوز-n في العملية.

تنخفض درجة البلمرة بزيادة الكحول الدهني الزائد. تُفصل الكحولات الدهنية الزائدة وتُستعاد بعملية تقطير تفريغي متعددة الخطوات باستخدام مبخرات غشائية متساقطة، وذلك للحفاظ على أدنى حد من الإجهاد الحراري. يجب أن تكون درجة حرارة التبخر عالية بما يكفي، وأن يكون زمن التلامس في المنطقة الساخنة طويلاً بما يكفي لضمان التقطير الكافي للكحول الدهني الزائد وتدفق مُذاب بولي غلوكوزيد الألكيل دون أي تفاعل تحلل كبير. يمكن استخدام سلسلة من خطوات التبخير بشكل مفيد لفصل الجزء منخفض الغليان أولاً، ثم الكمية الرئيسية من الكحول الدهني، وأخيراً الكحول الدهني المتبقي، حتى يذوب بولي غلوكوزيد الألكيل كبقايا قابلة للذوبان في الماء.

حتى في ظلّ أدنى الظروف لتخليق الكحولات الدهنية وتبخيرها، قد يحدث تغير لون بني غير مرغوب فيه، ما يتطلب عمليات تبييض لتحسين المنتج. إحدى طرق التبييض التي أثبتت فعاليتها هي إضافة عامل مؤكسد، مثل بيروكسيد الهيدروجين، إلى تركيبة مائية من بولي جليكوسيد ألكيل في وسط قلوي مع وجود أيونات المغنيسيوم.

تضمن الدراسات والتنوعات المتعددة المستخدمة في عمليات التركيب والمعالجة اللاحقة والتكرير أنه حتى اليوم، لا يوجد حل جاهز للاستخدام على نطاق واسع للحصول على درجة منتج محددة. بل على العكس، يجب صياغة جميع خطوات العملية بدقة. يقدم دونغفو بعض الاقتراحات لتصميم الحلول والحلول التقنية، ويشرح الظروف الكيميائية والفيزيائية لعملية التفاعل والفصل والتكرير.

يمكن استخدام جميع العمليات الرئيسية الثلاث - تحويل الجلوكوز المتجانس، وعملية الملاط، وتقنية تغذية الجلوكوز - في ظل الظروف الصناعية. أثناء تحويل الجلوكوز، يجب الحفاظ على تركيز بولي جلوكوزيد البوتيل الوسيط، الذي يعمل كمذيب لمنتجي الجلوكوز-D والبيوتانول، فوق 15٪ تقريبًا في خليط التفاعل لتجنب عدم التجانس. وللغرض نفسه، يجب الحفاظ على تركيز الماء في خليط التفاعل المستخدم في التخليق المباشر لبولي جلوكوزيدات الألكيل أقل من 1٪ تقريبًا. عند وجود محتوى ماء أعلى، هناك خطر تحويل الجلوكوز-D البلوري المعلق إلى كتلة لزجة، مما قد يؤدي لاحقًا إلى معالجة سيئة وبلمرة مفرطة. يعزز التحريك والتجانس الفعالان التوزيع الدقيق وتفاعل الجلوكوز-D البلوري في خليط التفاعل.

يجب مراعاة العوامل التقنية والاقتصادية عند اختيار طريقة التخليق ومتغيراتها الأكثر تطورًا. تبدو عمليات تحويل الجلوكوز المتجانسة القائمة على شراب الجلوكوز-D مواتية بشكل خاص للإنتاج المستمر على نطاق واسع. فهي تتيح توفيرًا دائمًا في تبلور المادة الخام الجلوكوز-D في سلسلة القيمة المضافة، مما يعوّض أكثر من الاستثمارات الأعلى لمرة واحدة في خطوة تحويل الجلوكوز-D واستعادة البيوتانول. لا يُظهر استخدام البيوتانول-n أي عيوب أخرى، حيث يمكن إعادة تدويره بالكامل تقريبًا بحيث لا تتجاوز التركيزات المتبقية في المنتجات النهائية المستردة بضعة أجزاء في المليون، وهو ما يمكن اعتباره غير حرج. تُغني عملية تحويل الجلوكوز-Fisher المباشر، وفقًا لعملية الملاط أو تقنية تغذية الجلوكوز، عن خطوة تحويل الجلوكوز-D واستعادة البيوتانول. كما يمكن إجراؤها بشكل مستمر وتتطلب نفقات رأسمالية أقل قليلاً.

في المستقبل، سيكون لإمدادات وأسعار المواد الخام الأحفورية والمتجددة، بالإضافة إلى التقدم التكنولوجي المتزايد في إنتاج عديدات السكاريد الألكيلية، تأثير حاسم على سعة السوق وقدرته الإنتاجية على التطوير والتطبيق. يمتلك عديد السكاريد القاعدي بالفعل حلولاً تقنية خاصة به، مما يوفر مزايا تنافسية مهمة في سوق معالجة الأسطح للشركات التي تُطور أو اعتمدت مثل هذه العمليات. ويتجلى هذا بشكل خاص في ارتفاع وانخفاض الأسعار. وقد ارتفعت تكلفة تصنيع عامل التصنيع إلى مستواه المعتاد، وحتى مع انخفاض طفيف في أسعار المواد الخام المحلية، فقد يُثبت ذلك وجود بدائل للمواد الخافضة للتوتر السطحي، وقد يُشجع على إنشاء مصانع جديدة لإنتاج عديدات السكاريد الألكيلية.