Procédés de transglycosidation utilisant le D-glucose comme matière première.

La glycosidation de Fischer est la seule méthode de synthèse chimique ayant permis le développement de solutions économiques et techniquement performantes pour la production à grande échelle d'alkylpolyglucosides. Des installations de production d'une capacité de plus de 20 000 t/an ont déjà été construites et élargissent la gamme de produits de l'industrie des tensioactifs avec des agents tensioactifs issus de matières premières renouvelables. Le D-glucose et les alcools gras linéaires en C8-C16 se sont avérés être les matières premières privilégiées. Ces produits peuvent être convertis en alkylpolyglycosides tensioactifs par glycosylation de Fischer directe ou par transglycosides en deux étapes de butylpolyglycoside en présence d'un catalyseur acide, avec de l'eau comme sous-produit. L'eau doit être distillée du mélange réactionnel pour déplacer l'équilibre réactionnel vers le produit souhaité. Lors du processus de glycosylation, il est important d'éviter les inhomogénéités du mélange réactionnel, car elles peuvent entraîner une formation excessive de polydextrose, hautement indésirable. Par conséquent, de nombreuses stratégies techniques se concentrent sur les éduits homogènes n-glucose et alcool, qui sont difficiles à miscibles en raison de leurs polarités différentes. Au cours de la réaction, des liaisons glycosidiques se forment à la fois entre l'alcool gras et le n-glucose et entre les unités n-glucose elles-mêmes. Les alkylpolyglucosides se forment alors sous forme de mélanges de fractions contenant différents nombres d'unités glucose au niveau du résidu alkyle à longue chaîne. Chacune de ces fractions est à son tour constituée de plusieurs constituants isomères, car les unités n-glucose adoptent différentes formes anomères et cycliques à l'équilibre chimique lors de la glycosidation de Fischer, et les liaisons glycosidiques entre les unités D-glucose apparaissent dans plusieurs positions de liaison possibles. Le rapport anomérique des unités D-glucose est d'environ α/β＝ 2: 1 et semble difficile à influencer dans les conditions décrites de la synthèse de Fischer. Dans des conditions thermodynamiquement contrôlées, les unités n-glucose contenues dans le mélange de produits se présentent principalement sous forme de pyranosides. Le nombre moyen d'unités de glucose normal par résidu alkyle, appelé degré de polymérisation, dépend essentiellement du rapport molaire des éduits durant le processus de fabrication. En raison de leurs remarquables propriétés tensioactives, les alkylpolyglycosides ayant un degré de polymérisation compris entre 1 et 3 sont particulièrement privilégiés. C'est pourquoi, dans ce procédé, il faut utiliser environ 3 à 10 moles d'alcools gras par mole de glucose normal.

Le degré de polymérisation diminue avec l'augmentation de l'excès d'alcool gras. L'excès d'alcool gras est séparé et récupéré par distillation sous vide en plusieurs étapes avec évaporateurs à film tombant, ce qui permet de minimiser la contrainte thermique. La température d'évaporation doit être suffisamment élevée et le temps de contact dans la zone chaude suffisamment long pour assurer une distillation adéquate de l'excès d'alcool gras et l'écoulement de la masse fondue d'alkylpolyglucoside, sans réactions de décomposition importantes. Une série d'étapes d'évaporation peut être avantageusement utilisée pour séparer d'abord les fractions à bas point d'ébullition, puis la majeure partie de l'alcool gras, et enfin le reste de l'alcool gras, jusqu'à l'obtention de la masse fondue d'alkylpolyglucoside sous forme de résidus hydrosolubles.

Même lorsque la synthèse et l'évaporation de l'alcool gras sont réalisées dans les conditions les plus douces, une coloration brune indésirable se produit, nécessitant des procédés de blanchiment pour affiner les produits. Une méthode de blanchiment qui s'est avérée efficace consiste à ajouter des oxydants tels que le peroxyde d'hydrogène à des préparations aqueuses d'alkylpolyglucosides en milieu alcalin, en présence d'ions magnésium.

Les nombreuses recherches et variantes utilisées lors de la synthèse, du traitement et du raffinage montrent qu'il n'existe toujours pas de solutions clés en main universelles permettant d'obtenir des qualités de produits spécifiques. Au contraire, toutes les étapes du procédé doivent être élaborées, mutuellement ajustées et optimisées. Ce chapitre propose des suggestions et décrit des pistes pratiques pour élaborer des solutions techniques, ainsi que des conditions chimiques et physiques standard pour la conduite des réactions, la séparation et le raffinage.

Les trois principaux procédés – transglycosidation homogène, procédé en suspension et technique d'alimentation en glucose – sont utilisables en conditions industrielles. Lors de la transglycosidation, la concentration du butylpolyglucoside intermédiaire, qui agit comme solubilisant pour les éduits D-glucose et butanol, doit être maintenue à environ 15 % dans le mélange réactionnel afin d'éviter les inhomogénéités. Dans le même but, la concentration en eau du mélange réactionnel utilisé pour la synthèse directe de Fischer des alkylpolyglucosides doit être maintenue à moins de 1 % environ. Des teneurs en eau plus élevées risquent de transformer le D-glucose cristallin en suspension en une masse collante, ce qui entraînerait un mauvais traitement et une polymérisation excessive. Une agitation et une homogénéisation efficaces favorisent la bonne répartition et la réactivité du D-glucose cristallin dans le mélange réactionnel.

Des facteurs techniques et économiques doivent être pris en compte lors du choix de la méthode de synthèse et de ses variantes plus sophistiquées. Les procédés de transglycosidation homogène à base de sirops de D-glucose semblent particulièrement avantageux pour une production continue à grande échelle. Ils permettent des économies durables sur la cristallisation du D-glucose, matière première, dans la chaîne de valeur ajoutée, ce qui compense largement les investissements ponctuels plus importants liés à l'étape de transglycosidation et à la récupération du butanol. L'utilisation du n-butanol ne présente aucun autre inconvénient, car il est recyclable presque entièrement, de sorte que les concentrations résiduelles dans les produits finis récupérés ne sont que de quelques parties par million, ce qui peut être considéré comme non critique. La glycosidation directe Fischer, selon le procédé en suspension ou la technique d'alimentation en glucose, permet de se passer de l'étape de transglycosidation et de la récupération du butanol. Elle peut également être réalisée en continu et nécessite un investissement légèrement inférieur.

La disponibilité et les prix futurs des matières premières fossiles et renouvelables, ainsi que les progrès techniques dans la production et l'application des alkylpolyglucosides, devraient avoir une influence décisive sur le développement du volume du marché et des capacités de production de ces derniers. Les solutions techniques viables qui existent déjà pour la production et l'utilisation des alkylpolyglucosides peuvent conférer un avantage concurrentiel crucial sur le marché des tensioactifs aux entreprises qui ont développé ou utilisent déjà de tels procédés. Cela est particulièrement vrai en cas de prix élevés du pétrole brut et de prix bas des céréales. Les coûts fixes de fabrication étant certainement à un niveau habituel pour les tensioactifs industriels en vrac, même de légères baisses du prix des matières premières natives pourraient inciter à la substitution de tensioactifs de base et encourager clairement l'installation de nouvelles usines de production d'alkylpolyglucosides.