Gebiet der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl- und/oder Alkenyloligoglucosiden, bei dem man wä߬ rige Stärkeabbauprodukte einer Sprühtrocknung unterwirft und anschließend das getrocknete Gut in an sich bekannter Weise mit Alkoholen acetalisiert.

Stand der Technik

Alkyl- und/oder Alkenyloligoglucoside stellen wichtige nicht¬ ionische Tenside dar, die infolge ihrer guten Detergenseigen- schaften und ihrer hohen ökotixologischen Verträglichkeit zu¬ nehmend an Bedeutung für die Herstellung oberflächenaktiver Mittel gewinnen.

Zu ihrer Herstellung geht man üblicherweise von wasserfreier Glucose und Fettalkoholen aus, die in Gegenwart saurer Kata¬ lysatoren direkt acetalisiert werden. Stellvertretend für das umfangreiche Schrifttum auf diesem Gebiet sei auf die Inter¬ nationale Patentanmeldung WO 90/03 977 verwiesen.

Aus ökonomischen Gründen und wegen der leichten Verfügbarkeit hat es in der Vergangenheit nicht an Versuchen gemangelt, Al¬ kyl- und/oder Alkenylglucoside auf Basis wäßriger Stärkeab¬ bauprodukte, sogenannter Glucose- bzw. Dextrosesirupe herzu¬ stellen. Als gangbarer Weg wurde gefunden, den Glucosesirup in einem ersten Schritt zu entwässern, das entwässerte Gut zunächst mit Butanol zum Butylglucosid umzusetzen und letz¬ teres wiederum einer Umacetalisierung mit dem Alkohol der gewünschten Kettenlänge zu unterwerfen [EP-AI 0 319 616] .

Abgesehen davon, daß der Trocknungsvorgang Einfluß auf Quali¬ tät und Zusammensetzung der wasserfreien Produkte nehmen kann, schmilzt ein Teil der nach herkömmlichen Verfahren ge¬ trockneten Stärkeabbauprodukte nicht wie wasserfreie Glucose bei ca. 145°C, sondern weist vielmehr einen mehr oder weniger breiten Schmelzbereich auf, der bei wesentlich niedrigeren Temperaturen (z.B. 60°C) beginnen kann. Alle Versuche, solche Zucker ohne den Umweg der Bildung von Butylglucosiden direkt mit Alkoholen umzusetzen, waren bislang zum Scheitern verur¬ teilt, da unter Reaktionsbedingungen der geschmolzene Zucker zum Verklumpen und Verkleben neigt und die Reaktion nicht nomal ablaufen kann. Ein weiteres Problem in Verbindung mit nach üblichen Verfahren getrockneten Stärkeabbauprodukten kann ferner dadurch entstehen, daß der Trocknungsprozeß zu kompakten, wenig reaktionsfähigen Kornstrukturen führt, die verlängerte Reaktionszeiten erfordern und dadurch Abbaureak¬ tionen begünstigen.

Die Aufgabe der Erfindung bestand somit darin, ausgehend von getrocknetem Glucosesirup ein Direktverfahren zur Herstellung

von Alkyl- und/oder Alkenyloligoglucosiden zu entwickeln, das frei von den geschilderten Nachteilen ist.

Rp»gr!ι*-a-ihmnσ der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl- und/oder Alkenyloligoglucosiden, bei dem man

a) wäßrige Stärkeabbauprodukte einer Sprühtrocknung unter¬ wirft,

b) thermisch nachbehandelt und

c) das resultierende Gut anschließend in an sich bekannter Weise mit Alkoholen acetalisiert.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß sprühgetrocknete Stärkeabbauprodukte eine für die Direktumsetzung mit Fettal¬ koholen optimale Kornsturktur aufweisen. Der Schmelzpunkt dieser Produkte ist zudem ausreichend hoch, um Suspensionen mit Fettalkoholen zu ergeben, die bis zu Temperaturen von 120°C noch stabil sind. Auf diesem Wege ist es möglich, unter den Bedingungen der Acetalisierung eine sehr reaktionsfähige Suspension aus Glucose und Fettalkohol herzustellen und die Umsetzung nach dem Direktverfahren durchzuführen, ohne daß es im Reaktionsansatz zu einer Koaleszenz der Glucoseteilchen kommt. Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß durch die Sprühtrocknung Qualität und Zusammensetzung des getrock¬ neten Gutes - sofern sie für die Synthese von Alkyloligoglu- cosiden relevant sind - nicht beeinflußt werden und insbeson-

dere keine erhöhten Gehalte an Polyzuckem oder sonstigen für diese Produkte kritischen Nebenbestandteile entstehen.

Unter wäßrigen Stärkeabbauprodukten oder Glucosesirupen sind raffinierte wäßrige Lösungen von D-Glucose, Maltose und hö¬ heren Polymeren der Glucose (Oligosaccharide, Dextrine) zu verstehen, die durch saure Hydrolyse und/oder enzymatischen Abbau von Stärke und gegebenenfalls einem nachgeschalteten, z. B. chromatographischen Anreicherungsschritt der monomeren Komponente hergestellt werden. Vorzugsweise finden Glucose- sirupe Verwendung, die einen Feststoffanteil von 50 bis 85, vorzugsweise 75 bis 80 Gew.-% und einen DPI Grad (monomerer Glucosegehalt) von 80 bis 99, vorzugseise 92 bis 97 Gew.-% - bezogen auf den Feststoffanteil der Produkte - aufweisen.

Konventionelle Sprühtrocknung

Bei der Sprühtrocknung handelt es sich um ein an sich bekann¬ tes Verfahren, bei dem man beispielsweise wäßrige Tensidauf- schlämmungen zu trockenen Pulvern verarbeiten kann. Eine kur¬ ze Übersicht findet sich in ROEMPP Chemielexikon, Thieme Ver¬ lag, Stuttgart, 9.Aufl., 1992, Bd.5, S.4259/60. Bei den kon¬ ventionellen Sprühtrocknungsverfahren werden prinzipiell zwei Trocknungsschritte unterschieden. Zunächst wird das wä߬ rige Medium - der geeignet vor ristallisierte, d. h. mit feinverteilten Kristallisationskeimen durchsetzte Glucose¬ sirup - bis zur Entstehung einer kristallisierenden, porösen Maxtrix vorentwässert. Anschließend erfolgt in einer zweiten Stufe die Entfernung des in den Poren der kristallisierenden Matrix eingeschlossenen Wassers. Die vollständige Entfernung

des Restwassers wird dadurch erschwert, daß sich die Kruste der kristallisierenden porösen Matrix mit zunehmender Trock¬ nungszeit und abnehmendem Wassergehalt verhärtet. Zur Erzeu¬ gung feiner, leichter zu trocknender Tröpfchen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Glucosesirup vor dem Versprühen auf eine Temperatur von z. B. 50 bis 85°C, insbesondere 55 bis 80°C vorzuwärmen und den Druck vor den Sprühdüsen auf 30 bis 90 bar, insbesondere 35 bis 80 bar zu erhöhen.

Des weiteren kann es von Vorteil sein, die Erzeugung feiner Tröpfchen im Trocknungsraum durch den Einsatz von Düsen mit kleinen Öffnungen zu unterstützen. Bevorzugt eingesetzte Dü¬ sen besitzen Öffnungen von 3 mm oder weniger, vorzugsweise von 0,5 bis 2 mm. Als optimal haben sich in diesem Zusammen¬ hang sogenannte "Zweistoffdüsen" erwiesen, mit deren Hilfe ein gasförmiges Hilfsmedium, vorzugsweise Luft, zusammen mit dem sprühzutrocknenden Glucosesirup in den Trockenraum gebla¬ sen wird. Die Verwendung derartiger Düsen erlaubt es, den Druck des Glucosesirups vor der Zerstäubung auf 5 bis 10 bar zu mindern.

Eine weitere Maßnahme, die zur vorteilhaften Sprühtrocknung der wäßrigen Stärkeabbauprodukte beiträgt, besteht darin, eine entsprechend hohe Verweilzeit des Sirups im Trockenraum in Abhängigkeit von der Trocknungstemperatur in der Weise zu wählen, daß ein gewünschter Restwassergehalt von weniger als 3 Gew.-%, vorzugsweise von weniger als 2 Gew.-% erreicht werden kann. Wegen der begrenzten Stabilität der Glucose im Sirup hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Temperatur bei der konventionellen Sprühtrocknung in Gegenwart von Luftεauerstoff auf 140 bis 200°C zu begrenzen; unterhalb von

140°C kommt es zu einer starken Verringerung der Anlagenlei¬ stung, oberhalb von 200°C muß mit einem rasch fortschreiten¬ den thermischen Abbau der Glucose gerechnet werden. Innerhalb dieses Rahmens kann es schwierig sein, den gewünschten Rest¬ wassergehalt zuverlässig und reproduzierbar einzustellen. Die konventionelle Sprühtrocknung kann daher auch in zwei Stufen durchgeführt werden, wobei man den Glucosesirup zunächst bei z. B. 140 bis 160°C bis auf einen Restwassergehalt von 10 bis 15 Gew.-% und anschließend bei 160 bis 200°C bis auf einen Restwassergehalt kleiner 3 Gew.-% trocknet. Die sprühge¬ trockneten Produkte zeichnen sich gegegenüber konventionell getrockneten Glucosesirupen durch eine um den Faktor 4 grö¬ ßere innere Oberfläche von beispielsweise 300 bis 400 mm-Vg aus.

Grundsätzlich ist es ebenfalls möglich, Glucosesirupe einer Vorentwässerung nach den bekannten Verfahren des Stands der Technik zu unterwerfen und eine abschließende Sprühtrocknung anzuschließen.

Die Verweilzeit des sprühzutrocknenden Glucosesirups kann da¬ durch vorteilhaft verlängert werden, indem beispielsweise ein größerer Trocknungsraum mit einer längeren axialen Trock¬ nungsstrecke gewählt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bei Anwendung des Gegenstromverfahrens die Menge des axialen Luftstroms pro Zeiteinheit zu erhöhen bzw. zusätzlich zum axialen Luftstrom einen nicht-axialen Luftstrom, soge¬ nannte "Dralluft, in den Trocknungsraum einzublasen. Prinzi¬ piell werden hierbei für die mögliche Luftmenge nur von der apparatetechnischen Seite her Grenzen gesetzt. In der Sprüh¬ trocknung von Glucosesirup hat es sich jedoch gezeigt, daß

eine zu hohe im Gegenstrom geführte Luftmenge zu einem über¬ mäßig hohen Abrieb des getrockneten Gutes führt. Im Rahmen dieser Erfindung haben sich axiale Luftmengen von 15.000 bis 25.000 m-Vh bei einer Dralluftmenge bis 5.000 m-Vh, vorzugs¬ weise 1.500 bis 3.500 m-Vh als besonders vorteilhaft er¬ wiesen.

Trocknung mit überhitztem Wasserdampf

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Sprühtrocknung unter Ausschluß von Luftsauerstoff in Gegenwart von überhitztem Wasserdampf. Das Prinzip dieses neuartigen technischen Verfahrens ist von der Anmelderin in ihrer Deutschen Patentanmeldung DE-Al 40 30 688 offengelegt worden.

Dem als "Heißdampftrocknung" oder "Wasserdampftrocknung" be¬ zeichnetes Verfahren liegt das Prinzip zugrunde, daß durch Kondensation des Heißdampfes auf dem kühleren Einsatzgut und Abgabe der Kondensationswärme an das zu trocknende Gut eine spontane Aufheizung des wäßrigen Tropfens auf die Siedetem¬ peratur des Wassers unter Arbeitsbedingungen, bei Normaldruck also auf Temperaturen von etwa 100°C, stattfindet. Diese Siedetemperatur wird als Mindesttemperatur während des ge¬ samten Trocknungszeitraums im Guttropfen beibehalten. Ein erwünschter Effekt der Heißdampftrocknungm von Glucosesirup ist darin zu sehen, daß ein getrocknetes Gut mit hoher inne¬ rer Oberfläche gewonnen wird, welches sich besonders leicht im Fettalkohol dispergieren läßt. Grundsätzlich gilt, daß im geschlossenen System mit einem Wasserdampfkreislaufström

gearbeitet wird, dem der verdampfte Wasseranteil des Ein¬ satzgutes entzogen wird, während der insbesondere im Trock- nungs- schritt abgegebene Energiebetrag dem Kreislaufström wieder zugeführt wird. Während bei der konventionellen Sprühtrocknung ein Arbeiten bei höheren Temperaturen stets mit der Gefahr einer partiellen Verkohlung des zu trocknenden Gutes verbunden ist, macht hier die Abwesenheit von Luftsau¬ erstoff Trocknungstemperaturen von 200 bis 250°C ohne weiteres möglich. Der abgezogene Wasserdampfteilstro kann nach der Reinigung von mitgetragenen Gutanteilen vorteil¬ hafterweise als Brauchdampf anderweitiger Verwendung zuge¬ führt werden.

Thermische Nachbehandlung

Ein adäquater Schmelzbereich und eine optimale Proestruktur der Glucoseteilchen resultieren aus einer thermischen Nach¬ behandlung des Trockengutes, bei der die Kornbereiche der Granalien durchkristallisieren und weitere geringe Wasser¬ mengen eliminiert werden. Dieser Behandlungsschritt ergibt die für die Glucosidsynthese essentiellen Granulateigenschaf¬ ten, wie beispielsweise Reaktivität und Haftung, und kann in geeigneten Apparaturen, beispielsweise langsam laufenden Mischern, Wirbelschichtanlagen, langsamen Förderanlagen oder Lagerung in entsprechend temperierten Bereichen durchgeführt werden. Eine im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens opti¬ male Kornstruktur kann durch eine thermische Nachbehandlung der sprühgetrockneten Stärkeabbauprodukte bei Temperaturen von 20 bis 110°C, vorzugsweise 50 bis 90°C und Verweilzeiten von 10 min bis 20, vorzugsweise 2 bis 5 h erzielt werden. Bei

der thermischen Nachbehandlung kann, in Abhängigkeit von Tem¬ peratur, Verweilzeit und Anlagentyp, eine zweite Absenkung des Restfeuchtegehaltes erfolgen. In diesem Fall kann die thermische Nachbehandlung auch als zweite Trocknungsstufe angesehen werden. Es bleibt dem Fachmann dabei überlassen, Temperatur und Verweilzeit auf die jeweilige Zusammensetzung der getrockneten Produkte, den Kristallisationsgrad und den Restfeuchtegehalt abzustimmen; hierzu bedarf es keiner er¬ finderischen Tätigkeit.

Acetalisierung

Als Alkohole für die Acetalisierung der sprühgetrockneten Stärkeabbauprodukte kommen Hydroxyverbindungen der Formel (I) in Betracht,

R^-OH (I)

in der R ¹ für lineare oder verzweigte Alkyl- und/oder Alke- nylreste mit 4 bis 22 Kohlenstoffatomen steht. Typische Bei¬ spiele sind Butanol, Capronalkohol, Caprylalkohol, Caprinal- kohol, Laurylalkohol, Myristylalkohol, Cetylalkohol, Palm- oleylalkohol, Stearylalkohol, Oleylalkohol, Elaidylalkohol, Petroselinylalkohol, Arachylalkohol, Gadoleylalkohol, Behe- nylalkohol und/oder Erucylalkohol sowie technische Schnitte, die diese Alkohole in unterschiedlichen Mischungsverhältnis¬ sen enthalten können. Bevorzugt ist ein technischer Fettal¬ koholschnitt auf Basis von gehärtetem Kokosöl mit 12 bis 18, insbesondere 12 bis 14 Kohlenstoffatomen.

Das molare Einsatzverhältnis von sprühgetrockneten Stärkeab¬ bauprodukten zu Alkohol kann 1 : 2 bis 1 : 10, vorzugsweise 1 : 3 bis 1 : 6 betragen.

Üblicherweise wird die Reaktion in Gegenwart von 0,1 bis 3 Gew.-% - bezogen auf die sprühgetrockneten Stärkeabbaupro¬ dukte - eines sauren Katalysators durchführt. Typische Bei¬ spiele sind hier p-Toluolsulfonsäure, Dodecylbenzolsulfon- säure, Sulfobernsteinsäure, Sulfoessigsäure oder Sulfotri- acetin.

Die Umsetzung als solche kann in an sich bekannter Weise er¬ folgen. Dies beinhaltet beispielsweise, daß man das entste¬ hende Kondensationswasser kontinuierlich aus dem Reaktions- gleichgewicht entfernt, den sauren Katalysator durch Zusatz von Magnesiumoxid und/oder Natriumhydroxid neutralisiert und überschüssigen Fettalkohol beispielsweise mit Hilfe eines Fallfilmverdampfers abtrennt. Falls gewünscht, können die Produkte durch Zugabe von Wasserstoffperoxid gebleicht wer¬ den. Die Stabilisierung wäßriger Zubereitungen der Alkyl- und/oder Alkenyloligoglucoside gegen mikrobiellen Befall er¬ folgt zweckmäßiger Weise durch Anhebung des pH-Wertes in den Zubereitungen auf Werte von 10 bis 13. In diesem Zusammenhang kann es erforderlich sein, Austrübungen durch den Zusatz von Natriumboranat zu entfernen.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die nach dem erfindungsgemäßen Allcyl- und/oder Alkenylgluco- side eignen sich zur Herstellung oberflächenaktiver Mittel, beispielsweise Wasch-, Spül- und Reinigungsmitteln sowie Pro¬ dukten zur Haar- und Körperpflege, in denen sie in Mengen von 1 bis 70, vorzugsweise 5 bis 50 Gew.-% - bezogen auf die Mit¬ tel - enthalten sein können.

Die folgenden Beispiele sollen den Gegenstand der Erfindung näher erläutern, ohne ihn darauf einzuschränken.

Beispiele

Beispiel 1;

a) Sprühtrocknung von Glucosesirup. Die Sprühtrocknung er¬ folgte zweistufig in einem Sprühturm der Fa.NIRO-ATOMI- ZER nach dem Gegenstromverfahren. Eingesetzt wurde ein handelsüblicher Glucose-Sirup mit einem Feststoffanteil von ca. 70 Gew.-%. An die Sprühtrocknung schloß sich eine thermische Nachbehandlung des Gutes über 4 h bei 60°C an.

Sprühtrocknungsbedingungent

Teilchengrößenverteilung;

X10 = 80,76 um X50 = 300,49 μm X90 = 484,81 μm

Kenndaten des Produktes:

Wassergehalt (Stufe 1 12,4 Gew.-%

Wassergehalt (Stufe 2 1,7 Gew.-%

DPI-Grad ( 94,0 Gew.-%

DP2-Grad ( 1,5 Gew.-%

DP3-Grad ( 1,5 Gew.-%

Polyzucker ( " 3,0 Gew.-%

Acetalisierung. In einem 2-1-Dreihalskolben mit Rührer, Destillationsaufsatz und Innenthermometer wurden 371 g (2 mol) sprühgetrocknete Glucose aus Beispiel la) vor¬ gelegt und mit 1800 g (9,3 mol) Ci2/i4-Kokosfettalkohol (Lorol( ^R ) Spezial, Hydroxylzahl 290, Fa.Henkel KGaA, Düsseldorf/ FRG) und 3,9 g p-Toluolsulfonsäure versetzt. Die Reaktionsmischung wurde bei einem verminderten Druck von 15 mbar auf 105°C erhitzt und das sich bildende Re¬ aktionswasser kontinuierlich aus dem Gleichgewicht ab¬ destilliert. Nachdem die Wasserabscheidung beendet war, wurde der Reaktionsansatz mit 25 gew.-%iger Natriumhy¬ droxidlösung neutralisiert und der überschüssige Kokos¬ fettalkohol in an sich bekannter Weise über einen Dünn¬ schichtverdampfer abgetrennt.

Kenndaten:

Ausbeute : 520 g = 95 % der Theorie DP-Grad : 1,32 Polyzucker : 5,2 Gew.-%

Beispiel 2t

a) Sprühtrocknung von Glucose. Beispiel la) wurde wieder¬ holt. Die erste Stufe der Trocknung erfolgte jedoch nicht durch Versprühen, vielmehr wurde der Wasseranteil destillativ in einem Fallfilmverdampfer (180°C, 10 mbar) bis auf 10,4 Gew.-% vermindert. In der 2. Stufe wurde das vorgetrocknete Gut im NIRO-Sprühtürm bis auf 1,7 Gew.-% entwässert. Die Sprühtrocknungsbedingungen sind Beispiel la) zu entnehmen. Es wurde ein vergleichbares Trockengut erhalten. Die thermische Nachbehandlung er¬ folgte über 3 h bei 70°C.

b) Acetalisierung. Analog Beispiel lb) wurden 371 g des sprühgetrockneten Gutes aus Beispiel 2a) mit 1800 g Ko¬ kosfettalkohol und 3,9 g p-Toluolsulfonsäure umgesetzt. Nach Abtrennung des Fettalkohols wurden 520 g

Ci2/14 ^-Ko k° ^s ---* ^etta lkohololigoglucosid mit einem DP-Grad von 1,34 und einem Polyzuckergehalt von 5,6 Gew.-% er¬ halten.

Beispiel 3t

a) Wasserda pf rocknung. Der Glucosesirup aus Beispiel la) wurde einstufig in einem Sprühturm der Fa. NIRO-ATOMIZER mit überhitztem Wasserdampf getrocknet. Die thermische Nachbehandlung erfolgte über 4 h bei 60°C.

Wasserda pftrocknungsbedingungen;

Dampfeintrittstemperatur Dampfaustrittstemperatur Turmunterdruck Feedpumpendruck Feedtemperatur Feedmenge Dampfmenge

Treibgas der Zweistoffdüse - Menge Druck

Das erhaltene Produkt hatte einen Trockensubstanzgehalt von 98,9 Gew.-%.

b) Acetalisierung. Analog Beispiel lb) wurden 371 g des wasserdampfgetrockneten Gutes aus Beispiel 3a) mit 1800 g Kokosfettalkohol und 3,9 g p-Toluolsulfonsäure umge¬ setzt. Nach Abtrennung des Fettalkohols wurden 520 g C-^/^-Kokosfettalkohololigoglucosid mit einem DP-Grad von 1,33 und einem Polyzuckergehalt von 4,9 Gew.-% er¬ halten.

Vergleichsbeispiel VIt

a) Trocknung. Analog Beispiel 2a) wurde der Glucosesirup zunächst bis auf einen Rest-Wassergehalt von 10,4 Gew.-% getrocknet. Das vorgetrocknete Gut wurde anschließend in einem Dünnschichtverdampfer bis auf einen Wassergehalt von 1,7 Gew.-% entwässert.

b) Acetalisierung. Analog Beispiel la) wurden 371 g des getrockneten Gutes aus Beispiel Via) mit 1800 g Kokos¬ fettalkohol und 3,9 g p-Toluolsulfonsäure umgesetzt. Schon beim Aufheizen der Reaktionsmischung (ca. 55°C) begann das Stärkeabbauprodukt zu schmelzen. Es bildeten sich zwei Phasen, wobei die Zuckerkomponente rasch ver¬ klumpte, den Rührer verklebte und sich zu verfärben be¬ gann. Eine Acetalisierung fand nicht statt.