FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR CHEMISCHE TECHNOLOGIE ICT MIKROREAKTIONSTECHNIK ANALYSE, ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG VON CHEMISCHEN PROZESSEN

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR CHEMISCHE TECHNOLOGIE ICT MIKROREAKTIONSTECHNIK ANALYSE, ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG VON CHEMISCHEN PROZESSEN

2 MIKROREAKTIONSTECHNIK ANALYSE, ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG VON CHEMISCHEN PROZESSEN

3 MIKROREAKTIONSTECHNIK CHEMISCHE PROZESSE AUF KLEINSTEM RAUM Mikrostrukturierte Reaktoren halten seit mehreren Jahren erfolgreich Einzug in die Chemielabore. Weltweite Forschungsaktivitäten zeigen eindrucksvoll, dass sich durch den Einsatz von Mikroreaktoren, Mikromischern und anderen mikroverfahrenstechnischen Komponenten eine Vielzahl von reaktionstechnischen Vorteilen in chemischen Prozessen erzielen lassen. Mikroreaktoren zeichnen sich insbesondere durch hohe Oberfläche/Volumen-Verhältnisse und Kanaldimensionen im sub-millimeter-bereich aus, die eine starke Intensivierung von Wärme- und Stofftransport im Reaktor ermöglichen. Auf Grund der kontinuierlichen Prozessführung lassen sich zudem kurze Verweilzeiten realisieren und präzise einstellen. Bei Reaktionen mit starker Wärmetönung oder dosier- und mischungssensitiven Reaktionen können mit der Mikroreaktionstechnik deshalb gegenüber konventionellen Syntheseverfahren signifikante Verbesserungen im Hinblick auf Ausbeute, Selektivität, Produktqualität und Sicherheit erzielt werden. Darüber hinaus bietet die Mikroreaktionstechnik Zugang zu neuen Synthesewegen und Möglichkeiten der Prozessführung unter Erzielung hoher Raum/Zeit-Ausbeuten. Am Fraunhofer ICT werden seit über 10 Jahren Mikroreaktorprozesse zur Lösung spezifischer Fragestellungen aus der chemischen, pharmazeutischen und verfahrenstechnischen Industrie entwickelt. Kunden und Projektpartnern kann heute ein breites Spektrum an Produkten und Dienstleistungen auf dem Gebiet der Mikroreaktionstechnik angeboten werden, das von der Analyse, Auslegung und Optimierung chemischer Prozesse, über die Synthese von Spezial- und Feinchemikalien einschließlich Polymere bis hin zur Entwicklung massgeschneiderter Mikroreaktionssysteme für Labor und Produktion reicht. Mikroreaktionstechnik: chemische Prozessführung in Mikrokanälen. 2 I 3

4 MIKROREAKTIONSTECHNIK ANALYSE, ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG VON CHEMISCHEN PROZESSEN

5 VON DER PROZESSOPTIMIERUNG ZUR PRODUKTION Für unsere Kunden suchen und entwickeln wir ökonomisch und ökologisch attraktive Syntheserouten. Hohe Ausbeuten und Selektivitäten sind dabei wichtige aber nicht alleinige Zielgrößen. Die Reduzierung der Anzahl von Reaktionsstufen, die Verringerung des Gefährdungspotenzials sowie Ressourcen- und Energieeffizienz sind gleichwertige Ziele. Für die Prozessoptimierung ist die Mikroreaktionstechnik ein zentrales Werkzeug. Mit ihr nutzen wir gezielt die Mikro-Effekte und erproben gleichzeitig alternative Synthesewege. Hierbei ersetzen wir u.a. stöchiometrische Reaktionsschritte durch katalytische oder eine einphasige Prozessführung durch eine mehrphasige. Darüber hinaus nutzen wir die Mikroreaktionstechnik, um in Reaktionsregimen arbeiten zu können, die uns in klassischen Batch-Verfahren nicht zugänglich sind, beispielsweise unter höheren Temperaturen, Drücken und Konzentrationen der Reaktionspartner, aber auch unter alternativen stöchiometrischen Reaktionsbedingungen. In unseren Technika übertragen wir die Erkenntnisse der Prozessoptimierung auf Produktionsaufgaben. Hier werden kundenspezifische Prozesse für hohe Durchsätze unter Einsatz maßgeschneiderter Mikroreaktoren realisiert. Außer für die Synthese nutzen wir kontinuierliche Mikroprozesse dabei auch erfolgreich im Downstream-Bereich bei der Reinigung und Aufarbeitung von Syntheseprodukten. GEFAHRGENEIGTE PROZESSE Ein Spezialgebiet am Fraunhofer ICT ist die Entwicklung von Mikroreaktorprozessen für die sichere Handhabung explosionsfähiger oder anderweitig gefahrgeneigter Reaktionssysteme. Hierbei stützen wir uns auf unsere 50-jährige Expertise auf dem Gebiet der Explosivstofftechnik sowie die zugehörige Infrastruktur und Ausstattung. Die Vorteile der Mikroreaktionstechnik lassen sich besonders für Prozesse mit erhöhtem Gefährdungspotenzial nutzen sei es, um starke Wärmetönungen abzufangen oder um toxische, explosive und anderweitig labile Produkte und Intermediate in kleinen Hold-ups und bei kurzen Standzeiten zu handhaben. Neben verschiedenen Laborprozessen wurde am Fraunhofer ICT auch eine spezielle Multipurpose-Anlage entwickelt, die sowohl die kontinuierliche Synthese von flüssigen, explosiven Gefahrstoffen als auch deren anschließende kontinuierliche Aufarbeitung in relevanten Produktionsmengen erlaubt. Herzstück dieser Anlage sind speziell für hohe Durchsätze entwickelte Mikroreaktoren für die Synthese und das Downstream Processing, die dank modularem Anlagenkonzept schnell für die jeweilige Produktionskampagne umgerüstet werden können. Je nach Syntheseprodukt und erforderlichem Durchsatz werden die passenden Mikroreaktoren in die Produktionsanlage integriert. Die Anlage verfügt über umfangreiche Sicherheitsvorrichtungen und wird vollständig ferngesteuert und fernüberwacht betrieben. Aufbau von Mikroreaktorprozessen. Die Multipurpose-Mikroreaktoranlage wird für die Produktion unterschiedlicher explosiver Gefahrstoffe eingesetzt. Typische Durchsätze liegen im Bereich von einigen 100 Gramm pro Minute. Gegenüber den klassischen Produktionsprozessen können neben der hohen Prozesssicherheit zum Teil drastische Verkürzungen in den Prozesszeiten, Verbesserungen in Produktreinheit und -stabilität (u. a. für Pharmaka-Anwendungen) sowie deutliche Einsparungen in der Aufarbeitung erzielt werden. 4 I 5

6 1 2 AUTOMATISIERTES MIKRO- REAKTIONSSYSTEM FÜR DAS FuE-LABOR Um die Vorteile der Mikroreaktionstechnik effektiv im FuE-Labor anwenden zu können, müssen sie mit einer leistungsstarken Labortechnik verknüpft werden. Mit dem automatisierten Mikroreaktionssystem»FAMOSflexible«haben wir speziell für den FuE-Bereich ein modular aufgebautes Laborsystem für das Reaktions- und Parameterscreening entwickelt. Mit»FAMOSflexible«können nahezu beliebige mikrofluidische Prozesse für Flüssig-, Flüssig/ Flüssig- und Gas-/Flüssig-Reaktionen schnell aufgebaut und leicht umgerüstet werden. Hierfür steht eine breite Auswahl an mikrostrukturierten Glasreaktoren zur Verfügung, aber auch systemfremde Mikroreaktoren lassen sich in das Laborsystem mühelos integrieren. Die Steuerung des Mikroreaktionssystems erlaubt das vollautomatische Abarbeiten und Protokollieren individuell gestalteter Versuchspläne. Systematische Parameterscreenings und die Erzeugung von Proben-Bibliotheken für nachfolgende Untersuchungen sind auf diese Weise möglich. Unter Nutzung der Mikro-Effekte können zudem Reaktionsregime untersucht werden, die mit klassischen Verfahren nicht zugänglich sind.»famosflexible«verfügt zusätzlich über Schnittstellen für die online- und offline-analytik, integrierte Sicherheitsvorrichtungen sowie eine optionale Fernsteuerung und Fernüberwachung für Reaktionen mit erhöhtem Gefährdungspotenzial. Die robuste Bauweise und durchgängige Prozessüberwachung erlauben den Einsatz von»famosflexible«auch für die kampagnenweise Kleinmengenproduktion im Labor. 1 und 2» FAMOSflexible«automatisiertes Mikroreaktionssystem für das FuE-Labor.

7 3 AUSLEGUNG UND QUALIFIZIERUNG VON MIKROSTUKTURIERTEN REAKTOREN Ein wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung von Mikroreaktorprozessen ist die Auslegung maßgeschneiderter mikrofluidischer Komponenten. Hierbei kommen sowohl rechnerische Methoden und numerische Simulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) als auch standardisierte experimentelle Messmethoden zum Einsatz, die wichtige Leistungseigenschaften wie zum Beispiel das Misch- und Verweilzeitverhalten mikrostrukturierter Reaktoren qualitativ und quantitativ beschreiben. 3 Visualisierung der Fluiddynamik in dreidimensionalen Mikrokanalstrukturen mittels CFD (Beispielrechnung). Für die Erfassung der Verweilzeit-Charakteristik von mikrofluidischen Bauteilen haben wir spezielle spektroskopische Messverfahren sowie entsprechende mathematische Modellierungs- Tools entwickelt, die das Zusammenwirken von Fluidkanalstruktur und Verweilzeitcharakteristik aufzeigen. Mittels CFD können wir durch die approximative Berechnung der Strömungsverhältnisse sowie des Wärme- und Massentransports und damit gekoppelter Größen wie Mischgüte, Verweilzeit und Druckabfall Aussagen über den Verfahrensverlauf im Vorfeld oder begleitend zur Prozessentwicklung treffen. Mit Hilfe der Simulationsrechungen können Prozessgrößen nicht nur punktuell, sondern zeitlich und räumlich nahezu unbegrenzt ermittelt werden. Darüber hinaus liefern moderne CFD-Tools umfangreiche Möglichkeiten zur Visualisierung der berechneten Prozessgrößen. Um die im Mikrobereich auftretenden Besonderheiten wie beispielsweise Grenzflächenphänomene und das große Oberfläche/Volumen-Verhältnis zu berücksichtigen, müssen wir CFD-Tools mit geeigneten Berechungsmodellen wählen und die entsprechenden Mikroeffekte ggf. durch Modifizierung oder Ergänzung der Programme (zum Beispiel über User Defined Subroutines) einbinden. 6 I 7

8 MIKROREAKTIONSTECHNIK ANALYSE, ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG VON CHEMISCHEN PROZESSEN

9 4 PROZESSANALYTIK IN MIKROREAKTOREN Viele chemische Prozesse bieten ein signifikantes Verbesserungspotenzial bei detaillierter Analyse ihrer zugrundeliegenden physikalisch-chemischen Vorgänge. Mit diesen Analysedaten können Prozesse gezielt optimiert, hohe und gleichbleibende Produktqualitäten erzielt und letztendlich Prozesskosten gesenkt werden. In der industriellen Praxis ist es jedoch häufig aus technischen, sicherheitstechnischen oder wirtschaftlichen Gründen schwer oder sogar unmöglich, Prozessanalytik direkt vor Ort zu installieren und zu betreiben. Hier kann die Mikroreaktionstechnik Abhilfe schaffen, indem sie technische Prozesse im Kleinen nachstellt und mittels adaptierter Prozessanalytik zeit- und ortsaufgelöst verfolgt. 4 Räumlich und zeitlich hochauflösende Prozessanalytik in Mikroreaktoren mittels Lichtleitertechniken. Aus diesem Grund setzen wir bereits in einem frühen Stadium bei der Auslegung und Optimierung von chemischen Prozessen Prozessanalytik in Form von IR-, Raman- und UV/Vis/NIR- Spektroskopie ein, die je nach Fragestellung als inline-, online- oder atline-messtechnik an den Prozess adaptiert wird. Mit modernsten Imaging-Verfahren können wir chemische Prozesse in einem Mikrokanal in Echtzeit ortsaufgelöst spektroskopisch oder mittels High-Speed Mikroskopie visuell verfolgen. Mit Hilfe von Lichtleiter-Techniken können wir außerdem an bis zu 16 diskreten Positionen in einem Mikroreaktor simultan spektroskopieren. Mit der von uns entwickelten Prozessanalytik machen wir unsere Prozesse transparent. Sie verschafft uns einen direkten Einblick in den laufenden Prozess, so dass wir sowohl Informationen über die Produktzusammensetzung als auch kinetische und mechanistische Daten gewinnen können, die für die Auslegung der Prozesskomponenten und die Wahl geeigneter Prozessbedingungen ausgesprochen wertvoll sind. In Kombination mit Screeningverfahren, statistischer Versuchsplanung und chemometrischen Methoden lassen sich auf diese Weise geeignete Prozessfenster und Prozessoptima mit hoher Effizienz identifizieren. Gefahrstoffproduktion in ferngesteuerten Mikroreaktorprozessen. 8 I 9

10 MIKROREAKTIONSTECHNIK ANALYSE, ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG VON CHEMISCHEN PROZESSEN REAKTIONSKALORIMETRIE IN MIKROREAKTOREN Eine weitere Methode der Prozessanalytik stellt das von uns entwickelte kalorimetrische Messsystem»concal«dar, eines der kleinsten und zugleich leistungsfähigsten kontinuierlich arbeitenden Reaktionskalorimeter. Es erlaubt die kalorimetrische Verfolgung von chemischen Prozessen in Mikroreaktoren und dies nahezu in Echtzeit. Herzstücke des Messsystems sind auf miniaturisierten Seebeck-Elementen basierende Sensorarrays zur lokalen quantitativen Erfassung von Wärmeströmen. Die Sensorarrays bestehen aus bis zu 40 Einzelsensoren, die die in einem Mikroreaktor auftretende Wärmetönung mit entsprechend hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung erfassen können. Aus diesen Messdaten lassen sich thermokinetische Informationen zur betrachteten chemischen Umsetzung gewinnen. Darüber hinaus lassen sich mit»concal«reaktionsenthalpien und andere sicherheitstechnische Kenndaten von chemischen Reaktionen in Abhängigkeit der gewählten Prozessbedingungen bestimmen. Auf Grund des kleinen Reaktorvolumens können selbst kritische Prozesszustände (»worst case«szenarien) gezielt und sicher untersucht werden, die mit konventionellen Kalorimetern nur schwer oder gar nicht zugänglich sind. Die hohe Empfindlichkeit der Sensoren erlaubt neben der Analyse stark exothermer Reaktionen ebenso die kalorimetrische Verfolgung von kontinuierlichen Prozessen mit geringer Wärmetönung sowie von endothermen Vorgängen. Der modulare Aufbau von»concal«ermöglicht zudem die Adaption der miniaturisierten Seebeck-Sensorarrays an unterschiedliche Reaktortypen (Flüssig-, Flüssig/Flüssig- oder Gas/Flüssig-Reaktoren) und Reaktorgrößen. Mit seiner schnellen Kalibrierung und benutzerfreundlichen Messsoftware ist»concal«im Besonderen für das kalorimetrische Screening von Reaktions- und Prozessbedingungen geeignet.

11 5 6 OBERFLÄCHENMODIFIKATION UND KATALYSE Das große Oberfläche/Volumen-Verhältnis von mikrostrukturierten Reaktoren wird meistens im Zusammenhang mit einem intensivierten Wärmetransport diskutiert und entsprechend vorteilhaft eingesetzt. Darüber hinaus kann die relativ große Oberfläche in Mikroreaktoren aber auch für andere Wechselwirkungen mit den Reaktionsmedien ausgenutzt werden. Am Fraunhofer ICT verfolgen wir dabei zwei zentrale Anwendungen. Zum einen beeinflussen wir durch eine gezielte chemische Modifikation die Oberflächeneigenschaften der Mikrokanäle. Die inneren Oberflächen unserer Glasreaktoren können wir beispielsweise gezielt mit hydrophilen, hydrophoben oder superhydrophoben Eigenschaften ausstatten und somit Einfluss auf die Benetzung und das Strömungsverhalten im Mikroreaktor in Abhängigkeit vom Stoffsystem nehmen. 5 Chemische Modifikation von Glasoberflächen: von hydrophil bis superhydrophob. 6 Anbindung von organischen Katalysatoren auf Glassubstraten. Zum anderen nutzen wir die großen inneren Oberflächen unserer Mikroreaktoren für die chemische Fixierung von organischen Katalysatoren. Auf diese Weise verknüpfen wir die Vorteile der Katalysator-Immobilisierung mit denen der kontinuierlichen Mikroreaktionstechnik, insbesondere im Bezug auf einen intensivierten Stoff- und Wärmetransport. Für katalytische Flüssigphasenprozesse ließen sich bereits auf diese Weise im Vergleich zu den makroskopischen Referenzprozessen signifikante Verbesserungen in Katalysator-Performance und Raum/ Zeit-Ausbeute erzielen. 10 I 11

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13 7 SEGMENTIERTER FLUSS: DER TROPFEN ALS REAKTOR In mikrostrukturierten Reaktoren lassen sich mehrphasige Stoffsysteme (beispielsweise flüssig/flüssig oder gas/flüssig) mit hoher Präzision in Form von segmentierten Flüssen prozessieren was interessante Anwendungsmöglichkeiten bietet. In speziell entwickelten mikrofluidischen Strukturen segmentieren wir Fluide durch Abriss oder Abschnürung in Form von Tropfen oder Blasen in eine zweite Flüssigphase. Über die gewählten Strömungsverhältnisse, Reaktorgeometrien und andere Prozessbedingungen lassen sich dabei die Größe der erzeugten Tropfen und Blasen sowie die Frequenz der Segmentierung sehr genau kontrollieren. Die Tropfen oder Flüssigsegmente fungieren als abgeschlossene Reaktionsräume mit wenigen Nanoliter Volumen, die mit der Transportphase keine chemischen Wechselwirkungen eingehen. Auf diese Weise können wir insbesondere bei hochwertigen Wirkstoffsynthesen Querkontaminationen, Verdünnungs- und Dispersionseffekte durch Konvektion und Diffusion unterdrücken. Darüber hinaus wird die Durchmischung der Reaktionspartner im Nanoliter-Segment durch Advektion stark intensiviert. 7 Mikroreaktor für die Segmentierung von Flüssen. Eine segmentierte Prozessführung kann aber auch eingesetzt werden, um die Wechselwirkung zwischen zweiphasigen Systemen gezielt zu intensivieren. Durch die Bereitstellung großer Grenzflächen können wir Stofftransportprozesse über die Phasengrenzfläche im Vergleich zu makroskopischen Prozessen z. T. drastisch beschleunigen. Typische Anwendungen sind Phasentransferkatalysen und andere zweiphasige organische Synthesen. Die segmentierte Prozessführung in Mikroreaktoren wird am Fraunhofer ICT auch für die Herstellung mikroskaliger partikulärer Produkte eingesetzt. Die exakte Kontrolle über die Tropfengröße wird beispielsweise genutzt, um monomodale sphärische Polymerpartikel im Mikroreaktor zu synthetisieren oder um polymere Mikrokapseln herzustellen, die im Prozess mit unterschiedlichsten Wirkstoffen gefüllt werden können. Die Größe der Polymerpartikel kann stufenlos in einem breiten Bereich, zum Beispiel zwischen 5 μm und 300 μm, eingestellt werden, typische Wandstärken von polymeren Mikrokapseln liegen bei ca. 100 nm. Messsystem»concal«: Kalorimetrie in Mikroreaktoren (hier: 40-Sensorarray für die kalorimetrische Prozessverfolgung in einem Mikrofallfilmreaktor). 12 I 13

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15 8 UNSER ANGEBOT Wir bieten unseren Kunden und Projektpartnern einen schnellen und umfassenden Zugang zu den vielseitigen Einsatzmöglichkeiten der Mikroreaktionstechnik. Verschiedenste Mikroreaktionssysteme stehen am Fraunhofer ICT für Fragestellungen auf dem Gebiet der Syntheseund Verfahrensentwicklung, der Prozessoptimierung und der Prozessanalytik zur Verfügung. Als FuE-Dienstleistungen bieten wir entsprechende Machbarkeitsstudien, schnelle Parameter- Screenings, gezielte Analysen einzelner Prozessschritte komplexer Reaktionen sowie detaillierte Sicherheitsuntersuchungen an. 8 Herstellung von sphärischen Polymerpartikeln mit einstellbaren Porositäten und von Mikrokapseln. Für die Eigenforschung unserer Kunden bieten wir komplette Laborsysteme für Synthese, Prozessanalytik und Kalorimetrie an. Darauf aufbauend entwickeln wir maßgeschneiderte Mikroreaktorprozesse für kundenspezifische Anforderungen vom Labor- bis in den Produktionsmaßstab. Schließlich betreiben wir mit unseren Kunden gemeinsame Produktentwicklungen im Bereich der Fein- und Spezialitätenchemikalien sowie der Polymerpartikel und Mikrokapseln. MIKROREAKTIONSTECHNIK ANALYSE, ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG VON CHEMISCHEN PROZESSEN Kontinuierliche Synthese von gefüllten Mikrokapseln: Verfolgung mittels High-Speed-Mikroskopie. 14 I 15

16 MIKROREAKTIONSTECHNIK ANALYSE, ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG VON CHEMISCHEN PROZESSEN Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Joseph-von-Fraunhofer-Straße Pfinztal (Berghausen) Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Peter Elsner Telefon Ansprechpartner Dr. Stefan Löbbecke Telefon Fax stefan.loebbecke@ict.fraunhofer.de Weitere Informationen zur Mikroreaktionstechnik am Fraunhofer ICT finden Sie unter: