Mikroreaktionstechnik. Entwicklung und Optimierung chemischer Prozesse vom Labor bis in den technischen MaSSstab

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR Chemische Technologie ICT Mikroreaktionstechnik Entwicklung und Optimierung chemischer Prozesse vom Labor bis in den technischen MaSSstab

2 Mikroreaktionstechnik Entwicklung und Optimierung chemischer Prozesse vom Labor bis in den technischen MaSSstab

3 Mikroreaktionstechnik Chemische Prozesse auf kleinstem Raum Mikrostrukturierte Reaktoren halten seit einigen Jahren erfolgreich Einzug in die Chemielabore. Ob in der akademischen Forschung oder im industriellen Umfeld: durch den Einsatz von Mikroreaktoren, Mikromischern und anderen mikrostrukturierten Apparaten in chemischen Prozessen lassen sich eine Vielzahl von reaktions- und verfahrenstechnischen Vorteilen erzielen. Mikroreaktoren zeichnen sich insbesondere durch hohe Oberfläche/Volumen-Verhältnisse und Kanaldimensionen im sub-millimeter-bereich aus, die eine starke Intensivierung von Wärmeund Stofftransport im Reaktor ermöglichen. Aufgrund der kontinuierlichen Prozessführung lassen sich darüber hinaus kurze Verweilzeiten präzise einstellen und enge Verweilzeitverteilungen erreichen. 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 Prozessfenstern und Synthesewegen. Am Fraunhofer ICT werden seit 15 Jahren Mikroreaktorprozesse sowohl zum Zwecke der Prozessoptimierung als auch für Produktionsaufgaben entwickelt. Projektpartnern und Kunden aus der chemischen, pharmazeutischen und verfahrenstechnischen Industrie kann heute ein breites Spektrum an Produkten, Verfahren 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 bis hin zur Entwicklung maßgeschneiderter Mikroreaktionssysteme für Labor und Produktion reicht. Titelfoto: Einbau von Mikroreaktoren in eine Produktionsanlage. Foto links: Mikroreaktionstechnik: kontinuierliche Prozessführung in Mikrokanälen.

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5 1 2 Von der Prozessoptimierung bis 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, z. B. unter höheren Temperaturen, Drücken und Konzentrationen der Reaktionspartner, verkürzten Reaktionszeiten oder auch unter alternativen stöchiometrischen Reaktionsbedingungen. Um die Vorteile der Mikroreaktionstechnik effektiv im Labor anwenden zu können, müssen sie mit einer leistungsstarken Labortechnik verknüpft werden. Wir nutzen hierfür eigenentwickelte modulare Laborsysteme, die ein schnelles Reaktions- und Parameterscreening erlauben. Mit diesen Laborsystemen 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 Reaktoren zur Verfügung, die mehrheitlich aus Glas gefertigt und mit chemisch inerter Anschlusstechnik ausgerüstet sind. Die Prozesssteuerung unserer Mikroreaktionssysteme 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. Unsere Mikroreaktionssysteme verfügen zusätzlich über Schnittstellen für die online- und offline-analytik, integrierte Sicherheitsvorrichtungen sowie eine optionale Videoüberwachung für Reaktionen mit erhöhtem Gefährdungspotenzial. 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 Alternative Prozessführung: Photochemie in Mikroreaktoren. Foto links: Aufbau von Mikroreaktorprozessen im Technikum.

6 3 4 2 Gefahrgeneigte Prozesse Ein Spezialgebiet am Fraunhofer ICT ist die Entwicklung von Mikroreaktorprozessen für die sichere Prozessführung explosionsfähiger oder anderweitig gefahrgeneigter Reaktionssysteme. Hierbei stützen wir uns auf unsere über 50-jährige Expertise auf dem Gebiet der Explosivstoffsynthese sowie die zugehörige Infrastruktur und Sicherheitsausstattung. Die Vorteile der Mikroreaktionstechnik lassen sich besonders für Prozesse mit erhöhtem Gefährdungspotenzial nutzen sei es, um starke Wärmetönungen abzufangen, Neben- und Zersetzungsreaktionen zu unterdrücken oder um toxische, explosive und anderweitig labile Produkte und Intermediate in kleinen Reaktorvolumina und bei kurzen Standzeiten zu handhaben. Neben verschiedenen Laborprozessen werden am Fraunhofer ICT auch spezielle Multipurpose- Anlagen im technischen Maßstab entwickelt, die sowohl die kontinuierliche Synthese von flüssigen, explosiven Gefahrstoffen als auch deren anschließende kontinuierliche Aufarbeitung in relevanten Produktionsmengen erlaubt. Herzstücke dieser Anlagen sind speziell für hohe Durchsätze entwickelte Mikroreaktoren für die Synthese und das Downstream Processing, die dank eines modularen Anlagenkonzeptes schnell für die jeweilige Produktionskampagne umgerüstet werden können. Je nach Syntheseprodukt und erforderlichem Durchsatz werden die passenden Mikroreaktoren in die Produktionsanlagen integriert. Die Anlagen verfügen über umfangreiche Sicherheitsvorrichtungen und werden vollständig ferngesteuert und fernüberwacht betrieben. Sie werden am Fraunhofer ICT insbesondere für die Produktion explosiver Gefahrstoffe eingesetzt. Typische Durchsätze liegen im Bereich von einigen 100 Gramm pro Minute. Gegenüber den klassischen Produktionsprozessen können neben der hohen Prozesssicherheit z. T. drastische Verkürzungen in den Prozesszeiten, Verbesserungen in der Produktreinheit und -stabilität (u. a. für Pharmaka-Anwendungen) sowie deutliche Einsparungen in der Aufarbeitung erzielt werden. 3 Technikumsanlage für die kontinuierliche Synthese und Produktaufbereitung in mikrostrukturierten Reaktoren. 4 Gefahrstoffproduktion in ferngesteuerten Mikroreaktorprozessen.

7 5 6 Mehrphasige Prozessführung in Mikroreaktoren: der Tropfen als Reaktor In mikrostrukturierten Reaktoren lassen sich mehrphasige Stoffsysteme (z. B. flüssig/flüssig oder gas/flüssig) mit hoher Präzision in Form von segmentierten Flüssen prozessieren was interessante Anwendungsmöglichkeiten bietet. Hierzu werden in speziell ausgelegten mikrofluidischen Strukturen Fluidsegmente einer Phase in Form von Tropfen oder Blasen durch Abriss oder Abschnürung in eine zweite Flüssigphase kontinuierlich erzeugt. Über die gewählten Strömungsverhältnisse, Reaktorgeometrien und weitere Prozessbedingungen lassen sich sowohl die Größe der erzeugten Tropfen und Blasen als auch die Frequenz der Segmentierung sehr genau kontrollieren. Die Tropfen oder Flüssigsegmente fungieren dabei als abgeschlossene Reaktionsräume mit wenigen Nanoliter Volumen, die mit der Transportphase keine chemischen Wechselwirkungen eingehen. Auf diese Weise können z. B. bei hochwertigen Wirkstoffsynthesen Querkontaminationen sowie Verdünnungs- und Dispersionseffekte durch Konvektion und Diffusion unterdrückt werden. Darüber hinaus wird die Durchmischung der Reaktionspartner im Nanoliter-Segment durch Advektion stark intensiviert. 5 Mikroreaktor für die Herstellung monomodaler Mikrokapseln. 6 Kontinuierliche Synthese von Mehrfachemulsionen in Mikroreaktoren: Prozessverfolgung mittels High- Speed-Mikroskopie. Die segmentierte Prozessführung in Mikroreaktoren wird am Fraunhofer ICT auch für die Herstellung partikulärer Produkte und Mehrfach-Emulsionen 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, zwischen wenigen Mikrometern und mehreren hundert Mikrometern, eingestellt werden, typische Wandstärken von polymeren Mikrokapseln liegen bei ca. 100 nm. Eine segmentierte Prozessführung kann aber auch eingesetzt werden, um die Wechselwirkung zwischen zweiphasigen Stoffsystemen gezielt zu intensivieren, z.b. bei Einsatz von Phasentransferkatalysatoren. Durch die Bereitstellung großer Grenzflächen können Stofftransportprozesse über die Phasengrenzfläche im Vergleich zu makroskopischen Prozessen z.t. drastisch beschleunigt werden.

8 7 8 Spektroskopische und kalorimetrische Prozessanalytik in Mikroreaktoren Am Fraunhofer ICT ist die Prozessanalytik ein unverzichtbares Werkzeug bei der Auslegung und Optimierung von chemischen Prozessen. Hierbei kommen sowohl spektroskopische als auch kalorimetrische Verfahren zum Einsatz, die adaptiert an Mikroreaktorprozesse eine Prozessdiagnostik mit hoher Zeit- und Ortsauflösung ermöglichen. Spektroskopische Prozessanalytik in Form von IR-, Raman- und UV/Vis/NIR-Spektroskopie wird je nach Fragestellung als inline-, online- oder atline-messtechnik an den Mikroreaktorprozess adaptiert. Eigenentwickelte optische Messzellen bilden hierbei häufig die Schnittstelle zum chemischen Prozess. Darüber hinaus werden High-Speed Mikroskopie und modernste Imaging-Verfahren eingesetzt, die die visuelle und spektrale Information über einen definierten Reaktorbereich simultan und mit hoher zeitlicher Auflösung erfassen. So können chemische Prozesse orts- und zeitaufgelöst in einem ausgewählten Abschnitt eines Mikrokanals in Echtzeit spektroskopisch verfolgt werden. Diese Form der Prozesstomographie liefert eine Vielzahl an kinetischen und mechanistischen Informationen. Mit Hilfe der Lichtleitertechnik kann zudem an vielen diskreten, frei wählbaren Positionen eines Prozesses simultan spektroskopiert und der Verlauf einer chemischen Reaktion über längere Distanzen verfolgt werden (Multiplex- Spektroskopie). In Kombination mit Screeningverfahren, statistischer Versuchsplanung und chemometrischen Methoden lassen sich mittels Prozessanalytik geeignete Prozessfenster und Prozessoptima mit hoher Effizienz identifizieren. Eine weitere leistungsfähige Methode der Prozessanalytik stellt ein am Fraunhofer ICT entwickeltes Reaktionskalorimeter dar, das an kontinuierliche Mikroreaktorprozesse adaptiert werden kann und die kalorimetrische Echtzeit-Verfolgung von chemischen Prozessen erlaubt.

9 9 10 Herzstücke des Messsystems sind Sensorarrays auf Basis von miniaturisierten thermoelektrischen Elementen (Seebeck-Elemente) 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 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 Spektroskopische Prozessverfolgung im Mikroreaktor mittels Lichtleitertechnik Reaktionskalorimetrie in Mikroreaktoren mit einem 40-Sensorarray. 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 des Messsystems ermöglicht zudem die Adaption der Sensorarrays an unterschiedlichste Reaktortypen und Reaktorgrößen. Mit seiner schnellen Kalibrierung und benutzerfreundlichen Messsoftware ist das µl-reaktionskalorimeter im Besonderen für das kalorimetrische Screening von Reaktions- und Prozessbedingungen geeignet.

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11 11 12 Auslegung von mikrostrukturierten 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 z.b. das Misch- und Verweilzeitverhalten mikrostrukturierter Reaktoren qualitativ und quantitativ beschreiben 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 Simulationsrechnungen können Prozessgrößen nicht nur punktuell, sondern zeitlich und räumlich nahezu unbegrenzt ermittelt werden. Darüber hinaus bestehen umfangreiche Möglichkeiten zur Visualisierung der berechneten Prozessgrößen. Um die in der Mikroreaktionstechnik relevanten Effekte wie das große Oberflächen-/Volumenverhältnis oder Grenzflächenphänomene bei der Simulation hinreichend zu berücksichtigen, werden spezielle CFD-Tools mit geeigneten Berechnungsmodellen gewählt und diese ggf. durch Modifizierung oder Ergänzung (z. B. über user defined subroutines) angepasst. Passive Mischstrukturen in Mikroreaktoren intensivieren den Massentransport.

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13 13 14 Laserstrukturierung von Mikroreaktoren Die Neu- oder Weiterentwicklung von maßgeschneiderten Mikroreaktoren und anderen mikrofluidischen Strukturen erfordert flexible Fertigungstechniken, die ein schnelles Bereitstellen und Erproben von Prototypen sowie ein schnelles Re-Design von mikrofluidischen Komponenten ermöglichen. Am Fraunhofer ICT wird für diesen Zweck die Laserstrukturierung eingesetzt, die es im Vergleich zu gängigen Mikrostrukturierungsverfahren (z. B. Ätz- oder Sandstrahlprozesse) erlaubt, mikrofluidische Strukturen ohne den zeit- und kostenintensiven Einsatz von Masken direkt in einem Substrat zu erzeugen. Durch kurze Laserpulse im Pikosekunden-Bereich erfolgt der Materialabtrag mit minimaler thermischer Belastung des Substrates (Glas, Keramik, Metall, Kunststoff), was die Entstehung von Spannungen oder Mikrorissen verhindert. Durch den kontrollierten Materialabtrag werden Strukturen mit hoher geometrischer Präzision und hohen Aspektverhältnissen erzeugt. 13 Laserstrukturierter kreisrunder Kanalquerschnitt (REM-Aufnahme, Kanalquerschnitt: 500 µm). 14 Anlage zur Mikrostrukturierung mittels Ultrakurzpuls-Laserablation. Die Laserablation mittels Ultrakurzpulslaser eignet sich besonders für die schnelle Generierung und Weiterentwicklung von Mikrostrukturen. Neben der zweidimensionalen Ausgestaltung der Fluidführung in Mikrokanälen lassen sich auch gezielt Form und Tiefe der Mikrokanäle strukturieren. Dabei können sowohl unterschiedliche Kanalquerschnitte (rechteckig, trapezförmig oder rund) als auch ansteigende oder abfallende Kanalstrukturen im Substrat realisiert werden. Strukturierung von Mikroreaktoren mittels Ultrakurzpuls-Laserablation.

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15 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 Synthese- und Verfahrensentwicklung, der Prozessoptimierung und der Prozessanalytik zur Verfügung. Wir bieten umfangreiche FuE-Dienstleistungen in Form von Machbarkeitsstudien und systematischen Parameter-Screenings, gezielten Analysen einzelner Prozessschritte, sowie detaillierten Sicherheitsuntersuchungen an. Darauf aufbauend entwickeln wir maßgeschneiderte Mikroreaktorprozesse für kundenspezifische Anforderungen vom Labor- bis in den Produktionsmaßstab. Für die Eigenforschung unserer Kunden bieten wir komplette Laborsysteme für Synthese, Prozessanalytik und Kalorimetrie an. Darüber hinaus betreiben wir mit unseren Kunden gemeinsame Produktentwicklungen im Bereich der Fein- und Spezialitätenchemikalien sowie bei der Herstellung von Mikrokapseln und Mikro-/Nanopartikeln. Modulares Laborsystem für Mikroreaktorversuche.

16 Mikroreaktionstechnik Entwicklung und Optimierung chemischer Prozesse vom Labor bis in den technischen MaSSstab 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: V04.0_de