Mikroreaktoranlage im kontinuierlichen Multi-purpose-Betrieb

Non-Stopp im dienst der Kunden

13.09.2006

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Die Mikroreaktionstechnik hat den Schritt aus den Laboren in die Produktionshallen geschafft. Monat für Monat ist von neuen Anlagen, in deren Inneren ein Herz im Mikromaßstab pocht, zu lesen. Während alle bislang bekannten Anlagen für ein bestimmtes Produkt optimiert wurden, sollen bei Synthacon in Leuna zukünftig unterschiedliche Produkte in ein und derselben Mikroreaktoranlage hergestellt werden. „Wir haben zwei Standbeine“, sagt Martin Leitgeb, Geschäftsführer von Synthacon: „Zum einen stellen wir Chemikalien für den eigenen Katalogvertrieb her, zum anderen bieten wir unser Synthese-Know-how als Dienstleistung an.“ Und dieses Geschäft verlangt Flexibilität.

Synthacons Systempartner in Sachen Mikroreaktionstechnik ist CPC – Cellular Process Chemistry Systems. Unter dem Namen Cytos bietet CPC Mikroreaktoren im Baukasten-Konzept an, ausgelegt für Reaktionen in flüssiger Phase. „Der Anlagenbetreiber kann zum Beispiel den Reaktortyp und das Verweilzeitvolumen variieren und beliebig kombinieren und dabei alle Parameter individuell konfigurieren“, erläutert Dr. Volker Autze, Geschäftsführer von CPC. So lassen sich die elf Reaktionsstränge der Anlage in Leuna einzeln außer Betrieb nehmen, spülen, öffnen und bei Bedarf gegen andere Reaktortypen austauschen, ohne dass die Produktion unterbrochen werden muss.
Doch das modulare Konzept alleine ebnete noch nicht den Weg zur Multiproduktanlage. Ein wichtiger Schritt war die Entwicklung so genannter Verweiler, die jedem einzelnen Mikroreaktor nachgeschaltet sind und das temperierte Reaktionsvolumens von 2 ml direkt im Reaktor auf bis zu 135 ml pro Reaktionsstrang vergrößern. „Viele Reaktionen sind erst nach 15 Minuten abgeschlossen“, weiß Autze: „Diese können nun auch in Mikroreaktoren mit einer hohen Ausbeute durchgeführt werden.“

PAT inside

Eine weitere Hürde wurde mit der Integration geeigneter Inline-Messzellen, wie sie die FDA im Rahmen der PAT-Initiative für die Herstellung von Pharmazeutika empfiehlt, genommen. Die eigens für die Prozessanalysentechnik (PAT) in Mikrosystemen entwickelten temperierbaren Durchflussküvetten mit einem minimalen Totvolumen befinden sich jeweils nach dem Verweiler. In Leuna kommt für die Qualitätskontrolle der Produkte die IR-Spektroskopie zum Einsatz. Entspricht das Spektrum der Produktlösung eines Reaktionsstrangs nicht der Spezifikation, wird der Verweilerinhalt automatisch ausgeschleust. Der betreffende Reaktor kann sofort isoliert werden, um den Fehler zu beheben. Zur Kontrolle des Produktstroms ist eine Ramananalytik verfügbar.

„Viele Messtechnikanbieter haben bereits Produkte für die kleinen Dimensionen einer Mikroreaktoranlage im Programm“, sagt Autze: „Wir fragen generell Standardprodukte an und können diese meist mit leichten Variationen für unsere Anlagen nutzen.“ Auch für Martin Leitgeb ist die Analysentechnik ein wichtiges Entscheidungskriterium für die Zusammenarbeit mit CPC. Seine Kunden fordern eine konstant hohe Qualität und die sichere Reproduzierbarkeit der Herstellungsprozesse.
Jede Verbindung, die von Synthacon erstmalig für einen Kunden synthetisiert werden soll, wird zunächst am Standort Frankfurt im Labor unter die Lupe genommen. „Dort optimieren wir die Chemie und erstellen die Herstellvorschrift“, sagt Leitgeb. Erst nach erfolgreichem Probelauf im Labormaßstab, startet die Produktion größerer Mengen in Leuna – oder in der eigenen Produktion des Auftraggebers, sollte sich dieser entscheiden, die Technologie zu kaufen. In beiden Fällen entfällt der aufwändige Upscaling-Prozess. Im Gegensatz zur herkömmlichen Anlagentechnik wird beim Einsatz der Mikroreaktionstechnologie nicht das Reaktorvolumen vergrößert, sondern die Anzahl der Mikroreaktoren, die parallel betrieben werden. Beim so genannten Numbering-Up bleiben die Reaktionsbedingen konstant. „Die Entwicklungsarbeit findet bereits unter Produktionsbedingen statt“, so Martin Leitgeb.

Minuten werden zu Sekunden

Prädestiniert für die Synthese in Mikroreaktoren sind gefahrgeneigte, exotherme und schnelle Reaktionen, die sich im Batch-Betrieb nur schwer kontrollieren lassen. Haupteinsatzgebiet ist die metallorganische Chemie. Um instabile Intermediate sofort weiterverarbeiten zu können, wurde die Anlage in Leuna von Anfang an zweistufig ausgelegt. Oft erhöht der Umstieg von der klassischen Synthese auf die Mikroreaktionstechnologie die Ausbeuten und reduziert die Verweilzeit im Reaktor erheblich. „Stunden werden zu Minuten, Minuten nicht selten zu Sekunden“, so Autze: „Das ist kein Naturgesetz; das hat sich so erwiesen.“

Dennoch bleiben Synthesen übrig, die selbst in einem Mikrosystem ihre Zeit brauchen. Die typischen „acht Stunden Rückfluss“ lassen sich in einem kontinuierlich-arbeitenden Mikroreaktor mit einem Volumen von etwa 2 ml wirtschaftlich nicht realisieren. „Schon bei einer Verweilzeit von 30 Minuten rentiert sich die Mikroreaktionstechnologie nur für besonders hochwertschöpfende Produkte“, sagt Autze.

Volker Autze und sein Entwicklungsteam haben sich vorgenommen, in Zukunft auch Lösungen für die weniger zeitgetriebene Feinchemie anzubieten. Eine Stellschraube dabei ist die Inline-Analytik. „Wir werden zwar akzeptieren müssen, dass wir die Reaktion weniger exakt kontrollieren können, sollten aber dennoch die Vorteile der Mikroreaktionstechnologie in puncto Selektivität und Ausbeute ausnutzen können.“

„Was wir realisiert haben, treibt Ingenieure normalerweise leicht in den Wahnsinn: ein kontinuierliches Multi-purpose-System“

Heftausgabe: September 2006
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Über den Autor

Susanne Zinckgraf , Redaktion
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