Anlagenbau für Hydrierreaktionen in der Pharmaindustrie

vorsprung sichern

09.11.2006

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Eine Ausstelleranalyse der auf Auftragssynthese spezialisierten Messe Informex (2002) ergab, dass ca. 50% aller Aussteller Hydrier- und Karbonylierkapazitäten anbieten und dass ca. 35% aller Aussteller fähig waren, solche Verfahren im GMP-Bereich durchzuführen. Fast die Hälfte aller Aussteller verfügten über eigene Produktionsanlagen. Die traditionelle Pharmaindustrie lagert ihre Produktion immer öfter an spezialisierte Unternehmen der Feinchemie aus oder unterwirft einzelne Betriebe innerhalb eines Pharmakonzerns dem gegenseitigen Konkurrenzkampf. Der Wegfall des Produktionsschutzes und die Überkapazität, welche durch die Produktionsabwanderung nach Fernost entstanden ist, haben in der europäischen Pharmaindustrie und Feinchemie zu einem Umdenken geführt. Heute soll nicht mehr nur so gut wie möglich, sondern auch so konkurrenzfähig wie möglich produziert werden. Dies hat die Nachfrage nach leistungsfähigen Hydrieranlagen verstärkt. Hydrieranlagen heben sich dadurch von anderen Verfahren ab, da sie fast ausschließlich mit teurem Edelmetallkatalysator betrieben werden müssen. Good Manufacturing Practices (GMP) lassen zudem das mehrfache Rezyklieren des Katalysators kaum zu. Um die Wirtschaftlichkeit eines Prozesses zu steigern, muss die eingesetzte Katalysatormenge so gering wie möglich sein.

Hydrieranlagen in der Pharmaindustrie sind darüber hinaus komplexe Konstruktionen, in denen sich die Anforderungen Hochdrucktechnologie, GMP, Personenschutz, Produktschutz, Prozessökonomie etc. überlappen. Um Anlagenprojekte effizient und mit kleinstem Risiko zu realisieren, lohnt es sich, die Zusammenarbeit mit einem kompetenten Technologiegeber zu suchen.
Das Potenzial eines Hochleistungsreaktors und die Vorteile einer Zusammenarbeit mit einem auf Hydrieranlagen spezialisierten Technologiegeber sollen im Folgenden illustriert werden.
Durch den Einsatz einer Hochleistungsreaktortechnologie, welche große Mengen Wasserstoff in Lösung bringen und gleichzeitig dem Reaktor große Wärmemengen entziehen kann, lässt sich die Reaktionsgeschwindigkeit oft erheblich steigern. Dabei gilt es bei gleicher Ansatzgröße, die Reaktionszeit und die Katalysatorkonzentration zu reduzieren, was zu großen Einsparungen führen kann.

Betreiber spart Katalysator im Wert von 400000 Euro

So zum Beispiel jener Fall, wo in einem 2m3-Reaktor die Katalysatorbeladung von 0,25 auf 0,10% und die Reaktionszeit von 4 auf 2 Stunden reduziert werden konnte. Bei 1200 Ansätzen pro Jahr konnten dabei 3600 kg 5%iger Pd/C Katalysator gespart werden, was Einsparungen von ca. 400000 Euro pro Jahr zur Folge hatte. Solche Ergebnisse lassen sich zwar nicht immer erzielen, zeigen aber doch die Größenordnung der Einsparungen, welche durch eine Hochleistungstechnologie erreicht werden könnten.

Ein weiteres Potenzial besteht in der Vermeidung von Nebenprodukten. Dadurch steigt nicht nur die Ausbeute des Hydrierschrittes, sondern auch jene der folgenden Aufarbeitungsschritte und die Aufarbeitung vereinfacht sich. Schließlich besteht die Chance, die Lösemittelmenge durch den Einsatz eines Hochleistungsreaktors zu reduzieren, was wiederum zu erheblichen Einsparungen führt.
Wie in Bild 1 dargestellt, verfügt moderne Reaktortechnologie nicht nur über technische Finnessen wie trocken laufende Magnetgetriebe und optimierte CIP-Düsen, sondern ist auch mit selbst ansaugenden Hohlwellenrührern und innenliegenden Wärmeübertragerplatten ausgestattet. Der Hohlwellenrührer ist in der Lage, je nach Bedarf 30 bis 50m3/h Gas pro Kubikmeter Reaktorvolumen zu rezyklieren. Bei einem 2m3-Reaktor, der bei 10bar arbeitet, ca. 600 bis 1000m3/h Wasserstoffgas bei Normalbedingungen. Je nach Bedarf können die Wärmeübertragerplatten dichter oder weniger dicht gestaffelt werden. Obwohl bis zu 20m2/m3 (also40m2 im 2m3 Reaktor) Platten eingebaut werden könnten, sind für den Pharmaeinsatz, wo große Moleküle vorherrschen, normalerweise 7m2/m3 ausreichend. Dadurch wird gleichzeitig die Reinigung erleichtert.

Laborversuche zahlen sich aus

Die oben aufgeführten Vorteile lassen sich natürlich nicht in jedem Fall realisieren. Für ein Projektteam ist es aber unerlässlich, im Voraus eine klare Vorstellung des neuen Verfahrens zu erhalten. Nur mit bekannten Verfahrensparametern und Produktspezifikationen können der Einfluss auf die Aufarbeitungsschritte eruiert, die Hilfsenergien (Dampf etc.) ermittelt und eine Analyse der Prozessökonomie vorgenommen werden.

Der hier vorgestellte Hochleistungsreaktor verfügt über eine nahezu vollständig homogene Reaktionsumgebung. Dadurch ist ein direktes Scale-Up vom Labor auf die Produktionsgröße, ohne langwierige Pilotversuche, möglich. So wurden in der Vergangenheit vom 500ml Laborreaktor direkt auf eine 30000 Jato Kontianlage, oder vom 1l Laborreaktor direkt auf 18m3 Produktionsvolumen geschlossen. Dies jeweils mit voller Prozessgarantie!
Das Scale-Up-Verfahren wird dabei dem Betreiber offen gelegt, und einige Produzenten haben sich zur Unterstützung der Produktionsanlage ein Labor eingerichtet. Dies erlaubt eine unabhängige Verfahrensentwicklung mit späterem, sicherem Transfer auf die Produktionsanlage. Rohmaterial, Lösungsmittel und Katalysator können vor dem Kauf getestet werden, was besonders bei natürlichen Rohstoffen wichtig ist. Im Fall der Auftragssynthese können im Labor Muster hergestellt werden.

Ein Hochleistungsreaktor darf aber nicht als ein isolierter Apparat verstanden werden. Er ist vielmehr Teil einer ganzen Anlage und seine Vorteile können nur dann ausgeschöpft werden, wenn er perfekt in die Produktionsanlage integriert ist. Es empfiehlt sich daher, einen solchen Reaktor in Zusammenarbeit mit einem Technologiegeber auszulegen und in eine Anlage einzubinden. Während ein Engineering Team im Betrieb wahrscheinlich nur selten eine neue Hydrieranlage installiert und auch die bevorzugten Detail Engineering Firmen selten über Spezial-Know how zur Hydrierung verfügen, ist die Erfahrung eines Technologiegebers bei der Realisierung einer neuen Hydrieranlage von großem Nutzen. Der Auftraggeber profitiert von einem stark reduzierten Projektrisiko, der kürzesten Time-To-Operation, einer optimierten Anlagensicherheit, einer schnellen Validierung und einer optimierten Ausführung. Die ideale Projektabwicklung wird daher erzielt, wenn ein weltweit aktiver und auf diesen Anlagentyp spezialisierter Technologiegeber das Basic Engineering in Zusammenarbeit mit dem Betreiber entwickelt und den Hochleistungsreaktor als solchen liefert, die Anlage selbst aber vom lokalen Detail Engineering Unternehmen realisiert wird. Dieses wird die Anlage auf Grund des optimierten Basic Engineering realisieren, aber die lokal geltenden Normen und werksintern bevorzugten, Hard- und Softwarekomponenten verwenden. Dadurch wird die Anlage perfekt in den Site integriert, was zu Einsparungen im Ersatzteilmanagement und in der Operatorschulung führt. Wird die Anlage gemäß den Vorgaben des Technologiegebers realisiert, wird dieser auch die entsprechenden Prozessgarantien geben können.

Durch Hochleistungsreaktoren lässt sich die Reaktionsgeschwindigkeit oft erheblich steigern.

Heftausgabe: November-Dezember 2006
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Über den Autor

Moritz Mühlemann, Head Business Development, Biazzi
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