„Präparative Chemie in Mikroreaktoren“

Wladimir Reschetilowski und Konstantin Räuchle

Die Mikroreaktionstechnik hat sich zu einer Schlüsseltechnologie in der Prozessintensivierung entwickelt. Hersteller von Mikroreaktorsystemen vermarkten ihre Produkte mit Slogans wie Lab on a chip oder Eine chemische Fabrik in einem Aktenkoffer. Worin liegen die Perspektiven und Vorzüge dieser Mikroreaktionstechnik, die bereits 1986 in einem Patent der Akademie der Wissenschaften der DDR erstmalig skizziert wurde? Um diese Frage beantworten zu können, bedarf es zunächst einer Definition, was unter Mikroreaktorsystemen verstanden wird. Als Mikroreaktoren werden heute Reaktorsysteme bezeichnet, deren Dimensionen im Bereich von 10-100µm liegen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Typische charakteristische Längenskalen in der chemischen Technik. Konventionelle Reaktoren (Rohrreaktoren, Rührkessel) zeigen Größen im Bereich von 0,1-10m. Von Mikroreaktoren spricht man bei Dimensionen von 10-100µm, nicht zu verwechseln mit der aktuell diskutierten Nanotechnologie, welche Dimensionen in der Größe von Molekülen aufweist.

Durch Anwendung von Fertigungstechniken aus der Halbleiter-Chipproduktion wie Lithographie-Techniken in Kombination mit Plasma- oder Galvanoformung, mikromechanischer Strukturierung als auch Laser-Techniken, ist es möglich, diese Mikrostrukturen auf der Basis von Metallen, Silicium, Keramik, Polymeren und Gläsern zu fertigen. Bekannte Namensreaktionen der präparativen Chemie wie Wittig-Reaktion (Abbildung 2), Knoevenagel-Kondensation, Michael-Addition, Diels-Alder-Reaktion, Suzuki-Kopplung u. a. wurden in Mikroreaktoren mit überwiegend verbesserten Selektivitäten und Umsätzen erfolgreich durchgeführt.

Abbildung 2: Wittig-Reaktion von 2-Nitrobenzyltriphenylphosphoniumbromid mit 4-Formylbenzoesäuremethylester. Im Vergleich zu Versuchen in laborüblichen Rundkolben mit Rührer (Batchreaktor) lassen sich bei der Verwendung eines Mikroreaktors Umsatzsteigerungen um 10 Prozentpunkte auf 70% erzielen. Das E/Z-Isomerenverhältnis des Produkts lässt sich durch Variation der Konzentrationen der Edukte im Mikroreaktor zwischen 0,57 und 5,2 verändern, während es im Batchreaktor bei ca. 3 liegt.

Wo sind nun die Ursachen zu suchen, dass in Mikroreaktoren zum Teil bessere Ergebnisse erhalten werden als in konventionellen Reaktoren? Damit eine chemische Reaktion optimal ablaufen kann, müssen in einem Reaktor verschiedene Voraussetzungen erfüllt sein: Zunächst sollte eine annähernd ideale Durchmischung der Edukte realisiert werden, verbunden mit einer großen Phasengrenzfläche bei mehrphasigen Reaktionen. Anschließend muss die benötigte Reaktionszeit durch eine Verweilzeitstrecke mit bevorzugt enger Verweilzeitverteilung gewährleistet und die für die Reaktion notwendige bzw. dabei freigesetzte Reaktionswärme zu- bzw. abgeführt werden. Dass dies möglich ist, konnte eindrucksvoll am Beispiel der Synthese von Dipeptiden gezeigt werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Flüssigphasensynthese von Dipeptiden. Die Synthese von Dipeptiden mit nahezu quantitativem Umsatz kann mit modifizierten Mikroreaktoren erreicht werden. Die Modifikation besteht aus dem Einbau spezieller Elektroden in das Mikroreaktorsystem, zwischen denen ein elektromagnetisches Feld aufgebaut wird. Dieses induziert einen elektroosmotischen Fluss in den jeweiligen Eduktströmen, der wiederum zu einem höheren Umsatz durch die intensivere Durchmischung der Edukte führt. Durch den Einsatz dieser Mikroreaktoren für jede Teilreaktion ist ein Gesamtumsatz von über 99% im Vergleich zu 9% im Batchreaktor realisierbar.

Mikromischer (Abbildung 4) zeigen für Flüssigkeiten Mischzeiten im Bereich von 1s-1ms, die deutlich unter denen konventioneller Mischer liegen. Dies bewirkt einen intensiveren Stofftransport, der wiederum zu einer deutlichen Verringerung der Reaktionszeit und Zunahme der Raumzeit-Ausbeute führt.

Abbildung 4: Schematischer Aufbau eines Multilaminations-Mikromischers (Y-Mischer, V-Mischer). Durch die "Sandwich"-Bauweise dieses statischen Mischers mit Mikrokanälen in jeder Schicht gelingt eine laminare Durchmischung von Fluiden unter Zurückdrängung von Turbulenz. Im Idealfall findet die Vermischung der Teilströme ausschließlich durch molekulare Diffusion quer zur Hauptströmung statt.

Der Wärmeübergang in einem Wärmetauscher nimmt mit abnehmender Wandstärke zu. In einem mikrostrukturierten Wärmetauscher führt dies auf Grund seiner geringen Dimensionen zu Wärmeübergangskoeffizienten von bis 25 kW m-2 K-1 verglichen mit 2,5 bzw. 0,15-1,2 kW m-2 K-1 für Plattenwärmetauscher und Rohrbündelwärmetauscher. Gleichzeitig steigt das Oberflächen/Volumen-Verhältnis bis auf mehrere 10000 m2/m3 an im Vergleich zu 100-400 m2/m3 für Rohrbündelreaktoren bzw. 1-10 m2/m3 bei Rührkesseln. Wird nun ein Mikrowärmetauscher in einen Mikroreaktor integriert, so lassen sich beide Effekte zu Gunsten einer schnellen Wärmezufuhr in den Reaktor bzw. -abfuhr aus dem Reaktor miteinander kombinieren. In der Praxis können mit diesen Mikroreaktorsystemen stark exotherme Reaktionen wie Chlorierungen, Oxidationen, Nitrierungen und selbst Fluorierungen mit elementarem Fluor (in Mikroreaktoren aus Nickel) unter nahezu isothermen Bedingungen durchgeführt werden (Abbildung 5).

Abbildung 5: Fluorierung von Toluol und 4-Nitrotoluol mit elementarem Fluor (10% F2 in N2). Diese im Batchreaktor schwer zu handhabende stark exotherme Reaktion lässt sich in Mikroreaktoren aus Nickel relativ einfach durchführen. Durch die sehr gute Wärmeableitung von Mikroreaktoren kann die Fluorierung schneller durchgeführt werden. Liegen Reaktionszeiten im Batchreaktor im Bereich von Stunden, so verkürzen sich die Reaktionszeiten im Mikroreaktor auf Sekunden.

Unter dem Gesichtspunkt der Prozesssicherheit schneiden kontinuierlich betriebene Mikroreaktoren im Vergleich zu Reaktoren, die im Satzbetrieb betrieben werden, ebenfalls besser ab. Einerseits wird durch den kontinuierlichen Betrieb eine Anreicherung an problematischen Reaktanden vermieden, andererseits sind kontinuierliche, stationäre Prozesse einfacher zu regeln als diskontinuierliche, instationäre Prozesse. Letztendlich bergen Reaktionen in Mikroreaktoren ein geringes Gefahrenpotential, selbst wenn eine Reaktion trotz aller Vorkehrungen dennoch durchgehen sollte, einfach auf Grund der geringen Reaktionsvolumina.
Die bisher gezeigten Ergebnisse wurden in Mikroreaktoren im Labormaßstab erzielt. Vor dem Einsatz von Mikroreaktoren in der Produktion müssen jedoch noch weitere Parameter wie zum Beispiel die in Gegenwart von Mikrostrukturen auftretenden Druckverluste berücksichtigt werden, welche zu einer Begrenzung des Durchsatzes pro Mikroreaktormodul führen können. Ein Scaling-Up zum Erreichen grösserer Produktionsmengen ist prinzipiell durch Parallelschaltung beliebig vieler einzelner Mikroreaktormodule möglich. Allerdings eignen sich Mikroreaktoren eher zur Produktion kleiner und mittlerer Mengen, wie sie bei der Produktion von Spezial- und Feinchemikalien bzw. pharmazeutischer Wirkstoffe vorherrschen.
Lonza führte Untersuchungen durch, inwieweit diese Annahme auf ihre eigenen Produktionsstufen angewandt werden kann. Üblicherweise werden die in diesen Bereichen auftretenden Tonnagen bisher im Falle von Flüssigphasenreaktionen durch Batch- oder Semibatchprozesse abgedeckt. Die Untersuchungsergebnisse ergaben, dass sich 50% der 22 untersuchten Produktionsprozesse für ein kontinuierliches Verfahren eignen würden. Für die weitere Bewertung wurden die einzelnen Reaktionen der Prozessstufen hinsichtlich ihrer Reaktionsgeschwindigkeit eingeteilt:

Trotz aller aufgeführten Vorteile finden sich Mikroreaktoren in der Produktion bisher jedoch nur vereinzelt. Seitens der chemischen Industrie wurden zuletzt Mikroreaktoranlagen für den Produktionsmaßstab entwickelt, die gegenwärtig unter Produktionsbedingungen getestet werden. Hierzu zählen z.B. eine Anlage zur Produktion von 80 t/a Spezialpigmenten von Clariant GmbH als auch ein von Uhde GmbH und Degussa AG im Rahmen des DEMiS-Projektes entwickelter Reaktor zur Gasphasenepoxidierung von Propen zu Propylenoxid (Abbildung 6).

Abbildung 6: Technischer Mikrostrukturreaktor im Pilotmaßstab am Degussa-Standort Hanau-Wolfgang zur katalytischen Oxidation von Propen zu Propylenoxid mit dampfförmigem Wasserstoffperoxid in Gegenwart des Zeolith-basierten Katalysators TS-1. Mit diesem Reaktor soll erstmalig die bisherige Grenze der Produktionsmenge eines Mikroreaktors von 5000 t/a durchbrochen werden.

Die Defizite heutiger Mikroreaktoren zeigen sich, wenn der Labormaßstab, dem ein Großteil aller in der Literatur beschriebenen Untersuchungen zugeordnet werden kann, verlassen wird. Innerhalb der Mikrostrukturen besteht immer das Problem von Verstopfungen. Mikroreaktoren sind noch nicht oder nur bedingt dafür ausgelegt, in Gegenwart von Feststoffen zu arbeiten. Dabei betrifft dies nicht alleine die Produktseite, sondern auch die ebenfalls mikrostrukturierte Wärmeträgerseite, auf der Feststoffe durch Fouling-Prozesse des Wärmeträgers freigesetzt werden können.

Es bleibt abzuwarten, wie sich dieses spannende Gebiet der Prozessintensivierung weiterentwickeln wird.


Kontakt

Prof. Dr. Wladimir Reschetilowski
Dr. Konstantin Räuchle
Technische Universität Dresden
Professur für Technische Chemie
01062 Dresden
Tel.: +49 (0)351 463-33809
E-Mail: Wladimir.Reschetilowski@chemie.tu-dresden.de

Literaturhinweise

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