Projekt 25599/01

Nachhaltige chemische Prozessführung in mikrostrukturierten Reaktoren: Phasen-Transfer-Katalyse unter Verwendung von Green Solvents

Projektdurchführung

mikroglas chemtech GmbH
Galileo-Galilei-Str. 28
55129 Mainz

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die absehbare zunehmende Verknappung von Ressourcen und die notwendige Verringerung des Schadstoffausstoßes in die natürliche Umgebung erfordern ein Umdenken in der Prozessierung chemischer Verfahren. Neue Wege müssen zu effektiveren Prozessen und zu Resourcenschonung führen. Ein Ansatz besteht darin, Reaktionen an Phasengrenzflächen, z. B. Wasser und organische Phase, ablaufen zu lassen, auch als Phasen-Transfer-Katalyse (PTC) bezeichnet. Eine optimierte PTC eröffnet eine ganze Reihe von Möglichkeiten der Intensivierung von chemischen Prozessen. Gleichzeitig sollten die genutzten Lösungsmittel den ökologischen Erfordernissen angepasst werden, d. h. statt der üblichen flüchtigen Lösungsmittel sollen ionische Flüssigleiten Verwendung finden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAnhand von ausgewählten Beispielreaktionen sind geeignete mikrostrukturierte Reaktoren entwickelt worden, die es ermöglichen, die Reaktionen an Phasengrenzflächen durchzuführen und zu beobachten. Eine modulare mikroverfahrenstechnische Anlage ist entwickelt und gebaut worden, mit der die PTC-Verfahren erprobt und optimiert werden konnten. Anstelle von flüchtigen, herkömmlichen Lösungsmitteln sind Green Solvents, z. B. ionische Flüssigkeiten, hergestellt und auf ihre Eignung zur PTC geprüft worden. Die Tests an den Beispielreaktionen sind zusammen mit dem industriellen Anwender im Konsortium zu praxisrelevanten Verfahren optimiert worden. Der gesamte Prozess ist durch eine Ökobilanzanalyse begleitet worden, um eine Quantifizierung des Umweltentlastungspotenzials der neuen Technologie im Vergleich mit den bisher verwendeten Verfahren zu erhalten.


Ergebnisse und Diskussion

Es konnte gezeigt werden, dass die Durchführung der PTC-Reaktionen in Mikroreaktoren sinnvoll möglich ist. Verschiedene Reaktoren wurden getestet. Schon Standard-Reaktoren zeigten gute Ergebnisse. Mit den gewonnenen Resultaten wurden spezielle Reaktoren zur Erzeugung von kontrollierbaren Tropfenströmungen entwickelt und getestet.
Eine mikroverfahrenstechnische Anlage erlaubte es, unterschiedliche Mikroreaktoren zu betreiben. Online- und Offline-Analytik erlaubte die Charakterisierung und Optimierung der PTC-Reaktionen. Der modulare Aufbau der Anlage bringt hohe Flexibilität beim Einsatz neuer Module.
Die Untersuchungen an Mikroreaktoren zeigten, dass die Phasengrenzflächen genau definiert sind. Die Größe der einzelnen Tropfen lässt sich über die Geometrie der Reaktoren und die Flüsse der Reaktanten einstellen. Damit können in Mikroreaktoren die Reaktionen gut kontrolliert werden, was in konventionellen Rührkessel nicht möglich ist.
Zur weiteren Optimierung wurden ionische Flüssigkeiten getestet, die zum einen die herkömmlichen Lösungsmittel als auch die Katalysatoren ersetzen sollen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Reaktionen mit wesentlich höheren Ausbeuten durchführbar sind. Um das Potenzial des Einsatzes von ionischen Flüssigkeiten in mikrofluidischen System noch weiter auszunutzen und insbesondere die Ökobilanz zu verbessern, ist eine Rückführung der Lösungsmittel in die Anlage integriert worden. Zur kontinuierlichen Abtrennung wurden verschiedene Trennmodule gebaut und getestet. Zur Kontrolle der Reinheit ist neben der IR-Messung auch eine online-Viskositätsmessung integriert und getestet worden.
Eine ökologische Bewertung wurde anhand der Bewertungskriterien kumulierter Energieaufwand, Humantoxizitätspotential und Treibhauspotential durchgeführt, bei der die experimentellen Ergebnisse von verschiedenen Batch-Synthesen sowie von Synthesen im Mikroreaktor jeweils mit und ohne Phasentransfer-Katalysator und ionischen Flüssigkeiten untersucht wurden. Bei der Bewertung dieser Versuche zeigte die ökologische Bilanzierung große Vorteile des mikrofluidischen Ansatzes unter Einsatz von ionischen Flüssigkeiten. Die ökonomische Bilanzierung wurde für einen Laboraufbau ebenso wie für größere Produktionsdurchsätze durchgeführt. Hier ergaben sich erhebliche Kosteneinsparungen, so dass der mikrofluidische Weg auch kommerziell dem konventionellen Weg überlegen sein wird.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Huebschmann, S.; Kralisch, D.; Kreisel, G.: Environmental Assessment in Early Stages of Process Development - Microreaction Technology under Rough Conditions, 1st International Symposium on Green Chemistry for Environment and Health, München, 13.-16. Oktober 2008
Jan Hauke Petersen, Phasentransferkatalyse in mikrostrukturierten Reaktorsystemen unter Verwendung von ionischen Flüssigkeiten, Diplomarbeit Universität Mainz, Juli 2008
Denis Breuch, Methoden zur Phasentransferkatalyse in mikrostrukturierten Reaktorsystemen, Diplomarbeit Universität Mainz, Juni 2009
S. Huebschmann, D. Kralisch, H. Loewe, D. Breuch, T. Dietrich, R. Scholz: Decision Support Towards Green Process Design in Microstructured Reactors by Accompanying (Simplified) Life Cycle Assessment, Green Chemistry, 2011, eingereicht
Huebschmann, S.; Kralisch, D.; Breuch, D.; Loewe, H.; Scholz, R.; Dietrich, T.: A Deliberate Green Process Design in Microstructured Reactors by Accompanying (Simplified) Life Cycle Assessment, Chemical Engineering Transactions, 21, 655-660, 2010 (DOI: 10.3303/CET1021110).
S. Huebschmann, D. Kralisch, S. Huebner, K. Jähnisch, T. Dietrich, R. Scholz, H. Loewe, D. Breuch: Development of Environmentally Benign Chemical Processes in Microstructured Reactors by Ac-companying (Simplified) Life Cycle Assessment, 11th IMRET, Kyoto, Japan, 08.-10.03.2010.
S. Huebschmann, D. Kralisch, H. Loewe, D. Breuch, T. Dietrich, R. Scholz, K. Jaehnisch, S. Huebner: A Deliberated Green Process Design in Microstructured Reactors by Accompanying (Simplified) Life Cycle Assessment, 13th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction, Prag, 28.08.-01.09.2010.


Fazit

Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse des Projektes, dass es möglich ist, eine mikrofluidische Anlage bei phasentransfer-katalytischen Reaktionen mit ionischen Flüssigkeiten in der Entwicklung und Produktion einzusetzen. Ökologische und ökonomische Verbesserungen durch den Einsatz von Mikroverfahrenstechnik, die Optimierung des Lösungsmittelverbrauchs und den Ersatz von VOCs gegen ionische Flüssigkeiten können erreicht werden.