Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die absehbare zunehmende Verknappung von Ressourcen und die notwendige Verringerung des Schadstoffaussto\u00dfes in die nat\u00fcrliche Umgebung erfordern ein Umdenken in der Prozessierung chemischer Verfahren. Neue Wege m\u00fcssen zu effektiveren Prozessen und zu Resourcenschonung f\u00fchren. Ein Ansatz besteht darin, Reaktionen an Phasengrenzfl\u00e4chen, z. B. Wasser und organische Phase, ablaufen zu lassen, auch als Phasen-Transfer-Katalyse (PTC) bezeichnet. Eine optimierte PTC er\u00f6ffnet eine ganze Reihe von M\u00f6glichkeiten der Intensivierung von chemischen Prozessen. Gleichzeitig sollten die genutzten L\u00f6sungsmittel den \u00f6kologischen Erfordernissen angepasst werden, d. h. statt der \u00fcblichen fl\u00fcchtigen L\u00f6sungsmittel sollen ionische Fl\u00fcssigleiten Verwendung finden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAnhand von ausgew\u00e4hlten Beispielreaktionen sind geeignete mikrostrukturierte Reaktoren entwickelt worden, die es erm\u00f6glichen, die Reaktionen an Phasengrenzfl\u00e4chen durchzuf\u00fchren und zu beobachten. Eine modulare mikroverfahrenstechnische Anlage ist entwickelt und gebaut worden, mit der die PTC-Verfahren erprobt und optimiert werden konnten. Anstelle von fl\u00fcchtigen, herk\u00f6mmlichen L\u00f6sungsmitteln sind Green Solvents, z. B. ionische Fl\u00fcssigkeiten, hergestellt und auf ihre Eignung zur PTC gepr\u00fcft 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 \u00d6kobilanzanalyse begleitet worden, um eine Quantifizierung des Umweltentlastungspotenzials der neuen Technologie im Vergleich mit den bisher verwendeten Verfahren zu erhalten.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Es konnte gezeigt werden, dass die Durchf\u00fchrung der PTC-Reaktionen in Mikroreaktoren sinnvoll m\u00f6glich ist. Verschiedene Reaktoren wurden getestet. Schon Standard-Reaktoren zeigten gute Ergebnisse. Mit den gewonnenen Resultaten wurden spezielle Reaktoren zur Erzeugung von kontrollierbaren Tropfenstr\u00f6mungen entwickelt und getestet.
\nEine 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 Flexibilit\u00e4t beim Einsatz neuer Module.
\nDie Untersuchungen an Mikroreaktoren zeigten, dass die Phasengrenzfl\u00e4chen genau definiert sind. Die Gr\u00f6\u00dfe der einzelnen Tropfen l\u00e4sst sich \u00fcber die Geometrie der Reaktoren und die Fl\u00fcsse der Reaktanten einstellen. Damit k\u00f6nnen in Mikroreaktoren die Reaktionen gut kontrolliert werden, was in konventionellen R\u00fchrkessel nicht m\u00f6glich ist.
\nZur weiteren Optimierung wurden ionische Fl\u00fcssigkeiten getestet, die zum einen die herk\u00f6mmlichen L\u00f6sungsmittel als auch die Katalysatoren ersetzen sollen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Reaktionen mit wesentlich h\u00f6heren Ausbeuten durchf\u00fchrbar sind. Um das Potenzial des Einsatzes von ionischen Fl\u00fcssigkeiten in mikrofluidischen System noch weiter auszunutzen und insbesondere die \u00d6kobilanz zu verbessern, ist eine R\u00fcckf\u00fchrung der L\u00f6sungsmittel 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-Viskosit\u00e4tsmessung integriert und getestet worden.
\nEine \u00f6kologische Bewertung wurde anhand der Bewertungskriterien kumulierter Energieaufwand, Humantoxizit\u00e4tspotential und Treibhauspotential durchgef\u00fchrt, bei der die experimentellen Ergebnisse von verschiedenen Batch-Synthesen sowie von Synthesen im Mikroreaktor jeweils mit und ohne Phasentransfer-Katalysator und ionischen Fl\u00fcssigkeiten untersucht wurden. Bei der Bewertung dieser Versuche zeigte die \u00f6kologische Bilanzierung gro\u00dfe Vorteile des mikrofluidischen Ansatzes unter Einsatz von ionischen Fl\u00fcssigkeiten. Die \u00f6konomische Bilanzierung wurde f\u00fcr einen Laboraufbau ebenso wie f\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Produktionsdurchs\u00e4tze durchgef\u00fchrt. Hier ergaben sich erhebliche Kosteneinsparungen, so dass der mikrofluidische Weg auch kommerziell dem konventionellen Weg \u00fcberlegen sein wird.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
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, M\u00fcnchen, 13.-16. Oktober 2008
\n\tJan Hauke Petersen, Phasentransferkatalyse in mikrostrukturierten Reaktorsystemen unter Verwendung von ionischen Fl\u00fcssigkeiten, Diplomarbeit Universit\u00e4t Mainz, Juli 2008
\n\tDenis Breuch, Methoden zur Phasentransferkatalyse in mikrostrukturierten Reaktorsystemen, Diplomarbeit Universit\u00e4t Mainz, Juni 2009
\n\tS. 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
\n\tHuebschmann, 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).
\n\tS. Huebschmann, D. Kralisch, S. Huebner, K. J\u00e4hnisch, 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.
\n\tS. 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.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse des Projektes, dass es m\u00f6glich ist, eine mikrofluidische Anlage bei phasentransfer-katalytischen Reaktionen mit ionischen Fl\u00fcssigkeiten in der Entwicklung und Produktion einzusetzen. \u00d6kologische und \u00f6konomische Verbesserungen durch den Einsatz von Mikroverfahrenstechnik, die Optimierung des L\u00f6sungsmittelverbrauchs und den Ersatz von VOCs gegen ionische Fl\u00fcssigkeiten k\u00f6nnen erreicht werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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