Katalytische Reduktion Beschreibung Beschreibung

Die meisten im industriellen Maßstab durchgeführten Reduktionsprozesse können mittels kata-lytischer Hydrierung durchgeführt werden. Dadurch wird die Verwendung stöchiometrischer Mengen anderer Reduktionsmittel vermieden, die zur Bildung großer Mengen von Abfall-strömen führen, wie dies z. B. bei der Reduktion mit Eisen der Fall ist.

Erzielte Umweltvorteile

Vermeidung der Entstehung von Abfallströmen, vgl. auch Tabelle 4.32.

Medienübergreifende Effekte

Hydrierung kann den Einsatz von Schwermetallverbindungen, wie Katalysatoren, erfordern, die zurückgewonnen/recycelt werden müssen.

Betriebsdaten

Es liegen keine Informationen vor.

Anwendbarkeit

Anwendbar bei den meisten im industriellen Maßstab durchgeführten Reduktionsprozessen [6, Ullmann, 2001]. Bei der Herstellung organischer Feinchemikalien können jedoch andere Reduktionsmittel entscheidende spezifische Vorteile haben [62, D1 comments, 2004]. Selektive katalytische Verfahren sind stöchiometrischen Reaktionen im allgemeinen überlegen [10, Anastas, 1996, 46, Ministerio de Medio Ambiente, 2003]. Ein Beispiel für die Umstellung der Reduktion mit Fe auf katalytische Reduktion ist zu finden in: [9, Christ, 1999]

Es gibt Fälle, in denen die aus dem Reduktionsprozess anfallenden Eisenoxide als Pigmente eingesetzt werden [62, D1 comments, 2004].

Wirtschaftliche Aspekte

• im Vergleich zu einem konventionellen Reaktor höhere Investitionskosten für die Hydrie-rungsapparatur

• verringerte Entsorgungskosten für die Rückstände

• Kosten der Rückgewinnung des Katalysators

• erhöhte Sicherheitsanforderungen [99, D2 comments, 2005].

Anlass für die Umsetzung

• Selektivität der Reaktion

• größere Effektivität bei Produkten mit größeren Produktionsmengen

• Entsorgungskosten für die Rückstände.

Referenzliteratur und Beispielanlagen

[6, Ullmann, 2001, 10, Anastas, 1996, 16, Winnacker and Kuechler, 1982, 46, Ministerio de Medio Ambiente, 2003], *067D,I*

Kapitel 4

106 Dezember 2005 OFC_BREF 4.1.4.6 Mikrostrukturierte Reaktorsysteme

Beschreibung

Die Mikroreaktionstechnologie hat in der chemischen Verfahrenstechnik in neuerer Zeit eine spektakuläre Entwicklung durchgemacht und wird nun auch im industriellen Maßstab durchge-führt.

Mikroreaktoren sind durch dreidimensionale Strukturen im Submillimeterbereich gekennzeich-net. Sie habe folgende Eigenschaften:

• hauptsächlich Mehrkanal-Reaktoren

• Durchmesser zwischen 10 und einigen 100 Mikrometern

• spezifische Oberfläche zwischen 10000 und 50000 m²/m³

• hohes Wärmeübertragungsvermögen

• kurze Diffusionszeiten, geringer Einfluss des Stoffaustausches auf die Reaktionsgeschwindigkeit

• isotherme Bedingungen möglich.

In Abbildung 4.4 ist ein Mikroreaktor mit fünf Platten für die Synthese einer Vitaminvorstufe mit simultaner Vermischung, Reaktion und Wärmeübertragung in einem System aus Edelstahl dargestellt [6, Ullmann, 2001]. Um ein Produkt in der benötigten Menge zu erhalten, muss eine bestimmte Zahl von Mikroreaktoren parallel angeordnet betrieben werden.

Abbildung 4.4: Mikroreaktor mit fünf Platten für die Synthese einer Vitaminvorstufe

Erzielte Umweltvorteile

• aufgrund der möglichen größeren Effektivität (Prozessintensivierung) weniger Abfallströme

• inhärente Reaktorsicherheit

• höhere Ausbeuten und weniger Nebenprodukte.

Medienübergreifende Effekte Wahrscheinlich keine.

Betriebsdaten

• typische Zelldimensionen von 2 ml

• kontinuierliche Durchflussgeschwindigkeit von 1 – 10 ml/Minute

• Durchsatz bis zu 140 g/Stunde.

Anwendbarkeit

[6, Ullmann, 2001]: Eine Reihe von Reaktionen, einschließlich Hochtemperatur-Reaktionen, katalysierte Reaktionen und photochemische Reaktionen wurden erfolgreich in Mikroreaktoren getestet.

Beispiele für Produktionen [69, Wuthe, 2004]:

• Spezialchemikalien mit einer Produktionskapazität von 80 Tonnen/Jahr

• Herstellung eines organischen Pigments (20 Tonnen/Jahr).

Andere Beispiele:

• *094I*: Ersetzen eines Chargenverfahrens mit exotischer oder schwieriger klassischer Chemie

• *095A,I*: Auftragsentwicklung und -herstellung von Zwischenprodukten und Pharmawirkstoffen.

Wirtschaftliche Aspekte

In Tabelle 4.7 werden die Kosten einer Pilotproduktion in einer Chargenanlage und in einem Mikroreaktor verglichen. Am deutlichsten ist der Kosteneffekt bei der Übertragung eines Pro-dukts vom Labor- in den Produktionsmaßstab, da statt des üblichen Scale-up einfach die Anzahl erhöht wird.

50 Liter- Chargenbehälter

Mikroreaktor- Anordnung

Investition 96632 EUR 430782 EUR

Aufwand für Scale-up 10 Manntage 0 Manntage

Mittlere Ausbeute 90 % 93 %

Spezifischer Lösemittelverbrauch 10,0 l/kg 8,3 l/kg

Erforderliches Personal pro Anlage 2 Mann 1 Mann

Produktionsrate 427 kg/Jahr 536 kg/Jahr

Spezifische Produktionskosten 7227 EUR /kg 2917 EUR /kg

Kostenvorteil der Mikroreaktoranordnung 2308529 EUR/Jahr

Kapitalerträge 0,14 Jahre

Tabelle 4.7: Vergleich der Kosten einer Pilotproduktion in einer Chargenanlage und in einem Mikroreaktor

Anlass für die Umsetzung

Höhere Ausbeuten, Prozessintensivierung.

Referenzliteratur und Beispielanlagen

*094I*, *095A,I*, [6, Ullmann, 2001, 40, Schwalbe, 2002, SW, 2002 #70, 69, Wuthe, 2004], [78, Boswell, 2004], [94, O'Driscoll, 2004], [70, SW, 2002] und Literaturangaben darin

Kapitel 4

108 Dezember 2005 OFC_BREF 4.1.4.7 Reaktionen in ionischen Flüssigkeiten

Beschreibung

Reaktionen können in ionischen Flüssigkeiten (IL) durchgeführt werden. Diese sind mit organi-schen Lösemitteln nicht mischbar und haben keinen messbaren Dampfdruck. Deshalb sind die VOC-Werte deutlich verringert. Das Biphasic Acid Scavenging Using Ionic Liquids (BASIL,

„Biphasic Acid Scavenging“-Verfahren unter Nutzung von ionischen Flüssigkeiten) wird bereits im industriellen Maßstab eingesetzt. Die Vorteile sind: Keine Freisetzung von gasförmigem HCl, verbesserter Wärmetransport, einfache flüssig/flüssig-Trennung, höhere Selektivität, Ein-satz in bestehenden Anlagen möglich, einfaches Recycling der IL (98 %) durch einfache Behandlung mit Natronlauge.

Was sind ionische Flüssigkeiten (IL)?

Ionische Flüssigkeiten sind organische Salze mit Schmelzpunkten unter 100 °C, häufig sogar unter Raumtemperatur. In jüngster Zeit werden sie mehr und mehr als Substitut für die traditio-nellen in chemischen Reaktionen eingesetzten organischen Lösemittel eingesetzt. Die ge-bräuchlichsten IL sind Imidazolium- und Pyrdinium-Derivate. Aber auch Phosphonium- oder Tetralkylammoniumverbindungen können zu diesem Zweck eingesetzt werden. Zuletzt wurden umweltfreundliche halogenfreie ionische Flüssigkeiten eingeführt.

Erzielte Umweltvorteile

• Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, sowohl höhere Selektivitäten als auch höhere Ausbeuten, beide führen zu geringeren Mengen an Abfallströmen

• Substitution von VOCs.

Medienübergreifende Effekte Wahrscheinlich keine.

Betriebsdaten

Vom Einzelfall abhängig.

Anwendbarkeit

*036L* setzt eine ionische Flüssigkeit bei der Herstellung von Alkoxyphenylphosphinen ein.

Dies ist der erste kommerzielle Einsatz dieser vielseitigen Stoffe in einem organischen Prozess.

Die Herstellung wird in einem Maßstab von mehreren Tonnen in einem Chargenreaktor bei er-höhten Temperaturen durchgeführt. Die ionische Flüssigkeit separiert sich während des Prozes-ses als klare Flüssigphase vom Reinprodukt und wird recycelt [65, Freemantle, 2003].

Mögliche Anwendungen sind [66, Riedel, 2004]:

• als Lösemittel für synthetische und katalytische Zwecke, zum Beispiel Diels-Alder- Cycloadditionen, Friedel-Craft-Acylierung und -Alkylierung, Hydrierung und Oxidationen sowie Heck-Reaktionen

• als zweiphasiges System in Kombination mit einem organischen Lösemittel oder Wasser bei Extraktions- und Trennverfahren

• zur Katalysatorimmobilisation, ohne dass es notwendig wäre, eine spezielle Funktionalisie-rung für das einfache Recycling homogener Katalysatoren durchzuführen

• als Elektrolyte in der Elektrochemie.

Wirtschaftliche Aspekte

Es liegen keine Informationen vor.

Anlass für die Umsetzung Es liegen keine Informationen vor.

Referenzliteratur und Beispielanlagen

[62, D1 comments, 2004], [65, Freemantle, 2003], *036L*

Kapitel 4

110 Dezember 2005 OFC_BREF 4.1.4.8 Kryogene Reaktionen

Beschreibung

Reaktionen können in kryogenen Chargenreaktoren durchgeführt werden, welche bei sehr nied-rigen Temperaturen von -50 bis -100 °C betrieben werden. Die niedrige Temperatur wird durch Indirektkühlung des Chargenreaktors mit einer geeigneten Flüssigkeit erreicht, die wiederum mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird.

Erzielte Umweltvorteile

Bei extremer Kälte kann die Reaktionsausbeute einiger isomerer oder stereoisomerer Reaktio-nen von 50 auf mehr als 90 % beträchtlich gesteigert werden. Dies ergibt beträchtliche Einspa-rungen teurer Zwischenprodukte sowie EinspaEinspa-rungen aufgrund der Verringerung von Abfallströmen und wirkt sich auf alle vorangehenden Reaktionsschritte aus. Dadurch werden bei anderen Aufarbeitungsschritten weitere Abfallströme und Anstrengungen vermieden, die ansonsten notwendig wären, um Verunreinigungen vom Pharmawirkstoff oder dem Zwischenprodukt abzutrennen.

Medienübergreifende Effekte

Höherer Energiebedarf aufgrund des Einsatzes von flüssigem Stickstoff.

Betriebsdaten

Es sind Temperaturen von -50 bis -100 °C notwendig.

Anwendbarkeit

Abhängig von der Syntheseaufgabe im Einzelfall.

Wirtschaftliche Aspekte

Es liegen keine Informationen vor.

Anlass für die Umsetzung

Selektivität und hohe Reaktionsausbeute.

Referenzliteratur und Beispielanlagen

[62, D1 comments, 2004], *065A,I*, 083A,I*, *084A,I*

Im Dokument organischer Feinchemikalien (Seite 137-143)