Chemie 11.04.2003, 18:24 Uhr

Chemieküche für Zwerge

Die Chemiefabrik der Zukunft stammt aus dem Land Liliput. Winzige Wärmetauscher sollen die Chemikalienproduktion revolutionieren. So lässt sich die Gefahr schwerer Unfälle bannen, die Ausbeute erhöhen und spezielle Stoffe in kleinen Mengen billiger herstellen. Die ersten Produktionsanlagen stehen schon kurz vor der Marktreife.

Dank Mikrotechnik könnten die stählernen Reaktionstürme heutiger Chemiewerke schon bald der Vergangenheit angehören. Millionen von haarfeinen Kanälen könnten in wenigen Jahren große Reaktionskammern ersetzen. Mit solch einer „Chemieanlage in der Streichholzschachtel“ ließen sich individuell auf die Beschwerden des Patienten abgestimmte Medikamente herstellen oder Reihenanalysen für die Stoffsynthese durchführen.
Das Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH (IMM) prophezeit Mikroreaktoren, kaum größer als eine Bonbonschachtel, daher ein enormes Potenzial, chemische Prozesse zu optimieren. Die ersten Produktionsanlagen verlassen bereits das Stadium der industriellen Erprobung, etwa bei Siemens-Axiva, Degussa, Bayer, Merck, Böhringer Ingelheim und Clariant. Auf der diesjährigen Hannover Messe stellt auch die Ehrfeld Mikrotechnik AG eine aus kleinen würfelförmigen Modulen bestehende Mini-Chemiefabrik vor.
In den Mikroreaktoren lassen sich Reaktionswege beschreiten, die in der klassischen Produktion gar nicht möglich wären: Bei vielen chemischen Reaktionen entsteht Wärme, und die ist in einem normalgroßen Gefäß schwer zu kontrollieren, eine vollständige Mischung der Substanzen obendrein kaum möglich. Wird die Temperatur zu hoch, können außerdem vermehrt unerwünschte Nebenprodukte entstehen, und das geht zu Lasten der Ausbeute am gewünschten Produkt.
Mikroreaktoren dagegen erhitzen sich dank ihres großen Oberflächen-Volumenverhältnisses kaum. Weil die Reaktionen statt in gigantischen Reaktoren zum Teil in stecknadelkopfgroßen Gefäßen ablaufen, haben sie im Vergleich zu ihren klassischen Pendants einen deutlich besseren Wärme- und Stofftransport, so dass die Ausbeute deutlich steigt. Dem Pharma-Unternehmen Merck gelang es, die Ausbeute einer Feinchemikalie durch Einsatz eines Mikroreaktors von 72 % auf 95 % zu steigern und dabei gleichzeitig die Zahl der mühsam abzutrennenden Nebenprodukte zu verringern – weniger Stoffe, die teuer gelagert oder entsorgt werden müssen.
Nitrierungen sind für einen Mikroreaktoreneinsatz geradezu prädestiniert. Sie gehören zu den fundamentalen Reaktionen in der chemischen Synthese für Arzneimittel, Pflanzenschutzmittel, Farbstoffe, Salpetersäure, Nitroverbindungen sowie für Spreng- und Explosivstoffe. Die meisten dieser Reaktionen entwickeln enorme Hitze und es besteht Explosionsgefahr. In einem Gemeinschaftsprojekt haben das Fraunhofer Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal, und das IMM schon im vergangenen Jahr gezeigt, wie die Ausbeute bei Nitrierungsreaktionen mittels der Zwergtechnik gesteigert werden kann.
Auch die beiden Unternehmen CPC Cellular Process Chemistry Systems GmbH in Mainz und die Probiogen AG in Berlin haben Chemiefabriken im Miniformat entwickelt. In einer so genannten Garagenfabrik sollen Wirkstoffe für die Pharmaindustrie hergestellt werden – in guter Qualität und der Hälfte der üblichen Vorlaufzeit.
Die Minitechnik kommt vor allem für die Pharma- und Pflanzenschutzchemie in Betracht. Um einen neuen Wirkstoff zu finden, müssen in so genannten High-Throuput-Systemen (HTS) oft Millionen verschiedener Verbindungen gemischt und getestet werden. Viele nebeneinander geschaltete Mikroreaktoren können das leicht übernehmen: Bis zu 100 000 potenzielle Wirkstoffkandidaten in einem einzigen Arbeitsgang. Die Miniaturisierung beschleunigt den Prozess, spart so Zeit und Geld.
Einziges Problem der Mini-Anlagen: Die Bausteine verschiedener Institute und Hersteller lassen sich nur selten kombinieren. Einen wichtige Schritt in Richtung Standardisierung hat das Mainzer Institut mit dem IMM-Baukasten-System gemacht.
Der Nutzer des modularen Systems kann sich in Minuten eine kleine „chemische Fabrik“ wie in einem Chemiebaukasten zusammenbauen: Mikromischer, Wärmetauscher und weitere Basismodule sowie Pumpen und Sensoren für die Regelung kombiniert der Benutzer nach Wunsch zur individuellen „Mikrofabrik im Aktenkoffer“.
Und auch die Mini-Chemieanlage von Ehrfeld funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip. Auch sie ist aus unterschiedlichen Modulen aufgebaut, die sich wie Lego fast beliebig zusammenstecken und kombinieren lassen.
E. BODDERAS

Von E. Bodderas

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