HDH-Reaktion - GEA Niro Soavi

Reaktionsbeschleunigungmit HomogenisatorenNeue Aspekte für den Einsatz derHochdruck-HomogenisiertechnologieDipl. Ing. Steffen Jahnke

InhaltsverzeichnisHeterogene Stoffsysteme 3Dispergiermaschinen 3Homogenisatoren 4Die Homogenisierzone 5Kopplung von Hochdruckdispergierung und Reaktion 6Die Effekte 6© 2008GEA Niro Soavi Deutschland,Ndl. der GEA Tuchenhagen GmbH,Roggenhorster Str. 11b,D-23556 Lübeck.www.niro-soavi.deAlle Rechte, insbesondere dasRecht der Vervielfältigung undVerbreitung sowie der Übersetzung,vorbehalten. Kein Teil desWerkes darf in irgendeiner Form(Druck, Fotokopie, Mikrofilm oderein anderes Verfahren) ohneschriftliche Genehmigung desHerausgebers reproduziert oderunter Verwendung elektronischerSysteme gespeichert, verarbeitet,vervielfältigt oder verbreitetwerden.Seite 2 von 7

Die meisten biochemischen und chemischen Reaktionen sind bezüglich der Geschwindigkeitund des Umsatzes limitiert, da naturgemäß einer der Reaktanten heterogen vorliegt,und der eigentlichen Reaktion ein entsprechender Stoff- und Energieaustausch vorangehenmuss. Durch die gezielte Beeinflussung des Stoff- und Energietransports können heterogeneReaktionen gesteuert werden, was für die Realisierung von chemischen oder biotechnologischenReaktoranlagen oder für die Herstellung von pharmazeutischen Präparatenvon großer Bedeutung ist.Heterogene StoffsystemeInsbesondere sind flüssig/flüssig sowie fest/flüssig Stoffsysteme von Interesse.Typische heterogene Reaktionsmedien sind:• Lipophile Phasen in wässrigen Medien (O/W Emulsionen)• Feststoffe in wässrigen Medien oder Ölen (Suspensionen)• MehrphasendispersionenDer Stoff- und Energieaustausch kann durch die Vergrößerung der Austauschoberflächesowie die Erhöhung des Übergangskoeffizienten intensiviert werden. Prinzipiell gibt es zweiMöglichkeiten heterogen Reaktionen durch den Stoffaustausch zu steuern:• Direkte Kopplung von Stoffübergang und Reaktion d.h. Kopplung von Dispergiermaschineund Reaktor.• Feindispergierung der heterogenen Phase in einer kontinuierlichen Trägerphase undseparate Reaktion zu einem späteren Zeitpunkt.Der Trägerphase können dabei verschiedene funktionale Eigenschaften zugeordnet werden.Diese bestimmen die Wahl des geeigneten Stoffes.DispergiermaschinenFür die Erhöhung der Austauschoberflächen benötigt man Dispergiermaschinen, die in derLage sind, die disperse Phase effizient zu zerkleinern. Man wählt Dispergiermaschinen entsprechendder erreichbaren volumenspezifischen Leistungsdichte aus, um die gewünschteTropfen- oder Partikelgröße und damit die erforderliche Austauschoberfläche zu erzielen.Die volumenspezifische Leistungsdichte als Hauptparameter ist der Quotient aus volumenspezifischerEnergiedichte und Dispergierzeit. Diese beiden Parameter beschreiben dieCharakteristik der Dispergiermaschine und sind für die Selektion maßgebend (vg. Abb.1).Seite 3 von 7

Abb. 1: Das Leistungsspektrum von DispergiermaschinenDanach realisieren Hochdruckhomogenisatoren den höchsten Energieeintrag in extrem kurzerDispergierzeit, was sich positiv auf viele Produkteigenschaften auswirkt. Weitere Auswahlkriteriensind durch den Vergleich der Zerkleinerungsfunktionen (Auswahl- und Bruchfunktion)möglich. Zusätzlich sind die Produkteigenschaften zu berücksichtigen, um z.B.lokale Überbeanspruchungen zu vermeiden.HomogenisatorenEs handelt sich hierbei ausschließlich um Hochdruckhomogenisatoren, die speziell für diechemische und pharmazeutische Industrie entwickelt wurden. Der Homogenisator bestehtaus einer Hochdruck-Kolbenpumpe mit nachgeschaltetem Entspannungsventil. Die Kolbenpumpehat die Aufgabe, das für die Entspannung notwendige Energieniveau aufzubringen(vgl. Abb.2). Typisch für diese Pumpen ist die vom Druck weitgehend unabhängige Durchsatzcharakteristik.Das Entspannungsventil (Homogenisierventil) besteht aus einem Ventilsitz (fest) und einemVentil (einstellbar). Beide Teile bilden einen verstellbaren radialen Präzisionsspalt (vgl.Abb.3). Je nach Krafteinwirkung auf das Ventil ändern sich die Spaltverhältnisse, der Widerstandund damit der Homogenisierdruck. Ein äußerer Prallring bildet einen definiertenAustrittsquerschnitt und schützt das Ventilgehäuse vor strömungsmechanischer Beschädigung.Seite 4 von 7

Abb. 2: Aufbau des HomogenisatorsDie HomogenisierzoneDie Gestaltung und Auslegung der Homogenisierzone ist für die effiziente Dispergierungvon besonderer Bedeutung. Je nach Produktart werden verschiedene Mechanismen bevorzugt.Abb. 3: Schnitt durch das EntspannungsventilÜblicherweise erfolgt die Dispergierung aufgrund von Scher- und Trägheitskräften im Turbulenzfeld.Kavitation verstärkt den Turbulenzgrad in der Implosionszone erheblich und wirktdaher positiv. Für die Mikrofibrillierung von faserhaltigen Phasen sowie für den Zellaufschlussist die Kavitation unerlässlich. Für bestimmte Produkte mit hohem Viskositätsverhältnissind laminare Einlaufverhältnisse (Dehnströmung) von Vorteil, bei W/O Emulsionenist generell eine laminare Strömung zu empfehlen. Die Homogenisierzone ist einstellbar underlaubt damit die Verarbeitung von Dispersionen mit hohem Grobkornanteil und gewährleistetdie leichte Reinigung.Seite 5 von 7

Kopplung von Hochdruckdispergierung und ReaktionEntweder ein Teil oder das gesamte Reaktionsmedium wird mit den Microziser behandelt.In der Homogenisierzone erfolgt unmittelbar nach der Feindispergierung die Reaktion, diedurch entsprechend nachgeschaltete Reaktoren zeitlich ausgedehnt werden kann. Der Microziserkann auch zusammen mit dem Reaktor im Mehrstufen- oder Umschaltbetrieb oderauch in einen Kreislauf eingesetzt werden.25µmAbb. 4: Erhöhung der Austauschfläche durch Hochdruckdispergierung(links unbehandelt, rechts einmal 350 bar) für eine VerseifungsreaktionDie EffekteDie Energie in der Homogenisierzone reicht aus, um die gewünschten Austauschoberflächenvon ca. 6 bis 100 m²/cm³ disperser Phase zu erzeugen. Sterische und elektrostatischeBarrieren zwischen disperser und kontinuierlicher Phase werden durch den hohen Energietransferüberwunden. Die unmittelbar neu geschaffenen Austauschoberflächen ermöglicheneinen erheblich größeren Stoffübergang und damit Reaktionsgeschwindigkeit, da noch keineTenside oder andere Begleitstoffe diese Flächen besetzen und entsprechende Barrierenaufgebaut haben. Durch die gezielte Generierung neuer Austausch- und Kontaktoberflächenmittels Hochdruckdispergierung lassen sich heterogene Reaktionen in Geschwindigkeitund Umsatz steuern.Der gewünschte Umsatz wird in diversen Reaktionen durch die Ansammlung von Begleitstoffenoder Reaktionsprodukten nicht erreicht, da diese die Austauschoberflächen zunehmendbesetzen bzw. sich an der Grenzfläche anlagern. Deshalb ist ein zweiter Dispergierschrittdurch den Homogenisator sinnvoll, um diese Schichten zu entfernen und damit denUmsatz der Reaktion zu erhöhen. Der überwiegende Teil der durch den Homogenisatoreingesetzten Energie wird in Wärme umgewandelt und erhöht damit die mittlere kinetischeEnergie des Reaktionsgemisches. Dieser Effekt trägt ebenfalls zur energetischen Aktivierungder Reaktion bei. Durch den Einsatz der Hochdruckdispergierung ist es möglich, dieMenge an Katalysatoren, Tensiden und Begleitstoffen zu minimieren.Entsprechend ausgelegte Homogenisator sind für einen Durchsatzbereich von 10 l/h bis40.000 l/h verfügbar.Seite 6 von 7

Abb. 5: Homogenisator für die Dispergierung hochabrasiver Reaktionsgemische konfigurierbarzwischen 4000 l/h /150 bar und 400 l/h/1000 barSeite 7 von 7