Vor dem Hintergrund stark schwankender Rohstoff- und Energiepreise und drängender Umweltfragen stehen die Chemie- und die Pharmaindustrien vor einer Reihe neuer Herausforderungen, die es zu meistern gilt. So kann die Simulation den Bedarf an Pilotversuchen reduzieren, während sich mit neuer Analysentechnik und Software mehr aus experimentellen Daten herausholen lässt. Neue technische Lösungen sind dabei eng verzahnt mit der traditionellen Kreativität von Wissenschaftlern und Ingenieuren. Ziel sind sichere, wirtschaftliche und nachhaltige Produktionsprozesse.

Die Prozessentwicklung schlägt den Bogen vom Reagenzglas im Labor zu großindustriellen Anlagen. Die Zielsubstanz kann eine Bulkchemikalie sein, von der Tausende von Tonnen vertrieben werden, oder ein Biopharmazeutikum, dessen Produktionsvolumen kaum den Kilogramm-Maßstab erreicht. Die Entwicklung ist fest im wissenschaftlich-technischen Bereich verwurzelt. Weil sie sich aber auf viele Bereiche auswirkt, verschiedenste Disziplinen koordiniert werden müssen und sie einen hohen kreativen Anteil hat, bedarf sie auch ausgeprägter Managementfähigkeiten.

Wenn ein Produkt neu in den Markt gebracht werden soll, stehen bei der Prozessentwicklung die Produktqualität, die Anlagensicherheit und die Umweltauswirkungen, Kapital- und Betriebskosten sowie das wirtschaftliche Risiko auf dem Prüfstand, einschließlich der Markteinführungszeit. Ist das Produkt schon eingeführt, geht es den Entwicklern in der Regel um einen Prozess, der besser ist als die etablierten Routen.

Verfahrensauswahl

Erdölraffinerien und Hersteller von Bulkchemikalien sind einem hohen Kostendruck sowie hohen Ansprüchen an die Zuverlässigkeit der Prozesse ausgesetzt. Sie müssen deshalb auf Anhieb das richtige Prozessdesign entwickeln. Hersteller von Pharmazeutika unterliegen zusätzlichen Einschränkungen, denn pharmazeutische Prozesse sind sehr schwierig abzuändern, wenn sie einmal von den Behörden zugelassen worden sind. Zwischen diesen beiden Extremen sind die Feinchemikalien-Hersteller angesiedelt. Sie brauchen flexible Anlagen, um Produkte und Prozesse häufig wechseln zu können. Mit langwierigen Entwicklungszyklen, deren Lösungen auf Jahrzehnte ausgelegt sind, sind die Prozessindustrien konservativ, wenn es um die Einführung neuer Technologien geht. Doch das Prozessdesign entwickelt sich weiter. Unit Operations wie chemische Reaktionen, Mischen, Flüssig-Flüssig-Extraktion, Filtration oder Trocknen bilden das Herz jedes herkömmlichen chemischen Prozesses. Veränderungen bei diesen grundlegenden Schritten haben gewöhnlich die stärksten Auswirkungen auf die Prozessentwicklung. Batchreaktoren sind flexibel und erleichtern die Rückverfolgbarkeit von Produkten, deshalb werden sie bevorzugt für Feinchemikalien und Pharmazeutika eingesetzt. Kontinuierliche Reaktoren sind dagegen kosteneffizienter, leichter hochzuskalieren und oft sicherer. Aktuelle Berichte über kontinuierliche Prozesse in der pharmazeutischen Industrie belegen, dass die Entscheidung zwischen Batch- oder kontinuierlichen Verfahren nach wie vor nicht immer eindeutig ist.

Katalysatoren sind ein wesentlicher Teil vieler industrieller Prozesse und ein Bereich, der sich dank verbesserter Computersimulationen und automatisierter Screening-Technik rasch weiterentwickelt. Ein selektiverer Katalysator kann die Ausbeute erhöhen und Trennschritte einsparen. Neue Katalysatoren eröffnen den Zugang zu neuen Produkten. Die Jowat AG beispielsweise setzt einen Prozess ein, der bei Novomer Inc entwickelt wurde, um Polypropylencarbonat (PPC)-Polyol herzustellen. Dieser „grüne“ Kunststoff kann aus Kohlendioxid aus industriellen Abgasen produziert werden. Der Novomer-Prozess basiert auf einem geschützten Kobalt-Katalysator.

Prozessintensivierung

Der Begriff “Prozessintensivierung” umfasst Technologien, die den ökologischen Fußabdruck einer Anlage verringern oder den Energieverbrauch senken, indem Verfahrensschritte kombiniert oder Triebkräfte erhöht werden. Ein Beispiel ist die Reaktivdestillation, die die Komplexität einer Anlage dadurch verringern kann, dass Reaktion und Trennung in derselben Säule ablaufen. Anlagen, die Mischen, thermische Umsetzung und Abdampfung viskoser Produkte kombinieren, sind ein Spezialgebiet der deutschsprachigen Länder. Indem mehrere separate Komponenten durch eine einzige ersetzt werden und der Einsatz von Lösungsmitteln reduziert oder ganz vermieden wird, können einfachere, wirtschaftlichere Prozesse gleichzeitig bessere Produktqualitäten liefern.

Noch einen Schritt weiter geht die “reagenzlose Synthese“, die nicht nur auf Lösungsmittel verzichtet, sondern auch auf Chemikalien für die Umsetzung. Stattdessen werden die Reaktionen durch Elektrizität, Licht oder Ultraschall getrieben. In komplexen Anlagen ist die Wärmerückgewinnung der Schlüssel für eine hohe Energieeffizienz. Dasselbe gilt für Wasser - mit Blick auf die Auswirkungen auf die Umwelt, besonders in wasserarmen Regionen. Es ist allerdings nicht immer einfach zu entscheiden, wie dies am besten umzusetzen ist. Mit dem Pinch-Designansatz lassen sich die Wiedergewinnungsraten erheblich steigern, indem der Bedarf an Wärme und Wasser an die vorhandenen Quellen angepasst wird.

Charakterisierung, Simulation, Mess- und Regeltechnik

Es wird immer ein Wunschtraum bleiben, alle relevanten Eigenschaften im Labor zu vermessen. Daten aus Pilotanlagen und bestehenden Produktionsanlagen sind deshalb unverzichtbar, und auch hier helfen neue Technologien weiter. Moderne Systeme für die Prozesskontrolle und drahtlose Netzwerke können Prozessdaten auch aus schwer zugänglichen Bereichen übermitteln. Wie sorgfältig auch immer ein Stoff im Labor charakterisiert wurde, im großen Maßstab zeigen sich neue und manchmal gefährliche Eigenschaften. Gründe dafür sind Verunreinigungen, Korrosion, Fouling und Unterschiede bei Fließ-, Mischungs- und Wärmeübertragungsmustern. Methoden wie die Tomografie, akustische Analyse und Online-Spektrometer und Massenspektrometer machen sichtbar, was wirklich in Stahlrohren und Kesseln vor sich geht. Natürlich müssen Ingenieure sich auch genau mit den großskaligen Apparaten und Anlagen auskennen, die sie einsetzen wollen. Mathematische Modelle sind dabei hilfreich, sei es in Gestalt der traditionellen Prozesssimulation (sowohl statisch wie dynamisch), Computational Fluid Dynamics (CFD) oder der neueren „Multiskalen“- oder „Multi-physikalischen“ Modellierungsmethoden. Verbesserte Modellierung schlägt sich auch in besserer Prozesskontrolle nieder.

Die Prozessentwicklung schließt traditionell ein “Pilotstadium” zwischen Labor und industrieller Anlage ein. Pilotanlagen können im Maßstab von wenigen Kilogramm bis einigen Tonnen reichen, je nach Produkt. Auch wenn durch Verbesserungen bei der Modellierung das Pilotstadium in kleinerem Maßstab umgesetzt oder ganz ausgelassen werden kann, werden Pilotanlagen auf absehbare Zeit wichtig bleiben. Die Motive für den Einsatz von Pilotanlagen können unterschiedlich sein: Zum einen geht es darum zu zeigen, dass ein neuer Prozess überhaupt umsetzbar ist, zum zweiten werden Daten für das Scale-Up gewonnen, und drittens werden ausreichende Produktmengen hergestellt, um das Interesse potenzieller Kunden zu gewinnen. In der dreijährigen Studie wurden 30 nordamerikanische Unternehmen der chemischen und pharmazeutischen sowie der Öl- und Gasindustrie befragt. Einige Firmen gaben an, alle neuen Prozesse zu pilotieren. Andere wählten die Prozesse anhand des Scale-Up-Risikos aus, dass durch individuelle Einschätzungen, systematische Auswertungen oder „Stage Gate“^©- Technik, bei der Forschungsideen einer Serie formalisierter Überprüfungen unterzogen werden. Unit Operations wie die Flüssig-Flüssig-Extraktion oder das Mischen von Flüssigkeiten sind nach Aussage der Teilnehmer nach wie vor schwierig zu modellieren, und so bleibt die Pilotanlage ein wichtiger Datenlieferant für das Scale-Up.

Credo Nachhaltigkeit

Viele der diskutierten Methoden verbessern die Umweltverträglichkeit von Anlagen, indem sie Abfall vermindern, Prozesskomplexität reduzieren oder im Fall neuer Katalysatoren niedrigere Reaktionstemperaturen möglich machen. Zusätzlich fördert das Bestreben, eine biobasierte chemische Industrie zu etablieren, die Entwicklung zahlreicher neuer Prozesse. Der Wunsch, negative Umweltfolgen zu mindern und die Notwendigkeit, in trockenen Regionen aktiv zu werden – verschärft durch die Perspektive des Klimawandels – fördert die Entwicklung von “Zero-Liquid-Discharge” (ZDL)-Anlagen. Luftgekühlte Wärmetauscher und membranbasierte Abwasseraufbereitung sind Beispiele für Technologien, die die Grundlage für ZDL-Anlagen bilden.

Umweltaspekte sind auch ausschlaggebend für die zunehmende Nutzung strukturierter Software-Werkzeuge in Verbindung mit den “weichen” Management-Fähigkeiten, die nötig sind, um die Beiträge von Chemikern, Biomedizinern, Verfahrensingenieuren und anderen unterschiedlichen Kulturen zusammenzuführen, die gemeinsam an der Entwicklung neuer Prozesse arbeiten.

Vor dem Hintergrund stark schwankender Rohstoff- und Energiepreise und drängender Umweltfragen stehen die Chemie- und die Pharmaindustrien vor einer Reihe neuer Herausforderungen, die es zu meistern gilt. So kann die Simulation den Bedarf an Pilotversuchen reduzieren, während sich mit neuer Analysentechnik und Software mehr aus experimentellen Daten herausholen lässt. Neue technische Lösungen sind dabei eng verzahnt mit der traditionellen Kreativität von Wissenschaftlern und Ingenieuren. Ziel sind sichere, wirtschaftliche und nachhaltige Produktionsprozesse.

Die Prozessentwicklung schlägt den Bogen vom Reagenzglas im Labor zu großindustriellen Anlagen. Die Zielsubstanz kann eine Bulkchemikalie sein, von der Tausende von Tonnen vertrieben werden, oder ein Biopharmazeutikum, dessen Produktionsvolumen kaum den Kilogramm-Maßstab erreicht. Die Entwicklung ist fest im wissenschaftlich-technischen Bereich verwurzelt. Weil sie sich aber auf viele Bereiche auswirkt, verschiedenste Disziplinen koordiniert werden müssen und sie einen hohen kreativen Anteil hat, bedarf sie auch ausgeprägter Managementfähigkeiten.

Wenn ein Produkt neu in den Markt gebracht werden soll, stehen bei der Prozessentwicklung die Produktqualität, die Anlagensicherheit und die Umweltauswirkungen, Kapital- und Betriebskosten sowie das wirtschaftliche Risiko auf dem Prüfstand, einschließlich der Markteinführungszeit. Ist das Produkt schon eingeführt, geht es den Entwicklern in der Regel um einen Prozess, der besser ist als die etablierten Routen.

Verfahrensauswahl

Erdölraffinerien und Hersteller von Bulkchemikalien sind einem hohen Kostendruck sowie hohen Ansprüchen an die Zuverlässigkeit der Prozesse ausgesetzt. Sie müssen deshalb auf Anhieb das richtige Prozessdesign entwickeln. Hersteller von Pharmazeutika unterliegen zusätzlichen Einschränkungen, denn pharmazeutische Prozesse sind sehr schwierig abzuändern, wenn sie einmal von den Behörden zugelassen worden sind. Zwischen diesen beiden Extremen sind die Feinchemikalien-Hersteller angesiedelt. Sie brauchen flexible Anlagen, um Produkte und Prozesse häufig wechseln zu können. Mit langwierigen Entwicklungszyklen, deren Lösungen auf Jahrzehnte ausgelegt sind, sind die Prozessindustrien konservativ, wenn es um die Einführung neuer Technologien geht. Doch das Prozessdesign entwickelt sich weiter. Unit Operations wie chemische Reaktionen, Mischen, Flüssig-Flüssig-Extraktion, Filtration oder Trocknen bilden das Herz jedes herkömmlichen chemischen Prozesses. Veränderungen bei diesen grundlegenden Schritten haben gewöhnlich die stärksten Auswirkungen auf die Prozessentwicklung. Batchreaktoren sind flexibel und erleichtern die Rückverfolgbarkeit von Produkten, deshalb werden sie bevorzugt für Feinchemikalien und Pharmazeutika eingesetzt. Kontinuierliche Reaktoren sind dagegen kosteneffizienter, leichter hochzuskalieren und oft sicherer. Aktuelle Berichte über kontinuierliche Prozesse in der pharmazeutischen Industrie belegen, dass die Entscheidung zwischen Batch- oder kontinuierlichen Verfahren nach wie vor nicht immer eindeutig ist.

Katalysatoren sind ein wesentlicher Teil vieler industrieller Prozesse und ein Bereich, der sich dank verbesserter Computersimulationen und automatisierter Screening-Technik rasch weiterentwickelt. Ein selektiverer Katalysator kann die Ausbeute erhöhen und Trennschritte einsparen. Neue Katalysatoren eröffnen den Zugang zu neuen Produkten. Die Jowat AG beispielsweise setzt einen Prozess ein, der bei Novomer Inc entwickelt wurde, um Polypropylencarbonat (PPC)-Polyol herzustellen. Dieser „grüne“ Kunststoff kann aus Kohlendioxid aus industriellen Abgasen produziert werden. Der Novomer-Prozess basiert auf einem geschützten Kobalt-Katalysator.

Prozessintensivierung

Der Begriff “Prozessintensivierung” umfasst Technologien, die den ökologischen Fußabdruck einer Anlage verringern oder den Energieverbrauch senken, indem Verfahrensschritte kombiniert oder Triebkräfte erhöht werden. Ein Beispiel ist die Reaktivdestillation, die die Komplexität einer Anlage dadurch verringern kann, dass Reaktion und Trennung in derselben Säule ablaufen. Anlagen, die Mischen, thermische Umsetzung und Abdampfung viskoser Produkte kombinieren, sind ein Spezialgebiet der deutschsprachigen Länder. Indem mehrere separate Komponenten durch eine einzige ersetzt werden und der Einsatz von Lösungsmitteln reduziert oder ganz vermieden wird, können einfachere, wirtschaftlichere Prozesse gleichzeitig bessere Produktqualitäten liefern.

Noch einen Schritt weiter geht die “reagenzlose Synthese“, die nicht nur auf Lösungsmittel verzichtet, sondern auch auf Chemikalien für die Umsetzung. Stattdessen werden die Reaktionen durch Elektrizität, Licht oder Ultraschall getrieben. In komplexen Anlagen ist die Wärmerückgewinnung der Schlüssel für eine hohe Energieeffizienz. Dasselbe gilt für Wasser - mit Blick auf die Auswirkungen auf die Umwelt, besonders in wasserarmen Regionen. Es ist allerdings nicht immer einfach zu entscheiden, wie dies am besten umzusetzen ist. Mit dem Pinch-Designansatz lassen sich die Wiedergewinnungsraten erheblich steigern, indem der Bedarf an Wärme und Wasser an die vorhandenen Quellen angepasst wird.

Charakterisierung, Simulation, Mess- und Regeltechnik

            Es wird immer ein Wunschtraum bleiben, alle relevanten Eigenschaften im Labor zu vermessen. Daten aus Pilotanlagen und bestehenden Produktionsanlagen sind deshalb unverzichtbar, und auch hier helfen neue Technologien weiter. Moderne Systeme für die Prozesskontrolle und drahtlose Netzwerke können Prozessdaten auch aus schwer zugänglichen Bereichen übermitteln. Wie sorgfältig auch immer ein Stoff im Labor charakterisiert wurde, im großen Maßstab zeigen sich neue und manchmal gefährliche Eigenschaften. Gründe dafür sind Verunreinigungen, Korrosion, Fouling und Unterschiede bei Fließ-, Mischungs- und Wärmeübertragungsmustern. Methoden wie die Tomografie, akustische Analyse und Online-Spektrometer und Massenspektrometer machen sichtbar, was wirklich in Stahlrohren und Kesseln vor sich geht. Natürlich müssen Ingenieure sich auch genau mit den großskaligen Apparaten und Anlagen auskennen, die sie einsetzen wollen. Mathematische Modelle sind dabei hilfreich, sei es in Gestalt der traditionellen Prozesssimulation (sowohl statisch wie dynamisch), Computational Fluid Dynamics (CFD) oder der neueren „Multiskalen“- oder „Multi-physikalischen“ Modellierungsmethoden. Verbesserte Modellierung schlägt sich auch in besserer Prozesskontrolle nieder.

Die Prozessentwicklung schließt traditionell ein “Pilotstadium” zwischen Labor und industrieller Anlage ein. Pilotanlagen können im Maßstab von wenigen Kilogramm bis einigen Tonnen reichen, je nach Produkt. Auch wenn durch Verbesserungen bei der Modellierung das Pilotstadium in kleinerem Maßstab umgesetzt oder ganz ausgelassen werden kann, werden Pilotanlagen auf absehbare Zeit wichtig bleiben. Die Motive für den Einsatz von Pilotanlagen können unterschiedlich sein: Zum einen geht es darum zu zeigen, dass ein neuer Prozess überhaupt umsetzbar ist, zum zweiten werden Daten für das Scale-Up gewonnen, und drittens werden ausreichende Produktmengen hergestellt, um das Interesse potenzieller Kunden zu gewinnen. In der dreijährigen Studie wurden 30 nordamerikanische Unternehmen der chemischen und pharmazeutischen sowie der Öl- und Gasindustrie befragt. Einige Firmen gaben an, alle neuen Prozesse zu pilotieren. Andere wählten die Prozesse anhand des Scale-Up-Risikos aus, dass durch individuelle Einschätzungen, systematische Auswertungen oder „Stage Gate“^©- Technik, bei der Forschungsideen einer Serie formalisierter Überprüfungen unterzogen werden. Unit Operations wie die Flüssig-Flüssig-Extraktion oder das Mischen von Flüssigkeiten sind nach Aussage der Teilnehmer nach wie vor schwierig zu modellieren, und so bleibt die Pilotanlage ein wichtiger Datenlieferant für das Scale-Up.

Credo Nachhaltigkeit

Viele der diskutierten Methoden verbessern die Umweltverträglichkeit von Anlagen, indem sie Abfall vermindern, Prozesskomplexität reduzieren oder im Fall neuer Katalysatoren niedrigere Reaktionstemperaturen möglich machen. Zusätzlich fördert das Bestreben, eine biobasierte chemische Industrie zu etablieren, die Entwicklung zahlreicher neuer Prozesse. Der Wunsch, negative Umweltfolgen zu mindern und die Notwendigkeit, in trockenen Regionen aktiv zu werden – verschärft durch die Perspektive des Klimawandels – fördert die Entwicklung von “Zero-Liquid-Discharge” (ZDL)-Anlagen. Luftgekühlte Wärmetauscher und membranbasierte Abwasseraufbereitung sind Beispiele für Technologien, die die Grundlage für ZDL-Anlagen bilden.

Umweltaspekte sind auch ausschlaggebend für die zunehmende Nutzung strukturierter Software-Werkzeuge in Verbindung mit den “weichen” Management-Fähigkeiten, die nötig sind, um die Beiträge von Chemikern, Biomedizinern, Verfahrensingenieuren und anderen unterschiedlichen Kulturen zusammenzuführen, die gemeinsam an der Entwicklung neuer Prozesse arbeiten.