Scale-up und Scale-down

Denn Laborbedingungen sind das eine, und nicht immer mit den Produktionsbedingungen in Kilolabor und Technikum zu vergleichen.

Bei Scale-up und Scale-down stellen sich unter anderem die Fragen:

• Wo anfangen und wo aufhören?
• Welches Equipment wird benötigt?
• Welches Equipment kann in weiteren Stufen auch genutzt werden?
• Gibt es ein einfaches Handling?

Ein Blick in ein heutiges Chemielabor zeigt, dass die Mikroelektronik und Mikroprozessortechnik schon seit einigen Jahren Einzug gehalten haben. Ob Temperiergerät, Rührwerk, Dosierpumpe, Waage … viele Geräte verfügen heute über Schnittstellen, die eine Ansteuerung mittels PLS oder Computer erlauben. Was früher – und heute auch noch oft – von Hand bedient wurde und wird, lässt sich auch gut und oft günstig mitihilfe von Laborautomatisierungsoftware handeln, die im Idealfall auch für die Übertragung der Prozessbedingungen vom Labormassstab auf einen grösseren Massstab eingesetzt werden kann.

Welche Möglichkeiten bieten sich im Labor?

Im Labor bieten sich z. B. in einer ersten Stufe Synthesen im Bereich von 2 ml bis etwa 30 ml an. Hierbei ergibt es durch- aus Sinn, wenn möglichst mehrere Reaktionen in einem Experiment parallel bearbeitet werden können. Wenn dann noch die einzelnen Versuchsansätze separat ansteuerbar und temperierbar sind, bietet sich eine sehr hohe Flexibilität.
Durch die Verfügbarkeit von Rückflusskühlern und Inertisierungseinheiten, miniaturisierten Ports und Fittings in laborüblichen Gewindeformaten sowie durch integrierte Sensorik (z. B. Messung von Trübung und Liquidtemperatur), lassen sich im Labormassstab schnell reproduzierbare Tests durchführen, die auch in grössere Ansätze im Technikum und in der Produktion übertragbar sind. Eine lückenlose Dokumentation bietet weiterhin die Vergleichbarkeit der einzelnen Synthesen.

Bild 3 zeigt die Möglichkeit zehn Parallelsynthesen mit je max. 30 ml Produkt zu temperieren. Innerhalb kürzester Zeit können hierbei die einzelnen Zellen separat geheizt und gekühlt werden. Die Messwerte lassen sich dabei sehr einfach numerisch und grafisch darstellen und können problemlos über USB-Stick exportiert und weiter verarbeitet werden.

Welche Möglichkeiten bieten sich im Kilolabor?

Bei Synthesen ab z. B. 100 ml bis 10 Liter werden in der Regel Geräte und Komponenten benötigt, die höhere Leistungen (z. B. Kühlleistungen und Heizleistungen) bereitstellen und transportieren können. Temperiergeräte müssen die entsprechenden Kühl- und Heizleistungen haben und ausreichend Pumpenleistung (hoher Förderstrom) gewährleisten. Hierbei gilt es darauf zu achten, dass die Geräteleistungen im Labor oder Technikum in den Produktionsprozess übertragen werden, können. Das heisst, dass sowohl Heiz- bzw. Kälteleistung als auch die Pumpenleistung der im Produktionsprozess zur Verfügung stehenden Anlagen in die Versuchsplanung miteinbezogen werden.

Als klassisches Beispiel sei erwähnt, dass z. B. bei einer späteren Produktionsanlage die Temperaturdifferenz von Manteltemperatur zur Prozesstemperatur im Bereich von 1 bis 5 Kelvin liegt. Eine grosse Temperaturdifferenz, die im Labormassstab einfach realisierbar wäre, bringt beim eigentlichen Prozess jedoch wenig, da in Produktionsanlagen z. B. grosse Heiz- und Kälteleistungen für grosse Produktionsmengen mit hohem Aufwand bereitgestellt werden müssen. Eine kleine Temperaturdifferenz dagegen sorgt für eine «schonende» Temperierung des Produkts auch im Reaktorkern.

Bild 4 zeigt ein «Standardlabor»: Ein Temperiergerät überwacht hierbei die Temperatur eines 2-Liter-Doppelmantelreaktors. Mittels Rührwerk werden die Substanzen im Reaktor durchmischt. Eine Dosierpumpe füllt eine definierte Menge z. B. einer weiteren Flüssigkeit in den Reaktorkern (Prozess).

Es gibt hierzu verschiedenste Softwarelösungen von Anbietern, die den Kunden eine breite Palette an Lösungen für Scale-up im Bereich weniger Milliliter, über mehrere hundert Milliliter bis mehrere 10 Liter bieten. Bild 4 zeigt stellvertretend für viele Softwarelösungen ein Beispiel einer einfachen Lösung.
Da die heutigen Laborgeräte und Komponenten über Schnittstellen (z. B. RS232 und USB) verfügen, können diese Komponenten relativ unkompliziert angesteuert werden. Einfache Arbeiten lassen sich somit schnell und zuverlässig bewerkstelligen. Eine Zudosierung «von Hand» und Protokollierung kann entfallen, da die Software die Steuerung übernimmt und die Messwerte aufgezeichnet werden können.

Welche Möglichkeiten bieten sich im Produktionsmassstab?

Bild 5 zeigt eine Anlage, wie sie typischerweise im Kilolabormassstab zum Einsatz kommt. Solche Anlagen und Softwarelösungen bieten ebenfalls eine relativ hohe Flexibilität bei der Verfahrensentwicklung und bei der Prozessoptimierung. Verfahren, die zuvor im kleineren Massstab entwickelt wurden, können hier übernommen und ggfs. weiterentwickelt werden.
Genauso kann auch umgekehrt ein Informationsfluss vom Kilolabormassstab in den Labormassstab (Scale-down) stattfinden. Einige Firmen, projektieren die kompletten Anlagen (Hardware und Software). Auch bestehende Anlagen können – mit entsprechender Hardware – auf neue Herausforderungen umgerüstet werden.
Bild 5 zeigt rechts eine Laborautomatisierungssoftware, die bei einfachen und komplexeren Batch- und Konti-Prozessen zum Einsatz kommt. Je nach Anlage können hier an den verschiedensten Stellen Sensoren und Ventile zur Auto- matisierung und Dokumentation eingebunden werden. Via Rezeptsteuerung lassen sich viele Prozesse reproduzierbar automatisieren.

Fazit

Es gibt auf dem Markt für Labortechnik sehr gute Möglichkeiten, ein gut funktionierendes Scale-up und Scale-down bei Synthesereaktionen durchzuführen. Viele wichtige Parameter können in den einzelnen Stufen gemessen, verglichen und angepasst werden.

Peter Huber Kältemaschinenbau AG
D-77656 Offenburg
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www.huber-online.com

Haron Sekkai, Ingenieurbüro Haron Sekkai

^{Hinweis: Dieser Artikel ist zuerst am 30.10.2020 im Online-Magazin Analytik News erschienen}