Industrie + Technik

Die Konzeption eines Katalysators für die Methanolherstellung begann im Jahr 2017 auf einem leeren Blatt Papier. Bei der Entwicklung neuer Verfahren sind chemische Erfahrung und Intuition mitentscheidend.Die chemische Forschung will ihre Chemikalienproduktion umweltfreundlicher und effizienter machen. Mit quantenmechanischen Simulationen lassen sich neue Katalysatoren und Synthesen entwerfen und validieren. Ein Beispiel ist die computergestützte Entwicklung eines Katalysators für die Methanolherstellung, der die Umweltbelastung reduziert.Methanol wird im 100-Megatonnenmaßstab pro Jahr hergestellt, wobei das Verfahren etwa ein Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verursacht. Die Schifffahrt setzt zunehmend auf nachhaltig erzeugtes Methanol, um fossile Energiequellen zu vermeiden. So entsteht ein Marktpotenzial von jährlich bis zu 500 Megatonnen. Konventionelle Methanol-Anlagen sind ungeeignet, um dezentral und lastenflexibel aus erneuerbaren Energien und Rohstoffen zu produzieren. Es bedarf einer neuen Katalyse, um genügend Methanol zu produzieren, das konkurrenzfähig zu konventionell hergestelltem ist.<h2 type="main">Experimentelle Quantenchemie</h2>Quantenmechanische Simulationen und Experimente führten nun zu einem neuen chemischen Verfahren, das Synthesegas (Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid) zu Methanol umsetzt. Dieses ist unter milderen Bedingungen produktiver. Es erzeugt also mehr Methanol pro Synthesegas, und es fallen weniger Nebenprodukte an.Der Paradigmenwechsel liegt darin, einen speziellen homogenen Katalysator zu verwenden statt der konventionellen heterogenen Katalysatoren, die seit einem Jahrhundert eingesetzt werden.Für das Methanolherstellungskonzept war ein Zusammenspiel aus Katalysator und Promotor entscheidend, um Gase wie CO oder CO2 umzuwandeln. Dabei fängt der Promotor das Gas ein und bildet ein flüssiges Zwischenprodukt, Ameisensäureamide oder -ester, das in der Flüssigphase mit einem maßgeschneiderten homogenen Katalysator zu Methanol umgesetzt wird (capture-hydrogenation-approach, CHA, <link href="#nadc20244143279-fig-0001">Abbildung S. 39).<figure xml:id="nadc20244143279-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/eOEA1L6mRb6NSSvG8BRQ"><figcaption><label>Abb.1: </label>Der Hydrierungsansatz (Capture-Hydrogenation-Approach) am Beispiel der Reaktion von CO und H2 zu Methanol. Abbildung: Creativequantum, <a href="https://webchem.org" target="_blank">webchem.org</a></figcaption></figure></figure>Nachdem dieser Ansatz entworfen war, folgten virtuelle Screenings. Diese evaluierten die Varianten aus Metallzentren, Liganden und Promotoren, um das vielversprechendste Katalysatorsystem zu identifizieren. Dazu diente der Computercluster des Berliner Unternehmens Creativequantum. Die Kombination aus menschlicher Kreativität und computergestützter Analyse verdeutlicht, dass trotz des Fortschritts der künstlichen Intelligenz die chemische Erfahrung und Intuition für die Entwicklung neuer Verfahren entscheidend sind.Sobald Menschen einen neuen Ansatz erdacht haben, zeigen Computer und Labor, ob das Prinzip funktioniert. Wenn ja, ermöglichen Simulationen, den Ansatz zu verfeinern und zu optimieren, bevor weitere Katalysatoren hergestellt und erprobt werden. Voraussetzend dafür waren nicht nur immer preiswertere Computer, sondern auch verbesserte Methoden wie die Stefan Grimmes von der Universität Bonn.1)Die Analyse der Schlüsselschritte des Katalysemechanismus mit virtuellen Screenings machte klar, dass Mangan, Eisen und Ruthenium aussichtsreiche Metalle dafür sind. Zudem ist ein stabiler Pincer-Ligand mit Metall-Ligand-Kooperativität erforderlich (<link href="#nadc20244143279-fig-0002">Abbildung oben).<figure xml:id="nadc20244143279-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/8qN2f2PgT9WCA8iZTHwZ"><figcaption><label>Abb.2: </label>Aktivierter Katalysator: Mn-PNP-Pincer-Komplex. Abbildung: Creativequantum, Stable Diffusion</figcaption></figure></figure>Um den Ansatz und die identifizierten Schlüsselkomponenten zu prüfen, musste ein Forschungsinstitut mit einer entsprechenden Laborinfrastruktur beauftragt werden. Die ersten Validierungsversuche und die erste experimentelle Optimierung geschahen zusammen mit der Forschungsgruppe Matthias Bellers am Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock. Bei der weiteren Entwicklung und Skalierung der Technik unterstützte im Jahr 2020 das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.2)<h2 type="main">Wagniskapital beschleunigt die Kommerzialisierung</h2>Während der Vorarbeit in den Jahren 2017 bis 2022 sprach der Chemiker Marek Chęciński mit dem Unternehmer Dirk Radzinski darüber, die Methanoltechnik von Creativequantum zu kommerzialisieren. Sie beschlossen, Partner dafür zu finden. Im Jahr 2022 hat Chęciński dann mit dem Unternehmer Christian Vollmann das Unternehmen C1 Green Chemicals (C1) gegründet. Radzinski ist dort Aufsichtsratsvorsitzender.Wichtig war es, Know-how und Netzwerke aus Katalyse, technischer Chemie und Wagniskapital zusammenzubringen. Damit bauten sie ein Team sowie eine Forschungs- und Demonstrationsinfrastruktur auf und vereinten das Konzept von der Simulation bis zur Pilotanlage unter einem Dach. Dies wurde in Berlin-Adlershof umgesetzt.Mit weiteren Optimierungen am Katalysatorsystem ließen sich die Temperatur von 260 °C auf 120 °C und der Druck von 50 bar auf unter 20 bar senken. Dies reduziert die Herstellungskosten. Zudem stieg der Umsatz der Edukte je Reaktordurchlauf von 15 Prozent auf über 95 Prozent. Damit ließen sich die technischen Anlagen vereinfachen. Da das Produkt reiner ist als das der konventionellen Route, entfällt die energieintensive Wasserabtrennung. Dieser Grad der technischen Verbesserungen ist eine Sprunginnovation.<h2 type="main">Technische Demonstration im Chemiepark</h2>Um die Risiken der Skalierung zu senken, entstand im Jahr 2023 unter der Leitung von C1 das Demonstrationsprojekt Leuna100.3) Im Chemiepark Leuna wird 100 Jahre nach der ersten kommerziellen Produktion von Methanol das neue Verfahren im Containermaßstab in einer kontinuierlichen Produktion im 100-L-Pilotmaßstab unter technischen Bedingungen erprobt.Um das Projekt umzusetzen, baut C1 unter anderem auf die Erfahrung ehemaliger Mitarbeiter der Unternehmen Linde und Tesla. Weil man in einem Wagniskapital-finanzierten Start-up andere Wege als in einem Großkonzern gehen kann, erfolgen Forschung, Skalierung und kommerzielle Planung parallel. Das halbiert die typischen Zeithorizonte von der Erfindung bis zur kommerziellen Anlage auf sieben bis acht Jahre. Schon jetzt wird eine vorkommerzielle Anlage im Tagestonnen-Maßstab geplant, um die Kommerzialisierung zu beschleunigen. Denn das Ziel ist eine ökologische und wirtschaftlich nachhaltige Methanol-Kreislaufwirtschaft, die das Potenzial hat, die fossile Erdölwirtschaft zu ersetzen (<link href="#nadc20244143279-fig-0003">Abbildung diese Seite).<figure xml:id="nadc20244143279-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/3ycP9sEaSo2Wd6kKErK4"><figcaption><label>Abb.3: </label>Methanol-Kreislaufwirtschaft. Abbildung: C1 Green Chemicals, Blender</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Zukunftsweisende Entwicklung</h2>Weitere Alternativen zu chemischen Verfahren mit hohem CO2-Fußabdruck soll die neue Infrastruktur schnell von der Simulation zur Pilotanlage bringen. So lassen sich das CO2-Einsparpotenzial demonstrieren und die Risiken minimieren, damit konventionelle Anlagenbauer diese Techniken skalieren können. Ressourceneinsparungen bei der Produktion hochvolumiger Chemikalien sollen so früher realisiert und so zum Umweltschutz beitragen.Die Anwendung quantenmechanischer Simulationen zur Validierung eines neuen Herstellverfahrens verdeutlicht deren Potenzial als Schlüsselwerkzeug in der Chemieforschung. Diese Simulationen ermöglichen es, komplexe chemische Prozesse auf atomarer Ebene zu verstehen und zu optimieren, was die Entwicklung neuer Technologien beschleunigt und kosteneffizienter als bisher macht.<h2 type="main">Der Autor</h2>Marek Chęciński ist Gründer und Geschäftsführer von Creativequantum sowie Gründer und Chemievorstand von C1 Green Chemicals. Zudem arbeitet er ehrenamtlich etwa im Young Professionals Board Adlershof und beim Science4Life-Gründungswettbewerb. Er hat Chemie an der Humbold-Universität Berlin studiert und am Leibniz-Institut für Katalyse promoviert. Foto: Falk Weiß<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/mBADj3BRQfuP9HiLzEsU"><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244143279-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244143279-bib-0001">1 a) S. Grimme, C. Bannwarth, P. Shushkov, J. Chem. Theory Comput. 2017, 13, 1989; b) S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, H. Krieg, J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104; c) L. Goerigk, S. Grimme, WIREs Computational Molecular Science 2014, 4, 576</li><li xml:id="nadc20244143279-bib-0002">2 <a href="https://www.e4mewi.de" target="_blank">www.e4mewi.de</a></li><li xml:id="nadc20244143279-bib-0003">3 <a href="https://www.leuna100.de" target="_blank">www.leuna100.de</a></li></ul>

Prozessindustrie

Von Simulation bis Pilotanlage

Die Konzeption eines Katalysators für die Methanolherstellung begann im Jahr 2017 auf einem leeren Blatt Papier. Bei der Entwicklung neuer Verfahren sind chemische Erfahrung und Intuition mitentscheidend.Die chemische Forschung will ihre Chemikalienproduktion umweltfreundlicher und effizienter ma...

Die konfokale Ramanmikroskopie verbindet eine hohe Ortsauflösung mit gutem Identifizieren von Substanzen. So lassen sich Prozesse überwachen und Oberflächen kartieren. Anwendungen erstrecken sich von pharmazeutischen Formulierungen bis zum Design neuer Batterien.Ramanspektrometer erfassen Moleküle, bei denen sich durch Rotation oder Schwingung die Polarisierbarkeit ändert. Auf dieser Basis lassen sich im Labor Substanzen identifizieren oder Aussagen über Kristalle mit schwingendem Kristallgitter treffen.<h2 type="main">Vom Labor bis zum Prozess</h2>Für Benchtop- und Single-Use-Bioreaktoren oder Fermenter gibt es Ramansonden mit speziellen Anschlüssen. Diese können zum Beispiel zweiteilig aufgebaut sein und eine wiederverwendbare Ramanoptik sowie eine prozess- oder probenberührende Armatur umfassen (Fitting für den Einmalgebrauch). Auf diese Weise lassen sich die Messungen durchführen, ohne dass sie die Sterilisation stören.Einen festen Platz hat das Analyseverfahren darüber hinaus in der Prozessanalytik (PAT). Ein typisches Inline-Ramanspektrometer für Pilotanlagen und industrielle Prozesse hat einen 785-nm-Laser und faseroptische Sonden. Damit lassen sich im Rund-um-die-Uhr-Betrieb hohe Durchsätze für unterschiedliche Proben erreichen (Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase; niedrige bis hohe Konzentrationen). Mit internen Kalibrier- und Validierstandards sind die Ergebnisse per se valide, und eine integrierte Gerätediagnosefunktion sichert die Anlagenverfügbarkeit.1)Ramanspektrometer arbeiten immer schneller. Vor allem bei zeitkritischen Reinigungsprozessen bei der Aufarbeitung von Biopharmaka erhält der Anwender seine Ergebnisse in Sekunden statt wie zuvor in Minuten. Ramangeräte lassen sich als PAT-Spektrometer im Prozess anbringen, entweder über Kontaktlossonden mit wechselbaren Fokuspunkten, über Tauchsonden oder über autoklavierbare Flusszellen.2)<h2 type="main">Konfokale Ramanmikroskopie</h2>Ramanspektroskopie lässt sich um Konfokalmikroskopie erweitern (Kasten). Die konfokale Ramanmikroskopie verbindet die konfokale Mikroskopie und ihre hohe Ortsauflösung mit den Stärken der Ramanspektroskopie beim Identifizieren von Substanzen.So lassen sich mit der konfokalen Ramanmikroskopie Partikel klassifizieren und identifizieren. Mit entsprechender Software sind Partikel vom Nanometerbereich bis zu etwa einem Mikrometer physikalisch zu kategorisieren. Dabei werden Einzelbilder aneinandergereiht oder aufeinandergestapelt, um größere Panoramaaufnahmen zu erzeugen (Image Stitching, Focus Stacking). Außerdem wird von jedem Partikel ein Ramanspektrum aufgenommen und mit auf Raman maßgeschneiderter Datenbanksoftware der entsprechenden chemischen Substanz zugeordnet.4)<h2 type="main">Ergebnisse aus Prag</h2>Nun hat eine Gruppe der Universität Prag mit Retard-Formulierungen eine praktische Anwendung untersucht.5) Das Team hat Paracetamol mit <link href="#nadc20244140288-fig-0001">Carnaubawachs überzogen. Das gelbe bis braune pflanzliche Hartwachs schützt als Überzug für Arzneimittel Wirkstoffe, verleiht Dragees und anderen Darreichungsformen einen optisch ansprechenden Glanz und verhindert, dass sie aneinanderkleben. Je nach Oberflächenstruktur beeinflusst dies das Wirkstoff-Freisetzungsprofil. Beispielsweise lässt sich anstreben, dass das Paracetamol langsam über drei Tage hinweg verwertbar in den Körper gelangt.<figure xml:id="nadc20244140288-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/ehOdwQUIQfKgRCar1RMN"><figcaption><label>Abb.1: </label>Carnaubawachs, hier teilweise geschmolzen, dient als schützendes und glänzendes Überzugsmittel für Medikamente. Foto: Simon A. Eugster / Wikipedia</figcaption></figure></figure>Für die Entwicklung von Arzneimitteln mit einem vorgegebenen Wirkstoff-Freisetzungsprofil sollte es hilfreich sein, die Oberflächenstruktur des Carnaubawachses gezielt zu modifizieren. Als ersten Schritt dahin hat das Prager Team jetzt eine solche Carnaubawachsoberfläche auf Paracetamol mit einer <link href="#nadc20244140288-fig-0002">Ramankartierung charakterisiert:5) Auf der Oberfläche der Paracetamolpartikel existieren nebeneinander zwei unterschiedliche Formen des Wachses. Eine davon besteht aus intakten und aneinanderhaftenden Wachspartikeln; die andere hat deformierte und breit verteilte Wachspartikel. Zusammen bilden sie einen porösen Überzug mit komplexer innerer Struktur. Auch zeigt die Dicke dieses Überzugs eine Variabilität im Bereich von einigen Mikrometern, und zwar unabhängig von der Partikelgröße.<figure xml:id="nadc20244140288-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/XRkZxtpmTCms6TClCfop"><figcaption><label>Abb.2: </label>Carnaubawachs im Trockenbeschichtungsverfahren auf den Wirkstoff aufgebracht: Die Oberflächenstruktur lässt sich mit dem Ramanverfahren kartieren. Grafik: Universität Prag5)</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Medikamentenentwicklung</h2>Wenn bekannt ist, welche Wachsüberzugstrukturen bei Medikamenten wie entstehen, ließe sich dies den Prager Forschenden zufolge wohl beeinflussen: Die Wirkstofffreisetzung wäre über die Wachsstrukturen steuerbar. Mit der genaueren Kenntnis der inneren Struktur von Wirkstoffüberzügen, die die Ramankartierung liefert, sollten sich Paracetamol-Abgabesysteme mit Retardwirkung leichter verbessern lassen als bisher.Das Prinzip dürfte sich auf Drug-Delivery-Systeme für andere Arzneistoffe oder auch für Zubereitungen mit einem Wirkstoff und mehreren Hilfsstoffen ausweiten lassen. Auch in angrenzenden Bereichen könnte die Ramankartierung Anwendung finden. Denn eine Depotwirkung ist auch bei Nahrungsergänzungsmitteln von Interesse – oder zum Beispiel bei Reaktanden, die aus einer Kapsel in ein Reaktionsgefäß über mehrere Stunden oder Tage freigesetzt werden sollen.<h2 type="main">Ausblick</h2>Über pharmazeutische Retard-Systeme hinaus dürfte der konfokalen Ramanspektroskopie noch eine große Zukunft bevorstehen, zumal sie stetig durch neue Lichtquellen und optische Filter verbessert wird. Dies betrifft insbesondere hochauflösende Verfahren jenseits des Abbe-Limits. Mit diesem Begriff ist die physikalische Begrenzung der maximalen Auflösung eines Lichtmikroskops gemeint.Zum Standard der optischen Komponenten gehören heute klassische Bandpass-, Kurzpass- und Langpassfilter und darüber hinaus anwendungsspezifische Multibandfilter oder Strahlteiler. Sie können mit speziellen Substraten versehen werden und stehen in verschiedenen Abmessungen zur Verfügung. LED-Lichtquellen arbeiten quecksilberfrei und haben eine Lebensdauer von bis zu 25 000 Stunden. Passend dazu gibt es auf das jeweilige LED-Lichtspektrum abgestimmte Filtersets.7)Kombinieren ist ein Trend, um das Potenzial der konfokalen Ramanmikroskopie zu erhöhen. Zum Beispiel wird Raman-Imaging mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) kombiniert und sogar in einem einzigen Gerät integriert. Das heißt dann Rise-Mikroskopie. Was man sieht, ist eine Überlagerung unterschiedlicher Bildinformationen. Auf diese Weise untersuchen Forscher die chemischen Eigenschaften und die Strukturen von Anoden, Kathoden und Separatoren. Batterien sollten sich damit schneller entwickeln lassen, etwa für Elektroautos.8)<h2 type="main">Fokus: Konfokalmikroskopie</h2>Konfokalmikroskope beleuchten anders als konventionelle Lichtmikroskope nicht das gesamte Präparat, sondern zu jedem Zeitpunkt nur einen Bruchteil davon. Oft wird ein kleiner Lichtfleck Stück für Stück über das Präparat geführt. Die konfokale liefert gegenüber der konventionellen Mikroskopie eine höhere Auflösung bei der Abbildung dicker Proben (mehrere Mikrometer). Sie beseitigt Blendeffekte und verringert lichtbedingte Schädigungen der Probe (Phototoxizität). Um dies zu erreichen, werden die Proben nicht mit inkohärentem Licht, sondern mit Laserlicht beleuchtet. Damit lassen sich zerstörungsfrei zweidimensionale Schnitte eines Materials aufnehmen und mit diesen Schnitten sogar dreidimensionale Bilddarstellungen aufbauen.3)<h2 type="main">Der Autor</h2>Der promovierte Chemiker Christian Ehrensberger ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244140288-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244140288-bib-0001">1 Metrohm: <a href="https://t1p.de/ppamb" target="_blank">t1p.de/ppamb</a></li><li xml:id="nadc20244140288-bib-0002">2 <a href="https://analyticon.eu/en/process-guardian.html" target="_blank">analyticon.eu/en/process-guardian.html</a></li><li xml:id="nadc20244140288-bib-0003">3 Edmund Optics: <a href="https://t1p.de/haqth" target="_blank">t1p.de/haqth</a></li><li xml:id="nadc20244140288-bib-0004">4 Witec: <a href="https://t1p.de/tk10o" target="_blank">t1p.de/tk10o</a></li><li xml:id="nadc20244140288-bib-0005">5 G. Koutentaki, P. Krýsa, D. Trunov, T. Pekárek, M. Pišlová, M. Šoóš, J. Pharm. Anal. 2023, 13(3), 276</li><li xml:id="nadc20244140288-bib-0006">6 Universität Prag: <a href="https://vscht.cz/?jazyk=en" target="_blank">vscht.cz/?jazyk=en</a></li><li xml:id="nadc20244140288-bib-0007">7 <a href="https://ahf.de/produkte/spektralanalytik-photonik/" target="_blank">ahf.de/produkte/spektralanalytik-photonik/</a></li><li xml:id="nadc20244140288-bib-0008">8 Witec: <a href="https://raman.oxinst.com/information-material" target="_blank">raman.oxinst.com/information-material</a></li></ul>

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