In den vergangenen 2 Jahrzehnten entwickelte sich die Anwendung von Mikrowellenstrahlung für chemische Umsetzungen zu einer Erfolgsgeschichte. Nachdem anfangs Transformationen von Standardreaktionen zu mikrowellentauglichen Protokollen die Hauptforschungsziele waren, etablieren sich nun spezielle Nischen-Anwendungen, um die Leistungsfähigkeit der Mikrowellen auszunutzen.<% image name="Anton_Paar_Synthos3000" %><p>
<small> Der Synthos 3000 von Anton Paar. </small>
Unterstützt von der fortschreitenden Entwicklung spezieller Synthese-Mikrowellenreaktoren können mehr und mehr Reaktionen jenseits "normaler" organischer Synthesen untersucht werden. Im Zusammenhang mit "Green-Chemistry"-Anwendungen, darunter versteht man die bewusste Reduktion organischer Lösungsmittel und Katalysatoren in Reaktionsgemischen, erfährt die Verwendung von subkritischen und auch superkritischen Lösungsmitteln wieder verstärktes Interesse.
Üblicherweise benötigt man voluminöse, schwer handhabbare Autoklavensysteme, um die Druck- und Temperaturbereiche für nah- oder überkritische Zustände in langwierigen Prozeduren zu erzielen. Das Mikrowellenreaktionssystem Synthos 3000 von <a href=http://www.anton-paar.at>Anton Paar</a> ist mit seinem speziellen Zubehör darauf ausgerichtet, Bedingungen von bis zu 300 °C und 80 bar einfach und rasch zu erreichen.
<b>Die Grenzen erweitern.</b> Unter den Lösungsmitteln, die üblicherweise im sub- oder superkritischen Zustand eingesetzt werden, wird gerne Wasser verwendet. Während superkritisches Wasser (> 374 °C) eher schwierig zu generieren ist, spielt es im subkritischen Zustand (200-300 °C) eine erwähnenswerte Rolle in der Synthesechemie [1]. Auf dem Weg in den superkritischen Zustand ändert Wasser in signifikanter Weise seine physikalischen Eigenschaften und verhält sich zunehmend wie ein organisches Lösungsmittel [2]. Auf Grund der steigenden Dissoziationskonstante bei diesen Bedingungen kann das Wasser als Säure, Base oder auch Säure/Base-Bikatalysator wirken. Dieses Verhalten erlaubt die Durchführung üblicherweise katalysierter Reaktionen ohne Katalysator.
Folgend ersten Ergebnissen aus den späten 1990er Jahren [3] wurden mittlerweile schon verschiedene Synthesen erfolgreich unter mikrowellen-induzierten subkritischen Bedingungen in Wasser durchgeführt. Gezeigt wurde dies unter Verwendung von Hochleistungs-Quarzgefäßen im Synthos 3000 [4,5]. Entsprechend der allgemeinen Tendenz von Mikrowellensynthesen ist die Reaktionszeit sogar unter diesen äußerst drastischen Bedingungen bedeutend kürzer verglichen mit „klassischen“ Heizmethoden (Schema 1).
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<small> Schema 1: Diels-Alder Cycloaddition in subkritischem Wasser. </small>
Dieses Anwendungsprinzip von sub- oder superkritischen Bedingungen kann auch auf organische Lösungsmittel ausgedehnt werden. Von Interesse wäre insbesondere die katalysatorfreie Umesterung von Fettsäuren zu Fettsäurealkylestern im Rahmen der Biodiesel-Produktion. Da die üblicherweise erzeugten Fettsäuremethylester ziemlich aggressive Verbindungen sind (und somit ein Problem für Dieselmotoren darstellen), wird zunehmend die Erzeugung solcher Ester aus entsprechend längerkettigen Alkoholen untersucht. Zum Beispiel kann 1-Butanol, das einen wesentlich höheren Siedepunkt hat als Methanol, für Veresterungen bei höheren Temperaturen eingesetzt werden, ohne einen extrem hohen autogenen Druck zu erreichen.
Die Eliminierung der basischen Katalysatoren (typischerweise KOH oder NaOH) aus dem Biodiesel-Produktionsprozess würde erhebliche Aufmerksamkeit hervorrufen. Neben Fettsäureestern wird bei dieser Reaktion auch Glyzerin gebildet, das eine vielfach verwendete Chemikalie ist. Für weiteren Gebrauch direkt aus der Umesterung müsste das Glyzerin in aufwändigen Schritten teuer gereinigt werden und auch die Fettsäureester müssen mehrfach mit viel Wasser extrahiert werden, um sämtliche Spuren der Katalysatoren zu entfernen.
Ähnlich dem Wasser und anderen Lösungsmitteln verändern auch Alkohole in der superkritischen Phase ihre physikalischen Eigenschaften und können somit selbst als Katalysatoren wirken. Die superkritischen Bedingungen für Butanol sind >49 bar und >287 °C, die durch Mikrowellenbestrahlung im Synthos 3000 problemlos erreicht werden können. Erschwert wird das Vorhaben dadurch, dass organische Lösungsmittel bei steigender Temperatur zunehmend mikrowellentransparent werden, das heißt, die Effizienz der Energieübertragung wird deutlich geringer [4]. Um diesen Nachteil zu überwinden, können chemisch inerte passive Heizelemente aus Siliziumkarbid (SiC) verwendet werden, die den mikrowellen-induzierten Aufheizprozess bei höheren Temperaturen unterstützen.
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<td><% image name="Anton_Paar_Inserting_holder_1" %></td>
<td><% image name="Anton_Paar_Inserting_holder_2" %></td>
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<small> Abb. 1: Einsetzen des Hakens mit SiC-Heizelementen. </small>
In einer Zusammenarbeit der Uni Antwerpen mit der Uni Graz wurde die Effizienz der mikrowellen-unterstützten Umesterungen unter superkritischen Bedingungen erforscht [6]. Als eine Modell-Verbindung wurde handelsübliches Rapsöl gewählt, um die Eignung von 1-Butanol für die Biodiesel-Produktion zu untersuchen. Die Versuche wurden in einem Synthos 3000 unter Verwendung eines Rotor 8SXQ80 mit 80 mL Quarzgefäßen durchgeführt. Die Gefäße wurden mit einem speziellen Zubehörteil für Hochtemperaturanwendungen ausgestattet, um Rührung in den Quarzgläsern zu ermöglichen, wenn SiC-Heizelemente verwendet werden. Dieses einfache Teil besteht aus einer modifizierten Dichtung mit einem Querstab, an dem ein Glashaken eingehängt wird. Der Haken ist mit einer Plattform versehen, auf der mehrere SiC-Heizelemente platziert werden können (Abb. 1 + 2), und lässt im Gefäß genug Platz, um einen Magnetrührstab unterhalb der Platform anzuwenden (Abb. 2).
Effiziente Rührung ist in diesem Experiment wesentlich, da das Öl und der Alkohol sich nicht mischen. In einem zweiphasigen System wäre jedoch die Umsetzung nicht zufrieden stellend. Um eine effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten, müssen auch die SiC-Heizelemente vollständig von der Reaktionsmischung bedeckt sein (Abb. 2).
Mit dieser Anordnung können die Reaktionsmischungen innerhalb von 10 Minuten auf 280 °C (Gefäßtemperatur) erhitzt werden. Entsprechend früherer Untersuchungen ist bekannt, dass der Unterschied zwischen der Reaktionstemperatur innen und der per Infrarotsensor gemessenen Gefäßtemperatur in diesem Bereich etwa 30 bis 40 °C beträgt [4,5]. Folglich korreliert der gemessene IR-Wert von 280 °C mit einer Reaktionstemperatur von 310 bis 320 °C und liegt somit deutlich über dem superkritischen Punkt von 1-Butanol.
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<td><% image name="Anton_Paar_Correctly_Charged_vessel" %></td>
<td align="right"> Maximale Leistung (1.400 W) wird nur benötigt, um die Mischungen bis zum superkritischen Bereich zu erhitzen. Nachdem das gewählte Temperaturlimit erreicht ist, genügt eine geringe Mikrowellenleistung, um diese extremen Bedingungen beizubehalten. Um vollständigen Umsatz zu erzielen, ist dennoch eine relativ lange Reaktionszeit von 4 h für dieses katalysatorfreie Verfahren notwendig (Schema 2). Es konnte so ein Umsatz von 91 % des verwendeten Rapsöls zu den entsprechenden Fettsäureestern ermittelt werden, begleitet von Spuren der zugehörigen Mono- und Diglyzeride [6]. </td>
</table><p>
<small> Abb. 2: Korrekt befülltes Reaktionsgefäß. </small>
Das daneben gebildete Glyzerin ist hingegen frei von Verunreinigungen und kann nach erfolgter Abtrennung ohne zusätzliche Reinigung verwendet werden, ein Umstand, der das erprobte Verfahren sehr wirtschaftlich erscheinen lässt.
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<small> Schema 2: Darstellung von Fettsäurealkylestern unter superkritischen Bedingungen. </small>
<b>Zusammenfassung.</b> Reaktionen unter nah- oder superkritischen Bedingungen eröffnen eine vielversprechende Nische für mikrowellen-unterstützte Verfahren. Im Gegensatz zu aufwändigen Autoklaven können im Mikrowellenreaktor einfach handhabbare Reaktionsgefäße verwendet werden. Die benötigten Reaktionsbedingungen sind problemlos zu erzielen, weil das Synthos 3000 die einzige verfügbare Mikrowellenplattform darstellt, die maximale Temperatur und maximalen Druck gleichzeitig erreichen kann.
Herkömmliche Syntheseverfahren sowie potenziell industriell wertvolle Prozesse können so auf sub- oder superkritische Bedingungen übertragen werden, um ungewöhnliche, aber interessante Reaktionswege zu untersuchen. Daher ist die mikrowellen-unterstützte Veresterung von Ölen unter superkritischen Bedingungen sicher eine sehr interessante Alternative zur Entwicklung neuer Methoden in der Biodiesel-Produktion. Insbesondere im Hinblick darauf, dass die Umsetzung ohne Katalysator-Zusätze durchgeführt werden kann und so keine teuren Reinigungsschritte mehr notwendig sind.
<small> [1] H. Weingärtner, E. U. Franck, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 2672-2692 and darin enthaltene Zitate
[2] P. Krammer, H. Vogel, J. Supercrit. Fluids 2000, 189-206
[3] C. R. Strauss, R. W. Trainor, Aust. J. Chem. 1995, 1665-1692; C. R. Strauss, Aust. J. Chem. 1999, 83-96
[4] J. M. Kremsner, C. O. Kappe, Eur. J. Org. Chem. 2005, 3672-3679
[5] C. M. Kormos, N. E. Leadbeater, Tetrahedron 2006, 4728-4732
[6] J. Geuens et al., Energy & Fuels 2008, 643-645 </small>Mikrowellenchemie in superkritischen Flüssigkeiten
<a href=http://www.merck.de>Merck Serono</a> und ihre US-Tochter EMD Serono erweitern die Präsenz von EMD Serono in Massachusetts. Mit einer Investition von voraussichtlich 50 Mio $ soll der nordwestlich von Boston gelegene Standort Billerica ausgebaut werden. Damit verbunden ist ein Aufbau von mehr als 100 neuen Arbeitsplätzen.Merck Serono: 50 Mio $ für US-Forschungszentrum<% image name="Merck_Logo" %><p>
Die Investition wird zum Aufbau eines „Center of Excellence“ für den Bereich Drug Discovery beitragen und kritische Masse in der Forschung schaffen, um die Entwicklung neuer Behandlungsformen für Krankheiten voranzutreiben, die bisher nur unzureichend therapiert werden können.
Nach Fertigstellung wird das neue Zentrum in den Forschungsgebieten Onkologie und Fruchtbarkeit Arbeitsplätze für rund 200 Wissenschaftler bieten, die über besonderes Fachwissen in den Bereichen Krebsbiologie, Krebs-Immuntherapie, onkogene Signaltransduktion, Herstellung von Zelllinien, medizinische Chemie, Molekül-Modellierung, Protein-Engineering und therapeutische Antikörper verfügen. Hinzu kommen rund 50 auf Prozessentwicklung und Herstellung von Proteinen spezialisierte Mitarbeiter im Bereich Technical Operations.
Die Anlage zur Proteinproduktion in Billerica, in der Produkte für klinische Untersuchungen im Frühstadium hergestellt werden, ist ein wichtiger Grund dafür, dass dieser Standort für die Erweiterung ausgesucht wurde; die unmittelbare Nähe von Proteinproduktion und Forschung fördert die Zusammenarbeit zwischen diesen Bereichen und unterstützt den schnellen Übergang von der Forschung in die Produktion.
Der Bau des neuen Forschungszentrums wird Anfang nächsten Jahres beginnen und voraussichtlich 2010 abgeschlossen sein. Nach der Fertigstellung wird die Gesamtfläche des Campus in Billerica etwa 64.000 m² umfassen, wovon mehr als 48.800 m² auf Laborflächen entfallen.
Die Industriebeteiligungsholding <a href=http://www.hti-ag.at>HTI High Tech Industries</a> erwirbt den oberösterreichischen Maschinenbauer <a href=http://www.technoplast.at>Technoplast</a>. HTI übernimmt Maschinenbauer Technoplast<% image name="HTI_Logo" %><p>
Aufgrund des ausgeprägten Know-hows in der Profil-Extrusionstechnik ist Technoplast ein internationaler Experte für die Herstellung von Werkzeugen, Nachfolgen und Gesamtanlagen zur Erzeugung von Fensterprofilen durch Extrusion (Kunststoff- und Holzextrusion).
Mit rund 200 Mitarbeitern erwirtschaftete Technoplast in den ersten neun Monaten des Geschäftsjahres 2007/08 (per Ende März 2008) Umsatzerlöse von etwa 21 Mio €. Um ihre Marktstellung auszubauen, investierte Technoplast in den vergangenen Jahren in den europäischen Markt und befindet sich daher aktuell in einem Restrukturierungsprozess, in dem der Turnaround noch nicht vollständig vollzogen, aber realistisch absehbar ist.
Die Übernahme durch die HTI ermöglicht die langfristige Absicherung der Technoplast. Im Rahmen der Transaktion hat die HTI 1 Mio junge Aktien zu einem Ausgabepreis von 4 € je Stück unter Ausschluss des Bezugsrechtes platziert.
Die HTI sieht die Akquisition als optimale Ergänzung in ihrem Unternehmensportfolio: Technoplast und Theysohn fertigen komplementäre Produkte und beliefern unterschiedliche Märkte. Zusätzlich verspricht die steigende Nachfrage am Fenstermarkt in Westeuropa eine Ausweitung des Umsatzvolumens bei gleichzeitiger Steigerung der Ertragskraft.
