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22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH
Projektpräsentation DBU 22.02.2008
Herstellung von Chitosan aus nachwachsenden Rohstoffen in Pharmaqualität durch kontinuierliche Verarbeitung von
Feststoffsuspensionen im Mikroreaktor
22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH
Projektpartner
Universität Bremen UFT Zentrum für Umweltforschung, Prof. Dr.-Ing. Jorg Thöming
Heppe Medical Chitosan GmbH
22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH
seit über 10 Jahren in der Chitosanforschung und -produktion tätig
Spezialgebiete:
Entwicklung kosmetischer Produkte, Arzneimittelforschung Wirkstofffreisetzung mit Chitosan (dermal, oral) Entwicklung von Drug Delivery Systemen
Spitzenprodukte hergestellt in Deutschland, nach GMP Bedingungen
Chitin aus unterschiedlichen Rohstoffquellen Krabben, Shrimps, Tintenfisch
Produkte HMC
Schneekrabben Chitin
Shrimps Chitin
Tintenfisch Chitin
22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH
Kompetenz: MikroreaktionstechnikSynthese von ionischen Flüssigkeiten
Bsp.: Aufbau eines Mikroreaktorsystems mit zwei Mikromischertypen
Raupenmischer
Vortexmischer
Leistungsspektrum UFT
22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH
UFT eigene Arbeiten : Synthese von ionischen Flüssigkeiten im Mikroreaktor*
Prozessintensivierung durch Reaktionsführung in Novel ProcessWindows (hohe Drücke, hohe Temperaturen, isotherm)
reproduzierbare und gezielte Beeinflussung der Produktqualität
Raum-Zeit-Ausbeute im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren ca. 100fach gesteigert
• T = bis zu 155 °C
• p = bis zu 50 bar
*Waterkamp et al. 2007, Green Chemistry, DOI: 10.1039/b616882e
Leistungsspektrum UFT
22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH
UFT eigene Arbeiten: Synthese Feststoffen im Mikroreaktor(Precursor für eine ionische Flüssigkeit)
Bestimmung von Suspensionsviskositäten und Druckverlusten in Reaktionsstrecken
Untersuchung von Adhäsions-verhalten und Partikelform/Größe
Leistungsspektrum UFT
2 mm
22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH
UFT eigenen Arbeiten: Chitosan-Analytik
Konformations- und Musteranalyse von Chitosan
- SEC³- 1H / 13C-NMR
Multi-dimensionale Analyse des Biopolymers Chitosan
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5100000 1000000 1E7
MW
Log
Log MW
0.75-0.4
0.95-0.75
1.2-1.0
0
1 2
Log MW
Log η
Weinhold et al. 2007 Advances in Chitin Science, Vol. 10, 66-71.
Keddig et al. 2007 Advances in Chitin Science, Vol. 10, 61-65.
Leistungsspektrum UFT
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Was ist Chitin und Chitosan?
• Chitin findet man in Krebsen, Krabben, Tintenfischen, Pilzen und Insekten• marines Chitin: ca. 106-107 Tonnen. • durch Deacetylierung entsteht der Polyelektrolyt Chitosan
• d.h. es wird eine aktive positiv geladene Gruppe freigelegt
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Bisherige Herstellungsweisen basieren auf einem BatchprozessSchwachpunkte:
• Schwankungen innerhalb von Toleranzgrenzen, Polydispersivität 1,5-2,5
• Hoher energetischer Aufwand und lange Verweilzeiten (mehrere Stunden)
• Verhältnis Chitin zu Lauge 1:8 bis 1:10
• Aufwendiges Handling (große Volumina kochender konzentrierter Lauge)
• Materialbeanspruchung ist hoch
• Abhängigkeit von einer Batchgröße / nicht flexibel
• Schneller „scale up“ nicht möglich
Problematik
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Ziel
Ziele für die Herstellung von Chitosanen im Mikroreaktor
Verbesserung der Produktqualität
• Polydispersivität ≤ 1,2
• Molekulargewicht ≥ 50 kDa
• Deacetylierungsgrad ≥ 90 %
gleich bleibende oder niedrigere Produktionskosten
Senkung des Natronlaugen- und Gesamtenergiebedarfs
reproduzierbare Produkteigenschaften
Senkung der Nebenkosten (Analysen) durch anpassbare Produktionsgrößen
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0-0.5
0.0
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0.75-0.4
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22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH
Lösungsansatz für die Herstellung hochwertiger Chitosane im Mikroreaktor
Prozessintensivierung durch Reaktionsführung in Novel Process Windows:
Ausnutzung der Vorteile in Mikroreaktionssystemen
• erhöhte Drücke (ca. 16 bar)
• T = bis zu 180 °C – isotherm
• Kurze Diffusionswege (intensiver Stofftransport)
• Hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen (SchnellesAufheizen/Abkühlen) Deacetylierung vs. Hydrolyse und Verkokung
• Reproduzierbare laminare Strömungsbedingungen
Lösungsansatz
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Lösungsansatz
Herstellung hochwertiger Chitosane im Mikroreaktor - Fließbild
MischelementVerdrängerpumpe
FörderschneckeErhitzenVorlage
Natronlauge
VorlageChitingranulat
Kühlen
Rau
penm
isch
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Rea
ktio
nsst
reck
e
Filter
Chitosan
Mikroreaktor-System
GegendruckbehälterMikrokreisel-
pumpe
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Lösungsweg
• Meilenstein 1 Inbetriebnahme des Reaktors mit Feststoffsuspensionen
– Handhabbarkeit von Feststoffsuspensionen?Anpassung der Partikelgröße bei der Vermahlung von Chitin (Quellverhalten!)
• Meilenstein 2 Vergleich zwischen Batch und kontinuierlicher Herstellung
– Eignung des neuen Verfahrens?Wenn keines der angestrebten Ziele erreicht wird: Strategiewechsel: Verarbeitung von gelöstem Chitin
• Abschluss der experimentellen Arbeiten
Entscheidung: Industrielle Umsetzung sinnvoll?Planung eines Feldversuchs
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Umweltrelevanz
Modellcharakter
Strahlkraft auf große Bereiche mittelständischer chemischer Produktionsbetriebe
Stoffliche und energetische Effizienzsteigerung (Ökoeffizienzanalyse)
Aufwändige Trenn- und Aufarbeitungsschritte sollen reduziert werden, bei hohen Polydispersitäten ist bei medizinischen Anwendungen derzeit eine Auftrennung mittels Molekularsieben notwendig, teuer und verlustreich, problematisch bei hohen Molmassen
Ausweitung der Mikroreaktionstechnik auf feststoffhaltige Reaktionsgemische
Etablierung eines neuen Technikstandards in der Chitosanproduktion
erwartete Vorteile
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.