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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

Projektpräsentation DBU 22.02

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Page 1: Projektpräsentation DBU 22.02

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

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Projektpartner

Universität Bremen UFT Zentrum für Umweltforschung, Prof. Dr.-Ing. Jorg Thöming

Heppe Medical Chitosan GmbH

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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

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Kompetenz: MikroreaktionstechnikSynthese von ionischen Flüssigkeiten

Bsp.: Aufbau eines Mikroreaktorsystems mit zwei Mikromischertypen

Raupenmischer

Vortexmischer

Leistungsspektrum UFT

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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

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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

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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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22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH

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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22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH

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

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

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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

er

Rea

ktio

nsst

reck

e

Filter

Chitosan

Mikroreaktor-System

GegendruckbehälterMikrokreisel-

pumpe

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22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH

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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22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH

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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22.02.2008© Heppe Medical Chitosan GmbH

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.