DECHEMA Infoveranstaltung HTS 071123
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<strong>DECHEMA</strong> Informationstag<br />
26. November 2007<br />
Hochdurchsatzforschung – Zu schnelllebig<br />
für eine langfristige Perspektive?<br />
- Umfeld und Nutzen<br />
- Anwendung<br />
- Grenzen und Herausforderungen<br />
Wolfgang Schrof<br />
Combinatorial Materials Research<br />
BASF AG<br />
Horst Zanthoff<br />
Verfahrenstechnik und Engineering<br />
Evonik Degussa GmbH
�<br />
�<br />
�<br />
�<br />
�<br />
� Neue<br />
Märkte fordern die Forschung<br />
Die Materialforschung ist an vielen Stellen bereits sehr ausgereift<br />
Quantensprünge im Fortschritt sind deshalb rar<br />
Schwierige Marktpositionen erfordern Kosteneinsparungen durch<br />
effizientere Verfahren<br />
Rohmaterial-Mangel und Kostenanstieg erfordert zukünftig fundamentale<br />
Änderungen in den bestehenden Produktionsverfahren<br />
Kürzere Markt-Lebensdauern von Produkten immer höherer<br />
Komplexität erfordern kürzere F&E Zeiten<br />
Kunden verlangen eher eine Problemlösung als ein spezifisches<br />
Produkt<br />
Katalysatoren, neue Materialien, neue Formulierungen<br />
werden benötigt<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Folie 2
Antworten an den Markt<br />
Optimierung des F&E Controllings<br />
Auslagern der F&E Arbeiten<br />
Erhöhen der F&E Produktivität<br />
- gleiche Leistung: aber genauer, schneller, kostengünstiger<br />
- neuartige Leistungen ermöglichen<br />
- Freiraum schaffen, um das Unerwartete zu tun<br />
Moderne Laborautomation /<br />
Hoch-Durchsatz Technologien<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Folie 3
Effizienzsteigerung, aber wie?<br />
Die Entwicklung komplexer,<br />
innovativer Materialien<br />
erfordert neue Lösungsmethoden<br />
Zeit ist kostbar:<br />
erhöhter Forschungsdurchsatz<br />
ohne Mehrkosten<br />
Aussagefähigere<br />
Ergebnisse<br />
erzeugen<br />
Bessere Planung und<br />
Daten-Management<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Folie 4
Beschleunigtes Arbeiten<br />
Vergleichbares Datenmaterial<br />
Hochdurchsatz-Technologien<br />
ein Tool zur Effizienzsteigerung<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Reduzierte Kosten je Probe<br />
Struktur-Wirkungsbeziehungen<br />
Folie 5
�<br />
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�<br />
�<br />
Vermehrter Einsatz von Simulationstechniken<br />
���� Verwendung von skalierbaren Methoden<br />
Beachtung unterschiedlicher Dimensionierungen<br />
����<br />
����<br />
Realisierung im Labor<br />
Parallelisierte Arbeitsabläufe<br />
Paralleles Bearbeiten von unterschiedlichen Verfahrensschritten<br />
Paralleles Arbeiten innerhalb eines Verfahrensschrittes<br />
(z.B. Numbering up von Reaktoren)<br />
Reaktionskinetiken, Reaktor-Modellierung, Molecular Modeling<br />
Miniaturisierung (zielgerichtetes Scale-down)<br />
Automatisierung (Kostenminderung)<br />
Im Labor: Flexibilität muss erhalten bleiben<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Folie 6
Systemintegration -<br />
das Geheimnis hinter HT-Technologien<br />
Experiment<br />
design<br />
Synthese /<br />
Formulierung<br />
Datenbewertung<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
HT-Testung /<br />
Anwendung<br />
Folie 7
1878 – Edison<br />
Screening von Materialien für Glühfäden<br />
1923 – Mittasch (BASF)<br />
Screening von NH3 Katalysatoren in 20 parallelen Reaktoren<br />
1966 – Wright (Gulf Corp.)<br />
Konzept einer automatisierten, parallelisierten Katalysator-Testapparatur<br />
1970 – Hanak (RCA)<br />
Schnelles Screening elektronischer Materialien<br />
Geschichtlicher Abriss<br />
im Bereich der Materialwissenschaften<br />
1980 – Moulijn (Uni Delft)<br />
Parallelisierte mikro-katalytische Testapparatur für Katalysator-Screening<br />
1992 – Bosch - Ciba<br />
Automatisierte Apparatur zur Formulierung von Textilfarben<br />
1994 – Symyx Inc.<br />
Erster kommerzieller Anbieter für HT Dienstleistungen<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Folie 8
Materialien<br />
und<br />
Formulierungen<br />
Anwendungsmärkte der<br />
Hochdurchsatz-Technologien<br />
catalysis polymers<br />
Health care Coatings & colorants Oil & petrochemicals<br />
Agro chemicals<br />
Cosmetics<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Food & beaverages<br />
Folie 9
Schnelles<br />
Screening von<br />
Materialeigen<br />
schaften<br />
Bestimmung<br />
von Kinetiken<br />
Problemlösung<br />
im Betrieb<br />
Anwendungsgebiete der<br />
Hochdurchsatz-Technologien<br />
Optimierung von<br />
Reaktionsbedingungen<br />
HTE<br />
Methoden<br />
Anwendungstechnik<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Parallele<br />
Synthese von<br />
Materialien<br />
Qualitätssicherung<br />
in der<br />
Produktion<br />
Anlagenplanung<br />
Folie 10
Vollständige Workflows<br />
hauptsächlich in der Großindustrie<br />
implementiert.<br />
Klein und mittelständische<br />
Unternehmen als Service-,<br />
Hard- und Software-Anbieter.<br />
Wenige Forschungszentren<br />
(LICAT, DPI, DKI, FLAMAC, CMD)<br />
Wenige Anwendungen in<br />
KMU‘s und Universitäten<br />
(nicht in den Lehrplänen fixiert)<br />
Universitäten /<br />
Institute<br />
Industrie<br />
Hochdurchsatz-Anwendung und<br />
Dienstleistung in Europa<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Folie 11
9000<br />
8000<br />
7000<br />
6000<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
Scifinder Recherche: "High Throughput"<br />
1992<br />
1993<br />
1994<br />
1995<br />
1996<br />
1997<br />
1998<br />
1999<br />
Hochdurchsatz in der Literatur<br />
2000<br />
2001<br />
2002<br />
2003<br />
2004<br />
2005<br />
2006<br />
2007<br />
Hochdurchsatz ist keine kurzfristige Modetechnologie,<br />
sondern entwickelt sich zu einem Standard-Arbeitsinstrument<br />
in vielen Bereichen der Chemie und Verfahrenstechnik<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
Scifinder Recherche: "High Throughput +"<br />
1992<br />
1993<br />
Katalyse<br />
Formulierung<br />
1994<br />
1995<br />
1996<br />
1997<br />
1998<br />
1999<br />
2000<br />
2001<br />
2002<br />
2003<br />
2004<br />
2005<br />
2006<br />
2007<br />
Folie 12
State-of-the-art Entwicklungsablauf<br />
Integrierter Entwicklungsansatz<br />
1st screen<br />
(<strong>HTS</strong>)<br />
Hochdurchsatz in der Prozess-Entwicklung<br />
(<strong>HTS</strong>) 2nd Reaktor<br />
Screen Pilotierung<br />
auswahl<br />
1 st Screen<br />
Reaktor<br />
Design/Auswahl<br />
Kinetisches<br />
Screening<br />
Prozess<br />
Design<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Pilotierung<br />
Engineering<br />
Engineering<br />
Folie 13
Ultrapure Olefins<br />
Requested from<br />
market<br />
Hochdurchsatz in der Prozess-Entwicklung<br />
- Beispiel -<br />
Idea Kinetic screening CAPE<br />
piloting<br />
9 Monate<br />
2.<br />
3.<br />
1.<br />
1, 2 3, 7<br />
- 1500 experiments<br />
(T, P, residence time,<br />
feed quality)<br />
9 Monate<br />
5.<br />
4.<br />
12 Monate<br />
7 different<br />
lay-outs<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
6.<br />
7.<br />
114 kg/h<br />
DME/IC4/H2O<br />
IC4/<br />
MeOH<br />
21557 kg/h<br />
H2O<br />
DME-<br />
283 kg/h DME/H2O<br />
Raff II<br />
Kolonne<br />
DME/H2O<br />
MeOH-<br />
H2O MeOH-<br />
Extr.<br />
1715 kg/h Extr.<br />
DME/IC4<br />
IC4<br />
7085 IC4/ /H2O<br />
kg/h<br />
4000 kg/h<br />
2021 kg/h<br />
DME/H2O K4 DME-<br />
MeOH-<br />
Kolonne<br />
IC4<br />
Kolonne Extr. K3<br />
MeOH<br />
MeOH/DME<br />
n-Buten-<br />
7505 kg/h<br />
IC4<br />
DME/IC4<br />
Raff II<br />
K5<br />
Raff I Synthese<br />
DME/MeOH Kolonne<br />
C4/C5<br />
MeOH- IC4/ /H2O<br />
Kolonne DME/H2O K4 DME-<br />
28800 kg/h<br />
MTBE/<br />
33474 kg/h<br />
MeOH- H2O<br />
Kolonne<br />
Spaltung<br />
Extr. K3 MSBE/MeOH MeOH<br />
MEOH<br />
Isobuten-<br />
3150 kg/h<br />
Kolonne MTBE/<br />
IC4<br />
14196 Raff kg/hII<br />
IC4/<br />
MSBE/MeOH<br />
K5<br />
922 kg/h<br />
DME/MeOH<br />
C4/C5 MeOH/DME<br />
MeOH-<br />
DME/IC4<br />
Raff I<br />
Spaltung<br />
3337 kg/h<br />
Kolonne<br />
DIB<br />
Isobuten-<br />
Synthese<br />
K1<br />
K2<br />
H2O<br />
IC4/<br />
/H2O<br />
6691 kg/h Kolonne MTBE/ MSBE-<br />
DME/H2O K4 DME-<br />
Azeotrop- MSBE/MeOH Kolonne<br />
C5-<br />
MeOH-<br />
Kolonne<br />
MEOH<br />
C5/MSBE/DIB<br />
Kolonne IC4/<br />
MEOH/DIB<br />
K1 Kolonne<br />
Extr. K3<br />
MeOH<br />
3355 kg/h<br />
MTBE/<br />
DME/IC4<br />
-Kolonne<br />
MeOH/DME<br />
MTBE/<br />
K6<br />
MSBE IC4/ /H2O<br />
IC4<br />
Raff I<br />
MSBE/ K8 Raff II Spaltung 187 kg/h K2 Azeotrop- Isobuten-<br />
K5<br />
DME/H2O K4 DME-<br />
Synthese DIBDME/MeOH<br />
C4/C5Kolonne<br />
MeOH-<br />
Kolonne<br />
MEOH/DIB<br />
MeOH-<br />
DME/IC4 Kolonne<br />
MSBE-<br />
Kolonne<br />
Extr. K3<br />
MeOH<br />
Kolonne<br />
IC4/<br />
/H2O H2O<br />
MEOH<br />
DME-<br />
IC4<br />
DME/H2O<br />
Raff II<br />
K5 K4<br />
MTBE/<br />
DME/IC4<br />
DME/MeOH<br />
MeOH- C4/C5<br />
MeOH- Kolonne<br />
MSBE/<br />
Extr. K3 C5-<br />
IC4/ MeOH /H2O IC4/ Kolonne<br />
DIB K1 Kolonne DME/H2O K4 DME- MeOH/DME H2O<br />
IC4<br />
MTBE/MSBE/MeOH<br />
Raff II<br />
MeOH-<br />
K5 Kolonne<br />
DME/MeOH<br />
C4/C5<br />
MeOH<br />
MeOH-<br />
Extr. K3 K8<br />
Spaltung<br />
K2 Isobuten-<br />
Synthese C5-<br />
IC4/ Kolonne Kolonne IC4<br />
K1<br />
MTBE/<br />
Raff II<br />
Kolonne MSBE- IC4/ K5 MeOH/DME<br />
H2O<br />
MSBE/MeOH MTBE/<br />
DME/MeOHRaff<br />
I C4/C5<br />
Kolonne MeOH/ MeOH-<br />
Spaltung<br />
MSBE/MeOH<br />
MEOH K8<br />
DME Kolonne K2 Isobuten-<br />
Synthese<br />
H2OMTBE/<br />
Kolonne MTBE/<br />
K6<br />
DIB-<br />
MSBE/<br />
MSBE/MeOH MTBE/ Azeotrop-<br />
Kolonne<br />
MEOH<br />
Spaltung<br />
MSBE/MeOH<br />
C5-<br />
DIB<br />
Kolonne<br />
K1 IC4/ K2 Isobuten-<br />
Synthese K1 Kolonne<br />
MEOH/DIB<br />
Kolonne MTBE/<br />
MeOH/DME<br />
MTBE/ K6<br />
K7 MSBE-<br />
DIB/C5-<br />
DIB MSBE/MeOH Azeotrop- Kolonne<br />
Kolonne<br />
Spaltung<br />
MSBE/MeOH<br />
K2 Isobuten-<br />
Kolonne<br />
Synthese MEOH<br />
MEOH/DIB Kolonne MTBE/<br />
MTBE/<br />
MSBE/MeOH K6<br />
K7 MSBE- MSBE<br />
DIB Azeotrop- Kolonne<br />
MEOH<br />
Kolonne<br />
MEOH/DIB<br />
K6<br />
K7 MSBE-<br />
MTBE/<br />
Azeotrop- Kolonne<br />
MSBE<br />
Kolonne<br />
MEOH<br />
MTBE/<br />
MSBE/<br />
DIB<br />
5<br />
24 Monate<br />
8. 9.<br />
4, 6<br />
kinetics<br />
- reactor modelling<br />
- side products<br />
- feed quality<br />
- catalyst scale-up<br />
Σ54 Monate<br />
Folie 14
Miniaturisierung und Parallelisierung<br />
– Material-Bibliotheken –<br />
Parallelisierte<br />
Proben<br />
Enzyme Screening<br />
GigaMatrix® 1.000.000, (0.015 x 0.015 mm)<br />
Bio-organic Synthesis:<br />
Split und Pool Technik 65.000, (0.04 x 0.04 mm)<br />
Materialwissenschaften:<br />
CVD Methoden 25.000, (0.23 x 0.23 mm)<br />
Heterogene Katalyse:<br />
Einzelpellet-Screening 1.000, (2.00 x 2.00 mm)<br />
Hochleistungspolymere:<br />
Filme aus Schmelzen 100, (5.00 x 5.00 mm)<br />
Formulierungen:<br />
Lackpasten 100, ( 50 ml)<br />
Semi-batch Polymer-Synthese 40, (100 ml)<br />
Proben<br />
größe<br />
Skalierbare Technologien für die Material-Entwicklung<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Diversa 2006<br />
RTS Life Science 2006<br />
Schüth et al. 2006<br />
Chemspeed 2006<br />
Folie 15
Grenzen und Herausforderungen<br />
- Informationsdichte -<br />
Experimentelle Informationsdichte<br />
1st Screen<br />
2nd Screen<br />
Pilotreaktor<br />
Produktion<br />
Parallelisierungs- und<br />
Miniaturisierungsgrad<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Informationsdichte<br />
Folie 16
Grenzen und Herausforderungen<br />
- Qualitätsanspruch -<br />
Material-Heterogenität begrenzt das Down-Scaling:<br />
Katalyse: 10 (Pellets), 50-100 mg (Pulver)<br />
Farbpasten: 30 – 50 ml<br />
Polymerisation: 10 – 100 ml<br />
Grund: Reproduzierbarkeit der Herstellung bzw. Anwendung<br />
Apparative und methodische Effekte sind zu berücksichtigen:<br />
Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der parallelen Instrumente<br />
(Run x zu Run y; Reaktor a zu Reaktor b; Timing Effekte)<br />
Nicht alle möglichen Verfahrensoperationen sind bislang<br />
ins miniaturisierte bzw. automatisierte Design umgesetzt :<br />
z.B. Rub-out Test (Farben+Lacke)<br />
Sprüh-Trocknung (Katalyse)<br />
Analysenmethoden (versch.)<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Folie 17
„Gefühl“ für<br />
das Experiment<br />
ist verringert<br />
Teambildung aus<br />
Fachpersonal<br />
verschiedener<br />
Disziplinen Multitasking-<br />
Fähigkeiten<br />
und hohe<br />
Reinigung,<br />
Ordnung ist<br />
genauso wichtig<br />
wie Planung<br />
Grenzen und Herausforderungen<br />
- geschultes Fachpersonal -<br />
Datenaufnahme und<br />
Reaktionsführung<br />
treten im Labor<br />
zu Gunsten<br />
Datenverarbeitung<br />
und Logistik<br />
in den Hintergrund<br />
Frustrationsschwelle<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Verbessertes Hintergrund-Verständnis<br />
für das Projekt<br />
notwendig<br />
kontinuierliche<br />
Weiterbildung der<br />
Labormitarbeiter<br />
und Wissenschaftler<br />
Sicherheitsaspekte<br />
müssen öfter<br />
diskutiert werden<br />
Folie 18
HT-Übersetzung<br />
Korrelationen<br />
Hardware<br />
Datenmanagement<br />
Grenzen und Herausforderungen<br />
- Projektphasen -<br />
Höhere Produktivität durch: Kürzere Aufbau-Phasen<br />
längere Produktivitäts-Phasen<br />
Aufbau<br />
Produktive<br />
HT Phase<br />
Aufbau HT Bewertung<br />
Messungen (produktiv)<br />
Beladung, Reinigung<br />
Reparaturen<br />
Fine-Tuning<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Bewertung<br />
QSPR, QSPR,<br />
Dokumentation,<br />
Lead-Findung<br />
nächste Generation<br />
Folie 19
Zusammenfassung<br />
Hochdurchsatz-Technologien bilden ein geeignetes Tool für<br />
eine effizientere Material-Entwicklung.<br />
(Effiziens-Steigerung: Faktor 5-10, trotz geringerer effektiver<br />
Arbeitszeit von 60 – 80 %)<br />
Es gibt eine langfristige HT Perspektive in der Katalyse,<br />
Materialwissenschaft und Formulierungsforschung<br />
Der “theoretische” Durchsatz wird begrenzt durch<br />
- Aufbau, Reinigung, Instandhaltung<br />
- Materialeigenschaften, Logistik, Workflow-Komplexität<br />
Implementierung eines HT Workflows erfordert<br />
- Teambildung (in-haus und externe Partner)<br />
- geschultes Fachpersonal (Techniker und Wissenschaftler)<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Folie 20
And now to something<br />
completely different …..…(Monty Python)<br />
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit<br />
November 2007 <strong>DECHEMA</strong> AK HTT, Dr. Schrof, Dr. Zanthoff<br />
Kontakt:<br />
Dr. Horst Zanthoff<br />
Evonik Degussa GmbH<br />
Process Technology & Engineering<br />
Tel.. (+49) 2365-49-19322<br />
E-mail: horst-werner.zanthoff@evonik.com<br />
Folie 21
Change language