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Language: de-DE

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Thema dieser Videoserie ist die Sicherheit chemischer Reaktionen im Rahmen der Anlagen- und Verfahrenssicherheit.

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In diesem Video werden die Herausforderungen bei der Maßstabsvergrößerung chemischer Reaktionen, dem Scale-Up, beschrieben.

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Und auf Sicherheitsaspekte bei Änderungen am Prozess hingewiesen.

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Bei der Entwicklung eines neuen Produktes oder eines neuen Syntheseweges stehen im Labor zunächst stoffliche Aspekte im Vordergrund,

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wie die Optimierung der Reaktionsparameter hinsichtlich Qualität und Ausbeute.

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Wenn ein zukunftsträchtiges Verfahren gefunden ist, erfolgt – meist in einem so genannten Technikum – das „Scale Up“.

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Hierbei werden Ansatzmengen schrittweise vergrößert,

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das Verfahren hinsichtlich seiner Parameter und unter dem Blickwinkel von Qualität, Ökonomie, Sicherheit und Umweltschutz optimiert und gegebenenfalls die Übertragung in die Produktion vorbereitet.

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Typische Unterschiede zwischen Labor, Technikum und Betrieb und damit verbundene sicherheitsrelevante Fragestellungen sind unter anderem:

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Der Einfluss der Apparatur: Die Durchmischungsverhältnisse hängen ebenso wie die Kühlung sehr stark von Art und Größe der Apparatur sowie von der Effizienz des Rührers ab.

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Die Bildung von Nebenprodukten: Diese beeinflussen die Qualität des Produktes und die thermische Stabilität der eingesetzten und gebildeten Stoffe.

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Aufgrund der Bedingungen im Betrieb werden oft Nebenprodukte gebildet, die im Labor nicht entstehen.

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Im Technikum besteht darüber hinaus erstmals die Möglichkeit, Edukte in technischer Qualität (sogenannte Bulkware) sowie recyclisierte Lösemittel einzusetzen und deren Einfluss zu studieren.

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Die Isolierung und Reinigung von Produkten: Die bei der Synthese erzeugten Produkte müssen durch Destillieren, Filtrieren, Zentrifugieren, Umkristallisieren, Waschen, usw. isoliert und gereinigt werden.

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Die Verfahrensparameter unterscheiden sich gegebenenfalls deutlich von denen im Labor.

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Bei der Maßstabsvergrößerung ist weiterhin zu berücksichtigen,

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ob bei gasbildenden Reaktionen die Abgasleitungen und die nachgeschalteten Behandlungsanlagen für die maximal auftretenden Gasmengenströme ausgelegt sind.

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Ist bei Zersetzungsreaktionen mit einer Gasbildung zu rechnen, können Druckentlastungseinrichtungen und die nachfolgenden Teilanlagen schnell überfordert sein.

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Ein zentraler Aspekt bei exothermen Reaktionen –

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und zugleich ein Musterbeispiel für den Einfluss der Maßstabsvergrößerung – ist der Blick auf die Wärmebilanz.

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Schauen wir gemeinsam mit den Herren Barton, Richard Rogers und Hans-Ulrich Moritz (die haben das Beispiel nämlich „erfunden“) auf einen idealisierten Zylinder, also einen dosenfärmigen Behälter.

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Der sei im Labor 1 Liter (also 0,001 Kubikmeter) und im Betrieb 1 Kubikmeter groß.

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Der Unterschied im Volumen ist ein Faktor von 1000.

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Die jeweilige Oberfläche beträgt einmal rund 0,05 Quadratmeter, einmal rund 4,4 Quadratmeter – dazwischen liegt ein Faktor von 100.

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Nehmen wir an, beide Reaktoren wären seitlich mit einem Doppelmantel mit Außenkühlung ausgestattet, die Fläche oben und unten sei nicht isoliert.

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Dann wäre bei einer angenommenen Innentemperatur von 80 Grad und einer angenommenen Außentemperatur von 30 Grad

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der Wärmeverlust zur Umgebung – also über die nicht isolierten Bereiche – bei dem Laborreaktor rund 60 Watt (also 0,06 Kilowatt)

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und bei dem 1-Kubikmeter-Reaktor 6 Kilowatt.

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Und die Kühlung im Doppelmantel würde im Kleinen rund 700 Watt abführen können, im Großen immerhin 66 Kilowatt.

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Soweit die apparatetechnischen Größen.

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Jetzt lassen wir bei besagtem Temperaturniveau von 80 Grad eine chemische Reaktion ablaufen.

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Die wäre mit einer Wärmetönung von 360 Kilojoule pro Kilogramm verbunden, also nicht ganz wenig.

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Den Prozess führen wir als Semi-Batch-Reaktion mit einer gleichmäßigen Dosierung über 3 Stunden durch.

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Das bedeutet, dass wir im Labor eine Wärmeproduktion von etwa 30 Watt bekommen –

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verglichen mit den 60 Watt an Wärmeverlust über die nicht isolierten Teile zu wenig, um die Temperatur bei 80 Grad halten zu können.

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Daher die Aussage aus dem Labor: „Die Reaktion erfordert zusätzliches Heizen“ – interpretiert als: die Reaktion ist eher endotherm.

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Mit dieser Information gelangt das Verfahren in die Produktion mit dem 1 Kubikmeter-Reaktor.

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Doch siehe da: die 33 Kilowatt, die nun über die Dosierzeit von 3 Stunden freigesetzt werden, übersteigen die 6 Kilowatt Wärmeverlust an die Umgebung.

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Die Kühlung muss also einspringen, aber die schafft das mit ihren 66 Kilowatt ganz gut.

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Das geht so lange gut, bis eines Tages schneller dosiert wird. Statt in 3 Stunden nun in einer Stunde.

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Das bedeutet eine Verdreifachung der Wärmeproduktionsgeschwindigkeit und wir liegen nun bei 100 Kilowatt.

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Das schafft die Kühlung nicht mehr und die Reaktion geht durch.

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Denn während die Wärmeabfuhr beim Scale Up analog zur Kühlfläche nur den Faktor 100 ausmacht, steigt die Wärmeproduktion mit dem Volumen um den Faktor 1000.

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Während im Labor mit dem relativ günstigen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis die Reaktion durch leichtes Kühlen in den Griff zu bekommen gewesen wäre,

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geht die Sache im Betrieb schlecht aus – trotz einer ursprünglich vermeintlich nachzuheizenden Reaktion. Leider gab es diesen Fall in der Praxis schon öfter.

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Was können wir daraus lernen? Die möglichen Gefährdungen,

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die bei der Übertragung eines Laborverfahrens in den technischen Maßstab auftreten können, müssen identifiziert und kommuniziert werden.

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Ein geeignetes Procedere für den Wissenstransfer vom Labor (als Verfahrensgeber) zum Technikum (als Verfahrensnehmer) ist das sogenannte Übergabegespräch mit dem zugehärigen Übergabeprotokoll.

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Übergabegespräch und Übergabeprotokoll sind wesentliche Elemente im Rahmen der Erstellung bzw. Fortschreibung von Sicherheitskonzepten.

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Ziele sind insbesondere: Die Erfüllung gesetzlicher Vorschriften hinsichtlich der Gefährdungsbeurteilung und Festlegung spezieller Arbeitsschutzmaßnahmen,

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die Identifizierung genehmigungsrechtlicher Anforderungen und die Berücksichtigung umwelttechnischer Anforderungen und Bewertung möglicher umweltrelevanter Auswirkungen.

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Hierfür müssen unter Umständen weitere Fachleute (z. B. von der Arbeitssicherheit und der Verfahrenssicherheit) hinzugezogen werden.

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Auf Basis der ermittelten Gefahrenpotentiale wird festgelegt, welche sicherheitstechnischen Anforderungen zu erfüllen sind, um eine sichere Durchführung des Verfahrens im geplanten Maßstab zu gewährleisten.

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Dabei können bereits konkrete technische, organisatorische und personenbezogene Maßnahmen vorgesehen werden.

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Das Übergabeprotokoll fasst alle gesammelten Stoff- und Reaktionsdaten sowie die Ergebnisse des Übergabegesprächs zusammen.

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Dies gilt nicht nur, wenn eine neue Anlage gebaut wird, sondern auch, wenn ein neues Verfahren in eine bereits bestehende Anlage überführt werden soll.

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Analoges gilt für die Aspekte Lohnsynthese, Verfahrensentwicklung durch Dienstleistungslabors, Verlagerung des Prozesses in andere Betriebe und Zukauf „schlüsselfertiger“ Anlagen.

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Wenn ein bekanntes und als sicher durchführbar befundenes Verfahren irgendwann verändert werden soll,

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ist zu prüfen, ob die geplanten Modifikationen auch die Sicherheit des Verfahrens beeinflussen.

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Das Stichwort hierzu ist Management von Änderungen, Management of Change oder kurz MoC.

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Relevante Änderungen können beispielsweise sein: Der Einsatz neuer oder Änderungen an bisherigen Stoffen und Hilfsmedien.

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Beispielsweise kann sich das Spektrum der Verunreinigungen und der Einfluss auf das Reaktionsverhalten ändern,

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wenn der Einkauf den Hersteller oder dieser das Produktionsverfahren umstellt.

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Oder wenn Lösemittel recyclisiert werden und sich darin Nebenprodukte anreichern.

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Die Verwendung oder Einbeziehung anderer Anlagenteile.

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Aufgrund der veränderten Behältermaterialien kann es zu katalytischen Effekten kommen,

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die den gewünschten Verlauf der Reaktion und das gebildete Produktspektrum verändern.

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Insbesondere bei dem Kontakt mit Eisen oder Buntmetallen sind bei manchen Stoffen Zersetzungsreaktionen möglich.

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Die Änderung der Verfahrensparameter.

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Von großer Bedeutung ist neben der Reaktionstemperatur in etlichen Fällen die Einhaltung des richtigen pH-Wert-Bereiches,

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der Konzentrationsverhältnisse oder der Reihenfolge der Zugabe.

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Bei modifizierten Dosier- und Mischvorgängen kann es gegebenenfalls zu Konzentrationsverschiebungen bis hin zur Konzentrationsumkehr

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und dadurch zur Bildung autokatalytisch wirkender Nebenprodukte kommen, welche eine durchgehende Reaktion ausLösen können.

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Eine Änderung der Verweilzeit.

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Kommt es, beispielsweise durch einen Anlagenstillstand, zu Verzägerungen in der Weiterverarbeitung des Reaktionsgemisches,

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können ggf. exotherme Nebenreaktionen, die im bestimmungsgemäßen Betrieb einen vernachlässigbaren Einfluss haben,

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durch die Bildung autokatalytisch wirkender Nebenprodukte eine Zersetzung des gesamten Reaktionsansatzes initiieren.

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Auch Ablagerungen können ähnliche Effekte ausLösen.

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Jede Verfahrensänderung, auch wenn sie nur geringfügig zu sein scheint, sollte unter dem Blickwinkel Sicherheit sorgfältig geprüft werden.

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Insbesondere Änderungen der Ansatzgröße können weitreichende Auswirkungen auf die Wärmebilanz eines Verfahrens und die thermische Stabilität der Produkte haben.

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Keinesfalls sollte versucht werden, auftretende Stärungen durch Manipulationen im laufenden Prozess zu beheben, ohne dass man genaues Wissen über die Chemie des Verfahrens besitzt.

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Zusammengefasst: Bei der Durchführung chemischer Reaktionen im technischen Maßstab entstehen oft Gefährdungen, die im Labor nicht auftreten.

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Beispielsweise können Prozesse, wenn sie im größeren Maßstab durchgeführt werden, außer Kontrolle geraten, auch wenn sie im Labor gut beherrschbar waren.

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Mögliche Folgen können Brand, Explosion oder Stofffreisetzung sein – und damit die Gefährdung von Mitarbeitenden, Umwelt oder der Nachbarschaft.

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Daher rücken mit zunehmender Skalierung Fragestellungen der Anlagensicherheit immer weiter in den Blickpunkt der Untersuchungen.

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Für die sichere Durchführung einer Synthese im größeren Maßstab und für Änderungen an einem Verfahren oder einer Anlage ist stets eine sicherheitstechnische Beurteilung erforderlich.

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Dabei sind auch mögliche Abweichungen vom bestimmungsgemäßen Betrieb, deren Ursachen und Auswirkungen sowie Maßnahmen zur Beherrschung systematisch zu ermitteln und zu bewerten.