Thermo Scientific™ HAAKE Çift Vidalı Ekstrüder’de Gerçekleştirilen Sürekli Organik Sentez

Giriş

Karmaşık moleküllerin daha basit başlangıç maddelerinden sentezlenmesi süreci, kimyanın temel taşlarından biridir ve ilaç, tarım kimyasalları, polimerler ve özel kimyasallar gibi birçok alanda geniş uygulama alanına sahiptir.

Geleneksel olarak organik sentez, kesikli (batch) reaktörlerde gerçekleştirilmiştir. Bu yöntem, çok sayıda işlem adımı gerektirir, uzun reaksiyon sürelerine ve yüksek enerji tüketimine neden olur.

Son yıllarda, sürekli üretim teknolojilerindeki gelişmeler, çift vidalı ekstrüderler (twin-screw extruders) kullanılarak organik sentezin gerçekleştirilmesi için yeni olanaklar sunmuştur.

Bu sistemler, karıştırma, ısıtma ve kimyasal dönüşüm süreçlerini tek bir sürekli işlemde birleştirerek, organik reaksiyonlar için benzersiz bir ortam sağlar.

Nasıl Çalışır

Thermo Scientific™ Process 11 Çift Vidalı Ekstrüder, birbirine geçen ve aynı yönde dönen iki vidadan oluşur. Bu vidalar modüler bir vida tasarımına sahiptir ve birden fazla besleme ve gaz tahliye (vent) girişine sahip iki parçalı (split) bir gövde içinde yer alır.

Reaktanlar (tepkimeye giren maddeler), vidalar boyunca ilerlerken taşınır ve karıştırılır. Bu sırada, mekanik kesme kuvveti ve harici ısıtıcılar tarafından üretilen ısı, kimyasal reaksiyonları başlatır ve sürdürür.

Modüler vida tasarımı sayesinde, vidaların konfigürasyonu tek tek vida elemanlarından oluşturulabilir. Böylece:

• Belirli reaksiyon bölgeleri tanımlanabilir,

• Karıştırma şiddeti kontrol edilebilir,

• Bekleme süresi (residence time) yönetilebilir.

(Bkz. Şekil 1.)

Şekil 1. İşleme bölgeleri ile çift vidalı silindirin şematik kesiti Bu, reaksiyonun gerçekleştiği koşulların hassas bir şekilde kontrol edilmesini sağlar. Kararlı duruma ulaşıldığında, reaksiyon ürünü sürekli olarak oluşur ve ekstrüderin çıkışında toplanabilir, böylece sürekli üretim sağlanır.

Çift Vidalı Ekstrüderde Organik Reaksiyon Örnekleri

Pek çok kimyasal reaksiyon, başarıyla sürekli tepkimeli ekstrüzyon (reactive extrusion) süreçlerine dönüştürülmüştür. Aşağıda bazı tipik uygulama örnekleri yer almaktadır:

1. Polimerizasyon

Polikondensasyon reaksiyonları (örneğin polyester ve poliamid sentezi) veya radikal polimerizasyonlar (örneğin polistiren veya polietilen üretimi) gibi işlemler genellikle çift vidalı ekstrüderlerde gerçekleştirilir. Ekstrüderin vida tasarımı ve hassas sıcaklık kontrolü, reaksiyonun istenmeyen yan reaksiyonlar olmadan ilerlemesini sağlar.

2. Esterleşme ve Transesterifikasyon

Bu reaksiyonlar, biyodizel ve özel esterlerin sentezinde temel öneme sahiptir

3. Oksidasyon ve Redüksiyon Reaksiyonları

İnce kimyasallar ve farmasötik ürünlerin üretiminde kritik rol oynayan bu reaksiyonlar, sıcaklığın ve oksijen temasının dikkatli kontrolünü gerektirir. Çift vidalı ekstrüderdeki çok bölgeli ısıtma yapısı, bu koşulların hassas şekilde optimize edilmesine olanak tanır.

4. Karbon–Karbon Bağı Oluşturma Reaksiyonları

Suzuki veya Heck gibi çapraz bağlama (cross-coupling) reaksiyonları, kesikli reaktörlerde gerçekleştirilmesi zor işlemlerdir. Ancak çift vidalı ekstrüderlerde, bu reaksiyonlar sürekli karıştırma altında verimli bir şekilde yürütülür; böylece verim ve seçicilik önemli ölçüde artar.

Çift Vidalı Ekstrüderlerde Organik Sentezin Avantajları ve Zorlukları

Çift vidalı ekstrüderlerin organik sentezde kullanılmasının en önemli avantajlarından biri, kesikli prosesten sürekli  prosese geçişi mümkün kılmasıdır.

Kesikli reaktörlerde organik sentez genellikle çok adımlı reaksiyonlar, uzun işlem süreleri, çözücü kullanımı ve aşamalar arasında yoğun iş gücü gerektiren aktarımlar içerir.
Buna karşılık, çift vidalı ekstrüderler, reaktanların sürekli beslenmesine ve ürünlerin kesintisiz olarak üretilmesine olanak tanır. Bu da verimliliği artırır, ölçeklenebilirliği kolaylaştırır ve çevresel sürdürülebilirliği destekler.

Bununla birlikte, sürekli sistemlerde reaksiyonların izlenmesi ve kontrolü belirli zorluklar da içerir.
Kesikli reaktörlerde olduğu gibi farklı zaman noktalarında örnek alarak reaksiyon ilerlemesini gözlemlemek mümkün değildir.
Bu nedenle çift vidalı ekstrüderlerde, ürün kalitesini ve tutarlılığını sağlamak için NIR (yakın kızılötesi) veya Raman spektrometresi gibi gelişmiş hat içi (in-line) izleme sistemleri gerekir.

Ayrıca bazı organik reaktifler veya ara ürünler, ekstrüderde kullanılan paslanmaz çelik gibi malzemelere karşı korozif veya reaktif olabilir. Bu nedenle özellikle reaktif veya aşındırıcı kimyasalların işlendiği durumlarda, malzeme seçimine özel dikkat gösterilmesi büyük önem taşır.

1.Çalışma– Knoevenagel Reaksiyonu

Vanilin ile barbitürik asit arasındaki bir Knoevenagel reaksiyonu, Process 11 çift vidalı ekstrüderinde tepkimeli ekstrüzyon (reactive extrusion) uygulamasına örnek olarak seçilmiştir.
Bu örnek, bilyalı değirmen (ball mill) reaksiyonlarının tipik bir modeli haline gelmiş olup, birçok bilimsel yayında yer almıştır.

Deborah Crawford liderliğindeki bir araştırma grubu, bu reaksiyonu bilyalı değirmenden çift vidalı reaktöre başarıyla aktarmıştır.¹²

Vanilin ve barbitürik asit karışımı, Process 11 çift vidalı ekstrüderine, gravimetrik MiniTwin besleyici kullanılarak dozajlanmıştır.
Ön karışım (premix), 1:1 mol oranında hazırlanmış ve ekstrüdere 0,5 kg/saat besleme hızında verilmiştir.

Ekstrüder, iki yoğurma (kneading) bölgesi içeren bir vida konfigürasyonu ile donatılmış olup, 160°C sıcaklığa kadar ısıtılmış ve vida hızı 50 rpm (dakikada 50 devir) olarak sabit tutulmuştur.

Şekil 2. Agranülatör kiti ile donatılmış Process 11 çift vidalı ekstrüder

Ekstrüderin çıkış ucu, bu testte kalıpsız (die’siz) bir şekilde granülatör olarak tasarlanmıştır (Bkz. Şekil 2).
Bu basınçsız ve açık çıkış, malzemenin ekstrüderden toz formunda serbestçe akmasına olanak sağlamıştır.

Başlangıçtaki iki ham madde (vanilin ve barbitürik asit) beyaz toz şeklindedir; ekstrüder çıkışında oluşan parlak sarı renkli ürün, reaksiyonun gerçekleştiğini göstermektedir.

Şekil 3. Knoevenagel reaksiyon denklemi

Şekil 4. Beyaz edüktler reaksiyondan sonra parlak sarı bir ürün oluşturur.

Reaksiyonun sonucu iki farklı yöntemle analiz edilmiştir.

İlk olarak, başlangıç maddeleri ile üretilen ürün, Thermo Scientific™ MarqMetrix™ All-In-One Process Raman Analizörü kullanılarak karşılaştırılmıştır.

İkinci olarak, malzemelerin yapısı Thermo Scientific™ ARL™ EQUINOX 100 X-Işını Difraktometresi kullanılarak değerlendirilmiştir.

Şekil 5. Thermo Scientific MarqMetrix Hepsi Bir Arada Proses Raman Analizörü

Şekil 6. Ürünün (mor) ve başlangıç maddeleri Vanilin (yeşil) ve Barbitürik Asit (kırmızı) Raman deseni

X-Işını Kırınımı (XRD)

Ürüne ait XRD (toz X-ışını kırınımı) deseninin, başlangıç maddelerinin (reaktanların) pik konumlarıyla karşılaştırılması sonucunda, her iki başlangıç maddesinin de tamamen ortadan kaybolduğu gözlenmiştir.

Ürünün XRD deseni, düşük açılarda gözlenen yansımalarla (d₁ = 13.5 Å, d₂ = 9.3 Å) yeni bir fazın oluştuğunu göstermektedir. Bu tür yansımalar, genellikle COF (kovalent organik kafes – covalent organic framework) yapılarında tipiktir. Ancak, oluşan COF yapısının tam tipi belirlenememiştir.

Deneysel toz X-ışını kırınımı ölçümleri, Thermo Scientific™ ARL™ X’TRA Companion cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ölçümler, Bragg–Brentano geometrisinde, Cu Kα radyasyonu (Ni filtresi) ile yapılmıştır.

Numuneler (vanilin, barbitürik asit ve sarı ürün), sıfır arka planlı (zero-background) numune kaplarında üstten yükleme yöntemiyle hazırlanmış ve 10 dakika süreyle ölçülmüştür.

Faz analizi, Profex¹³ yazılımı ve COD (Crystallography Open Database) veri tabanındaki yapı dosyaları kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Şekil 7. Deneyde kullanılan Thermo Scientific™ ARL™ Equinox™ 100 X-Ray Difraktometre

Şekil 8. Ürünün XRD paterni (10 dakika). Gösterge çizgileri (pembe: Barbitürik Asit Form II; kahverengi: Vanilin) eklenmiştir.

Sonuç

Thermo Scientific çift vidalı ekstrüderlerin organik sentezde kullanımı, kimyasal proses teknolojisinde devrim niteliğinde bir gelişmeyi temsil etmekte olup; verimlilik, ölçeklenebilirlik ve sürdürülebilirlik açısından önemli avantajlar sunmaktadır.

Kimyasal reaksiyonların ve malzeme işlemenin tek bir sürekli sistem içinde birleştirilmesi, çift vidalı ekstrüderleri karmaşık organik moleküllerin sentezi için — ilaçlardan ince kimyasallara ve özel polimerlere kadar — yeni olanaklar sunan güçlü bir araç haline getirmektedir.

Her ne kadar reaksiyon süresi (residence time) sınırlamaları ve ısıl duyarlılık gibi zorluklar devam etse de, vida tasarımı, izleme teknolojileri ve malzeme seçimi alanlarındaki sürekli araştırma ve optimizasyon çalışmaları, çift vidalı ekstrüderlerin yeteneklerini giderek genişletmektedir.

Sanayinin sürekli üretim ve yeşil kimya uygulamalarını giderek daha fazla benimsemesiyle birlikte, çift vidalı ekstrüzyon teknolojisinin organik sentezin geleceğinde kritik bir rol oynaması beklenmektedir.
Bu teknoloji, kimyasal işleme alanında yeniliği teşvik ederek, çok çeşitli sektörlerde üretim verimliliğini ve sürdürülebilirliği artıracaktır.

Kaynak: ThermoFisher HAAKE