Bericht

Mikrowellentechnik in Forschung, Industrie und Ausbildung

Die Anwendung der Mikrowellen begann bereits vor 82 Jahren, und zwar als Flugzeugradare, erst später kamen sie dann auch zum Erhitzen von Lebensmitteln zum Einsatz. Inzwischen werden Mikrowellen in weiteren verschiedenen Bereichen eingesetzt. Analysiert man aus 50 verschiedenen Fachzeitschriften die Anzahl der Publikationen in einem Zeitfenster von 1962 bis 2022 zur Mikrowellentechnologie, so ist eine Zunahme der Veröffentlichungen bei der Extraktion um das 85-fache und bei der Synthese um das 90-fache zu erkennen.

Das Unternehmen Fricke und Mallah Microwave Technology entwickelt Mikrowellensysteme mit Arbeitsfrequenzen von 915 MHz bis 2,45 GMz zum Trocknen und Erhitzen für verschiedene Anwendungen. © Fricke und Mallah Microwave Technology

Die Mikrowellentechnologie gewinnt zunehmend an Bedeutung und zeigt sich als umweltschonende, energieeffiziente Alternative zu den klassischen Soxhlet-Extraktionen. Besonders bei der Isolation von pharmazeutischen Wirkstoffen sieht man in der pharmazeutischen Industrie inzwischen viele Vorteile. Aber nicht nur die Extraktion, sondern auch die Synthese von Wirkstoffen mittels Mikrowellen sind für die Industrie von Interesse. So beschäftigt man sich bei dem Unternehmen Abacus Analytical Systems neben der Methodenentwicklung der analytischen Chemie insbesondere mit der Raman-Spektroskopie in der pharmazeutischen Industrie. Spezielle Sensoren machen einen Einblick während der Synthesen möglich und geben somit ergänzende Informationen zum Syntheseverlauf.

Synthesen mit Mikrowellen
Mikrowellen sind hochfrequente elektromagnetische Wellen, die durch ein Magnetron bzw. auf einen Halbleiter basierende Mikrowellengenerator erzeugt werden und eine punktgenaue Energieübertragung in den Reaktionsraum ermöglichen. Die Ausbeute der Hauptprodukte wird kontinuierlich durch UV/VIS- und Raman-Spektroskopie im Reaktionsgefäß und den Fraktionssammler aufgezeichnet und abgespeichert. Die Reaktionsbedingungen können vom Labor direkt auf einen industriellen Maßstab übertragen werden. Mit der Vielfalt der variablen Parameter wie Frequenz, Druck und Temperaturen und mit Hilfe eines begleitenden spektroskopischen Monitorings können die Extraktionen und die Synthesen optimiert werden.

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Mikrowellentechnologie in Ausbildung und Studium
Grundlagen der physikalischen, organischen und anorganischen Chemie können von Dozenten auch beim Einsatz von Mikrowellensystemen praxisnah vermittelt werden. In den Forschungslaboren der naturwissenschaftlich-technischen Akademie (nta) in Isny wurden zur Ausbildung Mikrowellensysteme etabliert. Seit 2011 wurde bereits die Mikrowellentechnologie sowohl theoretisch als auch experimentell Bestandteil des Lehrplans. Durch Kooperationen mit der Industrie konnten neben den klassischen Lehrtätigkeiten auch spezifische Projekte durchgeführt werden. Die Dozenten und Professoren erfreuten sich einer großen Anzahl von Auszubildenden, die damit schon mal in industrielle Anwendungen hineinschnuppern konnten. Die Ergebnisse der Abschlussarbeiten aus dem Forschungslabor und der Industrie wurden in verschiedenen Medien veröffentlicht.

Für eine gelungene Kooperation der Akademie mit der Industrie stehen beispielhaft die Synthesen von Acetylsalicylsäure (Aspirin) und N-Acetyl-4-aminophenol (Paracetamol) mittels der Mikrowellentechnologie. Paracetamol zählt zu den weitesten verbreiteten Arzneimitteln und ist als schmerzlindernder und fiebersenkender Arzneistoff aus der Gruppe der Nichtopioid-Analgetika heute nicht mehr wegzudenken. Bei der WHO wird er daher als unentbehrlicher Arzneistoff geführt.  Ebenso ist die Acetylsalicylsäure aus der Gruppe der Salicylate ein Entzündungshemmer mit schmerzlindernden und fiebersenkenden Eigenschaften. Zusätzlich hemmt Acetylsalicylsäure die Thombozytenaggregation und wird daher häufig prophylaktisch zur Blutverdünnung eingesetzt, um das Risiko von Schlaganfällen zu minimieren.

Das System „synthWAVE“ von MLS für mikrowellenunterstützte Synthesen. © E. Heller

Die von den Auszubildenden mit Hilfe der Mikrowellentechnologie hergestellten Arzneistoffe Paracetamol und Aspirin erreichten eine Ausbeute von ca. 90%, bei einer gleichzeitigen Synthesezeit von 30 - 45 Minuten. Danach wurde die Qualität der Produkte mittles H-NMR-, FT-IT- und Ramanspektroskopie überprüft. Die Auszubildenden arbeiteten selbstständig und hatten großes Interesse an der Interpretation der Ergebnisse. Durch internationale Kooperationen der nta wurden die so gewonnenen Erkenntnisse auf internationaler Ebene weiter kommuniziert, was dazu beitrug, den Standort Isny ebenfalls für ausländische Interessenten attraktiv zu machen.

Die Wichtigkeit der praxisnahen Ausbildung und des Experimentierens im Unterricht beschreibt bereits Konfuzius: „Erzähle es mir und ich werde es vergessen. Zeige es mir und ich werde mich erinnern. Lass es mich tun und ich werde es behalten.“ Der Einsatz moderner Methoden im Experimentalunterricht kann dazu beitragen, dass Auszubildende oder Studenten später dem Anforderungsprofil der Industrie gerecht werden. Dieses Beispiel verdeutlicht, wie Innovation in Forschung, Industrie und Lehre konkret gelingen kann.

AUTOREN
Prof. Dr. Gerald Grübler, Ursula Steiner, Dr. Eberhard Heller
Strategische Beratung in Research & Development
www.profdrgruebler.de

Hans C. Zimmermann
Abacus Analytical Systems GmbH
www.abacus-lab.com

Marcel Mallah
Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH
www.microwaveheating.net

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