Ex-p-Steuerschränke für elektrochemische Synthesen

Einleitung

Elektrochemische Synthesen erleben derzeit eine Renaissance. Angetrieben durch die Notwendigkeit nachhaltiger Prozesse rückt der Einsatz von elektrischem Strom als umweltfreundliches Reagenz zunehmend in den Fokus der chemischen Industrie. In der Arzneimittelentwicklung bietet die elektroorganische Chemie dabei neue Möglichkeiten für selektive Synthesewege. Doch wo Strom, Wasserstoff und organische Lösemittel zusammentreffen, entstehen erhebliche Explosionsrisiken. Forscher und Ingenieure stehen daher vor der Herausforderung, eine elektrochemische Reaktion im explosionsgefährdeten Bereich sicher umzusetzen.

R. STAHL hat in enger Zusammenarbeit mit Boehringer Ingelheim eine individuelle Lösung entwickelt: Zwei mobile Ex-p-Schutzgehäuse ermöglichen den sicheren Einsatz von zehn leistungsstarken Elektrolyseuren und eines Hochstrom-Netzteils im Ex-Bereich.

Ausgangssituation: Warum Elektrochemie?

Im Rahmen des öffentlich geförderten Zukunftsclusters ETOS wird im Forschungsprojekt HAVANA der Hofmann-Abbau, eine chemische Umlagerungsreaktion, über ein elektrochemisches Verfahren gezielt weiterentwickelt. Bei dieser Reaktion entsteht intermediär reaktives Isocyanat, welches unter Wasseranlagerung und Kohlendioxidabspaltung schwer herstellbare Amine zugänglich macht. Unter Ausschluss von Wasser erhält man unter Zugabe von Alkoholen sogenannte Carbamate und mit Sulfonamiden entsprechend Sulfonylharnstoffe. All dies ist auch intramolekular zum Ringschluss komplizierter Heterozyklen vorstellbar, die sich dadurch nachhaltiger synthetisieren lassen. Ein vorrangiges Ziel ist es dabei, das bislang eingesetzte hochgiftige Brom durch eine elektrochemische Erzeugung direkt im Reaktionssystem zu ersetzen – durch das deutlich weniger gefährliche Natriumbromid.

Das für den Hofmann-Abbau notwendige Brom wird also lediglich „in situ“ an der Anode (Oxidationsreaktion) aus Bromid erzeugt. Durch diese Substitution können somit im weiten Umfang Gefahrenquellen vermieden werden, die mit Transport, Lagerung und dem Einsatz von Brom verbunden sind. Da das benötigte Brom kontinuierlich elektrochemisch nachgebildet wird, kann der Prozess mit einer deutlich geringeren Anfangskonzentration an Bromid gestartet werden. Das generierte Brom wird nämlich im Verlauf der Reaktion immer wieder zu Bromid reduziert – ein geschlossener Kreislauf mit doppeltem Sicherheitsgewinn. Zudem lassen sich durch diese Vorgehensweise viele unerwünschte Nebenreaktionen und -produkte vermeiden, da über die kontinuierliche Fahrweise und den Anlagenaufbau an sich sehr gut kontrollierte und gleichförmige Prozessbedingungen geboten werden. Das Ergebnis ist ein deutlich sichererer und umweltfreundlicherer Syntheseweg.

Herausforderung: Elektrolyse im explosionsgefährdeten Bereich

Die Umsetzung dieser elektrochemischen Reaktion stellte Boehringer Ingelheim vor besondere sicherheitstechnische Herausforderungen. Bei einer Undichtigkeit entweichen einerseits brennbare Lösemitteldämpfe – das Reaktionsmedium besteht aus organischen Lösemitteln – andererseits fällt bei der Elektrolyse an der Kathode (Reduktionsreaktion) parallel Wasserstoffgas als Abfallprodukt an. Diese Kombination stellt ein klassisches Beispiel für eine explosionsgefährdete Umgebung dar, zumal Wasserstoff mit einem extrem weiten Explosionsbereich von 4 bis 77 Volumenprozent und einer extrem niedrigen Zündenergie von nur etwa 0,02 Millijoule zu den gefährlichsten Stoffen der Explosionsgruppe IIC zählt. Bereits geringste Leckagen können in einem geschlossenen Raum eine zündfähige Atmosphäre erzeugen. Gleichzeitig sind elektrische Komponenten wie Netzteil, Elektrolysezellen, Sensorik und Steuerung potenzielle Zündquellen – sei es durch Funkenbildung oder heiße Oberflächen.

Boehringer Ingelheim plante, den Versuchsaufbau in einem Bereich zu nutzen, der teilweise als Ex-Zone 1 klassifiziert ist – also in einer Umgebung, in der im Normalbetrieb gelegentlich explosionsfähige Atmosphären auftreten können. Um diesen Zielkonflikt zwischen Strom und Chemie im Ex-Bereich zu lösen, musste ein umfassendes Explosionsschutzkonzept erarbeitet werden. Die Ziele lauteten: Vermeidung zündfähiger Atmosphären (primärer Explosionsschutz) und Zündquellen verhindern (sekundärer Explosionsschutz).

Mobilität und Flexibilität: ein Gerät, mehrere Einsatzorte

R. STAHL konzipierte zwei fahrbare Schaltschränke in Ex-p-Ausführung. Der erste Wagen enthält die in HAVANA entwickelten zehn Elektrolyseure mit jeweils integriertem Wärmetauscher, die aus fünf parallelisierten Doppelelektrolysezellen bestehen. Die gewählte Lösung kombiniert zwei bewährte Schutzprinzipien: Eine Stickstoff-Inertisierung und die Überdruckkapselung (Ex p). Dabei wird das Innere der Gehäuse mit leichtem Überdruck gegenüber der Umgebung gehalten, sodass keine zündfähigen Gase oder Dämpfe eindringen können. Vor Inbetriebnahme wird das Gehäuse mit Stickstoff gespült, um restliche Sauerstoff- und Lösemitteldämpfe zu entfernen.

Ein besonderes Augenmerk galt dem Wasserstoff: Aufgrund seiner Diffusionseigenschaften kann das kleine Molekül selbst durch Dichtungen entweichen, was über die Zeit zu einer respektablen Konzentration im geschlossenen Gehäuse hätte führen können. Dies war ohne eine entsprechende Kapselung weder vorab messbar noch simulierbar. Deshalb wurde als zusätzliches Sicherheitsfeature ein Gaswarngerät installiert, welches beim nicht inertisierten Versuchsbetrieb im Labormaßstab außerhalb des Ex-Bereichs genutzt werden kann. Ein Sensor überwacht kontinuierlich die Gaszusammensetzung im Inneren. Bei Überschreitung der unteren Explosionsgrenze (UEG) wird das System automatisch abgeschaltet und eine integrierte Blitzleuchte löst einen optischen Alarm aus. Zehn in die Elektrolyseure integrierte Temperaturmessstellen mit digitalen Anzeigen ermöglichen darüber hinaus die genaue Überwachung des Prozesses. Ein Sichtfenster erlaubt zusätzlich eine direkte visuelle Kontrolle.

Der zweite Wagen beinhaltet ein Hochstromnetzteil, das bis zu 120 A Gleichstrom bereitstellt. Ausgangsspannung und Strom werden über zwei Potentiometer geregelt und durch einen Schlüsselschalter ergänzt. Dieser erlaubt die finale Spannungsfreigabe nur bei aktivierter Sicherheitslogik.

Beide Schaltschränke sind für den Einsatz in der Ex-Zone 1 ausgelegt und erfüllen die Anforderungen der Gasgruppe IIC, zu der unter anderem auch Wasserstoff gehört. Im Inneren der Schränke wurden nahezu alle Komponenten in explosionsgeschützter Ausführung (Ex d/Ex e) realisiert – von Temperaturfühlern über Druckwächter bis zu Klemmenleisten. Das Freigaberelais wurde in ein druckfestes Ex-d-Gehäuse integriert, das im Fall eines Funkens oder Lichtbogens die Flamme zuverlässig zurückhält. Für die Kabelführung kamen gasdichte Dichteinsätze (MCT) und Ex-zertifizierte Verschraubungen mit Zugentlastung zum Einsatz.

Die mobile Ausführung ermöglicht eine flexible Positionierung der Einheiten im Labor – auch außerhalb klassifizierter Ex-Zonen. Im Bypass-Betrieb können Versuchsanordnungen getestet werden, ohne dass der Schutz aufgegeben wird. Die Logik der Freigabekette sorgt dafür, dass eine Spannungsfreigabe nur bei korrekter Spülung, negativem Gasalarm und aktiviertem Schlüsselschalter erfolgt.

Das Projekt wurde in enger Abstimmung zwischen Boehringer Ingelheim, dem technischen Vertrieb und dem Entwicklungsteam von R. STAHL realisiert. Durch die frühzeitige Einbindung und transparente Kommunikation konnten auch später geäußerte Kundenwünsche, wie etwa ein zusätzliches Sichtfenster oder ein Wasserstoffsensor, problemlos integriert werden.

Neue Synthese- und Elektrolyseverfahren möglich

Die Ex-p-Lösung ermöglicht es Boehringer Ingelheim erstmals, auch elektrochemische Prozesse mit hoher Stromdichte sicher im Technikumsmaßstab zu betreiben. Dies ebnet den Weg für neue Syntheseverfahren, die sowohl nachhaltiger als auch sicherer sind. Das gewählte Explosionsschutz-Konzept kann prinzipiell auch auf andere elektrochemische Systeme übertragen werden.

Fazit: Explosionsschutz macht den neuen Prozess beherrschbar

Das Projekt zeigt eindrucksvoll, wie moderne Sicherheitstechnik Innovation in der Chemie ermöglichen kann. Die Kombination aus Überdruckkapselung, Gasüberwachung und intelligenter Steuerung erlaubt es, auch riskante Prozesse beherrschbar zu machen.

Für weiterführende Informationen zur Elektrochemie, siehe Literaturverweise:

D. Nater, R. Zhao, J. Rocker, C. Boche, D. Yun, B. Werner, P. Löb, A. Ziogas, S. R. Waldvogel, Hectogram-Scale Synthesis of Carbamates using Electrochemical Hofmann Rearrangement in Flow, Org. Process Res. Dev. 2025, 29, 2370–2377. [DOI: 10.1021/acs.oprd.5c00234].

D. F. Nater, P. Hendriks, S. R. Waldvogel, Electrochemical Hofmann Rearrangement at High Current Densities in a Simple Flow Setup, Mol. Catal., 2024, 554, 113823. [DOI: 10.1016/j.mcat.2024.113823]