Kundenspezifische Messgeräte ebnen den Weg für bahnbrechende Erkenntnisse
Wissenschaftler am UCL erforschen mit einem maßgeschneiderten GC-System neue Grenzen in der chemischen Technik
Dr. Han Wu, Dr. Nidhi Kapil, UCL Centre for Nature Inspired Engineering, London
Der Bedarf an umweltfreundlicheren Prozessen für die Herstellung von Grundchemikalien und Brennstoffen sowie der Wunsch, Industrieabgase wie CO2 zu recyceln, bilden die Grundlage für ein vollkommen neues Forschungsgebiet im Bereich innovativer chemischer Prozesse. Ein Wegbereiter auf diesem Gebiet ist das Centre for Nature Inspired Engineering (CNIE) am University College London (UCL). Wir sprachen mit zwei Wissenschaftlerinnen des CNIE über die Wichtigkeit der Messgeräte für diese Forschung und über die besondere Rolle der kundenspezifischen Gaschromatographie-Systeme (GC) von Shimadzu.
Eine Leidenschaft für Messgeräte
Der wissenschaftliche Fortschritt, so sagt man, hänge von der Leistungsfähigkeit der Messgeräte ab. Dass das zutrifft, weiß kaum jemand besser als Dr. Han Wu vom Centre for Nature Inspired Engineering (CNIE) der Fakultät für Chemietechnik am University College London (UCL).
Seit 2018 leitet Dr. Wu das Labor für das CNIE und die gesamte Fakultät für Chemietechnik. In dieser Position verantwortet sie den Einkauf und die Wartung zahlreicher Messgeräte, darunter mehr als zehn Gaschromatographen (GC) und Hochleistungsflüssigkeitschromatographen (HPLC), die für viele Forschungsprojekte unverzichtbar sind. Daher weiß sie genau, wie entscheidend die Leistungsfähigkeit der Geräte für den Forschungserfolg ist.
Schon früh interessierte sich Dr. Wu für Messgeräte. Als Doktorandin an der Universität Sheffield beschäftigte sie sich mit Polymorphismus in pharmazeutischen Materialien und nutzte verschiedene Analyseverfahren wie Synchrotron-Röntgenbeugung, HPLC, thermogravimetrische Analyse, dynamische Differenzkalorimetrie, Raman-Spektroskopie und viele mehr. „Dadurch erkannte ich nicht nur, wie effektiv analytische Verfahren sind“, sagt sie heute. „Mir wurde auch bewusst, wie groß der Unterschied zwischen der Erfassung verlässlicher Daten in der Praxis und den idealisierten Szenarien in den Lehrbüchern ist!“ Bei ihrer Forschungsarbeit wurde sie vom technischen Personal der Universität Sheffield und der Synchrotronanlage unterstützt: „Wir sprachen häufig über meine Arbeit und ich ließ mich zum bestmöglichen Einsatz der Messgeräte beraten. Dadurch lernte ich das Fachwissen der technischen Mitarbeiter sehr zu schätzen.“
Diese Erfahrung erwies sich als Wendepunkt in ihrer Karriere. „Die Forschung war zwar meine Leidenschaft und ich setzte diesen Weg als letzte Postdoktorandin von Prof. Alan Jones am UCL fort. Ich stellte aber auch fest, wie viel Spaß es mir macht, andere Wissenschaftler bei ihrer Forschungsarbeit zu unterstützen. Als eine Stelle als Research Technician am CNIE ausgeschrieben wurde, bewarb ich mich deshalb sofort!“
Die Rolle chromatographischer Systeme am CNIE
Die erste Anschaffung von Dr. Wu in ihrer neuen Position war die erste Anlage für Röntgenstreuung mit kleinem Einfallswinkel am UCL. Seitdem haben sich ihr Aufgabenbereich und ihre Expertise erheblich erweitert. Heute wird sie von einem Team aus drei Technikern unterstützt, die unter anderem sieben Chromatographie-Systeme von Shimadzu betreuen. Diese Geräte sind zwar in den Forschungslabors untergebracht, wo sie am häufigsten genutzt werden, aber Dr. Wu betont, dass die meisten davon auch anderen Forschern zur Verfügung gestellt werden: „Um die Geräte bestmöglich auszunutzen, lohnt es sich, sie bei Bedarf zugänglich zu machen, denn selbstverständlich werden LC und GC für die Analyse aller möglichen chemischen Reaktionen benötigt.“
Zu den Shimadzu Systemen gehören zwei GC-MS/FID, ein GC-System mit reiner Flüssiginjektion und einem Autosampler für 150 Proben, ein neu installiertes GC-System mit BID-Detektor und zwei GC-FID/TCD-Online-Systeme. Am CNIE werden diese GC-Systeme und andere Geräte für Projekte genutzt, die sich bei der Entwicklung von Lösungen für große chemietechnische Herausforderungen von der Natur inspirieren lassen – zum Beispiel Brennstoffzellen nach dem Vorbild der menschlichen Lunge, hierarchisch strukturierte Katalysatoren, selbst heilende Materialien und nanoporöse Katalysatoren, die die Confinement-Effekte biologischer Systeme nachahmen.
Ein nachhaltigerer Weg zu Propylenoxid
Gerade zum zuletzt genannten Projekt ist in jüngster Zeit sehr viel publiziert worden – dank der Arbeit von Dr. Nidhi Kapil, die vor Kurzem bei Prof. Marc-Olivier Coppens, dem Gründungsdirektor des CNIE, zu diesem Thema promoviert hat. Mit Fördermitteln des saudischen Chemiekonzerns SABIC hat sie mittels des angepassten GC-FID/TCD-Online-Systems die katalytische Oxidation von Propylen zur Grundchemikalie Propylenoxid untersucht. Ziel ist es, nachhaltigere Alternativen zu den klassischen Chlorohydrin- und Hydroperoxid-Verfahren zu finden, bei denen viele Chemikalienabfälle anfallen.
Dr. Kapil erklärt: „An unserer Reaktion sind lediglich Propylen, Wasserstoff und Sauerstoff sowie ein Inertgas beteiligt. Mithilfe eines Katalysators aus Gold entsteht in einem Festbettreaktor bei 200 °C Propylenoxid und Wasser. Das Potenzial für eine umweltschonende Herstellung ist also gegeben. Allerdings müssen Katalysatorstabilität und Produktionsertrag noch verbessert werden und das war der Schwerpunkt meiner Untersuchungen.
Ich bin von Anfang an in das Projekt involviert und habe nicht nur die Reaktion verfeinert und den Katalysator optimiert, sondern auch den Reaktor entwickelt. Am Anfang nutzte ich Nano-Katalysatoren und ging anschließend zu Katalysatoren im Meso- und Makromaßstab über, indem ich mir die Eigenschaften von Zeolithen zunutze machte.“
Feinabstimmung des angepassten GC-Online-Systems
Bei einem Online-System mussten Aufbau der Messgeräte und Design des Reaktors Hand in Hand gehen. Dr. Kapil erklärt, wie das System aufgebaut ist: „Grundsätzlich haben wir Wasserstoff, Sauerstoff und Propylenoxidgase, die in etwa gleichen Anteilen in Stickstoff gemischt sind, das als Inertgas wichtige Sicherheitsanforderungen erfüllt. Diese strömen durch das Quarz-Reaktionsrohr im Reaktor und das System läuft ununterbrochen, wobei die ausströmenden Gase von einem angepassten GC-Online-System überwacht werden.“
Nach Gesprächen mit Dr. Wu stand fest, dass Shimadzu die perfekte Wahl für die Bereitstellung des GC-Systems war. „Wir mussten nicht nur die Reaktanten und Produkte trennen können, sondern auch mehrere Nebenprodukte. Da es sich um ein Online-System handelt, mussten die Säulen zudem effizient arbeiten, um die Messzeit möglichst kurz zu halten. Dr. Wu pflegte bereits ausgezeichnete Beziehungen zu Shimadzu, sodass die Gespräche sofort beginnen konnten.“
Obwohl die Herausforderung enorm war, ließ sich das Team von Shimadzu nicht entmutigen, sagt Dr. Wu: „Nach der Feinabstimmung der Anforderungen und der Auswahl der Hardware-Komponenten entschieden wir uns für den optimalen Aufbau und Shimadzu machte sich an die Arbeit. Letztlich dauerte der gesamte Prozess von Anfang bis Ende nur sechs Monate – alles verlief schnell und reibungslos.“
Dieses kundenspezifische GC-System mit Reaktor nutzte Dr. Kapil für ihre Arbeit zur Propylenoxidation. Das System ist in einem begehbaren Abluftraum untergebracht. Es besteht aus einem GC-2014 und verwendet zwei Säulen. Eine Porapak T-Säule und ein FID werden zur Trennung und Detektion von Propylenoxid, Kohlendioxid, Wasser, Propylen und den sauerstoffhaltigen Nebenprodukten Ethanal, Propanal, Aceton und Acrolein verwendet. Für die Permanentgase Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid kommen eine Molsieve 5A-Säule und ein TCD zum Einsatz. Das Foto zeigt die Bedienelemente für die Reaktorgase (und Stickstoff) oben links, den Reaktor selbst rechts und den GC in der Mitte.
Effiziente Analyse, eindrucksvolle Ergebnisse
Laut Dr. Kapil erfüllte das Messgerät während ihres gesamten Promotionsstudiums alle Anforderungen: „Alles lief perfekt“, erzählt sie. So konnte sie sich dem Hauptziel ihres Ph.D. widmen: der Erforschung eines effizienten Wegs zu einem optimierten Katalysator. Die Ergebnisse der eigentlichen Reaktion wurden in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht und sind beeindruckend: Die Lebensdauer des Katalysators konnte auf über 20 Tage verzehnfacht und die Selektivität für Propylenoxid auf knapp 90 % gesteigert werden. Ihre Dissertation wurde von Springer unter dem Titel „Stable supported gold nanoparticle catalyst for environmentally responsible propylene epoxidation“ verlegt.
Besonders beeindruckt war sie von der Robustheit des Systems. „Zunächst ließen wir das System etwa vier Stunden lang laufen. Schließlich konnten wir Durchläufe von bis zu 30 Tagen mit Messungen im Abstand von etwa 40 Minuten durchführen. Dank der hohen Wiederholbarkeit konnten wir die Performance des Katalysators über längere Zeiträume überwachen und dank der Vernetzung hatte ich das System immer im Blick – selbst als ich vier Tage zu einer Konferenz in den USA war.“
Nachweisgrenzen verschieben, Produktivität steigern
Neben dem maßgeschneiderten GC-FID/TCD, den Dr. Kapil nutzte, half Dr. Wu bei der Auswahl und Beschaffung eines GC-Systems mit dem Barrier Ionization Detector (BID) von Shimadzu für die Arbeitsgruppe von Dr. Yang Lan am CNIE. Dieses ermöglicht die Detektion von praktisch jedem Analyten mit deutlich niedrigeren Nachweisgrenzen als herkömmliche Detektoren. Dadurch reicht laut Dr. Wu die Verwendung eines einzigen Detektors für die sehr komplexen Reaktionssysteme anstatt eines Multi-Detektor-Systems aus einem TCD und zwei FID. Geplant ist der Einsatz dieses Systems für zwei Projekte unter der Leitung von Dr. Lan: Eins befasst sich mit der photokatalytischen Reduktion von CO2 und das andere mit der Umwandlung von Methan und Ethan in die entsprechenden Alkohole.
Die hohe Empfindlichkeit bei den ersten Testdurchläufen war beeindruckend: „Im Rahmen des Systemaufbaus injizierten die Forscher das Gas manuell, anstatt es als Online-System laufen zu lassen. Dadurch gerieten gelegentlich winzige Mengen von Luft ins System – und mit dem BID konnten wir Peaks des CO2 in der Luft sehen, die der Konzentration in der Atmosphäre entsprachen. Das führte uns die Leistungsfähigkeit des BID-Detektors vor Augen!“
Ein weiterer Aspekt des Geräts, auf den Dr. Wu verweist, ist der AOC-20 Autosampler, der in einem der GC-Systeme mit Flüssiginjektion im CNIE-Labor installiert ist. „Dieses System wird von verschiedenen Gruppen genutzt und hat sich als sehr praktisch erwiesen“, sagt sie. „Obwohl wir die Kapazität von 150 Proben aktuell nicht ausnutzen, ist es hilfreich, flexibel weitere Proben hinzufügen zu können, die dann über Nacht gemessen werden. Denn das spart Zeit, die unsere Wissenschaftler tagsüber nutzen können, um ihre Online-Systeme zu betreuen oder Proben manuell zu injizieren. Zudem konnten wir Kolleginnen und Kollegen aus anderen Abteilungen schon aushelfen, wenn sie Probleme mit ihrem eigenen GC hatten. Insgesamt können wir effizienter arbeiten und mehr schaffen.”
Persönlicher Service, bahnbrechende Forschung
Auch den persönlichen Service von Shimadzu wissen Dr. Wu und Dr. Kapil zu schätzen. „Als ich 2013 als technische Mitarbeiterin am UCL anfing, war man sich in der Wissenschaft weitgehend einig, dass es keine großen Unterschiede zwischen den einzelnen GC-Anbietern gibt“, sagt Dr. Wu. „Doch nachdem ich die ersten persönlichen Gespräche mit den Herstellern geführt hatte, war mir klar, dass es gerade beim Kundenservice sehr wohl erhebliche Unterschiede gibt – und für mich ist das ein großes Highlight in der Zusammenarbeit mit Shimadzu.“
Dr. Wu verweist auch auf das Training für Studierende am UCL: „Shimadzu bietet spezielle Workshops für unsere Studierenden an, die extrem hilfreich für den Einstieg in die Arbeit mit dem GC sind, da sie sowohl das theoretische Wissen als auch den praktischen Umgang mit verschiedenen Geräten vermitteln. Diese Kurse sind bei unseren Studierenden sehr beliebt, weil sie sehr praxisnah und relevant für ihre Arbeit sind. Tatsächlich fällt mir kein anderer Hersteller ein, der ein solches Engagement an den Tag legt und seinen Kunden solche Angebote kostenlos bereitstellt.”
Diese persönlichen Beziehungen zu den Experten im Unternehmen ist allen am CNIE wichtig, wie Dr. Wu sagt: „Anders als bei vielen anderen Herstellern werde ich nie an einen allgemeinen Kundenservice verwiesen, bei dem ich mein Anliegen jedes Mal einem anderen Servicemitarbeiter erklären muss. Bei Shimadzu habe ich verschiedene Ansprechpartner, die immer gerne ans Telefon gehen, um technische Fragen zu beantworten oder zu besprechen, wie ein bestehendes System angepasst werden kann, um neue Herausforderungen zu lösen.“
„Angesichts des hohes Tempos in der Forschung am UCL werden zukünftig garantiert noch sehr viele neue Ideen entwickelt werden. Die Zusammenarbeit mit Shimadzu wird zweifelsohne viele weitere bahnbrechende Erkenntnisse im Bereich der Chemietechnik in den kommenden Jahren unterstützen!“
Weiterführende Literatur
Publikationen von Dr. Kapil über die katalytische Propylenoxidation:
- N. Kapil, F. Cardinale, T. Weissenberger, P. Trogadas, T.A. Nijhuis, M.M. Nigra and M.-O. Coppens, Gold nanoparticles with tailored size through ligand modification for catalytic applications, Chemical Communications, 2021, 57: 10775–10778, http://doi.org/10.1039/d1cc04165g.
- T. Weissenberger, N. Kapil, P. Trogadas and M.-O. Coppens, One-pot synthesis of hierarchical, micro-macroporous zeolites with encapsulated metal particles as sinter-resistant, bifunctional catalysts, ChemCatChem, 2022, e202200268, http://doi.org/10.1002/cctc.202200268.
- N. Kapil, T. Weissenberger, F. Cardinale, P. Trogadas, T.A. Nijhuis, M.M. Nigra and M.-O. Coppens, Precisely engineered supported gold clusters as a stable catalyst for propylene epoxidation, Angewandte Chemie, International Edition, 2021, 60: 18185–18193, http://doi.org/10.1002/anie.202104952.
Weiterführende Informationen zur Arbeit am UCL mit den GC-Systemen von Shimadzu:
- J. Xie, R. Jin, A. Li, Y. Bi, Q. Ruan, Y. Deng, Y. Zhang, S. Yao, G. Sankar, D. Ma and J. Tang, Highly selective oxidation of methane to methanol at ambient conditions by titanium dioxide-supported iron species, Nature Catalysis, 2018, 1: 889–896, http://doi.org/10.1038/s41929-018-0170-x.
- R. Xu, L. Kang, J. Knossalla, J. Mielby, Q. Wang, B. Wang, J. Feng, G. He, Y. Qin, J. Xie, A.-C. Swertz, Q. He, S. Kegnæs, D.J.L. Brett, F. Schüth and F.R. Wang, Nanoporous carbon: Liquid-free synthesis and geometry-dependent catalytic performance, ACS Nano, 2019, 13: 2463–2472, http://10.1021/acsnano.8b09399.
- Q. Wang, X. Guan, L. Kang, B. Wang, L. Sheng and F.R. Wang, Polyphenylene as an active support for Ru-catalyzed hydrogenolysis of 5‑hydroxymethylfurfural, ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12: 53712−53718, https://doi.org/10.1021/acsami.0c11888.
