Mikroverfahrenstechnik Die Ausbeute steigern

Redakteur: Redaktion PROCESS

Mit dem Reaktor des Forschungszentrums Karlsruhe konnten bei DSM Fine Chemicals innerhalb von zehn Wochen über 300 Tonnen eines hochwertigen Produktes für die Kunststoffindustrie erzeugt werden. Gegenüber herkömmlichen Verfahren wurde dabei die Produktausbeute und die Prozesssicherheit wesentlich gesteigert.

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Mit dem Reaktor des Forschungszentrums Karlsruhe konnten bei DSM Fine Chemicals innerhalb von zehn Wochen über 300 Tonnen eines hochwertigen Produktes für die Kunststoffindustrie erzeugt werden. Gegenüber herkömmlichen Verfahren wurde dabei die Produktausbeute und die Prozesssicherheit wesentlich gesteigert.

Mikrostrukturierte Apparate werden die chemische Verfahrenstechnik revolutionieren, wenn sie ihre Praxistauglichkeit in der Produktion bei industrierelevanten Durchsätzen unter Beweis stellen können. Dem Forschungszentrum Karlsruhe ist gemeinsam mit seinem Industriepartner DSM Fine Chemicals ein entscheidender Schritt in diese Richtung gelungen: Während einer zehnwöchigen Produktionskampagne wurden mit einem Hochleistungs-Mikroreaktor über 300 Tonnen eines hochwertigen Produktes der Kunststoffindustrie erzeugt. Das zentrale Element der neuartigen Produktionsanlage ist ein aus einer speziellen Nickel-Legierung gefertigter Mikroreaktor, der 65 cm lang sowie 290 Kilogramm schwer ist und einen Durchsatz von 1700 Kilogramm flüssigen Chemikalien pro Stunde ermöglicht.

„Die Vorsilbe ‘Mikro’ bezieht sich auf das Innenleben des Reaktors: In Mikrovermischern werden die chemischen Substanzen zusammengeführt und anschließend in mehreren Zehntausend Mikrokanälen zur Reaktion gebracht. Die bei der chemischen Reaktion entstehende Wärme wird in Sekundenschnelle ebenfalls über Mikrokanäle abgeführt“, erläutert Dr. Klaus Schubert, Leiter des Instituts für Mikroverfahrenstechnik des Forschungszentrums Karlsruhe FZK. „Der Mikroreaktor bewältigt so mehrere 100 Kilowatt Wärmeleistung und zählt zur Weltspitze bei den Entwicklungsarbeiten in der Mikroverfahrenstechnik.“

Erwartungen wurden erfüllt

Der Mikroreaktor ersetzt bei DSM einen zentralen Reaktionsschritt, der vorher in einem riesigen Rührkessel mit einer Mischung von mehreren Tausend Kilogramm toxischen und korrosiven Chemikalien erfolgte. „Im Vergleich zu unserer bisherigen reinen Rührkesselproduktion hat der Karlsruher Mikroreaktor die Produktausbeute wesentlich gesteigert“, so Dr. Peter Pöchlauer, Projektleiter bei DSM Fine Chemicals in Linz, Österreich. „Wir konnten den Rohstoffverbrauch und die Abfallströme entsprechend senken, was der Wirtschaftlichkeit und der Umwelt zugute kommt.

Außerdem wurde durch den Mikroreaktor die Prozesssicherheit erhöht. Mit diesen Ergebnissen wurden unsere Erwartungen mehr als erfüllt.“ Entscheidend für den Erfolg war, dass es dem Institut für Mikroverfahrenstechnik des Forschungszentrums gelungen ist, einen Labor-Mikroreaktor mit einem Durchsatz von einem Kilogramm pro Stunde um den Faktor 1700 hoch zu skalieren. Mit diesem Produktionsreaktor konnte DSM auf Anhieb die gleichen guten Ergebnisse wie zuvor mit einem Laborreaktor erreichent.

Die Mikroverfahrenstechnik, bei der chemische und physikalische Prozesse in Mikrokanälen von Mikroapparaten geführt werden, hat in den letzten Jahren ein stetig gestiegenes Interesse in der Fachwelt gefunden. Insbesondere bei der industriellen Produktion im Chemie-, Pharma- und Konsumgüter-Bereich bietet der Einsatz von mikrostrukturierten Reaktoren viele Vorteile: Die gewünschten Reaktionen können schneller, preiswerter und umweltverträglicher als in herkömmlichen Anlagen durchgeführt werden; gefährliche Reaktionen sind viel besser beherrschbar.

Die Stärken der Mikrostrukturreaktoren sind in ihrem Inneren verborgen: Die chemischen Prozesse laufen in zehntausenden von Misch- und Strömungskanälen ab, die typische Abmessungen im Bereich von einigen hundert Mikrometern haben. Zahlreiche Universitäten, wissenschaftliche Organisationen und Industriefirmen forschen auf diesem zukunftsträchtigen Gebiet.

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