Anlagen-/Apparatebau/Thermische Verfahren Macht die Chemie schneller

Redakteur: Redaktion PROCESS

Dank ihrer großen spezifischen Oberflächen sind mikroverfahrenstechnische Anlagen hinsichtlich des Stoff- und Wärmetransports meist deutlich effizienter als konventionelle Technik. Konkret bedeutet das: Höhere Selektivitäten, größere Ausbeuten und mehr Sicherheit bei schnellen exothermen Reaktionen. Soweit die Theorie. Wie die Umsetzung in der Praxis ausschaut, das zeigte ein Info-Tag „Industrieller Einsatz der Mikroverfahrenstechnik“ bei der Dechema.

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Dank ihrer großen spezifischen Oberflächen sind mikroverfahrenstechnische Anlagen hinsichtlich des Stoff- und Wärmetransports meist deutlich effizienter als konventionelle Technik. Konkret bedeutet das: Höhere Selektivitäten, größere Ausbeuten und mehr Sicherheit bei schnellen exothermen Reaktionen. Soweit die Theorie. Wie die Umsetzung in der Praxis ausschaut, das zeigte ein Info-Tag „Industrieller Einsatz der Mikroverfahrenstechnik“ bei der Dechema.

Die Bezeichnung Mikroverfahrenstechnik suggeriert beinahe zwangsläufig, dass man sich die entsprechenden Komponenten als eher klein vorstellt. Und viele der frühen Entwicklungen sehen ja auch tatsächlich putzig aus. Dennoch führt diese Vorstellung in die Irre, wie Dr. Steffen Schirrmeister von Uhde ausführte: Er stellte klar, dass tatsächlich nur in den relevanten reaktionskritischen Bereichen Mikroeffekte erforderlich seien - ansonsten könne beispielsweise ein Reaktor insgesamt durchaus im Meterbereich dimensioniert sein. Auch die Zu- und Ableitungen haben dann die gewohnten Dimensionen.

Und auch der Durchsatz erreicht übliche Dimensionen: Dr. Hieng Kim stellte beispielsweise einen bei Clariant entwickelten Vortex-Mischer vor. Die Vermischung erfolgt in gewünschter Weise aufgrund von Mikroeffekten, doch bleibt der Durchsatz mit 15000 Kilogramm/pro Stunde sehr hoch.

Vinylacetat-AnlageDie Umsetzung der Mikroreaktionstechnik in die industrielle Praxis stellt dennoch weiterhin eine beträchtliche Hürde dar: Die Kunst besteht darin, die Mikrostrukturen im großen Maßstab kostengünstig zu fertigen und zu Reaktoren zu fügen, die industriell typische Kapazitäten aufweisen. Auf großes Interesse stieß denn auch der Bericht über das gemeinsame Projekt von Degussa und Uhde zur Entwicklung eines Produktions-Mikrostrukturreaktors für Gasphasensynthesen. Dieser soll den Investitionsbedarf für ein Gesamtverfahren zur Herstellung von Vinylacetat und die entsprechenden Betriebskosten deutlich herabsetzen.

Vinylacetat, eine Basischemikalie für Kunststoffe, Farben und Klebstoffe, wird bereits seit Jahrzehnten durch oxidative Kupplung von Essigsäure und Ethylen in Rohrbündelreaktoren hergestellt. Der Markt für Vinylacetat hat ein Jahresvolumen von etwa fünf Millionen Tonnen und wächst durchschnittlich um drei Prozent pro Jahr. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch eine deutliche Exothermie.

Dabei führt das limitierte Oberflächen-Volumen-Verhältnis des Rohrbündelreaktors insbesondere bei den angestrebten hohen Raum-Zeit-Ausbeuten zu lokalen Temperaturerhöhungen von bis zu 100 Kelvin und damit zu Einbußen bei der Selektivität und zu einer vorzeitigen Alterung des Katalysators.

Ein weiterer Nachteil des Rohrbündelreaktors ist der immense Aufwand, um den Katalysator einzufüllen. Ist ein Katalysatorwechsel erforderlich, kann die Produktion bis zu vier Wochen lang still stehen. Durch das gemeinsame Projekt soll sich dies ändern: Ziel ist die Entwicklung eines für die industrielle Produktion einsetzbaren Mikrostrukturreaktors, der den Investitionsbedarf für ein Gesamtverfahren um mehr als zehn Prozent und die Betriebskosten um mehrere Prozentpunkte senken soll. Damit ließe sich ein beachtliches Einsparpotenzial realisieren: Bei einer Produktionsanlage mit beispielsweise 150 000 Tonnen Jahreskapazität reduzieren sich so die laufenden Belastungen aus Abschreibungen und Betriebskosten um mehr als drei Millionen Euro pro Jahr.

Vorteile bei der Selektivität

Basis der Mikroreaktortechnik und auch der Prozessintensivierung ist die kontinuierliche Prozessführung. Diese sei stets kostengünstiger als die absatzweise Produktion, wie Dr. Thomas Schwalbe von Micro-Reactor-Systems referierte. Nicht nur das: Der Wechsel von der Batch- zur kontinuierlichen Produktion bringe zudem Qualitäts- und Umweltvorteile. Besonders beeindruckend sei, wie gravierend sich die Durchlaufzeit eines Ausgangsstoffes in das Endprodukt verringert; viele nicht wertschöpfende Schritte werden vermieden. Schwalbe: „Die Mikroreaktionstechnik macht die Chemie ganz einfach schneller.“ In jedem größeren Unternehmen der Chemie und Pharmazie gebe es heute Ansätze zum Einsatz der Mikroverfahrenstechnik, war in Frankfurt zu hören.

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Und das zum Teil bereits recht lange: Schon vor einem Jahrzehnt begann z.B. Merck, sich mit den Einsatzmöglichkeiten und Chancen der Mikroreaktionstechnik auseinanderzusetzen, wie Dr. Michael Häberl vortrug: „Ab 1999 war eine mit Mikroreaktoren ausgestattete Produktionsanlage in Betrieb.“ Inzwischen habe sich die Mikroreaktionstechnik als ein Standardinstrument der Verfahrensentwicklung etabliert. Voraussetzung dafür war die Entwicklung von modular aufgebauten und hochflexibel einsetzbaren Einheiten, die - an die jeweilige Aufgabenstellung angepasst - mit geringer Vorbereitungszeit in Entwicklungs- und Forschungslaboren zum Einsatz kommen.

Um bei Entwicklungsprojekten eine ökonomische Bewertung des Einsatzes von Mikroreaktionstechnik zu erreichen, könne anhand der Potenzialtheorie das wirtschaftlich realisierbare Einsparpotenzial durch den Einsatz von Mikroreaktionstechnik bestimmt werden. Häberl: „So lässt sich etwa bei einer Beispielreaktion zeigen, dass hier durch Mikroreaktionstechnik die Entwicklungskosten gegenüber der konventionellen Batch-Entwicklung auf bis zu ein Drittel reduziert werden können.“

Als weiteren Vorteil führt Häberl an, dass signifikant weniger Stoffe nötig sind. Während man für die Reaktion in einem herkömmlichen Batch-Reaktor etwa 50 Kilogramm zur Verfügung haben müsse, reiche bei der Mikroverfahrenstechnik meist ein Kilogramm aus - bei sehr teuren Edukten natürlich ein wesentlicher Vorteil.

Ausschuss reduzieren

Dr. Dominique Roberge von Lonza sieht in der pharmazeutischen Produktion ein interessantes Einsatzpotenzial für kontinuierlich betriebene Mikroreaktoren. Hintergrund: fünf bis zehn Prozent der Produktion entsprächen regelmäßig nicht den Spezifikationen und müssten entweder kostenaufwändig aufbereitet oder verworfen werden. Roberge zufolge könne die Mikroreaktionstechnik hier eine Problemlösung bieten - aufgrund der gezielteren Temperatur und Strömungsführung und einer besseren Vermischung könnten Produktspezifikationen exakter eingehalten werden.

Dr. Kai Lovis von Schering bestätigte mit der Vorstellung von bereits realisierten Mikroverfahrenstechnik-Projekten diese Erwartungen. Das Unternehmen hat praktische Erfahrungen gesammelt bei:

  • Reaktionen unter extremen Bedingungen (Hoch-/Tieftemperatur-Reaktionen);
  • Gas/Flüssig-Reaktionen (Reaktionen mit Reaktivbegasung wie z.B. Ozonolyse; Reaktionen unter starker Gasfreisetzung);
  • Reaktionen nahe den Zersetzungsbedingungen;
  • Reaktionen mit toxischen Substanzen.

Im Falle einer Tieftemperatur-Ozonolyse gelang es beispielsweise, das Kleinmengen-Produktionsverfahren eines Steroids vom Batch-Betrieb zunächst mithilfe eines Mikrofallfilmreaktors auf kontinuierliche Reaktionsführung unter milden Bedingungen bei gleicher Qualität umzustellen. Ein Scale-up gelang mit Hilfe eines größeren Fallfilmreaktors. Für sicherheitstechnisch schwierige Reaktonen mit großer Gasfreisetzung steht ein kontinuierlich betriebener Rührkessel zur Verfügung.

Als Fazit der Veranstaltung bleibt festzuhalten: Die Mikroverfahrenstechnik hat über den wirkungsvollen Einsatz als Werkzeug der Prozessentwicklung und Prozessoptimierung hinaus bewiesen, dass sie auch im industriellen Produktionsumfeld eine effiziente Alternative zu konventionellen Verfahren darstellen kann.

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