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Mikro-Reaktionstechnik und Prozessintensivierung

Prozessintensivierung: Mikro–Reaktor, ganz groß

| Autor / Redakteur: Anne Kaaden, Dr.-Ing. Joachim Heck* / Dominik Stephan

Integration des kontinuierlichen Flow-Reaktors in die bestehende Gebäude-Infrastruktur bei Shaoxing Eastlake in China nahe Shanghai.
Integration des kontinuierlichen Flow-Reaktors in die bestehende Gebäude-Infrastruktur bei Shaoxing Eastlake in China nahe Shanghai. (Bild: Ehrfeld; [M] Beeger)

Bist du aber groß geworden! Bringt Mikro- und Milli-Reaktionstechnik die Prozessintensivierung in Spezialchemie und Pharmazie? – Zu den aktuellen Herausforderungen der Prozessindustrie zählt die Veränderung des Produktportfolios weg von Commodities hin zu kundenspezifischen Spezialitäten. Der Paradigmenwechsel in der prozesstechnischen Produktion vom Batch-Prinzip zum kontinuierlichen Flow-Prozess auf Basis von Mikro- und Millireaktoren bietet in vielen Fällen große Vorteile und zeigt jetzt erste Erfolge im großtechnischen Maßstab.

Die Flow Chemistry oder Mikroreaktionstechnik (MRT) ersetzt den diskontinuierlichen Batch-Prozess durch ein kontinuierliches Verfahren, bei dem Reaktionen in Strukturen mit stark verkleinerter Bauweise stattfinden. Die Hauptkomponenten sind Mischer mit exzellenter Mischgeschwindigkeit und Wärmeübertrager mit hohen Übertragungsleistungen. Hinzu kommt die Infrastruktur wie Sensoren, Ventile, Pumpen oder Analytik.

Auf dem Prüfstand: Flexible Produktion und Modularisierung

Modularisierung

Auf dem Prüfstand: Flexible Produktion und Modularisierung

In der Zukunft soll die chemisch-pharmazeutische Produktion immer flexibler, spezieller und preisgünstiger werden. Das Rezept für die Zukunft heißt Modularisierung. Im Whitepaper haben wir den Trend unter die Lupe genommen und wagen einen Ausblick. weiter...

Mithilfe der Mikroreaktionstechnik können komplexe Reaktionen exakt gesteuert und so die Sicherheit der Produktion erhöht werden. Zudem können die Anlagen kleiner gebaut, mit geringeren Investitionen realisiert und effizienter betrieben werden. Ein besonderer Vorteil liegt in der hohen spezifischen Oberfläche der Mikromodule, hieraus resultieren die sehr guten Wärme- und Stofftransport-Eigenschaften.

Der Beginn der Technologieplattform geht auf das Jahr 1995 zurück, als Prof. Wolfgang Ehrfeld, damals Leiter des Instituts für Mikrotechnik in Mainz, die Frage aufwarf: Wenn das Thema „Mikro“ in der Mikroelektronik zu enormen Leistungssteigerungen und Innovationen geführt hat, warum soll dies nicht auch im Bereich der Prozesstechnologien möglich sein? Er lud Vertreter der chemischen, pharmazeutischen und Automobilindustrie zu einem Industriekonsortium ein, um das Potenzial für die Prozesstechnologie zu prüfen.

Für eine ausgewählte Beispielreaktion, die Andrussow–Reaktion zur Blausäureherstellung in der Gasphase, konnten so signifikant größere Ausbeuten als mit etablierter Technik erzielt werden. Von diesem Tage an übernahm Ehrfeld den Staffelstab als Pionier für diese Technologie.

Vorteile der MRT

1997 fand die erste IMRET, die International Conference on Microreaction Technology, in Frankfurt statt – und markierte den Beginn einer Erfolgsgeschichte, deren vorläufiger Höhepunkt die 14. IMRET 2017 in Peking war. Damit begann im Chemieingenieurwesen und der technischen Chemie das Thema große Wellen zu schlagen.

Viele Firmen und Institute erkannten die Chancen durch die Mikroreaktionstechnologie und die damit verbundene Prozessintensivierung. In Konsequenz wurden erste Testballons der MRT in verschiedenen Entwicklungslabors und Fertigungsstätten der Chemie und der Pharmaindustrie eingesetzt.

Dreamteam Mikro und Module

Mikro und Module

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09.01.13 - Können Mikro-/Millireaktoren einen Beitrag zur modularen Anlage leisten? PROCESS hat Dr.-Ing. Joachim Heck, Geschäftsführer der Ehrfeld Mikrotechnik BTS gefragt. Sind Sie skeptisch? Lassen Sie sich von seinen Antworten überzeugen, dass Mikro und Module ein Dreamteam bilden können. lesen

Flow Chemistry schafft eine grundsätzlich neue Prozessumgebung mit einer besseren Prozesskontrolle und deutlichen Miniaturisierung der reaktiven Volumina. Dabei stehen die bessere Durchmischung und die Temperaturkontrolle mit kaum messbaren Gradienten über das gesamte Reaktionsvolumen im Vordergrund – Bedingungen, die fast unmöglich in einem klassischen Batchreaktor erreicht werden können. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass die Reaktionsparameter besser angepasst werden können, was auf höhere Reinheit, Erträge und Selektivität hinausläuft.

Ergänzendes zum Thema
 
Mikro + Modul = ?

Die kleinen Volumina ermöglichen auch die Ausweitung der physikalischen Prozessbedingungen zu höheren oder tieferen Temperaturen oder Drücken bei einer gleichzeitig sicheren, voll kontrollierten Einheit. Die wichtigsten Vorteile des kontinuierlichen Betriebs in Mikro- und Millireaktoren sind damit:

  • ultraschnelles Vermischen
  • effiziente Wärmeübertragung
  • kurze definierte Verweilzeiten
  • einfache Prozesssteuerung durch geringe Systemträgheit
  • hohe Betriebssicherheit durch minimalen Hold-up
  • kurze Entwicklungszeiten.

Besonders bei schnellen, hochexothermen Reaktionen mit explosiven oder giftigen Substanzen machen sich diese Eigenschaften vorteilhaft bemerkbar; wegen des hohen Sicherheitsrisikos können diese Prozesse in Batchreaktoren oft nur schwer gehandhabt werden.

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