Von Batch zu Konti – Strömungschemische Verfahren auf dem Vormarsch

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Technische Universität Dresden LS f.Mechanische Verfahrenstechnik

Zahlreiche Synthesewege lassen sich durch die Anwendung von Katalysatoren günstiger gestalten. Die Forschung zeigt, dass ortsfeste Feststoffkatalysatoren besonders vorteilhaft sind, da der Katalysator nicht mehr aufwändig abgetrennt und rückgeführt werden muss. Aktuell ersetzen miniaturisierte Strömungsreaktoren einzelne Syntheseschritte auf dem Weg zu komplexen Molekülen. Für die kontinuierliche Durchführung von Mehrschrittsynthesen bedarf es Weiterentwicklungen miniaturisierter Trenntechniken und einer stärkeren Modularisierung mit robusten Automatisierungskonzepten. Im Bereich der Entwicklung von Katalysatoren und biotechnologischen Anwendungen hat sich das automatisierte Hochdurchsatz-Screening etabliert. Im Fokus stehen die schnelle Identifizierung von beispielsweise optimalen Katalysatoreigenschaften in Verbindung mit optimalen Reaktionsbedingungen (Druck, Temperatur, Konzentration). Für die Entwicklung von mehrstufigen Syntheseverfahren werden sich analog zum Hochdurchsatz-Screening zunehmend Systeme etablieren, die voll automatisiert mehrere Reaktionsschritte und Trennschritte hinsichtlich optimaler Bedingungen abrastern. Die beschriebenen Entwicklungen bilden heute den Startpunkt für eine zukünftige vollautomatisierte, kontinuierliche Produktion komplexer Moleküle.

Kommerzielle Entwicklungen in der Strömungschemie

Die Vorteile miniaturisierter Strömungsreaktoren sind klar und eröffnen vielen Unternehmen interessante Geschäftsfelder. Komplettsysteme zum Screening liefern beispielsweise die Unternehmen Thalesnano Nanotechnology, Syrris und Uniqsis. Produktionsorientierte Mikrostrukturapparate wie Mischer, Wärmeübertrager und Reaktoren werden am Institut für Mikroverfahrenstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), dem Institut für Mikroverfahrenstechnik Mainz oder der Ehrfeld Mikrotechnik BTS entwickelt und gefertigt. Miniaturisierte Festbettreaktoren bietet unter anderem Parr Instruments (Deutschland) an.

Ein Trend geht zu modularisierten und voll automatisierten Miniplants. Systeme werden beispielsweise von Microinnova Engineering und Sigmar Mothes Hochdrucktechnik angeboten. Langfristig wird die Kopplung mit insitu-Messtechniken die Strömungschemie noch effizienter machen.

Das Innovationslabor µRT.Lab der TU Dresden

Die technischen und wirtschaftlichen Potenziale von miniaturisierten Strömungsreaktoren und Konti-Verfahren werden an der Professur für Chemische Verfahrens- und Anlagentechnik der TU Dresden in einer eigenständigen Arbeitsgruppe intensiv erforscht. Dafür wurde mit Mitteln des BMBF das Innovationslabor „µRT.Lab: Mikroreaktionstechnik für die chemische Industrie“ eingerichtet. Die industrienahen Forschungsarbeiten führen zu vielfältigen Kooperationen mit Anwendern aus der Großindustrie und von KMUs.

Technologische und betriebswirtschaftliche Wünsche aus Anwendersicht werden kontinuierlich erfasst und fließen teilweise in die Forschungsarbeiten ein. Beispielsweise gibt es industrieseitig großen Bedarf für nicht-invasive Inline-Temperaturmesstechnik für Drücke bis 200 bar und Temperaturen bis 350 °C. Ein entwickelter Prototyp ist in der Abbildung 2 dargestellt. Darüber hinaus forscht das Innovationslabor an folgenden Fragestellungen (s. Abb. 1):

Inline-Sensoren für die nicht-invasive Erfassung von Phasengrenzflächen in rauer chemischer Umgebung,

Gleichmäßige Aufteilung von Fluidströmen in miniaturisierten Apparaten,

Entwicklung von integrierten Systemen für das Screening von heterogen katalysierten Flüssigphasenreaktionen und kontinuierliche Produktion von komplexen Molekülen.

* Dr.-Ing T. Bauer: Technische Universität Dresden, Professur für Chemische Verfahrens- und Anlagentechnik, Arbeitsgruppe Chemische Reaktionstechnik, 01062 Dresden

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