Die Mikroverfahrenstechnik eröffnet völlig neue Wege für die ökonomische und ökologische Entwicklung innovativer und intensivierter Prozesse und Produkte. Sie bietet für viele Prozesse eine elegante Möglichkeit, vom klassischen Batch-Prozess auf einen kontinuierlichen Prozess umzusteigen. cav-Redakteur Dr. Bernd Rademacher befragte Dr. Olaf J. Stange, Geschäftsführer der Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH, zu den Vorteilen und der Zukunft der Mikroverfahrenstechnik.
cav: Herr Stange, in der Broschüre von Ehrfeld Mikrotechnik BTS steht: „Die Mikroverfahrenstechnik eröffnet der chemischen und pharmazeutischen Industrie neue Wege.“ Wie muss man dies verstehen?
Stange: Die Idee, die hinter der Mikroverfahrenstechnik steht, lässt sich am besten mit drei Attributen beschreiben: schnell, flexibel und effizient. Der Begriff „schnell“ umschreibt den Prozess, von der Idee zum fertigen Produkt zu gelangen. Standardisierte mikrostrukturierte Prozessmodule ermöglichen dabei eine leichte und schnelle Maßstabvergrößerung. Der Begriff „flexibel“ definiert die daraus resultierenden, kontinuierlich betriebenen, modularen Anlagen bzw. Produktionsstraßen, die eine kurze Reaktionszeit und Kapazitätsanpassung bei optimierter Vorratshaltung erlauben. Diese Modularität ermöglicht eine hohe Flexibilität für Produktentwicklung und Kapazitätsanpassungen in Bezug auf Marktschwankungen und den Produktlebenszyklus. Und „effizient“ bezieht sich auf die damit zu generierenden Resultate, sei es in der optimalen Ausnutzung der Ressourcen, der zur Verfügung stehenden Zeit oder Energien. Zusammengefasst bedeutet dies, dass sie kontinuierliche Produktionsanlagen bauen, die neue Syntheserouten bzw. höhere Ausbeuten und erhöhte Sicherheit liefern und in denen der Übergang vom Labor in die Produktion sehr einfach und standardisiert abläuft.
cav: Welches sind die grundlegenden Vorteile der Mikroverfahrenstechnik gegenüber den klassischen Synthesewegen?
Stange: Durch das sehr große Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis lassen sich Wärmetransportvorgänge deutlich intensivieren. Mikroreaktoren sind aus diesem Grund optimal geeignet für sehr schnelle und stark exotherme oder endotherme Reaktionen, z. B. zum Verhindern von Hot-Spots bei homogenen oder heterogenen Reaktionen. Viele Reaktionen werden erst durch die Miniaturisierung beherrschbar. Auch Stofftransportvorgänge lassen sich durch Verkleinerung der charakteristischen Dimensionen deutlich verbessern. Mischgeschwindigkeiten liegen in Mikromischern zum Teil um Zehnerpotenzen höher als in konventionellen Apparaten und die Mischstrecken reduzieren sich auf wenige Millimeter. Ein weiterer Vorteil von mikrostrukturierten Apparaten ist, dass sich Prozessparameter besser kontrollieren und einstellen lassen. Hierdurch kann nicht nur die Ausbeute, sondern auch die Sicherheit gesteigert werden. Zudem können die Aufbereitungskosten durch z. B. eine lösemittelfreie Produktion deutlich gesenkt und die Abfallmengen aufgrund des geringen Hold-ups in kontinuierlich betriebenen Mikroreaktionsanlagen bei An- und Abfahrvorgängen, Produktwechseln und eventuellen Produktionsstörungen deutlich verringert werden.
cav: Was kann man mit mikroverfahrenstechnischen Verfahren aus heutiger Sicht alles anstellen? Wo liegen die Grenzen?
Stange: Mit der Mikroverfahrenstechnik lassen sich sehr viele verfahrenstechnische Operationen realisieren, sei es die optimale Kontrolle von exothermen und gefährlichen Reaktionen durch präzise Temperaturkontrolle, das schonende Verdampfen von Edukten und Produkten, das effektive Vermischen z. B. für Emulsionen oder auch das Herstellen von Nano- und Mikropartikeln. Aber auch durchaus etwas exotische Bereiche wie z. B. photochemische Prozesse lassen sich exzellent in Mikroreaktoren durchführen und eröffnen neue Perspektiven. Wie bei jeder Technologie gibt es in der Mikroverfahrenstechnik auch Grenzen, insbesondere liegen diese natürlich in den Dimensionen begründet. So sollte immer ein Augenmerk auf mögliche Verstopfungsneigung gelegt werden. Aus diesem Grund bauen wir unsere Apparate stets zerlegbar, sodass eine Reinigung einfach möglich ist. Zum anderen sind Verweilzeiten immer ein Punkt, der genau betrachtet werden sollte. Bei mikroverfahrenstechnischen Prozessen handelt es sich um kontinuierliche Prozesse, sodass Verweilzeit immer eine Frage des zur Verfügung stehenden Reaktionsvolumens ist, das kontinuierlich durchströmt wird. Sehr lange Reaktionszeiten und daher sehr lange Verweilzeiten lassen sich im Produktionsmaßstab nur schwer realisieren. Aber in vielen Fällen lässt sich in der Mikroverfahrenstechnik die Reaktionsgeschwindigkeit durch Temperaturerhöhung steigern und somit die Reaktionszeiten deutlich senken. Dies ist aufgrund der exzellenten Temperaturkontrolle in der Mikroverfahrenstechnik ein großer Vorteil dieser Technologie.
cav: Mit Numbering-up und Equaling-up lässt sich der Sprung aus dem Labor in die Produktion vollziehen. Was versteht man darunter und wie funktioniert das Scale-up einer mikroverfahrenstechnischen Anlage?
Stange: Numbering-up beschreibt das Parallelisieren von identischen mikroverfahrenstechnischen Anlagen bzw. Anlagenkomponenten, um die Produktionsleistung einer Labor- bzw. Produktionsanlage zu multiplizieren. Equaling-up beschreibt hingegen die Erhöhung der Anzahl der identischen Mikrostrukturen in einem mikroverfahrenstechnischen Modul. Hierbei werden Mikrostrukturen in einem Apparat multipliziert, um den Durchsatz durch ein Modul zu steigern. Beide Methoden werden für das Scale-up von mikroverfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt. Das Parallelisieren von Anlagen eignet sich insbesondere für ein sehr schnelles Scale-up bei niedrigen Produktionsmengen. Das Equaling-up wird meistens dann eingesetzt, wenn mit einer Produktionslinie größere Mengen hergestellt werden sollen, wobei man diese Anlagen dann auch wieder parallelisieren kann. Der Größe von mikroverfahrenstechnischen Apparaten sind somit keine Grenzen gesetzt, wir realisieren heute mikroverfahrenstechnische Apparate mit einem Durchsatz von mehren 10 000 l/h.
cav: Auf dem Markt gibt es mittlerweile einige ausgereifte mikroverfahrenstechnische Module. Wie ist hier derzeit der Stand der Technik?
Stange: Im Bereich der Mischer und Wärmetauscher bzw. Verweilmodulen ist man heute sicher sehr weit, aber es besteht immer noch Entwicklungsbedarf, insbesondere für sehr hohe Durchsätze. Auch hier sind Lösungen auf dem Markt erhältlich, wie z. B. unsere Miprowa-Technologie als hocheffiziente Wärmetauscher und Reaktoren für Durchsätze bis zu 50 000 l/h. Die Entwicklung schreitet hier sehr schnell voran.
cav: Herr Stange, wenn Sie sich ein mikroverfahrenstechnisches Modul wünschen dürften, welches wäre das?
Stange: Das ist eine interessante und verlockende Frage. Wenn ich mir ein Modul wünschen könnte, wäre dies eines, das Partikel bzw. Feststoffe jeder Größe handhaben kann und zusätzlich die Stofftrennung übernimmt. Dies ist aber mehr eine Umschreibung für die Aufgaben, die in der Mikroverfahrenstechnik am schwierigsten zu lösen sind, nämlich das Partikelhandling und die Stofftrennung. Obwohl man heute schon mikroverfahrenstechnische Module für die Partikelherstellung z. B. für Mikro- und Nanopartikel in der Produktion einsetzt, sind Partikel, die während einer Reaktion auftreten, ab einer bestimmten Größe eine Herausforderung. Ein Modul zur Stofftrennung würde das Portfolio der Mikroverfahrenstechnik komplettieren.
cav: Wo sehen Sie das Potenzial der Mikroverfahrenstechnik in der Zukunft? Hat die klassische Chemieanlage, wie sie an vielen Standorten weltweit steht, ausgedient? Muss der Anlagen- und Apparatebau um seine Existenz fürchten?
Stange: Die Mikroverfahrenstechnik wird ihren Platz sowohl im Labor als auch in der Produktion finden oder hat ihn in einigen Bereichen bereits gefunden. Das Potenzial liegt insbesondere in der sehr schnellen, effizienten und extrem flexiblen Realisierung von Anlagen und Prozessen. Der Trend von Batch- zu Kontianlagen wird anhalten und die Geschwindigkeit, mit der Produkte nach Kundenwünschen realisiert werden müssen, verlangt nach einer Technologie, die es ermöglicht, die Zeit bis zur Produktbereitstellung deutlich zu reduzieren. Hier spielt die Mikroverfahrenstechnik eine große Rolle. Aber auch die erhöhte Sicherheit aufgrund des geringeren Hold-ups bei exothermen oder gefährlichen Reaktionen bietet ein großes Potenzial für die Mikroverfahrenstechnik.
Selbstverständlich hat dabei die klassische Chemieanlage nicht ausgedient. Diese werden weiterhin in vielen Fällen eine gute Lösung sein, aber die Mikroverfahrenstechnik ist eine hervorragende Ergänzung der bestehenden Möglichkeiten. Hier braucht auch kein Anlagen- und Apparatebauer um seine Existenz zu fürchten, denn auch Mikroreaktionsanlagen müssen geplant und realisiert werden. Mikroverfahrenstechnische Lösungen erweitern hier eher das Portfolio von innovativen Anlagenbauern.
cav: Klein macht mobil. Welche Auswirkungen wird die Miniaturisierung von Chemieanlagen hinsichtlich Mobilität und Produktionsanpassung haben? Werden weiterverarbeitende Unternehmen ihre Chemikalien demnächst vor Ort selbst aus dem Koffer produzieren?
Stange: Hier gibt es sicher unterschiedliche Szenarien. Ein Szenario ist, dass kundenspezifische Lösungen beim Kunden bzw. weiterverarbeitenden Unternehmen direkt produziert werden. Insbesondere dann, wenn die Rohstoffe am Standort vorhanden sind. Ein anderes ist die Produktionsanpassung. Ziel ist es dabei, z. B. durch kleine modulare Anlagen schneller mit Produktionskapazitäten am Markt zu sein bzw. die Produktionsmenge an den Bedarf flexibel anzupassen. Dies basiert auf dem Ansatz, dass diese sogenannten „skid mounted units“ schnell, ohne großen Engineeringaufwand kopiert werden können und so die benötigte Kapazität flexibel bereitgestellt werden kann. Ein weiteres Szenario sind Multipurpose-Anlagen auf Basis von mikroverfahrenstechnischen Anlagen. Hierzu werden die benötigten Produktionsmodule an einen Backbone angeschlossen und so verschaltet, dass das entsprechende Produkt produziert werden kann. Ein solches Produktionskonzept wird derzeit im EU-Projekt F³ Factory umgesetzt.
cav: Wird es eine weitere Miniaturisierung geben? Quasi eine Nanoverfahrenstechnik?
Stange: Ich bin der Meinung, man sollte stets nach dem Motto handeln, so klein wie nötig und nicht so klein wie möglich. Für die Produktion von Chemikalien haben wir sicher das Limit erreicht. In der Medizin kann ich mir aber durchaus Systeme vorstellen, die in den Körper eingeschleust werden und hier wie „Nanoreaktionsapparate“ funktionieren. Schließlich ist jede Zelle eine kleine Chemieanlage im Mikromaßstab.
cav: Mit der Achema steht die weltgrößte Leistungsschau der Prozesstechnik vor der Tür. Sie sind dort als Aussteller vertreten. Welche Neuheiten präsentieren Sie dort, was bekommt der Besucher zu sehen?
Stange: Die Achema ist für uns eine der wichtigsten Messen weltweit. Wir werden daher an zwei Ständen vertreten sein. Am Stand in Halle 9.1, gemeinsam mit unserer Muttergesellschaft Bayer Technology Services, planen wir Neuheiten zum Thema Downstreamprocessing, insbesondere für die Trennung von Stoffgemischen in der Mikroverfahrenstechnik auszustellen. An unserem zweiten Stand in Halle 6.3 wird der Schwerpunkt auf den Neuheiten für das Modulare Mikroreaktionssystem und das Scale-up vom Labor in die Produktion liegen. Hier sind insbesondere unsere neuen hocheffizienten Wärmetauscher und Reaktoren für die Produktion und die Neuheiten für das Modulare Mikroreaktionssystem, wie zum Beispiel Photoreaktoren und Sensoren, zu nennen. Zudem werden wir im Kongressprogramm mit zwei Vorträgen zu den Neuheiten vertreten sein.
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„Die klassische Chemieanlage hat noch nicht ausgedient. Die Mikroverfahrenstechnik ist eine hervorragende Ergänzung der bestehenden Möglichkeiten.“
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