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Minianlage für unterwegs

Baukastensystem für die Mikroverfahrenstechnik ermöglicht eine flexible Anlagengestaltung
Minianlage für unterwegs

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Miniaturisierung liegt im Trend: Während allerdings die einen ihre Märklin-Miniclub-Anlage im Koffer spazieren tragen, gehen die anderen mit ihrer Chemieanlage auf Reisen. Mit dem Modularen Mikro-Reaktionssystem deckt Ehrfeld Mikrotechnik BTS das komplette Einsatzspektrum der Mikroverfahrenstechnik, von der Produktentwicklung bis zur Produktion, für die Bereiche Chemie, Pharma und Life Science ab.

Dr. Olaf J. Stange

Mikrotechnik hat in der Elektronikindustrie längst in unseren Alltag Einzug gehalten. Handys, MP3-Player und Notebooks sind durch die Mikrotechnik erst möglich geworden. Auch in der chemisch-pharmazeutischen Industrie zieht Miniaturisierung ein. So dominieren in Chemielaboren bei Produkt- und Verfahrensentwicklung zurzeit zwar weiterhin Glasapparate und in der Produktion in vielen Bereichen große Rührkessel, aber Miniaturisierung und Flexibilisierung führen zu einer Veränderung dieses Umfelds. So erleichtert und beschleunigt das Modulare Mikro-Reaktionssystem die Entwicklung von der ersten Idee bis zur Produktion dadurch, dass kontinuierlich betriebene Labor- und Pilotanlagen innerhalb von wenigen Stunden aufgebaut und modifiziert werden können. So lassen sich, abgesehen von der Peripherie, komplette Chemieanlagen auf kleinstem Raum unterbringen. In den kleinen Anlagen laufen chemische Synthesen sicherer ab, können besser gesteuert und genauer überwacht werden und liefern so höhere Ausbeuten bei minimiertem Einsatz der Ressourcen.
Prozessintensivierung durch Miniaturisierung kann in vielen Bereichen der chemisch-pharmazeutischen Industrie deutliche Vorteile bringen. So verfügen mikrostrukturierte Apparate im Gegensatz zu konventionellen Apparaten über ein bis zu mehr als 1000-fach höheres Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis. Hierdurch lassen sich Wärmetransportvorgänge deutlich intensivieren. Mikroreaktoren sind somit prädestiniert für sehr schnelle und stark exotherme oder endotherme Reaktionen. Diese können in Mikrowärmetauschern besser kontrolliert werden, wodurch die Gefahr der Ausbildung von Hotspots bei homogenen oder heterogenen Reaktionen in Mikroreaktoren stark vermindert wird. So werden viele Reaktionen erst durch die Miniaturisierung beherrschbar. In konventionellen Reaktoren können starke Temperaturprofile zum einen das Produktspektrum beeinflussen und zum anderen in vielen Fällen die eingesetzten Katalysatoren schädigen. Nicht nur Wärmetransportvorgänge lassen sich durch Verkleinerung der charakteristischen Dimensionen deutlich verbessern, sondern auch Stofftransportvorgänge. So liegen die Mischgeschwindigkeiten in Mikromischern zum Teil um Zehnerpotenzen höher als in konventionellen Apparaten und die Mischstrecken reduzieren sich auf wenige Millimeter. Ein weiterer Vorteil von Mikroapparaten ist die Möglichkeit, die Prozessparameter besser zu kontrollieren und einzustellen. 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 Holdups in kontinuierlich betriebenen Mikroreaktionsanlagen bei An- und Abfahrvorgängen, Produktwechseln und eventuellen Produktionsstörungen deutlich verringert werden, um hier nur einige weitere Vorteile der Mikroverfahrenstechnik zu nennen.
Vom Labor in die Produktion
Mikroverfahrenstechnik kann die Entwicklung von neuen Produkten oder kontinuierlichen Prozessen z. B. beim Übergang von Batch- auf Kontiproduktion in vielen Fällen deutlich beschleunigen. Zusätzlich können Syntheserouten gewählt werden, die sich mit konventionellen Apparaten, wie z. B. bei schnellen, stark exothermen Reaktionen nicht oder nur sehr aufwändig und kostenintensiv realisieren lassen. Für diese Entwicklungsarbeiten ist das Modulare Mikro-Reaktionssystem von EMB hervorragend geeignet.
Das Modulare Mikro-Reaktionssystem erlaubt es, mit wenigen Handgriffen in kurzer Zeit ganze Labor- oder Pilotanlagen zusammenzubauen. Hierfür werden zunächst die einzelnen Module auf einer Grundplatte aus Aluminium zusammengestellt. Die Verbindung der Module mit ihren spezifischen Funktionen erfolgt sicher und stabil über speziell entwickelte Dichtscheiben, die zwischen die Module eingesetzt werden. Schließlich werden die Module über Spannvorrichtungen verspannt. Aufgrund dieser äußerst robusten Verbindungstechnik, die ein geringes Totvolumen aufweist, erlaubt das Baukastensystem Betriebsdrücke bis zu 100 bar. Der Temperaturbereich reicht modulabhängig von -80 °C für Tieftemperaturreaktionen bis hin zu +200 °C. Die einzelnen Module sind zu Reinigungszwecken komplett zerlegbar. Dies bietet in der Produkt- und Verfahrensentwicklung einen deutlichen Vorteil, da anfangs oft das Detailwissen über die Reaktion gering ist. Die zur Verfügung stehenden Module, wie z. B. unterschiedliche Mischer, Reaktoren, Wärmetauscher und Separatoren, decken die wesentlichen Standardfunktionen in der Reaktionstechnik ab. Darüber hinaus ist das System mit Modulen ausgestattet, die Prozessparameter wie z. B. Druck, Temperatur und Durchfluss messen. Weiterhin stehen Analysemodule zur Verfügung, die anhand von NIR-Spektren die Qualität der Reaktionsprodukte analysieren können. Zusammen mit dem hochflexiblen, leicht zu bedienenden Prozessautomatisierungssystem und verschiedenen Peripheriegeräten wird das Modulare Mikro-Reaktionssystem ein Entwicklungs- und Produktionssystem, das Innovationen in der gesamten Breite der chemischen Industrie ermöglicht. Durch kontinuierliche Weiterentwicklung wird das Baukastensystem stetig mit neuen Modulen und Modulmaterialien für neue Einsatzzwecke erweitert. Auch kundenspezifische Entwicklungen sind zeitnah möglich. Herauszuheben aus der Modulpalette des Baukastens ist die Reihe der Schlitzplattenmischer. Diese nach dem Multilaminationsprinzip arbeitenden Mischer können durch eine breite Palette austauschbarer Mischplatten an jeden Mischvorgang und Emulgierprozess angepasst werden. Mit dem neuen LH2-Mischer und dem LH25-Mischer kann der gesamte Durchflussbereich von wenigen Millilitern pro Minute bis zu einigen 10 Litern pro Stunde realisiert werden, so dass bereits mit der Laboranlage der Schritt in die kleinskalige Produktion möglich ist. Somit ist für viele Fälle die Laboranlage bereits eine Produktionsanlage. Der Einsatz des Modularen Mikro-Reaktionssystems als flexible Pilotanlage für die Kleinmengenproduktion ist in zwei Pilotanlagen bei Bayer Technology Services bereits realisiert worden. Auch wenn der Anlageninhalt nur wenige Milliliter beträgt, lassen sich mit den kleinen Modulen Produktionsmengen von mehr als 50 t pro Jahr realisieren. Aber nicht nur Flüssigphasen-, Gas-Flüssig- und Gasphasen-Reaktionen lassen sich im Modularen Mikro-Reaktionssystem durchführen, auch für die Herstellung von Mikro- oder Nanopartikeln und in einem gewissen Rahmen für die Partikelweiterverarbeitung bietet der Baukasten Vorteile. Mit dem ebenfalls ins Baukastensystem integrierten Ventilmischer, der besonders für Fällungsreaktionen geeignet ist, können feinteilige Feststoffe wie z. B. Pigmente hergestellt werden. Die Vorteile der Mikroverfahrenstechnik in der Verarbeitung von Suspensionen und in der Herstellung von Feststoffen mit spezifischen Eigenschaften führte zu verschiedenen Prozessinnovationen, die zum Teil schon in der Produktion eingesetzt werden. Einige Reaktoren, z. B. der Kaskadenmischer, erlauben auch das Handling von Fest-Flüssig-Gemischen, so genannten Slurries.
Einfacher Scale-up
Steigen die Produktionsmengen deutlich, gelingt der Scale-up aus dem Labor in die Produktion über die Parallelschaltung von Mikrotechnikanlagen oder über den Scale-up der Module bei Beibehaltung der Mikrostrukturierung und der sich daraus ergebenden Vorteile. Ein Beispiel für ein größeres Modul ist der LH1000-Mischer, der Produktströme deutlich über 1000 l/h mit einem geringen Druckverlust verarbeitet. Mit diesem kubischen Schlitzplattenmischer mit einer Kantenlänge von ca. 10 cm, der im Gegensatz zum Labormodul anstatt etwa 300 Mikroschlitze bis zu 20 000 Mikroschlitze beinhaltet, können bei gleicher Mischeffizienz wie in den kleinen Modulen Produktionsmengen von einigen Tausend Tonnen pro Jahr realisiert werden. Bei diesen Größenordnungen wird schnell klar, dass Mikroverfahrenstechnik ein wichtiger und effizienter Bestandteil von Produktionsanlagen sein wird. Für die Prozessentwicklung und die Kombination von Mikrotechnik mit konventioneller Anlagentechnik ist aber verfahrenstechnisches, reaktionstechnisches und chemisches Know-how notwendig.
Halle 9.1, Stand B33
cav 447

Mehr zum Baukastensystem
Mikroverfahrenstechnik bei chemlin.de
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