Wie aus einem Guss

Aufgrund vielfältiger Vorteile erfreuen sich Mikroreaktoren in der Prozesstechnik einer wachsenden Beliebtheit. Bisher kamen überwiegend Systeme aus Glas, Metall oder polymeren Werkstoffen zur Anwendung. Bei der Herstellung von pharmazeutischen Produkten und Feinchemikalien werden jedoch oftmals stark korrosive Medien verwendet, die bei hohen Drücken oder Temperaturen jenseits von 250 °C verarbeitet werden und teilweise erosive Partikel enthalten. Die Beständigkeit der Apparate aus Kunststoff, Edelstahl oder Glas ist unter diesen Bedingung meistens nicht ausreichend und die Vorteile können nicht in erhofftem Maße ausgenutzt werden. Durch den Einsatz von Apparaten aus Hochleistungskeramik mit universeller chemischer Beständigkeit eröffnen sich weitere Anwendungsbereiche für die Mikroverfahrenstechnik.

Die keramischen Mikroreaktoren werden von ESK aus gesintertem Siliziumkarbid, speziell dem Werkstoff EKasic, gefertigt. Das Material ist universell korrosionsbeständig gegen Säuren, Laugen und Heißwasser und gibt weder Partikel noch Metallionen frei. Es ist leicht, ähnlich hart wie Diamant und extrem gut wärmeleitend. EKasic hat sich bereits in Gleitringdichtungen und Gleitlagern in mediengeschmierten Pumpen, Düsen und Wärmeaustauschern vielfach bewährt. Die feinstrukturierten Schlüsselkomponenten werden mit einem patentierten Fügeverfahren aus Einzelkomponenten zu einem Monolithen verschweißt. Es verbleiben weder Grenznähte noch metallische oder glaskeramische Grenzschichten. Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bleiben als Materialeigenschaft des EKasic erhalten. Die Komponenten sind druckbeständig, hermetisch dicht, robust und halten sowohl kryogenen Temperaturen als auch Temperaturen bis 1500 °C stand.

EKasic-Mikroreaktoren finden in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie bevorzugt dort Einsatz, wo aggressive Medien, empfindliche Substanzen oder explosive Stoffe synthetisiert werden. Je nach vorgegebener Aufgabe und Funktion der Mikroreaktoren weisen die feinstrukturierten Fluidkanäle unterschiedlichste Geometrie auf. Die Kanäle werden standardmäßig im Fräsverfahren mit Diamantwerkzeugen eingebracht. Kanäle kleiner als 1 mm werden in der Regel mit Abtragen durch Laser erzeugt. Der Komplexität der Kanalführung sind dabei kaum Grenzen gesetzt. Die Apparate können als Reaktoren mit mikrostrukturierter Reaktionsstrecke ausgelegt werden oder als feinstrukturierte Wärmetauscher mit hoher Oberfläche. Auch Mikromischer, bei denen die Stoffe einzeln auf molekularer Ebene in engen Kontakt gebracht werden, lassen sich aufbauen. Auch können mehrere Funktionen gleichzeitig in einem der keramischen Monolithe untergebracht werden. Die Integration von Wärmetauscherelementen zum Temperieren eines Mikromixers ist ebenso möglich, wie die Kombination von Wärmetauscher und Reaktionsstrecke in einem keramischen Block. Die räumliche Trennung der Stoffströme in den Monolithen ist stets hermetisch dicht und druckstabil. Das Temperieren ist sowohl mit Thermoöl, Heißdampf oder Kühlwasser möglich. Es können aber auch kryogene Flüssigkeiten verwendet werden.

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Dr. Meschke: Ja, das wird sie ganz sicher. Der Druck, Produktionsprozesse effizienter, schneller und flexibler zu gestalten, ist aus Kostengründen in vielen Produktbereichen sehr hoch. Hinzu kommen sicherheitstechnische Aspekte. Die Verfahren zur Herstellung gefährlicher Produkte lassen sich mit der Mikroreaktionstechnik leichter beherrschen. Die Mikroreaktionstechnik bietet hier große Verbesserungspotenziale.

Dr. Meschke: Allem voran sehe ich die Synthese von Produkten der Pharmazie und Feinchemie, hier im besonderen Verfahren für edle Produkte mit hoher Reinheit und geringer Ausbeute, und dies weitgehend unabhängig von der Produktionsmenge. Mikroverfahrenstechnik impliziert ja nicht, dass die Anlagen auch immer „mikro“ sein müssen, sondern eigentlich nur die Dimensionierung bestimmter Reaktionsräume. Mikroreaktionstechnische Anlagen können durchaus für sehr große Produktionsmengen ausgelegt werden. Außerdem sehe ich die Biochemie als konkretes Einsatzfeld. Neue Technologien sind in der Entwicklung für Einsatzfelder von morgen. ESK beteiligt sich an diesen Neuentwicklungen in Zusammenarbeit mit führenden Industrieunternehmen und wegbereitenden Instituten.

Dr. Meschke: ESK stellt kundenspezifisch die Kernkomponenten mikroreaktionstechnischer Anlagen aus universell korrosionsbeständiger und extrem gut wärmeleitender Keramik her. Wir haben ein Verfahren entwickelt, mit dem aus EKasic-Siliziumkarbidkeramik mikrostrukturierte Reaktoren mit beliebig komplex geformtem Innenleben – wie aus einem Guss – hergestellt werden können. ESK kann beispielsweise mikrostrukturierte Mischer, Reaktionsstrecken, Wärmeaustauscher oder alles zusammen integriert in einem Block herstellen. Diese Mikroreaktoren können sowohl für kleine als auch große Mengen ausgelegt werden. Sie eignen sich für Reaktionen, bei denen ihnen Beständigkeit unter hohen Drücken oder extremen Temperaturverhältnissen abverlangt wird und darüber hinaus die Langlebigkeit in hochkorrosiven Medien gefordert ist.

Dr. Meschke: Wir verzichten darauf, konfektionierte Apparate vorzuhalten und die Anwender bei der Umsetzung ihrer Wünsche einzuschränken. Für unsere Kunden wollen wir die optimale Lösung für die jeweils bestehende Reaktion anbieten und fertigen daher kundenspezifisch. Das heißt, die innere Struktur, die Größe und die Anbindungsmöglichkeiten unserer Komponenten sind an die jeweilige Anforderung der Kunden angepasst. Mit einem Apparatevolumen von 10 Litern lassen sich durchaus mehrere 100 Jahrestonnen als Gesamtmenge produzieren.

Dr. Meschke: Ja, es gibt Pläne, das Ansprechverhalten und die Reaktionszeit der Mikroreaktoren noch weiter zu steigern. Der Produktpräsentation wollen wir zum jetzigen Zeitpunkt aber nicht vorgreifen.

Dr. Meschke: Siliciumcarbid ist aufgrund des oben genannten Eigenschaftsprofils schon immer das Wunschmaterial für die Mikroreaktionstechnik gewesen. Allein wegen der fehlenden Fügetechnik stand dieser Werkstoff nicht zur Verfügung. Erst das von ESK entwickelte Fügeverfahren macht es möglich, hermetisch dichte Mikroreaktoren aus EKasic-Siliciumcarbid kommerziell zu nutzen. Sollte es Kundenwünsche geben, andere Werkstoffe einzusetzen, werden wir dies gern aufnehmen.

Dr. Meschke: Die Liste ist lang und wird jeden Tag länger. Den Prozessingenieuren scheinen die Ideen nicht auszugehen. Dies stellt ESK vor immer neue Herausforderungen an Design und Fertigung, an deren Lösungen unsere kompetente Forschungs- und Entwicklungsabteilung in Abstimmung mit den Kunden arbeitet.

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