Mikro in Chemie ganz groß

Hochleistungs-Mikroreaktor des Forschungszentrums Karlsruhe bewährt sich in der industriellen chemischen Produktion

Ein im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelter Hochleistungs-Mikroreaktor hat seine erste Bewährungsprobe im industriellen Einsatz in der chemischen Produktion mit Bravour bestanden: Mit der Neuentwicklung konnten bei der Firma DSM Fine Chemicals GmbH in Linz, Österreich, innerhalb von 10 Wochen über 300 Tonnen eines hochwertigen Produktes für die Kunststoffindustrie erzeugt werden. Gegenüber herkömmlichen Verfahren wurde dabei die Produktausbeute wesentlich gesteigert. Damit sinkt der Rohstoffverbrauch ebenso wie die anfallenden Abfallströme. Außerdem steigt durch den Einsatz des Mikroreaktors die Prozesssicherheit.

Mikrostrukturierte Apparate werden die chemische Verfahrenstechnik revolutionieren, wenn sie ihre Praxistauglichkeit in der Produktion bei industrierelevanten Durchsätzen unter Beweis stellen können. Dem Forschungszentrum Karlsruhe ist gemeinsam mit seinem Industriepartner DSM Fine Chemicals GmbH in Linz, Österreich, ein entscheidender Schritt in diese Richtung gelungen: Während einer zehnwöchigen Produktionskampagne wurden mit einem Hochleistungs-Mikroreaktor über 300 Tonnen eines hochwertigen Produktes der Kunststoffindustrie erzeugt.

Das zentrale Element der neuartigen Produktionsanlage ist ein aus einer speziellen Nickel-Legierung gefertigter Mikroreaktor, der 65 cm lang sowie 290 kg schwer ist und einen Durchsatz von 1700 Kilogramm flüssigen Chemikalien pro Stunde ermöglicht. „Die Vorsilbe ’Mikro’ bezieht sich auf das Innenleben des Reaktors: In Mikrovermischern werden die chemischen Substanzen zusammengeführt und anschließend in mehreren Zehntausend Mikrokanälen zur Reaktion gebracht. Die bei der chemischen Reaktion entstehende Wärme wird in Sekundenschnelle ebenfalls über Mikrokanäle abgeführt“, erläutert Dr. Klaus Schubert, Leiter des Instituts für Mikroverfahrenstechnik des Forschungszentrums Karlsruhe. „Der Mikroreaktor bewältigt so mehrere 100 Kilowatt Wärmeleistung und zählt zur Weltspitze bei den Entwicklungsarbeiten in der Mikroverfahrenstechnik.“

Der Mikroreaktor ersetzt bei DSM einen zentralen Reaktionsschritt, der vorher in einem riesigen Rührkessel mit einer Mischung von mehreren Tausend Kilogramm giftigen und korrosiven Chemikalien erfolgte. „Im Vergleich zu unserer bisherigen reinen Rührkesselproduktion hat der Karlsruher Mikroreaktor die Produktausbeute wesentlich gesteigert“, so Dr. Peter Pöchlauer, Projektleiter bei der Firma DSM Fine Chemicals GmbH in Linz, Österreich. „Wir konnten den Rohstoffverbrauch und die Abfallströme entsprechend senken, was der Wirtschaftlichkeit und der Umwelt zugute kommt. Außerdem wurde durch den Mikroreaktor die Prozesssicherheit erhöht. Mit diesen Ergebnissen wurden unsere Erwartungen mehr als erfüllt. Entscheidend für den Erfolg war, dass es dem Institut für Mikroverfahrenstechnik des Forschungszentrums gelungen ist, einen Labor-Mikroreaktor mit einem Durchsatz von 1 Kilogramm pro Stunde um den Faktor 1700 hoch zu skalieren. Mit diesem Produktionsreaktor haben wir auf Anhieb die gleichen guten Ergebnisse wie zuvor mit einem Laborreaktor erreicht.“

Das Potenzial der Mikroverfahrenstechnik und der Mikroreaktoren für die Chemie, Pharmazie und Konsumgüterindustrie ist bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Forschungsaktivitäten für eine ständige Steigerung der Nachhaltigkeit und der Wirtschaftlichkeit von chemisch/pharmazeutischen Prozessen sind eine permanente Aufgabe für Forschung und Industrie. „Ich bin mir sicher, dass hier unsere Mikroverfahrenstechnik mit ihren Potenzialen auf Jahrzehnte eine wichtige Rolle spielen wird“, betont Klaus Schubert. „Der erfolgreiche Einsatz unseres Mikroreaktors im harten Alltag der chemischen Produktion ist für uns ein bedeutsamer Schritt. Aus der Fertigung und aus dem Produktionsbetrieb haben wir sehr viele wichtige Erkenntnisse gewonnen, die in unsere zukünftigen Forschungsarbeiten einfließen werden.“

Die Mikroverfahrenstechnik, bei der chemische und physikalische Prozesse in Mikrokanälen von Mikroapparaten geführt werden, hat in den letzten Jahren ein rasant gestiegenes Interesse in der einschlägigen Fachwelt gefunden. Insbesondere bei der industriellen Produktion im Chemie-, Pharma- und Konsumgüter-Bereich bietet der Einsatz von mikrostrukturierten Reaktoren viele Vorteile: Die gewünschten Reaktionen können schneller, preiswerter und umweltverträglicher als in herkömmlichen Anlagen durchgeführt werden; gefährliche Reaktionen sind viel besser beherrschbar. Die Stärken der Mikrostrukturreaktoren sind in ihrem Inneren verborgen: Die chemischen Prozesse laufen in zehntausenden von Misch- und Strömungskanälen ab, die typische Abmessungen im Bereich von einigen hundert Mikrometern haben. Zahlreiche Universitäten, wissenschaftliche Organisationen und Industriefirmen forschen auf diesem zukunftsträchtigen Gebiet. Die grundlegende Idee, chemische Reaktionen in Mikrokanälen ablaufen zu lassen, wurde im Forschungszentrum Karlsruhe geboren, wo Anfang der 90er Jahre eine kleine Gruppe von Forschern mit der Entwicklung von Mikroreaktoren für chemische Prozesse begann. Der wachsenden Bedeutung der Mikroverfahrenstechnik Rechnung tragend hat der Vorstand des Forschungszentrums in 2001 ein eigenes Institut für Mikroverfahrenstechnik gegründet, in dem zur Zeit ca. 50 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf dem Gebiet der Mikroverfahrenstechnik forschen.

Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.