PRN-MAGAZIN - 01.10.2004

Miniaturisierung von Chemieanlagen:

Zwerge mit Perspektive

Immer kleiner und kleiner lautet das Motto bei den Bauteilen der Computertechnik. Doch was bringt die Miniaturisierung der Chemieindustrie? Lesen Sie, wie Minireaktoren die Chemie sicherer machen und die Produkte verbessern.

Wie Gulliver im Lande Lilliput könnte sich künftig der Besucher einer Chemiefabrik fühlen. Ähnlich wie in der Computerindustrie, wo früher Computer ganze Hallen füllten, wollen Verfahrenstechniker mit Bausteinen wie Mikroreaktoren, -mischern und -wärmetauscher turmhohe chemische Anlagen zu Schuhkartonformat schrumpfen. "Zur Zeit ist die Mikroverfahrenstechnik auf dem Sprung in die Produktion", erklärt Volker Hessel, Leiter der Abteilung chemische Prozesstechnik am Institut für Mikrosystemtechnik Mainz (IMM). Das 1991 gegründete Institut beschäftigt sich seit mehr als zehn Jahren mit der Mikroverfahrenstechnik und hat sich auf miniaturisierte Apparaturen für die chemisch-pharmazeutische Industrie spezialisiert.
Gestützt wird Hessels Überzeugung von zahlreichen Marktstudien. PAMIR so der Titel einer EU- Studie bezeugt, dass alle 30 Top-Chemieunternehmen an der Erforschung der Mikrosystemtechnik interessiert sind oder bereits daran arbeiten und prognostiziert schon für nächstes Jahr einen verstärkten Einsatz von Mikroreaktoren in der Produktion. Die Vorteile der Chemie in den "Zwergenanlagen" liegen für Hessel auf der Hand: "Die Selektivität der chemischen Reaktionen erhöht sich, die Anlagen werden kompakter und pro Zeiteinheit ist eine höhere Ausbeute möglich." Im Klartext heißt das: Bessere Produkte, weil die Chemie in den kleinen Apparaten wesentlich präziser gesteuert werden kann, und auch was die Sicherheit angeht, liegen die kleinen Anlagen weit vor ihren großen Kollegen. Explosive Stoffe, wie Wasserstoff oder giftige wie Blausäure verlieren in kleinen Mengen viel von ihrer Gefahr. Und die Wärmentwicklung, die viele chemische Prozesse gefährlich macht, kann leichter beherrscht werden.

Miniaturisierte Verfahren für die Chemie

Im Foyer des IMM- Hauptquartiers in Mainz kann man miniaturisierte Mischer, Wärmetauscher und Reaktoren besichtigen: Filigrane Edelmetallstrukturen mit haarfeinen Kanälen, die gerade einmal so groß wie eine Streichholzschachtel sind. Schwer vorstellbar, dass die Zwerge tonnenweise Chemikalien ausspucken sollen. Aber es funktioniert tatsächlich: Eine schuhkartongroße Technikumsanlage ist vor drei Jahren beim Chemiekonzern Clariant in Frankfurt in Betrieb gegangen. Der hier installierte Mikroreaktor liefert einen gelben Farbstoff der viel intensiver ist, als die Farbe aus den großen Anlagen nebenan. "Die coloristischen Eigenschaften, wie Farbstärke und Glanz sind unübertroffen," schwärmt Verfahrenstechniker Dr. Christian Wille. Das macht den Farbstoff zum begehrten Artikel bei vielen Kunststoffherstellern, die damit z. B. Schüsseln und Deckel färben.
Wille ist Pionier der ersten Stunde und weiß wie kein anderer welche Hürden - auf dem Weg zum industriellen Einsatz überwunden werden müssen. "Letztendlich ist eine innovative Technologie nur dann für die chemische Industrie von Interesse, wenn sie im industriellen Maßstab genutzt werden kann." Das heißt, es müssen mindestens 100 Tonnen im Jahr produziert werden können. Bei Clariant verfolgt man den so genannten Multi Scale Approach - hier sind lediglich die für die Chemie notwendigen Komponenten wie Reaktor und dazugehöriger Mischer mikro, der Rest könnte auch zu einer konventionellen, großen Anlage gehören. Nach drei Jahren Tüftelei kann die Mannschaft um Wille einen beachtlichen Erfolg vorweisen: "80 Tonnen Pigment im Jahr sind heute schon mit einer modifizierten Mikroreaktionstechnik-Technikumsanlage technisch möglich".

Wasserstoff für Brennstoffzellen

Solche miniaturisierten Verfahren sind vor allem für Chemieunternehmen interessant, die ähnlich wie Clariant teure Chemikalien für Spezialanwendungen wie Katalysatoren und Enzyme herstellen. Hier besticht die Aussicht, den Reaktoren höhere Ausbeuten abzuringen und so den Gewinn zu steigern. So ist beim Feinchemikalienhersteller Degussa im letzten Jahr in Hanau-Wolfgang ein Pilotreaktor Propenoxid in Betrieb gegangen, ein Vorprodukt für Frostschutzmittel und Bremsflüssigkeit, Bayer in Leverkusen stellt ein Antibiotikum im Mikroreaktor her und Merck setzt bereits seit 1998 Mikroreaktoren für die Herstellung von Flüssigkristallen ein. Auch für die Herstellung von Nanopulvern bieten sich die Mikroreaktoren an. Mit Hilfe des MicroJetReactors© können die Pulver mit einer besonders engen Partikelgrößenverteilung und einheitlichen Morphologie für chemische, medizinische und kosmetische Anwendungen produziert werden. Die IMM-Experten haben bereits erfolgreich Acetylsalicylsäure (ASS) und Kalziumkarbonat-Pulver mit enger Partikelgrößenverteilung synthetisiert, die sich besonders gut auflösen und in Kosmetika verteilen lassen.
Aber damit ist das Potential der Mikroverfahrenstechnik noch lange nicht ausgereizt. Anil Oroskar, Senior Manager bei UOP, einem amerikanischen Prozessentwickler hegt die Vision, dass in fernerer Zukunft Mikroreaktoren Basischemikalien direkt über den Erdölfeldern produzieren könnten, was auch die Erdölförderung in schwer zugänglichen Regionen wirtschaftlich interessanter machen könnte. Nicht weniger visionär, dafür aber bereits in greifbarer Nähe ist der Einsatz der Mikroverfahrenstechnik für die Energiegewinnung. "Wir treffen zur Zeit besonders im Bereich der Reformiertechnik für Brennstoffzellen genau das Industrieinteresse," konstatiert Hessel. Eine Minianlage aus Wärmetauscher, Reformer, Gasreinigung, Brenner und Katalysatoren gewinnt Wasserstoff aus Kraftstoffen wie Propan, Octan und Diesel. Der flüchtige Stoff soll dann in tragbaren Brennstoffzellen bis zu 20 KW Strom erzeugen und als Auxilliary power units (APUs) zur on-Board Erzeugung von Energie in LKWs, Schiffen und Flugzeugen eingesetzt werden.

Autorin: © ANKE GEIPEL-KERN

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