Mikro- Verfahrenstechnik – µVT

Die Mikro-Verfahrenstechnik ist eine inhärent interdisziplinäre Querschnitttechnologie mit großem Innovationspotenzial. Sie entwickelt sich derzeit zu einer eigenständigen Technik. Im Kern besteht die Neuheit in der Miniaturisierung von bekannten verfahrenstechnischen Grundoperationen aus verschiedenen Disziplinen.

Beispiel für einen Mikro-Wärmetauscher [FZ Karlsruhe] 1"

Wärme- und Stoffübertragung

Die Abmessungen schrumpfen in den Bereich von wenigen Millimetern oder gar Mikrometern. Dadurch wird die Wärme- und Stoffübertragung in Richtung der kleinsten Abmessungen sehr stark intensiviert. Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, die spezifische Phasengrenzfläche, steigt bei mikro-strukturierten Apparaten auf mehrere tausend m2/m3. Das sind mitunter zwei bis drei Größenordnungen mehr als bei konventionellen Apparaturen. Mikro-Wärmetauscher beispielsweise von der Größe eines Würfelzuckers können die Energie eines kompletten Einfamilienhauses umsetzten.

Scale-Up – der klasssische Ansatz

Früher wurden chemische Prozesse für die Produktion nach Versuch-und-Irrtum entwickelt. Mit der rasanten Entwicklung der Computertechnik wurde die Prozesssimulation immer mehr zum Handwerkszeug bei der Verfahrensentwicklung. Ein weiterer Schritt wurde mit der Mini-Plant-Technik unternommen, bei der ein kompletter Prozess im Labormaßstab abgebildet wurde. Der klein-skalierte Prozess hatte zum Teil die Größe eines großen Schrankes.

Im Labor steht die Imformationsgewinnung im Vordergrund, beispielsweise über den optimalen Betriebspunkt und die notwendige Regelungstechnik. Die Laborbedingungen führen teilweise dazu, dass die Umsetzung in die Produktion nicht immer fehlerfrei abläuft. Hier spielt die Erfahrung und Know-How der Firma in der Verfahrensentwicklung eine ganz große Rolle.

Mikro-Reaktor , Kanalabmessungen in mm, Bild des Reaktoinnenteils [TC II TUD] 2

Numbering-Up – Vorteile des neuen Konzeptes

Bisher wurden zusätzlich mit aufwendigen Prozess-Simulationen die Verfahren für die Praxis umgesetzt. Der reale Durchsatz bzw. das Produktionsvolumen im Betrieb ist meist um ein vielfaches größer. Die Risiken der Maßstabsvergrößerung bestehen beim neuen Konzept des Numbering-Ups nicht, die Mikro-Strukturapparaturen werden entsprechend oft parallel geschaltet, mit den im Labor gefundenen optimalen Betriebsparametern.

In der Reaktortechnik wurden früher die chemischen Prozesse an die Apparaturen angepasst. Das hatte zum Beispiel mit der Temperaturregelung über die Wände zu tun, die bei großen Druchmessern immer schwieriger wird. Nun können die Apparaturen an den chemischen Prozess angepasst werden, das heißt das volle Potenzial einer chemischen Reaktion kann ausgeschöpft werden. Diese Prozessintensivierung wird bevorzugt bei mischsensitiven oder stark exo- oder endothermen Reaktionen zum Einsatz kommen. Die chemischen Reaktionen finden dann ohne Wärme- und Stofftransportlimitierungen statt.

Sicherheitstechnische Aspekte dürfen nicht unerwähnt bleiben. Kleine Reaktionsvolumina sind wesentlich einfacher zu handhaben und zu kontrollieren.

Marktpotenzial

Große Chemiefirmen wie Merck, Du Pont, BASF und Siemens setzten die Mikro-Verfahrenstechnik bereits im kleinen Maßstab in der Produktion ein, teilweise mit gesteigerten Ausbeuten. Clariant in Frankfurt bespielsweise betreibt einen nahezu Schuhkarton großen mikroverfahrenstechnischen Prozess zur Pigmentherstellung.

Umfassende Marktstudien sind derzeit schwierig, da es sich um eine neue Technologie handelt mit noch relativ wenigen Beispielen. Das hat sicherlich auch betriebswirtschaftliche Gründe bezüglich bestehender Investitionen.

Nichtsdestotrotz wird der Mikro-Verfahrenstechnik ein großes Potenzial unterstellt. Nicht nur geringere Betriebskosten werden erwartet sondern auch ein steigender Grad an Nachhaltigkeit, das heißt der schonende Umgang mit Ressourcen bei der Herstellung von Produkten, aber auch die Reduktion der Umweltbelastung. Vorstellbar wäre den Transportaufwand zu verringern indem man eine größere Anzahl von kleinen Produktionsanlagen direkt beim Kunden betreibt (Production-on-site und Production-on-demand). Als Einsatzbereiche werden derzeit die Herstellung von Pharmazeutika, Spezial- und Feinchemikalien genannt. Im Vergleich mit Massenchemikalien werden die etablierten konventionellen Apparaturen durch die Mikro-Verfahrenstechnik aber nicht vollständig verdrängt werden.

Forschungsbedarf

Die Mikro-Verfahrenstechnik als Schlüsseltechnologie zielt auf sichere und saubere Herstellungs-verfahren und den Erhalt von Europas Führungsposition ab. Zwei Beispiele größerer Forschungs-kooperationen seien erwähnt: IMPULSE, ein Konsortium auf europäischer Ebene sowie in Deutschland die Industrieplattform Mikro-Verfahrenstechnik IPµVT. Beide Kooperationen setzen sich aus Forschungseinrichtungen, Industriepartnern und Universitäten zusammen.

MicroChemTec Backbone [IPµVT] 3

Die geringen Abmessungen der Mikro-Strukturapparaturen machen den Einsatz im Rahmen von Baukastensystemen möglich. Beispiele hierfür sind FAMOS der Fraunhofer-Gesellschaft, Ehrfeld Mikrotechnik mit Schwerpunkt in der Reaktionstechnik, das Backbone-System der IPµVT mit genormter Modulkonstruktion zur einfachen Verschaltung sowie Modulab, Physio-Check und µFluback als Beispiele aus der medizinischen Diagnostik.

Die mittlerweile zur Verfügung stehenden Fertigungstechnologien machen den Einsatz von Glas, verschiedenen Stahlen, Keramiken und Polymeren und Legierung auf Nickelbasis bis hin zu Graphit möglich. Dies eröffnet viele industrielle Anwendungsmöglichkeiten.

Forschung am FG TVT

Derzeit gibt es schon eine beachtliche Zahl von Mikro-Mischern, Mikro-Wärmetauschern und Mikro-Reaktoren, jedoch Trennoperationen wie z.B. Extraktion, Destillation und Rektifikation befinden sich noch am Anfang der Entwicklungsphase.

Hier setzten wir vom Fachgebiet Thermische Verfahrenstechnik an. Wir arbeiten derzeit an der Optimierung eines Mikro-Extraktors sowie einer kleinen Mikro-Rektifikationskolonne. Bei beiden Forschungsarbeiten stehen die Effizienzsteigerung sowie der einfache, sichere und kostengünstige Betrieb im Vordergrund. Hierzu muss teilweise sogar noch Grundlagenarbeit geleistet werden.

Quellen

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