Vom Labor zum industriellen Prozess

Immer häufiger wird ein möglichst lückenloser Weg von der ersten Idee über den Laborreaktor bis zum großskaligen Prozess gesucht, um Engpässe beim Scale-up zu vermeiden und neue Verfahren schnell in die Anwendung zu bringen. Dabei helfen diverse diagnostische und Modellierungsmethoden. Schon im Labormaßstab sind die Reaktoren umfangreich instrumentiert, so dass eine genaue Kontrolle über die Reaktionsbedingungen wie Temperatur, Partialdrücke, Durchlaufzeiten etc. gegeben ist. Hinzu kommen leicht konfigurierbare Systeme zur Prozessautomatisierung, um die häufig parallelisiert installierten Reaktoren auch über längere Zeiträume automatisiert betreiben zu können. Die automatische Datenerfassung und -verarbeitung erleichtert die Interpretation der experimentellen Ergebnisse und bildet die Basis für die durchgängige Skalierung der Prozesse.

Je genauer die Stöchiometrie, Thermodynamik, Kinetik, Transportphänomene und relevante Sicherheitsdaten bekannt sind, desto besser lässt sich die Leistungsfähigkeit des Prozesses im industriellen Maßstab vorhersagen. Aus diesen Parametern lassen sich Reaktionszeiten und Strom- oder Wärmebedarf bzw. -erzeugung berechnen. Bezieht man die Transportprozesse mit ein, lässt sich der Reaktor so gestalten, dass die Reaktion sicher und mit hohen Ausbeuten durchgeführt werden kann. Dafür sind Miniplant-Studien unerlässlich, denn für die Prozessgestaltung und -analyse müssen auch Recycling-Ströme sowie der Betrieb unter Teillast und während des An- und Abfahrens der Reaktion berücksichtigt werden. Mit Hilfe eines guten Modells kann der Prozess dann direkt in die Produktionsanlage gebracht werden. In der Praxis wird allerdings häufig eine Pilotanlage zwischengeschaltet, um die Risiken beim Scale-up zu reduzieren.

Großer Prozess in kleinen Strukturen?

Nicht immer ist das Ziel ein möglichst großer Reaktor. Das zeigt ein weiterer wichtiger Forschungstrend, die Flow Chemistry. Sie eröffnet neue Wege für katalytische Reaktoren und Produktionstechniken. Nanopartikel und andere funktionale Materialien lassen sich in mikrofluidischen Reaktoren mit genau definierten Eigenschaften herstellen. Solche Reaktoren ermöglichen außerdem einen besseren Wärme- und Stofftransport. Mikrostrukturierte Reaktoren zeichnen sich durch innenliegende Strukturen von zehn bis zu mehreren Tausend Mikrometern aus. In solchen Strukturen lassen sich Flüssigkeiten innerhalb von Millisekunden erhitzen oder abkühlen.

Derzeit werden auch mikrostrukturierte Produktionsanlagen entwickelt, zum Beispiel, um mit erneuerbarer Energie synthetische Kohlenwasserstoffe oder hochwertige Power-to-X-Chemikalien herzustellen. Dank ihrer sehr guten Wärmeübertragung ermöglichen sie hohe Raum-Zeit-Ausbeuten bei hoher Selektivität, definierten Produkteigenschaften und langer Katalysator-Lebensdauer. Sind sie dazu modular aufgebaut und können schnell hoch- und heruntergefahren werden, sind sie für den dezentralen Einsatz am Ort der Energieerzeugung besonders interessant. Mehrere Unternehmen denken deshalb schon weiter: Sie wollen mikrostrukturierte Reaktoren nicht nur in der Entwicklung einsetzen, sondern zu kommerziellen Produktionsanlagen ausbauen.

Die Entwicklungen bei den mikrostrukturierten Reaktoren in den letzten Jahren haben gezeigt, dass die Intensivierung des Wärmeaustausches in Produktionsprozessen vor allem auf Einphasensysteme beschränkt, aber auch durch diese getrieben war. Im Prinzip können mikrostrukturierte Reaktoren auch für Mehrphasensysteme genutzt werden. Effekte wie die Oberflächenspannung, Benetzung oder ein uneinheitliches Fließverhalten in parallelen Kanälen erschweren die industrielle Anwendung von Mikroreaktoren.

Für die großskalige Produktion bedarf es eines integrierten Scale-up-Konzepts, um den notwendigen Durchfluss zu gewährleisten, während der Durchmesser der Kanäle nur minimal erweitert wird. So bleiben die Vorteile der Mikroreaktionstechnik wie hohe Durchmischungsrate, guter Wärmetransfer und die gezielte Prozesskontrolle erhalten. Der angestrebte Durchsatz kann beispielsweise durch die parallele Anbindung der Kanäle an ein Kanalbündel im Reaktor realisiert werden.

Die Entwicklung neuer Prozesse und die Entwicklung der Apparatetechnik für den Bau chemischer Reaktoren gehen Hand in Hand. Heute ist die Bandbreite an Apparaten und Reaktordesigns äußerst groß. Wegen seiner Flexibilität ist der Rührkessel immer noch der am weitesten verbreitete Reaktortyp. Doch das Spektrum an Technologien erstreckt sich vom klassischen Festbettreaktor mit Salzschmelze oder Verdampfungskühlung über Wärmetauschreaktoren, Blasensäulen, Jetreaktoren, Düsen- und Fließbettreaktoren bis zu Hochtemperatur- reaktoren und komplexeren Apparaten wie mikrostrukturierten, elektrochemischen und Knetreaktoren sowie hybriden Systemen wie der reaktiven Destillation, Extraktion oder Gaswäschern. Und obwohl der Rührkessel eines der ältesten chemischen Reaktor-Designs ist, wird hier immer noch stetig verbessert.

Um den Wärmeaustausch zu steigern, können Wärmetauscherplatten in den Rührkessel eingebracht werden, die größere Austauschflächen bieten als innenliegende Wärmetauschschlangen. So lassen sich exotherme Reaktionen besser kontrollieren. Salzbad-Reaktoren sind konventionelle Festbettreaktoren für exotherme, heterogen katalysierte Gasphasenreaktionen bei hohen Temperaturen. Sie werden beispielsweise bei partiellen Oxidationen eingesetzt, etwa in der Synthese von Acrylsäure. Wenn die Ansprüche an den Wärmeaustausch oder die Temperaturkontrolle höher sind, können sog. Wärmetauschreaktoren eingesetzt werden. Auf Basis von Platten- oder Rohrbündel-Wärmetauschern ermöglichen sie sehr hohe Wärmeaustauschraten für Einphasensysteme.

Ausblick

Neue industrielle Prozesse, der Wechsel in der Energie- und Rohstoffbasis und das Streben nach Wirtschaftlichkeit werden für die Reaktionstechnik auch in den kommenden Jahren Herausforderungen bedeuten. Gerade angesichts der Trends hin zu biobasierten und recycelten Rohstoffen, deren Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften deutlich stärker variieren als die konventioneller petrochemischer Rohstoffe und die typischerweise weit mehr Verunreinigungen enthalten, müssen die Reaktoren einerseits möglichst weitgehend optimiert sein, anderseits aber auch robust genug, um mit wechselnden Anforderungen zurechtzukommen. Für einige biotechnologische Prozesse, die große Reaktorvolumina von mehr als 1 000 m³ und gleichzeitig hohe spezifische Massetransferraten erfordern, könnten die Entwicklung hybrider Begasungstechnologien und neue Wege für die Wärmeabführung von Nutzen sein. Für die Produktion neuer individualisierter Gen- und Zelltherapeutika dagegen, wo möglichst alle Reaktionsschritte auf kleinem Raum stattfinden sollen, könnte die Pharmafabrik in einer mobilen "Truhe" ein Ziel sein. Vielfältige Anwendungen – vielfältige Herausforderungen und Entwicklungsziele für Lösungen, für die Apparate- und Anlagenbauer die Ausrüstung bereitstellen. Für die kommenden Jahre ist in Bezug auf zahlreiche Neuentwicklungen noch viel zu erwarten.

Literatur
Der Inhalt dieses Trendberichts zur Achema basiert auf der Roadmap Chemical Reaction Engineering, 3. Auflage 2023, https://dechema.de/Roadmap_Reaction_Engineering-path-123211,124930.html

Quelle: DECHEMA; ACHEMA/www.achema.de