Minireaktoren
Die Chemiefabrik im Kleinformat

Was im Schullabor handliche Glasgefäße sind, ist Chemikern schon fast eine Nummer zu groß. Ungern setzen sie Versuche mit mehreren Gramm Chemikalien an. Sie arbeiten lieber mit sogenannten Mikroreaktoren, Chemiefabriken im Schuhkartonformat, die immer nur kleine Stoffmengen produzieren. Die chemische Industrie will sie jetzt trotzdem haben.

DÜSSELDORF. Chemiker in Forschungslaboren haben es nicht so mit großen Geräten. Sie arbeiten lieber mit kleineren Mengen: Das ist nicht nur billiger, es fallen auch weniger Reaktionsprodukte zum späteren Aufreinigen an. Deshalb arbeiten Chemiker gerne mit sogenannten Mikroreaktoren, Chemiefabriken im Schuhkartonformat.

Patrick Löb vom Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM) entwickelt solche Minireaktoren, aber nicht, um sie nur in Forschungslaboren einzusetzen, sondern, damit sie eines nicht allzu fernen Tages überall in der chemischen Industrie zum Einsatz kommen.

Die Chemieriesen dachten in puncto Größe lange Jahre ganz anders. Dort bedeuten große Stoffansätze günstige Produktion. Die chemischen Reaktionen finden in großen Reaktoren statt, Rührkesseln aus Edelstahl, die hundert Liter und mehr fassen.

Doch große Chemikalienmengen haben auch ihre Nachteile: Manche Reaktionen produzieren zu viel Wärme, die abgeleitet werden muss, was nicht immer gelingt. Die Reaktion überhitzt, das Reaktionsprodukt wird zerstört. Beschleunigt die Wärme gar die Reaktion zusätzlich, startet ein chemisches Inferno, das den Reaktor zerstört.

Um es erst gar nicht zu diesem chemischen Gau kommen zu lassen, verzichten die Hersteller lieber auf einige durchaus verlockende Reaktionen. Etwa der von Ozon mit Kohlenwasserstoffen, aus der interessante Chemikalien für die Herstellung spezieller Kunststoffe entstehen.

Genau für solche besonders viel Abwärme produzierenden Reaktionen entdeckt die Industrie jetzt die Minireaktoren. Nach Jahren der Entwicklungsarbeit finden die ersten ihren Weg in die Firmen. „Da öffnen sich neue Prozess-Fenster, die durch die Mikrotechnik nutzbar werden“, sagt Patrick Löb. Hoher Druck oder schnelle Temperaturabführung lassen sich in einem sieben Zentimeter hohen Reaktor einfacher verwirklichen als in einem Hundert-Liter-Tank.

Das Herzstück der Mikroreaktoren ist in der Regel ein Kanal oder ein Rohr, dessen Wände mit Katalysatoren beschichtet sind. Die Reaktionspartner fließen hindurch und an den Stellen, an denen beide Kontakt zu den Wänden haben, reagieren sie miteinander.

Die Projekte, an denen Löbs Abteilung „Mischen und Feinchemie“ mitarbeitet, sollen den Weg für die Minireaktoren in die große Produktion ebnen. In Kooperation mit Chemieriesen wie BASF und Evonik Industries, vormals Degussa, entstehen im Industriepark Hanau Pilotanlagen zu einem BMBF-Projekt.

Das Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung fördert schon seit 1990 die Entwicklung von Mikrosystemen. Dass erst jetzt Prototypen vermehrt verwirklicht werden, hängt mit der Skepsis der Großkonzerne zusammen, ob in den engen Röhren in gleicher Zeit so viel Produkte entstehen können wie in einem Rührkessel mit vielen Litern.

Für große Reaktionsmengen werden die einzelnen Minireaktoren, die maximal die Größe eines Kühlschranks haben, zu Anlagen zusammengestellt. Das reicht zwar nicht für die ganz großen Mengen der Massenproduktion. Aber Einsatzorte in der Feinchemie und Spezialstoffe mit Jahresproduktionen im unteren Tonnenmaßstab sind realistisch.

In der Entwicklung für den Großeinsatz sind einige Hürden zu nehmen. Peter Pfeifer vom Forschungszentrum Karlsruhe kennt sie aus der täglichen Praxis. „In den Reaktoren beispielsweise gleichmäßige Wandbeschichtung aufzubringen, ist nicht einfach - sie dürfen keine Verdickungen aufweisen und alles muss gleichmäßig benetzt sein“, sagt er.

In den weniger als ein Millimeter dünnen Röhrchen wirken Kapillarkräfte, die Flüssigkeiten höher steigen lassen als in dicken Rohren. Diese Effekte müssen die Forscher berücksichtigen, wenn sie die Reaktoren mit Katalysatoren oder Korrosionsschutz auskleiden. „Diese Beschichtungen aufzubringen, ist echte Entwicklungsarbeit“, sagt er.

Das Institut für Mikroverfahrenstechnik des Karlsruher Forschungszentrums zählt zu den Pionieren der Mikroverfahrenstechnik. Den Forschern gelang das, was auch die andere erreichen wollen: Mit einer österreichischen Firma schafften dieKarlsruher die erste industrielle Produktion eines Zwischenprodukts für die Kunststoffherstellung – tonnenweise, mit Hilfe von Mikroreaktoren.

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