Kernkompetenz »Chemische Prozesse«

Die  Kernkompetenz »Chemische Prozesse« umfasst die Fähigkeit zur Auslegung und Durchführung neuartiger, ressourcenschonender chemischer und verfahrenstechnischer Prozesse vom Labor- bis zum technischen Maßstab.

Die Kernkompetenz deckt hierbei die gesamte Prozesskette ab - beginnend bei der Rohstoff-Aufarbeitung, über die chemische Reaktionsführung, die Aufreinigungs- und Trenntechnik bis hin zu nachgeschalteten Prozessen wie der Produktveredelung (zum Beispiel Kristallisation und Partikeltechnik) und Formgebung (zum Beispiel Formulierung und Compoundierung).

Photochemische Synthese in einem kontinuierlich betriebenen Mikroreaktor
© W. Mayrhofer
Photochemische Synthese in einem kontinuierlich betriebenen Mikroreaktor

Zentrale Zielgrößen der chemischen Prozessauslegung und Prozessoptimierung sind Produktqualität, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit. Insbesondere für Prozesse der Fein- und Spezialitätenchemie ist das Erreichen hoher Selektivitäten und Ausbeuten sowie maßgeschneiderter Produkteigenschaften von großer Bedeutung.

Für die Wirtschaftlichkeit der Prozessführung stehen Forderungen nach energieeffizienten und ressourcenschonenden Verfahrenstechniken im Mittelpunkt. Gleichermaßen gilt es aber auch, Nachhaltigkeitsanforderungen im Hinblick auf die Minimierung der Abfallströme, die Rückführung von Stoffströmen und den Einsatz erneuerbarer Rohstoffquellen zu erfüllen.

Neuer Sprühtrocknungsprozess zur Partikelformgebung
© Fraunhofer ICT | Mona Rothweiler
Neuer Sprühtrocknungsprozess zur Partikelformgebung
Polylactid-Granulat, Ausgangsmaterial zur Herstellung von Monomaterialsystemen
© Fraunhofer ICT | Mona Rothweiler
Polylactid-Granulat, Ausgangsmaterial zur Herstellung von Monomaterialsystemen
MOF-Substanzen sollen die Adsorptionsleistung von persönlicher Schutzausrüstung verbessern.
© Fraunhofer ICT
MOF-Substanzen sollen die Adsorptionsleistung von persönlicher Schutzausrüstung verbessern.

Am Fraunhofer ICT begegnen wir diesen Anforderungen mit der Entwicklung moderner Verfahrens- und Prozesstechniken. Ein großer Teil unserer Arbeiten wird exklusiv im Auftrag von Industriekunden durchgeführt. Hierbei wird häufig erfolgreich ein Paradigmenwechsel von diskontinuierlichen zu kontinuierlichen Prozesstechniken vollzogen. So ist beispielsweise die kontinuierliche Prozessführung unter Einsatz von mikroverfahrenstechnischen Apparaten ein zentrales Element der Prozessauslegung und Prozessintensivierung. Sie erlaubt die sichere Prozessführung in neuen Prozessfenstern (zum Beispiel hohe Temperaturen, hohe Drücke, hohe Konzentrationen, kurze Reaktionszeiten), die mit klassischen Verfahren nur schwer oder gar nicht zugänglich sind und in denen chemische Reaktionsprozesse technisch und wirtschaftlich optimiert betrieben werden können. Häufig handelt es sich hierbei um Syntheseschritte bei der Herstellung von Vorstufen oder Produkten aus dem Bereich der Fein- und Spezialitätenchemie.

Darüber hinaus wird die kontinuierliche Prozessführung systematisch auf weitere Prozessschritte und neue Anwendungsfelder übertragen. Insbesondere sind dies die Intensivierung im Downstream-Bereich (extraktive Aufreinigung in verschiedenen Druckregimen, reaktive Trennung, Emulsionsspaltung), die größenkontrollierte Herstellung von Nanopartikeln oder Mikrokapseln, die Entwicklung umweltfreundlicher Katalyseprozesse (auch Phasentransferkatalyse) und elektrochemischer Synthesen sowie die Intensivierung mehrphasiger Reaktionsprozesse (gasförmig/flüssig, flüssig/flüssig).

Ein wichtiges Werkzeug der Prozessauslegung bilden modernste, zum Teil eigenentwickelte Prozessanalysetechniken. Große Fortschritte erzielen wir bei der Entwicklung und Adaption schneller spektroskopischer und kalorimetrischer Prozessanalysetechniken, mit deren Hilfe sich die Dynamik chemischer Prozesse mit einer hohen Zeit- und Ortsauflösung verfolgen lässt. Dadurch werden häufig erstmals kinetische, mechanistische sowie sicherheitstechnische Daten für eine optimierte Prozessauslegung zugänglich. Die schnelle Verfügbarkeit umfassender prozessanalytischer Daten erlaubt es nicht nur Prozessentwicklungszeiten drastisch zu verkürzen sondern auch diese vermehrt in der Digitalisierung chemischer Reaktionsprozesse zu nutzen.

Aufgrund unseres umfassenden Know-hows auf dem Gebiet der Explosivstofftechnik verfügen wir zudem über spezielle Kompetenzen bei der sicherheitstechnischen Auslegung und Durchführung gefahrgeneigter Prozesse (explosiv, toxisch). Bei der Entwicklung von Hochdruck-Prozessen profitieren wir zudem von unseren langjährigen Erfahrungen bei der Prozessführung überkritischer Fluide. Sowohl unter dem Aspekt der Prozesssicherheit als auch der Erzielung einer stabilen Prozessführung bilden die maßgeschneiderte Prozessregelung, Prozesssteuerung und Prozessüberwachung einen integralen Bestandteil unserer Entwicklungsarbeiten. Mit der Fähigkeit zur Synthese-Aufskalierung und Durchsatzsteigerung in eigenentwickelten Mehrzweck-, Miniplant- und Pilotanlagen können wir sowohl größere Substanzmengen für Testanwendungen bereitstellen als auch Sicherheits- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen auf realistische Betriebsgrößen und -maßstäbe abbilden.

Nachwachsende Rohstoffe

Bereits seit vielen Jahren sind nachwachsende Rohstoffe Bestandteil der verfahrenstechnischen Nutzung am Fraunhofer ICT. Hierbei wurden eigene Bioraffinerieprozesse entwickelt und unter bio-ökonomischen Gesichtspunkten erweitert, um Hemmnisse bei der industriellen Adaption dieser Prozesse durch gezielte Komponentenentwicklungen zu vermeiden. Hierzu zählen insbesondere kontinuierlich durchströmte Reaktorsysteme entlang der Prozesskette bis
hin zum Fertigprodukt. Diese Prozesse umfassen die Einsatzstoffe Holz, Fette und Öle, Kohlenhydrate sowie andere nicht im Wettbewerb zur Nahrungsmittelproduktion stehende Biomasseströme. Die katalytisch unterstütze Aktivierung von CO2 (aus der Luft) zur Generierung kurzkettiger Alkohole im
Rahmen laufender PTL-Vorhaben (Power-to-Liquid) repräsentiert jüngere Entwicklungen im Bereich der kontinuierlichen Prozessführung.

Einen weiteren Schwerpunkt bilden die Untersuchungen zur industriellen Nutzung von Lignin, insbesondere von Ligninen, die in der Papierindustrie als Abfallprodukt anfallen. Hierbei zeichnen sich bereits Industrieanwendungen im Bereich der Klebstoffe und der Substitution von Bitumen im Straßenbau
ab, die auch unter Ökonomiegesichtspunkten sinnvoll erscheinen. Im Bereich der schwer abbaubaren Biopolymere kommen zunehmend Recycling-Verfahren in den Fokus des Interesses, um sie im Sinne der Kreislaufführung einer erneuten Nutzung zuzuführen. Hierzu entwickelte das Fraunhofer ICT Prozesse, um PLA-Kunststoffe (Poly-Lactid Acid) sowohl werkstofflich als auch chemisch zu recyceln.

Sämtliche Prozessentwicklungen werden begleitet von ökonomischen Betrachtungen insbesondere der Downstream- Prozesse zur Aufreinigung der Endprodukte. Hierbei kommen Instrumente der ganzheitlichen Bilanzierung (LCA) zum Tragen, die sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch den Ressourcenverbrauch berücksichtigen.

 

Ausstattung

  • verschiedene Synthesetechnika für chemische und mechanische Verfahrenstechnik
  • Technikum zur Synthese-Aufskalierung in den 50 kg bzw. 50 L-Maßstab
  • Sicherheitsboxen zur ferngesteuerten Reaktionsführung gefahrgeneigter Prozesse
  • Mikroverfahrenstechnische Versuchsstände und Syntheseanlagen
  • Anlagen zum Parallelscreening von Syntheseansätzen (auch unter Hochdruck)
  • mehrere Reaktionskalorimeter (Batch und kontinuierlich)
  • modernste Prozessspektrometer für die ein- und mehrdimensionale Inline-, Online- oder Atline- Prozessverfolgung (UV/Vis, NIR, IR, Raman)
  • kontinuierliche und diskontinuierliche Hochdruckanlagen für die Hydrothermolyse, Oxidation und Hydrierung sowie Reaktionen in unter- und überkritischem Wasser
  • Hochdruckextraktionsanlagen für die Extraktion in überkritischem Kohlendioxid
  • Pilotanlagen zur Kristallisation aus Lösungen mittels überkritischer Fluide
  • Anlagen zur Bestimmung von Löslichkeiten und Phasengleichgewichten bei hohen Drücken
  • verschiedenste Destillationsanlagen zur thermischen Trennung hochsiedender/empfindlicher Stoffgemische (Fallfilmverdampfer, Hochtemperaturvakuumrektifikation)
  • Anlagen zur Flüssig/Flüssig- und Fest/Flüssig-Extraktion
  • mobile Anlagen zur Umkehrosmose, Nano- und Ultrafiltration
  • Anlagen zur Lösungs- und Schmelzepolymerisation
  • Beschichtungs- und Coatingprozesse
  • Sprüh- und Schmelzkristallisationsprozesse
  • Zerkleinerungstechniken
  • Partikelgrößen- und Kristallstrukturanalytik
  • umfangreich ausgestattete chemische, spektroskopische, thermische und mechanische Analysenlabore
  • Anlagen zur Oberflächenanalytik, Anlagen zur volumetrischen und gravimetrischen Sorptionsmessung
  • Computertomographie