Chemische Prozesstechnik & Flow Chemistry

Im Forschungsbereich Chemische Prozessentwicklung werden Verfahren zur Synthese und Prozessierung von energetischen Materialien und Feinchemikalien bis in den Technikumsmaßstab realisiert. Im Vordergrund stehen kontinuierliche, mikroverfahrenstechnische und überkritische Prozesstechniken. 

Prozessführung mit Mikroreaktionstechnik

Durch die präzise, kontinuierliche Prozessführung in Mikroreaktoren, Mikromischern und anderen mikrostrukturierten Anlagen können gegenüber konventionellen Syntheseverfahren signifikante Verbesserungen im Hinblick auf Ausbeute, Selektivität, Produktqualität und Sicherheit erreicht werden. Mikrostrukturierte Apparate zeichnen sich insbesondere durch hohe Oberfläche/Volumenverhältnisse und Kanaldimensionen im sub-Millimeterbereich aus, die eine starke Intensivierung von Wärme- und Stofftransport im Prozess ermöglicht. Die Mikroverfahrenstechnik bietet so Zugang zu neuen Prozessfenstern und Synthesewegen.

Am Fraunhofer ICT werden seit über 15 Jahren mikroverfahrenstechnische Prozesse für folgende Zwecke eingesetzt:

  • Analyse, Auslegung und Optimierung chemischer Prozesse 
  • Sichere Prozessführung gefahrgeneigter Reaktionen
  • Synthese von Spezial- und Feinchemikalien

Entwicklung maßgeschneiderter Mikroreaktionssysteme für Labor und Kleinmengen-Produktion

© Foto Fraunhofer ICT

Gefahrgeneigte Prozesse

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Ein Spezialgebiet am Fraunhofer ICT ist die Entwicklung von chemischen Prozessen für die sichere Prozessführung explosionsfähiger oder anderweitig gefahrgeneigter Reaktionssysteme. Hierbei stützen wir uns auf unsere über 50-jährige Expertise auf dem Gebiet der Explosivstoffsynthese sowie die zugehörige Infrastruktur und Sicherheitsausstattung.

Die Vorteile der Mikroverfahrenstechnik lassen sich besonders für Prozesse mit erhöhtem Gefährdungspotenzial nutzen - sei es, um starke Wärmetönungen abzufangen, Nebenprodukte und Zersetzungsreaktionen zu unterdrücken oder um toxische, explosive oder anderweitig labile Produkte und Intermediate in kleinen Reaktorvolumina und bei kurzen Standzeiten sicher am ‘Point of Use‘ zu prozessieren. Neben verschiedenen Laborprozessen werden am Fraunhofer ICT spezielle Multipurpose-Anlagen im technischen Maßstab entwickelt, die sowohl die kontinuierliche Synthese von explosiven Gefahrstoffen als auch deren anschließende kontinuierliche Aufarbeitung in relevanten Produktionsmengen erlauben. Typische Durchsätze liegen im Bereich von einigen 100 Gramm pro Minute.

Fraunhofer Leitprojekt »Strom als Rohstoff«

Im Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff« haben sich zehn Fraunhofer-Institute zusammengeschlossen um Verfahren zu entwickeln und zu optimieren, mit denen CO2-armer Strom genutzt werden kann, um wichtige Basischemikalien zu synthetisieren. Im Projekt werden dazu neue elektrochemische Verfahren entwickelt, technisch demonstriert und die Einkopplung in das deutsche Energiesystem vorbereitet.

Am Fraunhofer ICT wird im Rahmen des Projekts ein Demonstrator für die dezentrale Herstellung von Wasserstoffperoxid (H2O2) aus Sauerstoff und Wasser entwickelt. H2O2 findet in einer Vielzahl von synthesechemischen Oxidationsreaktionen Verwendung als umweltfreundliches, selektives und zudem hochaktives Oxidationsmittel. Die elektrochemische Synthese von H2O2 durch Sauerstoffreduktion ist eine kostengünstige, sichere und saubere Alternative zu herkömmlichen großtechnischen Prozessen und könnte auch in kleinem Maßstab direkt beim Endanwender erfolgen. Die Herstellung erfolgt im Kilogramm-Maßstab und ihre Vorwärtsintegration wird am Beispiel der Zellstoffbleiche und einer Selektivoxidation (Oxidative Entschwefelung von Benzin) im technischen Maßstab realisiert.

Hochdruckanwendungen

Überkritische Pilotanlage
© Foto Fraunhofer ICT

Überkritische Pilotanlage

Der Einsatz überkritischer Fluide (sc-Fluid) zur Erzeugung und Modifikation feindisperser Partikelsysteme offeriert eine besonders schonende Verfahrensführung für temperatursensible Materialien. Dabei werden die speziellen Eigenschaften überkritischer Fluide wie niedrige Viskosität, fehlende Oberflächenspannung und hohe Dichte genutzt. Zum Einsatz kommen Verfahren, bei denen das überkritische Fluid als Lösungsmittel (RESS) oder als Antisolvent (PCA) fungiert. Darüber hinaus lassen sich Partikel auch mit dem PGSS-Verfahren herstellen, bei dem eine mit dem sc-Fluid gesättigte Schmelze zerstäubt wird. Das Schäumen oder ein gezieltes Abscheiden von Wirkstoffen in einem festen Matrixmaterial sind ebenfalls Anwendungsfelder überkritischer Fluide.

Es stehen Anlagen vom Labormaßstab bis hin zur kontinuierlich betriebenen Pilotanlage zur Verfügung. Grundlegende Untersuchungen zum Hochdruckphasengleichgewicht binärer Stoffsysteme können an einer statischen Apparatur bis zu Drücken von 100 MPa durchgeführt werden.

Lösbare Klebstoffe

Am Fraunhofer ICT werden Klebstoffe auf Polyurethan- oder Epoxidbasis für den Konstruktionsbau entwickelt. Mittels Mikrowellenstrahlung können diese besonders schnell ausgehärtet werden bzw. durch die Verwendung von aktivierbaren Stoffen kann gezielt ein Trennen der Fügeteile bewirkt werden.

Entwickelt und charakterisiert werden 2K-Klebstoffe auf PU- oder EP-Basis für den Konstruktionsbau. Neben Verklebungen von Kunststoffen wie PU, PMMA, PC können auch Metall-Kunststoff-Klebungen gezielt aktiviert werden, um die Fügepartner voneinander zu trennen. Dieser Prozess kann je nach Applikation weitestgehend kraft- und rückstandsfrei erfolgen, um eine folgende Wiederverwertung zu ermöglichen. Mit Zugscherfestigkeiten von ca. 25 MPa sind diese aktivierbaren Klebstoffe genauso leistungsfähig wie kommerziell erhältliche Produkte.

Charakterisierungsmethoden

  • Probenherstellung und Zugscherfestigkeit nach DIN 53281 und DIN EN 1465
  • Materialverträglichkeit (DSC/ TGA, IR, Vakuumstabilität)
  • Dielektrische Eigenschaften im Resonanzverfahren
  • Debonding-Eigenschaften  mit versch. Strahlungsquellen
  • Großflächiges Mikrowellenarray mit 16 Strahlungsquellen für Proben bis 0,5m²

Leistungen

  • Klebstoffentwicklung nach Kundenwunsch
  • Debondingskonzept
  • Klebstoffprüfung
Mikrowellenanlage zum Lösen von Klebstoffproben
© Foto Fraunhofer ICT

Mikrowellenanlage zum Lösen von Klebstoffproben