Industrie + Technik

Dünger aus H2-Produktion | Ein Katalysator hilft, Ammoniak in Wasserstoff und Nitrit umzuwandeln; das Nitrit wiederum lässt sich zu Düngemittel verarbeiten. Ein Team der Universitäten Bochum und Duisburg-Essen hat im Labormaßstab Wasserstoff- und Düngerproduktion miteinander verbunden. Dabei entsteht doppelt so viel H2 wie in der üblichen umgekehrten Haber-Bosch-Reaktion. Für die Reaktion nutzte das Team Multimetallkatalysatoren und Gasdiffusionselektroden, in die sich Ammoniak als Gas einspeisen lässt.Angew. Chem. Int. Ed., doi: 10.1002/anie.202404348Methanol herstellen | Eine Pilotanlage produziert achtmal so viel Methanol aus Biogas wie ein Vorläufer: 16 Mol Methanol pro Kilogramm Katalysator und Stunde. Die Anlage gebaut haben das Forschungsinstitut für Wasserwirtschaft und Klimazukunft an der RWTH Aachen (FiW) und die gemeinnützige Forschungseinrichtung OWI Science for Fuels. Basis war eine Methanolsyntheseanlage des FiW im Klärwerk Emschermündung. Die Forschenden mischten Biogas mit Wasser und Sauerstoff und erhielten über Dampfreformierung und partielle Oxidation (autotherme Reformierung) Synthesegas. Dieses reicherten sie mit Wasserstoff an und wandelten es katalytisch zu Methanol.H2O2 aus H2-Produktion | Warum bei der Wasserelektrolyse mehr Wasserstoffperoxid entsteht, wenn Carbonat zugegen ist, hat ein Team der Universität Bochum geklärt. H2O2 entsteht bevorzugt dann, wenn viel Hydrogencarbonat in der Nähe der Elektrode vorhanden ist. Dann bildet sich ein Reaktionszwischenprodukt, das verhindert, dass Sauerstoff statt H2O2 entsteht. So lässt sich nicht nur Wasserstoff, sondern auch H2O2 gewinnen. Dieses nutzen viele Industriezweige, etwa für die Produktion von Desinfektionsmitteln.Angew. Chem. Int. Ed., doi: 10.1002/anie.202406543Erstautorin Lejing Li vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie bei Versuchen zur Wasserelektrolyse. Foto: RUB, MarquardWasserstoff speichern | Wasserstoff lässt sich in reiner Form physikalisch – etwa als Metallhydrid – oder chemisch in Verbindungen oder organischen Trägern speichern. Welche Vor- und Nachteile die Speichertypen haben, hat das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO und die Duale Hochschule Baden-Württemberg Heilbronn untersucht. Zudem haben sie Szenarien entworfen, wie H2 sich in dezentralen Energiesystemen nutzen lässt.Zur Studie: <a href="https://t1p.de/m0ro6" target="_blank">t1p.de/m0ro6</a>Maren Bulmahn

Meldung

Wasserstoff gewinnen, speichern und nutzen

Der Straßenbau soll nachhaltiger werden. Ein Gespräch mit Hinrich Grothe von der Technischen Universität Wien über Recyclingasphalt, die Alterung von Bitumen und pflanzliche Verjüngungsmittel.Nachrichten aus der Chemie: Bitumen fällt eigentlich als Destillationsrückstand in Erdölraffinerien an; zusammen mit Gesteinskörnungen bildet es Asphalt. War es eine gute Idee, damit Straßen zu bauen?Hinrich Grothe: Welche Alternativen haben wir? Die andere Möglichkeit wären Straßen aus <link href="#nadc20244145989-fig-0001">Beton, doch beim Brennen von Zement wird noch mehr CO2 freigesetzt. Asphalt hat viele Vorteile und es ist vernünftig, Straßen, Geh- und Fahrradwege so zu bauen. Allerdings muss Asphalt nicht unbedingt ein Erdöldestillat enthalten. Bituminöse Stoffe lassen sich auch anders herstellen oder ergänzen, mit Kunststoffabfällen oder vielleicht sogar aus Biomasse. Da besteht noch Forschungsbedarf, aber grundsätzlich ist das machbar.<figure xml:id="nadc20244145989-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Ndu3HdCASUq39xdNedKy"><figcaption><label>Abb.1: </label>Foto: safu designe / Adobe Stock, KI-generiert</figcaption></figure></figure>Könnte Bitumen zukünftig knapp werden?Direkt knapp wird Bitumen nicht, Rohöl gibt es aktuell noch genug. Wenn aber immer mehr Leute Elektroautos fahren und Raffinerien deswegen weniger Kraftstoff produzieren, wird das Nebenprodukt Bitumen irgendwann zurückgehen. Möglich wäre, dass sich Raffinerien zukünftig spezialisieren. Heute sind das Gemischtwarenläden, die viele verschiedene Produkte herstellen. In Zukunft werden sich einige vielleicht stärker in Richtung Rohstoffe für Polymere entwickeln, andere könnten sich auf Spezialkraftstoffe und Bitumen konzentrieren. In den nächsten zehn Jahren wird sich zeigen, wohin sich das Raffineriegeschäft entwickelt.Sie beschäftigen sich mit der Analytik von Bitumen und verwandten Werkstoffen. Was interessiert Sie an dem Material?Wir möchten die Alterung von Bitumen verstehen, auch chemisch. Bitumen ist ein organisches Material. Es reagiert mit Oxidantien aus der Luft und verändert sich im Lauf der Jahre. Das Bitumen versprödet durch die Änderung der chemischen Zusammensetzung und verliert seine Viskoelastizität, dadurch bilden sich Risse im Asphalt und letztendlich Schlaglöcher.Wie untersucht man die Alterung von Bitumen?In Prüflaboren gibt es dafür Standardmethoden, die aber nicht sehr realitätsnah sind. Da werden zum Beispiel Druck und hohe Temperatur an die Probe angelegt. Das aber beeinflusst die Reaktionskinetik. Wir untersuchen die Alterung bei Normaldruck und in Anwesenheit von Stickoxiden, Ozon und anderen Oxidantien, die im Großstadtsmog vorkommen. Dass wir den realen Bedingungen damit ziemlich nahekommen, sehen wir, wenn wir unsere Laborresultate mit den Messungen an echten Straßenproben vergleichen.Bitumen ist ein äußerst komplexes Stoffgemisch. Wie kommt die Analytik damit zurecht?Wenn wir spektroskopische Techniken auf Bitumen anwenden, sehen wir tatsächlich nicht viel. Bitumen enthält fast alles, was man sich in der organischen Chemie vorstellen kann. Wir unterteilen es daher in vier Hauptfraktionen, und zwar in die gesättigten Verbindungen, die kleinen Aromaten, die Harze und die großen Asphaltene. Mit der Polaritätschromatografie lassen sich diese vier Fraktionen voneinander trennen und noch weiter aufspalten. Und dann sehen wir in den Spektren Informationen, die vorher verdeckt waren.Welche spektroskopischen Methoden setzen Sie ein?Wir verwenden vor allem Fluoreszenz- und Infrarotspektroskopie. Bitumen zeigt eine starke Eigenfluoreszenz, und dieses Signal korreliert mit dem Alterungszustand. Die Infrarotspektroskopie ist ebenfalls eine dankbare Methode, denn die vielen funktionellen sauerstoffhaltigen Gruppen ergeben wegen der starken Dipolmomentänderungen während der Schwingung gute IR-Spektren. Seit einiger Zeit nutzen wir in Zusammenarbeit mit Thomas Rosenau von der Universität für Bodenkultur Wien auch NMR-Spektroskopie, wobei wir verschiedene zweidimensionale Varianten verwenden. In den Korrelationsplots lassen sich so alterungsbedingte chemische Änderungen viel detaillierter erkennen.Beschränkt sich Ihr Labor auf die chemische Analytik?Nein, mechanische Testverfahren sind bei einer viskoelastischen Substanz wie Bitumen ebenfalls wichtig. Wir korrelieren die Ergebnisse von chemischen, physikalischen und mechanischen Untersuchungen. In der IR-Spektroskopie sehen wir beispielsweise, wenn durch Oxidation sauerstoffhaltige Gruppen entstehen. Diesen Alterungsindex aus den IR-Spektren gleichen wir ab mit den Ergebnissen aus rheologischen Messungen.In dem Projekt „No Bitumen“ (Kasten, S. 31) beschäftigen Sie sich mit pflanzenbasierten Produkten, die altes Bitumen im Recyclingasphalt aufpeppen sollen. Welche Mittel sind besonders vielversprechend?Das wissen wir noch nicht. Wir stehen noch am Anfang des Projektes. Momentan sind wir gemeinsam mit Michael Wistuba und seinem Team von der TU Braunschweig damit beschäftigt, die Substanzen zu charakterisieren. Wir schauen zum Beispiel, wie sich die pflanzlichen Zusätze auf das Fluoreszenzspektrum auswirken. Biologische Materialien haben oft eine Eigenfluoreszenz, die sich auch bei der Alterung verändert.Was steckt in den Produkten, die Sie untersuchen?Das sind oft Pflanzenöle, auch Pyrolyseöle aus Biomasse oder Reste aus der industriellen Papier- und Holzverarbeitung. Die meisten Hersteller sagen uns nicht genau, woraus ihre Produkte bestehen. Uns interessiert vor allem, ob die pflanzlichen Mittel altes Bitumen nur mechanisch verbessern, es viskoser machen, oder ob sie es auch chemisch so verjüngen, dass es einen Benefit für die Beständigkeit von Straßen bringt. Das ist der Knackpunkt. Unser Kooperationspartner Thomas Pohl von der Ostschweizer Fachhochschule hat errechnet, dass pro Jahr zusätzliche Liegedauer circa 60 000 kg CO2-Äquivalente je Kilometer gespart werden können. Das entspricht in etwa der Menge an CO2, die 60 Bäume über ihre gesamte Lebensdauer binden.<h2 type="main">Ökoasphalt: Das Projekt „No Bitumen“</h2>Asphalt enthält etwa fünf Prozent fossiles Bitumen als Bindemittel, der Rest ist Gestein. Asphalt wird üblicherweise recycelt. Weil das Bitumen im Lauf der Jahre spröde wird und an Klebkraft verliert, wird altem Asphalt in der Regel frisches Bitumen zugegeben. Wie sich darauf zukünftig verzichten lässt, untersuchen Forschende von der TU Braunschweig, der TU Wien und der Ostschweizer Fachhochschule in dem Projekt „No Bitumen“ (Nobit). Die Volkswagenstiftung fördert das Projekt mit über 700 000 Euro. Ziel ist ein systematisches Vorgehen, um Ökoasphalte zu entwickeln, die nahezu ausschließlich aus Recyclingmaterial und biobasierten Zusätzen bestehen. Dafür testen die Projektpartner über ein Dutzend kommerzielle Bioasphaltadditive, etwa aus pflanzlichen Ölen, Harzen oder Lignocellulose. Voraussichtlich im Jahr 2026 soll ein Ökoasphalt in Teststrecken eingebaut werden, bevorzugt auf einer Autobahn.<h2 type="main">Zur Person: Hinrich Grothe</h2>Hinrich Grothe ist Professor für physikalische Chemie der Atmosphäre am Institut für Materialchemie der TU Wien. Er hat an der TU Dresden und der Universität Hannover Chemie studiert und wurde an letzterer promoviert. Mit Bernhard Hofko vom Institut für Verkehrswissenschaften der TU Wien leitet er das Christian-Doppler-Labor für die chemomechanische Analyse von bituminösen Stoffen. Finanziert wird dieses von der österreichischen Christian-Doppler-Forschungsgesellschaft, dem Mineralölkonzern OMV sowie den Bauunternehmen BMI und Pittel+Brausewetter.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/lg5mxMMDT1mxW5rIClNR"><source>Foto: privat<h2 type="main">Die Autorin</h2>Mit Hinrich Grothe sprach Uta Neubauer, promovierte Chemikerin und freie Wissenschaftsjournalistin.

Artikel

Altes Bitumen chemisch verjüngen

Reinstwasser, Aqua purificata, unterliegt strengen Kontrollen. Das Gleiche gilt für die Anlagen, in denen es hergestellt wird. Seine Qualität lässt sich beispielsweise via Online- oder Prozessanalyse prüfen. Dazu sind Analysatoren nötig, die empfindlich und spezifisch die geforderten Parameter erfassen.Es hat verschiedene Namen: <link href="#nadc20244145529-fig-0001">Aqua purificata, Purified Water, gereinigtes Wasser oder einfach Reinstwasser – und dient dazu, pharmazeutische Produkte herzustellen. Dafür betreiben Pharmaunternehmen Reinstwasseranlagen, die mehrere Wasseraufbereitungstechniken miteinander kombinieren. Indem das Wasser kontinuierlich analysiert wird, lässt sich sicherstellen, dass sowohl das Wasser den Anforderungen entspricht als auch die Reinstwasseranlagen ordnungsgemäß funktionieren. Die Grenzwerte für bestimmte Parameter sind in Arzneibüchern vorgegeben, etwa in der European Pharmacopeia (EP) oder der United States Pharmacopoeia (USP).<figure xml:id="nadc20244145529-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Rtn0T9ZVSe3kb1JcGj6h"><figcaption><label>Abb.1: </label>Bild: Heung Soon / pixabay</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Techniken, Grenzwerte, Analysen</h2>Umkehrosmose, Ultrafiltration, Ionenaustausch und UV-Oxidation – das sind nur einige der Techniken, mit denen sich Wasser aufbereiten lässt. Moderne Reinstwasseranlagen kombinieren sie, um möglichst viele Kontaminanten aus dem Wasser zu entfernen. Das Aqua purificata wird meist zentral in einer Anlage hergestellt und dann in der Produktion verteilt, etwa durch Ringleitungen.Um die geforderte Reinheit des Wassers zu charakterisieren, legen die Arzneibücher Grenzwerte für bestimmte Parameter des Wassers fest. Dazu zählen die elektrische Leitfähigkeit, die die Summe der gelösten Ionen beschreibt, und der Gesamtkohlenstoffgehalt (total organic carbon, TOC), der den gesamten Kohlenstoff aus organischen Verbindungen erfasst.Laboranalysen der Parameter zeigen, ob die Reinheitskriterien eingehalten sind, und dienen gleichzeitig als Nachweis dafür. Um die Wasserqualität jederzeit und engmaschig im Auge zu behalten, setzt sich neben der Laboranalytik (Offline-Analyse) mehr und mehr die Online- oder Prozessanalyse durch. Dazu sind Analysatoren nötig, die empfindlich und spezifisch die Parameter erfassen. Die Monographien in den Arzneibüchern beschreiben die entsprechenden Anforderungen an die Analytik, so zum Beispiel die &lt;USP 643&gt; zur TOC-Bestimmung und die &lt;USP 645&gt; für den Leitfähigkeitsnachweis. Als Grenzwerte nennt die USP für den TOC ≤ 0,5 mg · L–1 und für die elektrische Leitfähigkeit ≤ 3 µS · cm–1 (bei 25 °C).Ein System, das sich zur Überwachung von Reinstwasser eignet, ist der <link href="#nadc20244145529-fig-0002">TOC-1000e von Shimadzu. Der Prozessanalysator wird über einen Bypass direkt mit dem Reinstwasserstrom verbunden. Dadurch kommt die Probe nicht mit der Umgebung in Berührung, was die Gefahr einer Verunreinigung verringert.<figure xml:id="nadc20244145529-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/yh7yXPimS4mCCQMAwclW"><figcaption><label>Abb.2: </label>Interner Aufbau und Messprinzip des TOC-1000e zur Online-Reinstwasserüberwachung. Einzelne Schritte: 1) Lampe ausschalten, Probendurchfluss starten und Leitfähigkeit der unoxidierten Probe messen. 2) Probenfluss stoppen und Lampe einschalten, um organische Stoffe in der Probe zu oxidieren. 3) Lampe ausschalten und Probendurchfluss starten, um die Leitfähigkeit der oxidierten Probe zu messen. 4) TOC-Wert berechnen aus der Leitfähigkeitsdifferenz von oxidierter und unoxidierter Probe.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">So läuft die Analyse</h2>Das Shimadzu-System nutzt UV-Oxidation und direkte Leitfähigkeitsmessung. Dabei fließt ein Teilstrom der Wasserprobe durch eine zunächst ausgeschaltete UV-Lampe und passiert anschließend eine Leitfähigkeitsmesszelle. Hier wird die elektrische Leitfähigkeit des Wassers gemessen.Anschließend wird der Probenfluss gestoppt und die UV-Lampe aktiviert. Anders als herkömmliche UV-Lampen enthält die Lampe statt Quecksilber Xenon, das elektrisch angeregt wird. Dabei entstehen kurzfristig Dimere, die beim Zerfall UV-Licht der Wellenlänge von 172 nm ausstrahlen. Damit sind solche Excimer-Lampen nicht nur energiereicher als Quecksilberlampen, sondern auch umweltfreundlicher.Bei der UV-Bestrahlung entstehen im Wasser OH-Radikale, die äußerst reaktiv sind und organische Substanzen zu CO2 oxidieren. Der Oxidationsvorgang dauert etwa 70 Sekunden. Anschließend wird der Probenzufluss wieder aktiviert. Dabei wird die oxidierte Probe über die Leitfähigkeits-Messzelle gebracht. Da sich die Leitfähigkeit durch das entstehende Kohlenstoffdioxid erhöht hat, lässt sich die Differenz beider Messungen bestimmen. Mit ihr wird der <link href="#nadc20244145529-fig-0003">TOC-Gehalt berechnet.<figure xml:id="nadc20244145529-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/KKAcjenbQz6ZbZwAS3WM"><figcaption><label>Abb.3: </label>Der TOC-1000e von Shimadzu zur Online-Reinstwasserüber-wachung.</figcaption></figure></figure>Ein Messzyklus dauert 2,5 Minuten. Die Messfrequenz lässt sich zwischen wenigen Minuten und mehreren Stunden einstellen; das kleinste Intervall entspricht einer Analyse im 2,5-Minuten-Takt. Das ermöglicht, das Reinstwasser engmaschig zu überwachen. Ein Vorteil der Methode: Es werden keinerlei Chemikalien eingesetzt.In der Pharmazie haben Sicherung und Integrität von Daten eine herausragende Rolle. Daher ist es wichtig, die Anforderungen der Good Manufacturing Practice (GMP) zu erfüllen. Für Dokumentation und Überwachung verfügt das TOC-1000e über einen Audit Trail und eine Nutzerverwaltung. Über individuelle Nutzerkonten lassen sich Nutzungsrechte vergeben. Im Audit Trail wird alles lückenlos dokumentiert – von Einstellungen, Messungen und Ergebnissen bis hin zu Fehlern und Alarmen.Die Analysenergebnisse lassen sich per USB-Stick sichern und über einen Drucker oder als analoges (4–20 mA) oder digitales Signal (Modbus) an eine Prozessleitwarte ausgeben. Zudem sind die Daten per Lan-Verbindung in einem vernetzten PC einsehbar. Dort lassen sich Datenreports erstellen und Daten als CSV-Datei speichern. Um die im Code of Federal Regulations (CFR) 21 Part 11 geforderte Datenintegrität zu erfüllen sowie Daten durch digitale Signatur freizugeben, ist es möglich, mehrere <link href="#nadc20244145529-fig-0004">TOC-1000e-Systeme an die Labsolutions-Software von Shimadzu anzubinden. Damit lassen sich tägliche Messberichte und Audit-Trail-Protokolle über Lan in eine Labsolutions-Datenbank exportieren, zentral speichern, verwalten und signieren.<figure xml:id="nadc20244145529-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/tPN8ch1S0GIW46R7tHGE"><figcaption><label>Abb.4: </label>Trendgraf-Überwachung der Anlage 1 „Aqua purificata“ mit dem TOC-1000e. Die Analysen erfolgten alle 2,5 Minuten (Messpunkte). Der TOC-Grenzwert liegt meist bei 100 oder 500 ppb; bei dieser Analyse war also während der Produktion alles in Ordnung.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Der Autor</h2>Sascha Hupach arbeitet seit 2008 als TOC- Spezialist bei Shimadzu Deutschland.

Kontrollierte Reinheit

Chemiewirtschaft

Abscheiden, Nutzen und Speichern von CO2 – Carbon Capture, Utilisation and Storage (CCUS) – sind entscheidend, um eine CO2-neutrale Chemieindustrie zu verwirklichen. Neben Biomasse und Abfallrecycling kann CCU dazu dienen, nicht fossilen Kohlenstoff zu gewinnen: CO2 als Rohstoff wird seit vielen Jahren erprobt, etwa um Methan oder Methanol herzustellen. CCS thematisiert die Option, CO2 dauerhaft zu binden und beispielsweise unter der Erdoberfläche zu lagern.Nun gibt es für den Hochlauf einer CO2-Wirtschaft Voraussetzungen: Erstens müssen die Regeln zur CO2-Anrechnung klar und die Finanzierung der Infrastruktur verlässlich sein, zweitens müssen H2 und Strom aus erneuerbaren Energien sowie CO2 kostengünstig verfügbar sein. Drittens muss ein Markt entstehen. Gegenwärtig ist unklar, bis wann diese Voraussetzungen erfüllt sind.Insbesondere, und dieser Punkt soll hier im Vordergrund stehen, ist der Hochlauf auf verschiedenen Produktionsstufen zu koordinieren: CO2 muss etwa bei der Kalk- oder Zementherstellung abgeschieden und dann aufbereitet werden. Es ist zu transportieren und in die CCU-Anwendung zu bringen oder CCS zuzuführen. Jeder Schritt muss technisch machbar und ökonomisch attraktiv sein.Aus Sicht des Projektmanagements ist der Hochlauf einer CO2-Wirtschaft – ebenso wie die Energiewende – ein Megaprojekt: Beide verlangen Budget, Zeit und Ressourcen in enormen Dimensionen, binden viele Beteiligte, sind technisch anspruchsvoll und wirken auf Wirtschaft und Gesellschaft. Der Literatur zufolge erfordern Megaprojekte klare Ziele, Kostentransparenz und -kontrolle sowie ein ganzheitliches, striktes Projektmanagement. In der Praxis dauert alles oft deutlich länger und kostet viel mehr als ursprünglich geplant.Daher: Die CO2-Wirtschaft mag ein attraktives Konzept sein. Bevor wir sie jedoch als zentrale Lösung auf dem Weg zur Klimaneutralität sehen, sollten wir uns fragen: Welche Geschäftsmöglichkeiten erwarten wir realistischerweise für wen entlang der Wertschöpfungskette? Was lernen wir aus dem Management der Energiewende?Nur mit klaren Managementstrukturen und einer ökonomischen Perspektive kann der Hochlauf einer CO2-Wirtschaft effizient gelingen.Hannes Utikal ist Professor für Betriebswirtschaftslehre an der Provadis-Hochschule in Frankfurt am Main und leitet das dortige Zentrum für Industrie und Nachhaltigkeit. Er ist Vorstandsmitglied der GDCh-Vereinigung Chemie und Wirtschaft und führt uns mit dieser Kolumne im Wechsel mit Rolf Albach und Stephan von Delft durch die Welt der Wirtschaftschemie.

Der Wirtschaftschemiker

Transformationspfade benötigen ein Update

CO2 dauerhaft binden I Das Kölner Start-up Aeroc produziert Gesteinsmehl aus Basalt. Wird das Mehl auf Ackerböden ausgestreut, bildet es mit CO2 Bicarbonate und setzt so Pflanzennährstoffe frei. Indem das Unternehmen die gebundene CO2-Menge misst, können sich Unternehmen und Staaten die Rückgewinnung ihrer unvermeidbaren CO2-Emissionen zertifizieren lassen. Geschäftsführer ist Felix Noßke (Handelsregistereintrag vom 8.7.2024).Antikörper finden I Über künstliche Intelligenz (KI) erstellt eine Software des Berliner Unternehmens Silica Corpora Aminosäuresequenzen potenzieller therapeutischer Antikörper. Als Input dient die Aminosäuresequenz des Ziel-Antigens. Die Software soll die Zahl der Antikörperkandidaten reduzieren, die für neue Anwendungen experimentell zu testen sind. Geschäftsführer ist Jaime Rosselló Coll (4.8.2023).Mit Cellulose verpacken I Das Start-up Cell2Green aus Bad Doberan stellt eine recycelbare, biologisch abbaubare Verpackungsfolie her. Als Rohstoff dient Cellulose, etwa aus Bioabfällen oder Recyclingpapier. Anders als andere Folien aus Kunststoff oder Biokunststoff zersetzt sich die Cellulosefolie im Laborversuch vollständig innerhalb einer Woche im Boden oder auf Oberflächen und in ein bis zwei Monaten in Meerwasser. Geschäftsführer ist Dirk Hollmann (9.5.2023).Energieinfrastruktur I In einem neuartigen Verfahren fertigt das Unternehmen Fiberior aus Kaiserslautern thermoplastische Faserverbundwerkstoffe. Daraus stellt es unter anderem Rohrleitungen her, mit denen sich Wasserstoff unter hohem Druck transportieren und speichern lässt. Geschäftsführer ist Tobias Donhauser (18.7.2024).Holger Bengs, European Chemistry Partnering, schaut für die Nachrichten aus der Chemie ins Handelsregister.

Start me up

Drei Unternehmen erleichtern zusammen mittelst&auml;ndisch gepr&auml;gten Firmen, in Flowchemie einzusteigen und diese betriebswirtschaftlich sinnvoll zu nutzen. So lassen sich beispielsweise Aromastoffe schneller als bisher produzieren, und die Anlagen ben&ouml;tigen weniger Platz.
Flowchemie, also eine Reaktion in einem kontinuierlich flie&szlig;enden Strom statt in einem Kessel, l&ouml;st prozesschemische Probleme. Aber sie ist traditionell kein Bestandteil der fr&uuml;hen Forschung und Entwicklung (F+E), wenn Substanzen etwa in der (metall-)organischen Chemie zu entwickeln sind. Denn die Chemieausbildung ist eng mit Reaktionen im Glaskolben verbunden. Daher besch&auml;ftigen sich die meisten mit Flowchemie erst, wenn etwa neue Probleme bei etablierten Prozessen zu l&ouml;sen sind, die in einem Kessel ablaufen (Batchprozesse). Dies geschieht beispielsweise, wenn es neue regulatorische Vorgaben gibt oder sich kurzfristig Rohstoffverf&uuml;gbarkeiten &auml;ndern.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/PfXLDRH4S1KwSBRYmedy">
<figcaption><label>Abb.1: </label>Bild: Boomanoid / Adobe Stock, generiert mit KI</figcaption>
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Bisher mussten sich Unternehmen die Komponenten und Leistungen am Markt zusammensuchen, die f&uuml;r reibungslose Entwicklung, Einf&uuml;hrung und Nutzung der Flowchemie notwendig sind. Denn die Mikroreaktortechnik, die chemische (Auftrags-)Prozessentwicklung im Labor- und Pilotma&szlig;stab sowie die Automatisierung werden traditionell separat angeboten. Dies f&uuml;hrt vor allem bei kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) zu ineffizienten Prozessen, wenn es um Flowchemieprojekte geht: Nicht aufeinander abgestimmte Teill&ouml;sungen erschweren es, Projekte zu entwerfen, die Technik einzuf&uuml;hren und zu nutzen. Viele auf dem Papier erfolgversprechende Projekte laufen so finanziell aus dem Ruder oder scheitern.
<h2 type="main">Konzept aus einer Hand</h2>
Die Systempartner Ehrfeld Mikrotechnik aus Wendelsheim, Hitec Zang aus Herzogenrath und Taros Chemicals aus Dortmund bieten Firmen mit einer typischen Jahresproduktion von bis zu 100 Mt passende Flowchemie an. Daf&uuml;r ermitteln sie im Batch-zu-Flow-Vergleich, welches die beste Produktionsoption f&uuml;r eine Chemikalie ist.
M&ouml;glich wird dies bei Taros im Forschungs- und Entwicklungslabor, das neben der traditionellen Batchausr&uuml;stung nun &uuml;ber Ehrfeld-Reaktoren mit Hitec-Zang-Laborautomation verf&uuml;gt (Foto links). Layout, Ergebnisse und Produktqualit&auml;ten lassen sich nahtlos in den Produktionsma&szlig;stab beim Kunden &uuml;berf&uuml;hren. Die Mikroreaktoren aus Wendelsheim sind bis in den Kilotonnenma&szlig;stab seit Jahren etabliert.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/9tyqZ7OQSZGeWWgyKobj">
<figcaption><label>Abb.2: </label>Im Forschungs- und Entwicklungslabor bei Taros Chemicals. Das modulare Mikroreaktionssystem der Firma Ehrfeld im Vordergrund hat eine Mischstrecke, einen Verweilreaktor und Temperatur- und Druckmessung. Im Hintergrund sind die Automatisierungs- (oben), die Dosier- (links) und die Probennahmeeinrichtungen (rechts) der Firma Hitec Zang zu sehen. Fotos: Taros</figcaption>
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Das aufeinander abgestimmte Dienstleistungs- und Ausr&uuml;stungskonzept der drei Partner liefert nach wenigen Wochen eine Antwort auf die Frage: L&auml;sst sich eine Chemikalie in einer Flowchemie-Infrastruktur herstellen und wenn ja, wie? Wichtig ist dabei, dass sich das Produkt im Markt so positionieren l&auml;sst, dass sich die Investition daf&uuml;r bezahlt macht, dass das Produkt rentabel ist. Die unternehmerische Kennzahl daf&uuml;r ist die Kapitalrendite (return on investment, ROI). Dazu geh&ouml;rt ein technischer und betriebswirtschaftlicher Fahrplan f&uuml;r die Flowchemie-Anlage in der k&uuml;nftigen Produktionsumgebung. Er sollte alle betrieblichen Interessengruppen wie Aktion&auml;re, Mitarbeitende, Kunden und Lieferanten ber&uuml;cksichtigen.
Da in der Regel nach dem Flowprozessschritt ein chemisches Produkt noch nicht marktreif ist, bietet Taros an, die Reaktionsparameter und -produkte w&auml;hrend der Flowprozessentwicklung zu &uuml;berwachen, zu analysieren und zu optimieren. Dazu dienen Methoden wie HPLC-, NMR-, MS- und IR-Analytik. Hinzu kommen nachgelagerte Reinigungsmethoden von Chromatographie und Kristallisation bis hin zur Sublimation. Dies ist eine f&uuml;r den Kunden ganzheitliche L&ouml;sung, die vom Labor in die Produktion f&uuml;hrt.
<h2 type="main">Weniger Platz und Zeit</h2>
Beispiel 1: Ein mittelst&auml;ndischer &ouml;sterreichischer Aromastoffhersteller wollte f&uuml;r die Produktion einer neuen Substanz den Platzbedarf optimieren und das Reaktionsvolumen reduzieren. Damit sollten regulatorische Anforderungen erf&uuml;llt werden. Das Unternehmen entschied sich f&uuml;r einen Flowprozess.
Nach insgesamt weniger als sechs Monaten ab Projektstart l&auml;uft nun die exotherme Deperoxidierungsreaktion in einem Ehrfeld-Miprowa-Matrix-Reaktor; er hat ein Volumen von 300 mL, und die Reaktion l&auml;uft bei bis zu 26 bar und 250 &deg;C. Die Reaktionszeit betr&auml;gt wenige Minuten bei einem Durchsatz von 10 L&middot;h&ndash;1. Dies erm&ouml;glicht in 8000 Jahresbetriebsstunden circa 80 Mt Produktaussto&szlig;. Die automatisierte Anlage ben&ouml;tigt inklusive Temperaturregelung und Dosierung 3 m&sup2; Grundfl&auml;che und 2 m Bauh&ouml;he (Foto rechts).
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<figcaption><label>Abb.3: </label>Der Ehrfeld-Miprowa-Matrix-Reaktor mit 300 mL Volumen produziert in &Ouml;sterreich 80 Mt Aromastoffe pro Jahr.</figcaption>
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Beispiel 2: Bei einem KMU der Spezial- und Feinchemieindustrie in Sachsen-Anhalt wurde eine Anlage konfiguriert, die der in &Ouml;sterreich nahezu baugleich ist, jedoch nur zwei Drittel des Reaktionsvolumens hat. Der Durchsatz betr&auml;gt insgesamt 12 L&middot;h&ndash;1. Dadurch entsteht ein Jahresdurchsatz von knapp 100 Mt. Automatisierungsgrad und sonstige Anlagenparameter &auml;hneln denen in &Ouml;sterreich.
In beiden Praxisbeispielen sind die Anlagen &auml;hnlich konfiguriert. Dass sie modular und flexibel sind, liefert in beiden Betrieben trotz chemisch unterschiedlicher Reaktionstypen technisch wie betriebswirtschaftlich &uuml;berzeugende Ergebnisse.
Bei 100 Mt Jahresproduktion ist das Ende nicht erreicht: Seit dem Jahr 2016 laufen beim chinesischen Agrarstoffhersteller Shaoxing Eastlake Hi-Tech drei Ehrfeld-Reaktoren mit einer Gesamtkapazit&auml;t von 30 000 Mt pro Jahr. Bis Ende 2024 werden am neu errichteten Standort in Shangyu Flowreaktoren mit einer Gesamtkapazit&auml;t von dann 100 000 Mt pro Jahr arbeiten.
<h2 type="main">Ein Vergleich: Flowchemie- und Batch-Anlage</h2>
Verglichen mit Batch-Anlagen sind Flowchemie-Anlagen kleiner, reduzieren Investitionskosten und verbessern die Rentabilit&auml;t bei bis 100 Megatonnen Produkt pro Jahr.
Die Produktionskapazit&auml;t l&auml;sst sich bei Flowchemie an wechselnde Volumenanforderungen anpassen. Kleinere Mengen machen Anlagen sicherer und erleichtern, regulatorische Anforderungen einzuhalten.
Bei Flowchemie erlauben effizientere Reaktionsbedingungen und geringerer Ressourcenverbrauch, Energie zu sparen, und nachhaltigere Produktion.
Lieferkettensicherheit und weniger Abh&auml;ngigkeiten ergeben sich bei der Flowchemie besonders f&uuml;r Zwischenprodukte durch eigene, dezentrale und flexible Produktion.
Technisches Personal betreibt Flow-Anlagen nach kurzer Schulung. Diese beginnt beispielsweise w&auml;hrend der Installation der Anlage; das dauert etwa sechs bis acht Stunden. W&auml;hrend des Betriebs schult Ehrfeld weiter, so dass nach einem bis zwei Tagen mit jeweils einer bis zwei Stunden Schulungszeit alle Mitarbeiter die Anlage selbstst&auml;ndig betreiben.
<h2 type="main">Die Autoren</h2>
Youri Mesmoudi ist Prokurist bei Taros Chemicals in Dortmund. Coautoren sind Alexander Piechot, Gesch&auml;ftsf&uuml;hrer Taros, Rafael Kuwertz, Gesch&auml;ftsf&uuml;hrer Ehrfeld Mikrotechnik, Marc-Oliver Piepenbrock, Leiter Prozessentwicklung bei Ehrfeld und Thomas Kretzschmar, Anlagenplanung bei Hitec Zang. <a href="https://tarosdiscovery.com" target="_blank" rel="noopener">tarosdiscovery.com</a>, <a href="https://ehrfeld.com" target="_blank" rel="noopener">ehrfeld.com</a>, <a href="https://hitec-zang.de" target="_blank" rel="noopener">hitec-zang.de</a>.
<h2 type="main">Weiterf&uuml;hrende Literatur</h2>
<ul class="references" cited="no" xml:id="nadc20244144616-bibl-0001">
<li xml:id="nadc20244144616-bib-0001">1 The Hitchhiker&rsquo;s Guide to Flow Chemistry, Chem. Rev. 2017; doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00183</li>
<li xml:id="nadc20244144616-bib-0002">2 How to approach flow chemistry, Chem. Soc. Rev. 2020; doi: 10.1039/c9cs00832b</li>
<li xml:id="nadc20244144616-bib-0003">3 A field guide to flow chemistry for synthetic organic chemists, Chem. Sci. 2023; doi: 10.1039/d3sc00992k</li>
<li xml:id="nadc20244144616-bib-0004">4 Modular Micro- and Millireactor Systems for Preparative Chemical Synthesis and Bioprocesses, Microreactors in Preparative Chemistry 2013; doi: 10.1002/9783527652891.ch03</li>
<li xml:id="nadc20244144616-bib-0005">5 Flow chemistry remains an opportunity for chemists and chemical engineers, Curr. Opin. Chem. Eng. 2020; doi: 10.1016/j.coche.2020.05.002</li>
</ul>

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