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Es ist ein weiter Weg – von einer ersten Idee, über das Reagenzglas im Labor, dem Pilotstadium – bis hin zu einer großindustriellen Herstellung. Dabei ist es egal, ob es sich um ein Produkt handelt, das später einmal tonnenweise fabriziert werden soll – oder um ein Biopharmazeutikum, das den Kilogramm-Maßstab nicht übersteigen wird. Mitunter zehn Jahre dauert eine solche Prozessentwicklung. Experten mit sehr unterschiedlichen Sichtweisen arbeiten zusammen, oft länderübergreifend. Vieles muss bei der Entwicklung berücksichtigt werden: Die Produktqualität, die Anlagensicherheit, die Auswirkungen auf die Umwelt, Kapital- und Betriebskosten sowie die Markteinführungszeit. Ist ein Produkt bereits eingeführt, dann geht es den Entwicklern darum, vorhandene Prozesse „aufzurüsten“ – sie schneller, kostengünstiger oder umweltfreundlicher zu gestalten.

 
Obwohl die Chemie-, Pharma-, Öl- und Gasindustrie als eher konservativ gelten, sind sie dennoch ständig auf der Suche nach neuen Herstellungsverfahren. Die Gründe dafür sind vielfältig: Zum einen verbessern sich die Möglichkeiten der sogenannten „Unit Operations“, der Grundoperationen. Dazu zählen chemische Reaktionen wie Mischen, Flüssig-Flüssig-Extraktion, Filtration oder Trocknen. Zum anderen gibt es immer wieder neue Prozess-Designmethoden, wie etwa computergestützte Simulationen. Hinzu kommen moderne Systeme der Prozesskontrolle, die Daten mittlerweile selbst aus schwer zugänglichen Bereichen übermitteln: Methoden wie die Tomografie, akustische Analyse und Online-Spektrometer und Massenspektrometer (zusammengefasst unter dem Begriff „Prozessanalytik“ (PAT)) machen sichtbar, was in Stahlrohren und Kesseln vor sich geht.

 
Komponenten zusammenfassen

 
Aber auch Faktoren von außen spielen bei der Prozessentwicklung eine Rolle: Etwa, wenn der Druck aus dem wirtschaftlichen und regulatorischen Umfeld steigt. Wenn sich beispielsweise Markteinführungen beschleunigen. Wenn sich Umwelt- und Sicherheitsanforderungen erhöhen. Oder Rohstoffe, wie Energie und Kühlwasser, nur noch eingeschränkt zur Verfügung stehen. So geht ein Trend dahin, mehrere separate Komponenten eines Prozesses durch eine einzige zu ersetzen: Anlagen, die Mischen, thermische Umsetzung und Abdampfung viskoser Produkte kombinieren.

 
Katalysatoren entwickeln sich weiter

 
Ein wesentlicher Teil vieler industrieller Prozesse sind Katalysatoren. Sie können die Ausbeute erhöhen und Trennschritte einsparen. Dank verbesserter Computersimulationen und automatisierter Screening-Technik hat sich in den letzten Jahren auch auf diesem Gebiet einiges getan: Neue Katalysatoren eröffnen den Zugang zu neuen Produkten: Die Jowat AG (Detmold, Deutschland) beispielsweise setzt einen Prozess ein, der bei Novomer Inc (Waltham, MA, USA) entwickelt wurde, um Polypropylencarbonat (PPC)-Polyol herzustellen. Dieser „grüne“ Kunststoff kann aus Kohlendioxid aus industriellen Abgasen produziert werden. Der Novomer-Prozess basiert auf einem geschützten Kobalt-Katalysator.

 
Charakterisierungsmethoden machen Fortschritte

 
Als die größte ingenieurtechnische Herausforderung bei der Entwicklung neuer Prozesse gilt das sogenannte Upscaling – also die Maßstabsübertragung, die Vergrößerung, im Laufe des Herstellungsverfahrens. Das dieser Schritt alles andere als einfach ist, zeigt folgendes Beispiel: Bei einer exothermen Reaktion wie einer Nitrierung steigt die Wärmemenge, die abgeführt werden muss, beim Übergang von 100 g im Labor zu 1 t in der Fabrik um den Faktor 10.000. Doch die verfügbare Oberfläche vergrößert sich nur um das Fünfhundertfache. Die Wärmeübertragung muss also 20-mal effektiver sein als im Labor.
Voraussetzung für das Upscaling ist daher ein umfassendes Verständnis der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Ausgangsstoffe, der Produkte und aller Zwischen- und Nebenprodukte. Entsprechende Charakterisierungsmethoden haben in der letzten Zeit enorme Fortschritte erlebt: Im Bereich der Reaktionskalorimetrie beispielsweise oder der Messung von physikalischen Eigenschaften von Pulvern.

 
Pilotanalgen bleiben wichtig

 
Dennoch, wie sorgfältig auch immer ein Stoff im Labor untersucht wurde, im großen Maßstab zeigen sich neue – vielleicht gefährliche – Eigenschaften. Gründe dafür sind Verunreinigungen, Korrosion, Fouling und Unterschiede bei Fließ-, Mischungs- und Wärmeübertragungsmustern. Trotz allen Fortschritts sind sich Experten deshalb einige: Pilotanlagen bleiben wichtig – also das Stadium zwischen Labor und industrieller Anlage. Vielen Unternehmen geht es beim Einsatz von Pilotanlagen übrigens nicht nur darum zu überprüfen, ob der gewünschte Prozess überhaupt umsetzbar ist. Sie wollen auch ausreichende Produktmengen herstellen, um das Interesse potenzieller Kunden zu wecken.
Interesse wecken – letztendlich die lohnende Anerkennung einer ersten Idee, die einen so weiten Weg hinter sich hat.

 
Die Aussteller der ACHEMA 2015 decken ein weites Spektrum an Kompetenzen für die Prozessentwicklung ab: Unter ihnen sind Technologie-Lizenzgeber, Anlagenplaner und – bauer, Spezialisten für Simulation und Prozesskontrolle, Hersteller von Komponenten und Chemikalienhersteller. Freuen Sie sich auf ein Kennenlernen – vom 15. Bis 19. Juni in Frankfurt am Main.

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