Bei räumlich verteilten Nutzern von Chemikalien kann eine zentrale Lagerstätte, insbesondere bei gefährlichen Stoffen und im Laborbereich, zu einem Effizienzgewinn führen. Über den zentralen Lagerort werden die benötigten Chemikalien angefordert und verteilt. Dabei sollte hinsichtlich der Transportbehälter neben den Sicherheitsaspekten auch auf die Nutzung leicht zu handhabender und wiederverwendbarer Gebinde und Umverpackungen geachtet werden.

Quelle(n):

• VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (2017): Ressource Deutschland DE [online]. VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH, verfügbar unter: Link

Sofern es die räumliche Situation am Produktionsstandort zulässt, können unter Zuhilfenahme der Schwerkraft eine Energieeinsparung sowie eine Reduzierung von Stoffverlusten durch unkontrollierte Emissionen bei der Beschickung von Reaktoren und Apparaten erreicht werden. Die Lagerung jeweils notwendiger Ausgangschemikalien in einem Bereich oberhalb der im weiteren Verlauf benötigten Anlagenteile ersetzt in diesem Falle den Einsatz von Pumpen und Verdichtern. Über ein geschlossenes Verteilsystem fallen die Einsatzstoffe unter dem Einfluss der Schwerkraft in die Reaktoren. Auf den Betrieb von Pumpen und Verdichtern, die häufig eine Emissionsquelle darstellen, kann so verzichtet werden. Technische Einschränkungen können zu individuellen Lösungen führen, z. B. kann die Schwerkraft nicht zum Transport viskoser Flüssigkeiten eingesetzt werden. Alternativ zum Transport mit Schwerkraft können zur Vermeidung von Emissionen leichtflüchtiger Verbindungen Spaltrohrpumpen verwendet werden.

Quelle(n):

• Umweltbundesamt (2005a): Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien. Umweltbundesamt, Dessau, auch verfügbar als PDF unter: S. 124 Link

• Entwicklung eines neuartigen, faltbaren und wiederverwendbaren Mehrweg-Verpackungssystems
• für flüssige und pastöse Güter im mittleren Volumenbereich
• materialsparend und reduziert den Transportaufwand für Leergebinde
• Verminderung von Abfall durch Wiederverwendung der Außenhülle und Verwertung des Innensacks

Extraktion von Naturstoffen mit überkritischem CO₂

Überkritisches CO₂ (überkritischer Punkt bei 73,8 bar/31 °C), das ähnliche Eigenschaften wie Hexan aufweist, kann in einem Extraktionsverfahren das Lösemittel ersetzen. Da CO₂ einfach durch die Anwendung von geeignetem Druck recycelt werden kann, können Extrakte mit hoher Qualität und Reinheit erhalten werden, ohne dass das typische Problem der Entfernung des Extraktionsmittels auftritt. Erzielte Vorteile:

• keine VOC-Emissionen,
• keine VOC-Rückgewinnung/-Vermeidung notwendig,
• hohe Effektivität,
• weniger Aufwand für die Reinigung des Extrakts.

Anwendbarkeit

Dort anwendbar, wo die Lösemitteleigenschaften des überkritischen CO₂ eine wirksame Extraktion eines vorliegenden Extrakts ermöglichen. Bevorzugte Methode, um hitzeempfindliche Stoffe zu isolieren. Da bei diesem Verfahren Drücke über 73,8 bar notwendig sind, ist eine Betrachtung der Anlagenkosten wichtig.

Gegenstromextraktion

Die Ausbeute bei der Extraktion von Pflanzenmaterialien kann abhängig von der Verfahrenstechnik, der Qualität der Pflanzenmaterialien und den gewünschten Verbindungen von 10 bis 0,1 % oder sogar weniger variieren. Dies bedeutet, dass die Menge der Abfallströme im Vergleich zur Menge des Endproduktes beträchtlich ist. Um die Menge der Abfallströme zu verringern, ist es wichtig, die Ausbeute der Extraktion zu maximieren, z. B. durch Einsatz der Gegenstromextraktion.

Erzielte Umweltvorteile

Das allgemein anwendbare Verfahren der Gegenstromextraktion führt zu höheren Ausbeuten im Prozess. Hieraus und aus den niedrigeren Kosten für die Entsorgung von Reststoffen folgt eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Produktion.

Quelle(n):

• Umweltbundesamt (2005a): Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien. Umweltbundesamt, Dessau, auch verfügbar als PDF unter: S. 114 ff. Link

• Optimierung der Aufkonzentration (chromatographischen Methoden) von Melasseinhaltsstoffen (Verwendung für Pharma-Wirkstoffe und Biochemikalien)
• Entwicklung von innovativen Biosensor-Analysesystemen für eine kontinuierliche Chromatographie-Prozessanalyse
• Erhöhung der Produktausbeute
• Verringerung von Chemikalieneinsatz und Wasserverbrauch

Bei der Auswahl einer Synthese bzw. bei der Festlegung der für die Herstellung geeigneten Reaktionsbedingungen kann auf verschiedene Alternativen zurückgegriffen werden. Hierbei werden häufig positive Effekte erzielt, die neben einer Verringerung des Gefahrenpotenzials mit einer Steigerung der Ressourceneffizienz einhergehen. Neben der experimentellen Ermittlung geeigneter Methoden existieren verschiedene Ansätze, die im Folgenden benannt werden, um einen ersten Einblick in die Vielzahl der Möglichkeiten zu bieten.

Sulfonierung mit SO₃ als Gas-flüssig-Reaktion

Sulfonierungen von Fettalkoholaten und Ethoxylaten können mit SO3 in einer Gas-flüssig-Reaktion durchgeführt werden. Als Ergebnis dieser Verfahrensweise kann festgehalten werden, dass:

• Keine wässrigen Mutterlaugen benötigt werden
• Keine Waschwässer aus der Produktwäsche anfallen
• Abwasser nur bei der alkalischen Abgaswäsche entsteht und die Waschflüssigkeit zu mehr als 95 % wiederverwendet wird

Die Anwendbarkeit ist vom Einzelfall abhängig. Die Herstellung jeder Verbindung wird deshalb einzeln beurteilt, indem die chemischen, technischen und wirtschaftlichen Faktoren bewertet werden.

 Trockenacetylierung einer Naphthylaminsulfonsäure

Anstelle der Acetylierung in einer wässrigen Lösung und Aussalzen des Produkts mit Ammoniumsulfat kann 2-Naphthylamin-8-sulfonsäure in Essigsäureanhydrid ohne Anfall von Abwasserströmen acetyliert werden. Die entstehende Essigsäure kann leicht zurückgewonnen und in einem anderen Verfahren wiederverwendet werden. Erzielbare Vorteile:

• Abwasserströme: - 100 %
• Salz für Aussalzen: - 100 %
• Rückgewinnung von 270 kg Essigsäure pro 1000 kg Produkt

Bei der Durchführung dieses Verfahrens kommt es zu einer Verlagerung vom Abwasser zum Abgas. Anlagenseitig sind Flachbodenbehälter, die mit einem Rührer ausgerüstet sind, sowie eine Dampfheizung erforderlich. Im Allgemeinen ist dieses Verfahren nicht auf Acetylierungen beschränkt. Die Anwendbarkeit hängt vielmehr vom Einzelfall ab. Die Herstellung jeder Verbindung wird deshalb spezifisch beurteilt, indem die chemischen, technischen und wirtschaftlichen Faktoren bewertet werden.

Enzymatische Verfahren

Der Einsatz enzymatischer anstelle chemischer Verfahren erweist sich hinsichtlich der Umweltauswirkungen als vorteilhaft. Weniger Synthesestufen (keine zusätzliche Modifizierung oder kein Schutz von funktionellen Gruppen) und geringerer Lösemitteleinsatz sind die wichtigsten Vorteile. Energieeinsparung, weniger Sicherheits- und Entsorgungsprobleme sowie verbesserte Produktqualität führen außerdem zu Kostenvorteilen. Das Enzym kann in Lösung oder auf einem Substrat fixiert oder als Teil eines polyfunktionellen enzymatischen Systems, z. B. in lebenden Zellen, frei in einem Reaktionsmedium oder auf einem Substrat fixiert, eingesetzt werden. Die Methodik geht mit einer Verringerung der Produktionskosten einher. Die technische Durchführbarkeit muss im Einzelfall berücksichtigt werden, ebenso der mit dem Verfahren einhergehende höhere Wasserverbrauch. Wo die Herstellung von Pharmawirkstoffen an einem Standort die Beachtung von Bestimmungen der aktuellen Gute Herstellungspraxis (englische Abkürzung: cGMP) oder die Zulassung der Federal Drug Administration (FDA) notwendig macht, können Verfahrensänderungen nur unter Einhaltung der geforderten Änderungsprozedur durchgeführt werden. Dies stellt für die Umgestaltung bestehender Prozesse ein ernsthaftes Hindernis dar.

Katalytische Reduktion

Die meisten im industriellen Maßstab durchgeführten Reduktionsprozesse können mittels katalytischer Hydrierung umgesetzt werden. Dadurch wird die Verwendung stöchiometrischer Mengen anderer Reduktionsmittel vermieden, die zur Bildung großer Mengen von Abfallströmen führen, wie dies z. B. bei der Reduktion mit Eisen der Fall ist. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass eine Hydrierung den Einsatz von Schwermetallverbindungen, wie Katalysatoren, erfordern kann. Diese müssen nach der Nutzung zurückgewonnen bzw. recycelt werden. Eine katalytische Reduktion ist bei den meisten im industriellen Maßstab durchgeführten Reduktionsprozessen anwendbar. Im Bereich der Herstellung organischer Feinchemikalien können jedoch andere Reduktionsmittel entscheidende spezifische Vorteile aufweisen. Selektive katalytische Verfahren sind stöchiometrischen Reaktionen im Allgemeinen überlegen.

Reaktionen in ionischen Flüssigkeiten

Reaktionen können in ionischen Flüssigkeiten (IL) durchgeführt werden. Diese sind mit organischen Lösemitteln nicht mischbar und haben keinen messbaren Dampfdruck. Deshalb sind die VOC-Werte deutlich verringert. Das Verfahren Biphasic Acid Scavenging Using Ionic Liquids (BASIL, „Biphasic Acid Scavenging“ unter Nutzung von ionischen Flüssigkeiten) wird bereits im industriellen Maßstab eingesetzt. Die Vorteile sind: keine Freisetzung von gasförmigem HCl, verbesserter Wärmetransport, einfache Flüssig-flüssig-Trennung, höhere Selektivität, Einsatz in bestehenden Anlagen möglich, einfaches Recycling der IL (98 %) durch einfache Behandlung mit Natronlauge. Mögliche Einsatzbereiche ionischer Flüssigkeiten:

• Als Lösemittel für synthetische und katalytische Zwecke, zum Beispiel Diels-Alder-Cycloadditionen, Friedel-Craft-Acylierung und -Alkylierung, Hydrierung und Oxidationen sowie Heck-Reaktionen
• Als zweiphasiges System in Kombination mit einem organischen Lösemittel oder Wasser bei Extraktions- und Trennverfahren
• Zur Katalysatorimmobilisation, ohne dass es notwendig wäre, eine spezielle Funktionalisierung für das einfache Recycling homogener Katalysatoren durchzuführen
• Als Elektrolyte in der Elektrochemie

Durch die Nutzung ionischer Flüssigkeiten ergeben sich folgende Vorteile:

• Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, sowohl höhere Selektivitäten als auch höhere Ausbeuten, beide führen zu geringeren Mengen an Abfallströmen
• Substitution von VOCs

Kryogene Reaktionen

Reaktionen können in kryogenen Chargenreaktoren durchgeführt werden, welche bei sehr niedrigen Temperaturen von -50 bis -100 °C betrieben werden. Die niedrige Temperatur wird durch Indirektkühlung des Chargenreaktors mit einer geeigneten Flüssigkeit erreicht, die wiederum mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird. Bei extremer Kälte kann die Reaktionsausbeute einiger isomerer oder stereoisomerer Reaktionen von 50 auf mehr als 90 % erheblich gesteigert werden. Dies ergibt beträchtliche Einsparungen teurer Zwischenprodukte sowie Einsparungen aufgrund der Verringerung von Abfallströmen und wirkt sich auf alle vorangehenden Reaktionsschritte aus. Dadurch werden bei anderen Aufarbeitungsschritten weitere Abfallströme und Anstrengungen vermieden, die ansonsten notwendig wären, um Verunreinigungen von dem Pharmawirkstoff oder dem Zwischenprodukt abzutrennen. Kryogene Verfahren weisen eine hohe Selektivität auf und ermöglichen hohe Reaktionsausbeuten. Diesen Vorteilen ist der große energetische Aufwand gegenüberzustellen, der mit der Bereitstellung der niedrigen Temperaturen einhergeht. Die Anwendbarkeit des Verfahrens ist abhängig von der spezifischen Syntheseaufgabe.

Reaktionen in überkritischem CO₂

Reaktionen können in überkritischem CO₂ (überkritischer Punkt bei 73,8 bar/31 °C) durchgeführt werden. Dabei wird ein überkritisches Reaktorsystem eingesetzt. Überkritisches CO₂ ersetzt das Lösemittel und zeigt ähnliche Eigenschaften wie n-Hexan. Reaktionsbedingungen wie Druck, Temperatur, Verweilzeit und Wasserstoff-Konzentration können unabhängig voneinander geändert werden. Nach Vervollständigung der Reaktion wird CO₂ verdampft, indem der Druck reduziert wird. Da CO₂ einfach durch die Anwendung von geeignetem Druck recycelt werden kann, können Extrakte mit hoher Qualität und Reinheit erhalten werden, ohne dass das typische Problem der Entfernung des Extraktionsmittels auftritt. Mit der Anwendung dieser Verfahrenstechnik gehen folgende Prozessverbesserungen einher:

• Wenig/keine VOCs
• Weniger Abfallströme
• Höhere Selektivität
• Höhere Ausbeuten

Einige Reaktionstypen, die sich neben der Hydrierung in Entwicklung befinden, sind:

• Alkylierung
• Säurekatalysierte Reaktionen/Veresterungen
• Hydroformylierung

Reaktionen in überkritischem CO₂ stellen kostenintensive Verfahren dar. Die Kosten werden jedoch durch die Selektivität, die Verringerung des Energiebedarfs, die Einsparung von Kosten für die Aufarbeitung des Produktes und die Entsorgung der Lösemittel gerechtfertigt.

Quelle(n):

• Umweltbundesamt (2005a): Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien. Umweltbundesamt, Dessau, auch verfügbar als PDF unter: S. 98 ff. Link

Unter dem Begriff der rationellen Prozessführung sind Technologien und Verfahren zusammengefasst, die im Rahmen der Prozessintensivierung zu einer deutlichen Erhöhung der Material- und Energieeffizienz führen können.

Automatisierte Prozesskontrolle

Um Produktionsanlagen entsprechend den effizienten Methoden betreiben zu können, ist der Einsatz der automatisierten Prozesskontrolle und -optimierung von besonderer Bedeutung. Durch einen hohen Automatisierungsgrad und die Nutzung numerischer Simulationsmodelle wird insbesondere die Herstellung komplexer Produkte auf ein hohes Qualitätsniveau gehoben. Optimierte Regelungskonzepte und moderne Systeme zur Prozessbeobachtung stabilisieren Prozesse und führen zu positiven ökonomischen und ökologischen Effekten. Die automatisierte Prozesskontrolle stellt ein Kernelement bei der Realisierung von Prozessen dar, die die Grenzen der technischen Möglichkeiten verfahrenstechnischer Vorgänge optimal ausnutzen.

Kontinuierliche Prozessführung

In vielen Bereichen der Chemischen Industrie werden kontinuierliche Verfahren eingesetzt. In der Petrochemischen Industrie und in den Top 30 der organischen Comodity-Chemikalien gehört diese Fahrweise zu der gängigen Herstellungsmethode. Hingegen werden die meisten Feinchemikalien nach wie vor in diskontinuierlich arbeitenden Rührkesseln produziert. Eine Umstellung auf kontinuierliche Verfahren kann hier nennenswerte Vorteile hinsichtlich der Effizienz sowie der Prozesskontrolle mit sich bringen. Aktuelle Entwicklungen verfolgen daher das Ziel, Lösungen für die kontinuierliche Herstellung von Feinchemikalien auch im niedrigtonnagigen Bereich zu schaffen und wirtschaftlich attraktiv zu gestalten. In diesem Zusammenhang sei auf hoch flexible Anlagen verwiesen, die modular aufgebaut sind und auf kleinstem Raum in mobilen Einheiten angeordnet werden (Stichwort "F³-Factory").

Dynamisierung der Prozessführung

Durch die Dynamisierung der Prozessführung wird eine Prozessintensivierung realisiert, die auf die Minimierung von Transporthemmnissen zurückzuführen ist. In erster Linie ist diese Methode bei Mehrphasenreaktoren anwendbar. Die Umsetzung der Dynamisierung erfolgt durch die gezielte Variation relevanter Betriebsparameter. Insbesondere die zeitliche Veränderung der Konzentration und des Durchflusses führt zu einer Steigerung der Reaktorleistung. Geeignete Größen müssen durch die Untersuchung des konkreten Betriebsverhaltens des Reaktors und der Füllkörper ermittelt werden. Diese Untersuchung beinhaltet hydrodynamische und reaktionstechnische Charakteristika. Abgeleitete mathematische Modelle können mögliche Leistungssteigerungen schließlich eindeutig reproduzierbar machen.                 

Quelle(n):

• ProcessNet - Fachsektion Prozessintensivierung (2008): Prozessintensivierung - Eine Standortbestimmung. ProcessNet - Eine Initiative von Dechema und VDI-GVC, auch verfügbar als PDF unter: Link
• Action Group PI (2009): European roadmap for process intensification, Appendix 1 "PI Technologies Description and Review"

Das Prinzip der "grünen" Chemie bei der Herstellung chemischer Stoffe besteht darin, den Einsatz alternativer Synthesewege und alternativer Reaktionsbedingungen gegenüber bestehenden, weniger umweltfreundlichen Verfahren zu fördern, z. B. durch:

• Verbesserung der Prozessgestaltung, um die Einbindung aller Einsatzstoffe in das Endprodukt zu maximieren
• Einsatz von Stoffen, die geringe oder keine Toxizität für die menschliche Gesundheit und die Umwelt aufweisen; die Stoffe sollten so gewählt werden, dass die Gefahr von chemischen Unfällen, einschließlich Freisetzungen, Explosionen und Bränden, minimiert wird
• Verzicht auf den Einsatz von Hilfsstoffen (z. B. Lösemitteln, Trennmitteln), wo immer möglich
• In-Betracht-Ziehung und Minimierung der Umwelt- und die ökonomischen Auswirkungen des Energiebedarfs; Synthesen sollten bei Raumtemperatur und Normaldruck durchgeführt werden
• Einsatz erneuerbarer Rohstoffe anstatt fossiler, wo immer technisch und wirtschaftlich praktikabel
• Vermeidung unnötiger Derivatisierung (z. B. Blockierungs- oder Schutzgruppen)
• Einsatz katalytischer Reagenzien, die stöchiometrischen Reagenzien in der Regel überlegen sind

Quelle(n):

• Umweltbundesamt (2005a): Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien. Umweltbundesamt, Dessau, auch verfügbar als PDF unter: S. 90 Link

Um den in vielen Fällen notwendigen Eintrag thermischer Energie in ein Reaktionssystem zu realisieren, existieren Möglichkeiten, die eine höhere Effizienz und weitere Vorteile im Vergleich zur klassischen Temperierung mit sich bringen. Insbesondere bei der organischen Synthese eröffnet die Nutzung von Mikrowellen günstige Produktionsbedingungen. Die auch als Mikrowellenchemie bekannte Technologie greift auf die Eigenschaften bestimmter Materialien zurück, die absorbierte Mikrowellen in Wärme umwandeln. Durch eine Bestrahlung des Reaktionsgemisches mit Mikrowellen wird so ein gezielter und effektiv kontrollierbarer Eintrag notwendiger Reaktionsenergie möglich. Zahlreiche Reaktionen können auf diese Weise kontrolliert und schnell ablaufen. Ferner wird eine hohe Energieeffizienz erreicht und die Ausbeute des Prozesses durch die Verringerung von Nebenprodukten gesteigert. Derzeit können Produktionsvolumina von bis zu 1.000 kg pro Batch mit diesem Verfahren bearbeitet werden.

Quelle(n):

• ProcessNet - Fachsektion Prozessintensivierung (2008): Prozessintensivierung - Eine Standortbestimmung. ProcessNet - Eine Initiative von Dechema und VDI-GVC, auch verfügbar als PDF unter: Link
• Action Group PI (2009): European roadmap for process intensification, Appendix 1 "PI Technologies Description and Review" S. 66 ff.

Die Prozessintensivierung verfolgt das Ziel, deutliche Effizienzsteigerungen in chemischen und biotechnologischen Verfahren durch die Anwendung innovativer Technologien zu erreichen. Das Hauptaugenmerk richtet sich dabei auf die Verbesserung des Wärme- und Stofftransports unter Berücksichtigung vielfältiger Ansatzmöglichkeiten. Ferner beschäftigt sich die Prozessintensivierung mit der Erschließung alternativer Rohstoffquellen sowie der Effizienzsteigerung und Ausweitung der Anwendungsgebiete biotechnologischer Prozesse. Beispiele zur Prozessintensivierung im Bereich der Reaktion sind:

Membranreaktoren

Membranreaktoren verfügen über eine spezielle in den Reaktionsraum integrierte Einheit zur Stofftrennung auf Basis der Membrantechnik. Parallel zur ablaufenden Reaktion erfolgt eine selektive Abtrennung des aus dem Reaktionsgemisch entstehenden Produktes. Ebenso ist es mit dieser Technologie möglich, katalytische Reaktionen ohne Austrag des Katalysators durchzuführen. In umgekehrter Richtung erlauben Membranreaktoren die Zuführung von Edukten in einen Reaktionsraum aus einer parallel ablaufenden Trennung (Luftzerlegung durch Membran mit anschließender Erzeugung von Synthesegas).

Adsorptiver Reaktor

In diesem verfahrenstechnischen System werden die Vorteile der adsorptiven Stofftrennung durch die Implementierung in den Reaktionsraum zur Verbesserung der Selektivität und des Umsatzes bei der Stoffumwandlung genutzt. Dabei wird die heterogene Katalyse als Basis für die Produktentstehung herangezogen. So kann parallel zur ablaufenden Reaktion das entstehende Produkt abgezogen oder aber als Adsorbat für stattfindende Reaktionen vorgelegt werden. Bei der Prozessgestaltung ist das Adsorptionsmittel hinsichtlich seiner Selektivität und der eingesetzten Stoffe auszuwählen. 

Reaktivkristallisation

Dieses Verfahren fasst die chemische Reaktion und die Kristallisation in eine Einheit zusammen. Durch diese Kombination können Eigenschaften wie Partikelgröße, Morphologie etc. ohne zusätzlichen apparativen Aufwand gezielt beeinflusst werden. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie sind breit gestreut. Insbesondere hinsichtlich der Stereochemie bei der Arzneimittelproduktion erleichtert die Reaktivkristallisation die sichere Trennung chiraler Verbindungen.   

Chromatographische Reaktoren

Durch die Kombination eines Apparates für stoffliche Reaktionen mit chromatographischen Trenneinrichtungen stehen leistungsfähige Systeme zur Produktion anspruchsvoller Produkte zur Verfügung. Diese chromatographischen Reaktoren ermöglichen eine enantioselektive Trennung von nicht flüchtigen und nicht wärmeempfindlichen Stoffen direkt nach deren Synthese. Dabei kann dieses Verfahrensprinzip sowohl in Batch- als auch in kontinuierlicher Fahrweise betrieben werden. Insbesondere bei der Herstellung von Feinchemikalien und pharmazeutischen und biotechnologischen Produkten werden chromatographische Reaktoren genutzt.

HIGEE-Technologie

Bei den sogenannten "Rotating Packed Bed"-Apparaten handelt es sich im Prinzip um einen Füllkörperreaktor, dessen Packung derart angeordnet ist, dass diese in Rotation versetzt werden kann. Ursprünglich für Trennaufgaben entwickelt, eignen sich diese Systeme auch für die Durchführung von Reaktionen. Insbesondere bei anspruchsvollen Aufgaben, die auf einen effektiven Stoff- bzw. Massentransfer angewiesen sind, lassen sich durch den Einsatz dieser Technologie Vorteile erzielen. Das Reaktionsgemisch überströmt den rotierenden, mit Füllkörpern besetzten Bereich und erfährt durch hohe Zentrifugalkräfte einen intensiven Stoff- bzw. Massenaustausch. Verschiedene Phasenkombinationen lassen sich auf diese Weise effizient verarbeiten. Unterschiedlichste Packungssysteme können verwendet werden.         

Bei der Kombination unterschiedlicher unit operations ist die Wechselwirkung der Systeme untereinander zu berücksichtigen. Um die synergetischen Effekte zu maximieren, werden bei der Ausführung der Anlagen im Vorfeld spezifische Modelle erstellt. Diese lassen eine spezielle, auf den jeweiligen Prozess abgestimmte räumliche Anordnung der Komponenten zu. In Abhängigkeit des spezifischen Anwendungsfalles sind durch die Nutzung von Methoden aus dem Bereich der Prozessintensivierung deutliche Positiveffekte zu erzielen. Höhere Produktqualitäten, größere Ausbeuten und der verringerte Rohstoffeinsatz sind in diesem Zusammenhang in aller Regel feststellbar. Im Vergleich zu konventionellen Anlagen werden Kosteneinsparungen im Bereich von 50 bis 70 % beschrieben. Die Anwendungsreife der Technologien schreitet voran.

Quelle(n):

• ProcessNet - Fachsektion Prozessintensivierung (2008): Prozessintensivierung - Eine Standortbestimmung. ProcessNet - Eine Initiative von Dechema und VDI-GVC, auch verfügbar als PDF unter: S. 9 ff. Link

Die Mikroreaktionstechnologie hat in der chemischen Verfahrenstechnik in neuerer Zeit eine spektakuläre Entwicklung durchgemacht und wird nun auch im industriellen Maßstab durchgeführt. Um ein Produkt in der benötigten Menge zu erhalten, muss eine bestimmte Zahl von Mikroreaktoren parallel angeordnet betrieben werden. Mikroreaktoren sind durch dreidimensionale Strukturen im Submillimeterbereich gekennzeichnet und weisen in der Regel folgende Eigenschaften auf:

• Hauptsächlich Mehrkanal-Reaktoren
• Durchmesser zwischen 10 und einigen 100 Mikrometern
• Spezifische Oberfläche zwischen 10.000 und 50.000 m²/m³
• Hohes Wärmeübertragungsvermögen
• Kurze Diffusionszeiten, geringer Einfluss des Stoffaustausches auf die Reaktionsgeschwindigkeit
• Isotherme Bedingungen möglich

Es ergeben sich folgende Vorteile:

• Hohe Ausbeuten
• Hohe Selektivität
• Realisierung milder Reaktionsbedingungen
• Kurze Produktentwicklungszeiten
• Weniger Abfallströme
• Inhärente Reaktorsicherheit

Die Nutzung dieser Technologie bedingt höhere Ausbeuten durch eine Prozessintensivierung. Werden die Kosten einer Pilotproduktion in einer Chargenanlage und in einem Mikroreaktor verglichen, wird der Kosteneffekt bei der Übertragung eines Produkts vom Labor- in den Produktionsmaßstab deutlich sichtbar. Dies liegt in erster Linie an der Tatsache, dass statt des üblichen Scale-up einfach die Anzahl der genutzten Reaktoren erhöht wird. Dies führt zu wesentlich geringeren Kosten.

Quelle(n):

• Umweltbundesamt (2005a): Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien. Umweltbundesamt, Dessau, auch verfügbar als PDF unter: S. 106 Link

Die prozessspezifische Auswahl des im Reaktor zum Einsatz kommenden Rührers übt einen starken Einfluss auf die Qualität des Prozesses aus. Bei der Überführung eines Verfahrens vom Labor- oder Pilotmaßstab in den Produktionsmaßstab muss die Eignung des verwendeten Rührers überprüft werden. Eine unvollständige Durchmischung bedingt unangemessen hohe energetische und stoffliche Aufwendungen sowie qualitative Produktbeeinträchtigungen.
Die Rühreroptimierung ist insbesondere bei der Auslegung neuer Prozesse anwendbar. Auch der Umbau vorhandener Anlagen durch die Nachrüstung optimierter Rührsysteme ist möglich und in vielen Fällen mit einer Aufwertung der Verfahrensqualität verbunden.

Quelle(n):

• Umweltbundesamt (2005a): Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien. Umweltbundesamt, Dessau, auch verfügbar als PDF unter: , S. 395 Link

Der Einsatz von Katalysatoren ermöglicht in vielen Bereichen die Durchführung effizienter Prozesse und die Herstellung innovativer Produkte. Neben bewährten Konzepten werden Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zum Thema Katalysatortechnik durchgeführt, die weitere Potenziale dieser Technologie erschließen sollen und neue Möglichkeiten in der Produktion eröffnen. Ein Teilbereich dieser Bemühungen beschäftigt sich dabei mit der Untersuchung multifunktionaler und strukturierter Katalysatorsysteme.

Zeolithische Katalyse

Bei Zeolithen handelt es sich um Minerale und chemische Verbindungen auf Basis von Silikaten. Diese Stoffe sind durch eine definierte geometrische Form gekennzeichnet, die aufgrund ihres porösen Charakters eine große spezifische Oberfläche aufweist. Die Oberfläche der Zeolithe zeigt ferner die Eigenschaft, eine Vielzahl unterschiedlicher Kationen lose an sich zu binden. Dieser Umstand wird genutzt, um dem zeolithischen Katalysatorkorn definierte Eigenschaften zu verleihen. Insbesondere der Schutz des Katalysators vor Katalysatorgiften profitiert von dieser Technologie, die somit effiziente Werkzeuge zur leistungsfähigen Produktion in chemischen und biochemischen Produktionsprozessen zur Verfügung stellt. 

Monolithische Katalysatoren

Unter dem Begriff monolithische Katalysatoren werden massive, meist keramische Katalysatorgrundkörper verstanden, deren Struktur durch eine Vielzahl kleiner, parallel verlaufender Kanäle gekennzeichnet ist. Die Wände der Kanäle sind mit einem Katalysatormaterial beschichtet und stellen die Begrenzung des Reaktionsraums dar. Bauartbedingt steht eine große spezifische Oberfläche zur Verfügung. In den Kanälen, die von den Edukten durchlaufen werden, kommt es zur Ausbildung eines reaktionstechnisch günstigen Strömungsregimes. Klassische Einsatzbereiche monolithischer Katalysatoren liegen in der Abgasreinigung. Alternative Anwendungsgebiete werden aufgrund der günstigen Eigenschaften dieser Katalysatoren zunehmend erschlossen. So weisen monolithische Katalysatoren neben der großen spezifischen Oberfläche deutlich geringere Druckverluste im Vergleich zu Festbettreaktoren auf. Eine hohe Selektivität und die große Umsatzleistung bedingen sich durch die Ausbildung eines dünnen Fluidfilmes (kurze Diffusionswege) und den intensiven Kontakt mit dem Katalysatormaterial in den Kanälen. Einschränkungen sind bei der Durchführung stark exothermer Reaktionen hinzunehmen. Durch die Bauart dieser Katalysatoren ist eine effiziente Wärmeabfuhr nur eingeschränkt möglich.

Um diese Beschränkungen zu umgehen, bieten sich als Alternative zum Konzept der monolithischen Katalysatoren einige Katalysatorsysteme an, die sich derzeit noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden, jedoch in speziellen Anwendungsgebieten durchaus interessant sein dürften. Diese Systeme greifen auf schaumartige Strukturen zurück, auf die ein Katalysatormaterial aufgetragen ist. Metallische Schäume stellen den Reaktionspartnern eine große Oberfläche zur Verfügung, ohne besondere Inhomogenitäten bei der Temperaturverteilung entstehen zu lassen. Ferner ist bei diesen metallischen oder auch keramischen Strukturen und Geweben im Vergleich zu herkömmlichen Füllkörpern ein geringerer Druckverlust feststellbar. 

Kohlenstoff-Nanoröhren

Bei Kohlenstoff-Nanoröhren handelt es sich um aus einzelnen Kohlenstoffatomen aufgebaute röhrenartige Gebilde. Diese können hinsichtlich ihrer Textur und ihres chemischen Verhaltens gezielt modifiziert und hergestellt werden. Die Strukturen weisen eine hohe Stabilität auf und binden aufgrund ihrer Elektronenkonfiguration Katalysatormaterialien fest an sich. Auch ohne Beschichtung können die Nanoröhren als Katalysator genutzt werden.

Quelle(n):

• ProcessNet - Fachsektion Prozessintensivierung (2008): Prozessintensivierung - Eine Standortbestimmung. ProcessNet - Eine Initiative von Dechema und VDI-GVC, auch verfügbar als PDF unter: Link
• Action Group PI (2009): European roadmap for process intensification, Appendix 1 "PI Technologies Description and Review" S. 13 ff.

Die Auswahl von Lösemitteln bildet ein Kernelement der Verfahrensentwicklung. Wegen der eingesetzten Mengen können Lösemittel häufig die größten Auswirkungen eines Verfahrens auf Umwelt, Gesundheit und Sicherheit nach sich ziehen. Es gibt eine Reihe von Methoden, um die Suche nach umweltfreundlichen Lösemittelsystemen zu unterstützen. Häufig existieren praktikable Alternativen zum Einsatz problematischer Lösemittel. Eine sorgsame Abwägung führt dabei unter Umständen zur Vermeidung großer Umweltprobleme in einer frühen Entwicklungsstufe.

Die Anwendbarkeit der jeweiligen Alternativen ist vom Einzelfall abhängig. Das Lösemittel muss eine bestimmte Aufgabe erfüllen. Dies schränkt oftmals die Auswahl ein. Die Möglichkeit, ein Umweltproblem in einem frühen Stadium der Verfahrensentwicklung zu vermeiden, kann Kosten für Rückgewinnungs-/Minderungsmaßnahmen verringern.

Quelle(n):

• Umweltbundesamt (2005a): Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien. Umweltbundesamt, Dessau, auch verfügbar als PDF unter: S. 94 ff. Link

In klassischen Kühlkreisläufen wird durch die Veränderung der Temperatur im Doppelmantel die Temperatur im Reaktionsgefäß beeinflusst. Bei der variablen Rührkesseltemperierung wird die Stellgröße im Temperaturregelkreis durch die variierbare Kühlfläche am Reaktionsgefäß repräsentiert. Das Temperiersystem ist zu diesem Zweck in mehrere unabhängige Einzelelemente (Rohrleitungsabschnitte) unterteilt. Diese Bereiche werden über ein Regelventil für das Wärmeträgermedium freigegeben oder verschlossen. Hierdurch entsteht eine Unterteilung in verschiedene gezielt ansteuerbare Regionen an der Mantelfläche des Behälters. Durch den Einsatz eines derartigen Systems ergeben sich verschiedene Vorteile:

• Schnelle und genaue Einflussnahme auf den Temperaturverlauf
• Verbesserung der Prozessbedingungen innerhalb des Behälters
• Effiziente Nutzung des Wärmeträgermediums

Durch eine deutliche Verbesserung der Temperaturkontrolle lassen sich ablaufende Reaktionen genauer verfolgen und Reaktionsendpunkte zeitnah bestimmen. Die Produktausbeute wird gesteigert und das Entstehen unerwünschter Nebenprodukte minimiert. Durch den Ansatz der Durchflussregelung zur Temperatursteuerung kann weiterhin eine deutliche Verringerung des Energieaufwands für den Betrieb der Kühlmittelpumpen umgesetzt werden.
Die Anwendbarkeit dieser Technologie kann in allen Produktionsmaßstäben und Produktionsfahrweisen zu den oben beschriebenen Vorteilen führen. Der Invest für eine variable Rührkesseltemperierung fällt vergleichsweise klein aus und amortisiert sich in vielen Fällen sehr rasch durch die erzielbaren Einsparungen.

Quelle(n):

• Umweltbundesamt (2005a): Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien. Umweltbundesamt, Dessau, auch verfügbar als PDF unter: S. 401 Link

• Einsatz hocheffizienter Membranzellen in der Chloralkalielektrolyse
• Stromeinsparung von 70.000 MWh innerhalb einer 10jährigen Nutzungsdauer

• Polyol-Herstellung auf Basis von Pflanzenölderivaten
• Herstellung von Polyetherolen und Polyesterolen aus Glyzerin (Biodieselanlage)
• Eignung enzymatisch gespaltener Fettsäuren (z. B. Rapsöl) für Polyurethan-Grundprodukte

• Mit Hilfe von Sonnenstrahlen und katalytischem Material (Bor-Partikel) wurde im Labor eine photokatalytische Umsetzung von Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Methan (CH4) nachgewiesen.

• Etablierung der Mikroreaktionstechnik in der universitären Lehre und in chemischen Forschungslaboratorien für organische Synthesen
• Entwicklung eines einfachen Bausatzes mit zwei Typen mikrostrukturierter Komponenten aus Glas
• Einführung und Anwendung der Photokatalyse in Mikroreaktoren am Beispiel einer Photoreduktion an Titandioxid

• Selektivoxidation von kurzkettigen Alkanen
• Neue Heterogenkatalysatoren für die Herstellung von
  - Maleinsäureanhydrid aus n-Butan
  - Methanol aus Methan
  - Phthalsäureanhydrid
  - Acrylnitril

• Transfer biokatalytischer Prozesse in nachhaltige industrielle Anwendungen im Bereich Feinchemie
• Verfügbarmachung neuer und neuartiger Lipasen/Esterasen für den industriellen Einsatz
• Anwendungsgebiet: stereoselektive Hydrolysen und Synthesen

• Katalytische De- und Umfunktionalisierung gut verfügbarer Kohlenhydrate in wertvolle Feinchemikalien
• Ersatz von endlichen und wenig funktionalisierten Rohstoffen wie Erdöl, Erdgas und Kohle
• Funktionelle Gruppen und chirale Informationen der verwendeten Kohlenhydrate sollen erhalten bleiben
• Zielprodukte: chirale Alkohole, Alkene, Aromate oder Heterocyclen
• Entwicklung eines Mikroreaktorsystems für kontrollierte Umwandlung

• Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen und Wasser als Lösungsmittel
• grundlegende Untersuchungen zur Hydrothermolyse von Zuckern und Fetten
• grundlegende Untersuchungen zu alternativem Energieeintrag mittels Mikrowellen und Ultraschall
• Entwicklung eines neuartigen Hochdruckmikrowellenreaktors

• Entwicklung eines energieoptimierten, ressourcensparenden Gesamtkonzepts für die Herstellung von Spezialpolymeren
• Einsatz von kontinuierlich betriebenen Milli-Reaktoren mit hohen Wärmeübertragungsflächen pro Volumeneinheit und geringer Verstopfungsanfälligkeit
• Produktionsüberwachung und Qualitätskontrolle mithilfe eigens entwickelter Messtechnik und CFD-Simulation
• Polymerisation von N-Vinylpyrrolidon (NVP) im Miniplant-Maßstab
• Anwendung eines mehrstufigen Ansatzes für optimales Reaktordesign
  

• Entwicklung eines Mikroreaktorsystems auf Basis des Prinzips der Photosynthese
• Kombination von Hochleistungs-LEDs mit kohlenstoffbasierten Photokatalysatoren
• Fokus auf der chemischen Optimierung von Diamant als Photokatalysator
  

• Cumensynthese – Einsatz eines neuartigen, regenerierbaren Katalysators
  - Steigerung der Ausbeute bei gleichzeitiger Reduzierung der zu entsorgenden Nebenprodukte
  - Vermeidung von Abwasser
  - Einsparung von Elektroenergie und Heizdampf
• Cumen-Oxidation – Verfahrensoptimierung
  - Steigerung des Oxidationsgrades von Cumen um rund 50 %
• Phenolsynthese – Mehrfachnutzung von Prozesswasser
  - Reduzierung von gasförmigen Emissionen durch Installation einer Abgaswäsche
  - Einsparung von Prozesswasser durch Einsatz des anfallenden Abwassers in einem anderen Prozess
• Umfüllen von Aceton
  - Rückgewinnung des Acetons aus der Abluft

• Projekt zur Entwicklung eines Verfahrens zum Recycling komplexer Nichtedelmetallkatalysatoren, die Nickel/ Kobalt/ Molybdän, Nickel/ Wolfram/ Molybdän bzw. Vanadium/ Wolfram/ Molybdän enthalten
• Gewinnung von Wertmetallen durch Entfernung der organischen Bestandteile von den eingesetzten Katalysatoren sowie anschließende Laugung
• Untersuchungen zur Erhöhung der Wertstoffausbeute durch:
  - Druckaufschluss von Katalysatoren mit verschiedenn Trägermaterialien (Verbesserung des Aufschlusses durch Wasserstoffperoxid, 70 °C)
  - Trennung der Wertstoffe aus der Laugungslösung mit verschiedenen Extraktionsmitteln (Gut geeignet: Di-(2-ethylhexyl)-phosphorsäure, Tributylphosphat)

• Entwicklung von schaltbaren Katalysatoren auf Basis von stimuli-responsiven Polymeren und Mikrogel-Partikeln
• Erhöhte Raumausbeute durch homogene Verteilbarkeit und Rezyklierung durch Filtration der abgeschalteten Polymere
  
• Vorteile der Polymere in Rezyklierbarkeit und lösemittelfreier Prozessführung sowie Selbstabschaltung

• Darstellung von Entwicklungsstand und Anwendung biotechnischer Verfahren bei der Produktion von Grund- und Feinchemikalien
• Abschätzung des Umweltentlastungs- bzw. -belastungspotenzials beim Einsatz biotechnischer Verfahren
• Aufzeigen ökologischer, ökonomischer und rechtlicher Aspekte anhand von Fallbeispielen (Aceton/Butanol, 1,3-Propandiol, Vitamin C und Adipinsäure)

• umweltfreundliches Verfahren
• Durchführung in nichtgekapselten, drucklosen Anlagen
• kein Einsatz toxischer Stoffe wie Phosgen, Phosphoroxychlorid oder Blausäure
• keine Entstehung karzinogener Nebenprodukte

• Umrüstung der Membranzellen in der Chloralkali-Elektrolyse auf neue Zelltypen
• Zero-gap Technologie fördert Stromeffizienz
• Minimierung des Stromweges durch den Elektrolyten
• 8% Stromersparnis entsprechen mehrerer zehntausend MWh elektrischer Energie in 10 Jahren

• Untersuchung des Einsatzes ionischer Flüssigkeiten als homogener Katalysator in der Reaktivdestillation
• Betrachtete Reaktion: homogen katalysierte Umesterung von Butanol mit Ethylacetat zu Butylacetat und Ethanol
• Auswahl, Charakterisierung und Optimierung einer geeigneten Katalysator-IL sowie die verfahrenstechnische Optimierung der Umesterung und Katalysatorrückgewinnung
• Aufgrund des geringen Dampfdrucks des homogenen Katalysators ist Recyklierbarkeit gegeben (Rückgewinnung mittels Verdampfung)
• Ermittelte ionische Flüssigkeit ist mindestens 1.000 Betriebsstunden stabil
• Verfahren ab 150 Verwendungszyklen energiesparender als Standardverfahren
• Für zufriedenstellende Stofftrennung mehr als eine Trennstufe notwendig
• Geringerer Energiebedarf verglichen mit dem Standardverfahren

Bei der Aufarbeitung mittels Horizontalschälzentrifugen wird die Drehzahl oft hoch- und heruntergefahren, wenn das feste Produkt gewaschen wird. Daher lohnt es sich, den Antrieb mit einem rückspeisefähigen Frequenzumrichter auszurüsten und beim Bremsen die Energie ins eigene Netz zurückzuspeisen. Andernfalls müsste die Wärme über einen Bremswiderstand unnötig abgeführt werden und ginge verloren.

Quelle(n):

• Persönliche Mitteilung von Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert, Beuth Hochschule für Technik Berlin, Juni 2014.

Die Prozessintensivierung verfolgt das Ziel, deutliche Effizienzsteigerungen in chemischen und biotechnologischen Verfahren durch die Anwendung innovativer Technologien zu erreichen. Im Bereich der Produktaufbereitung sind bisweilen Stoffsysteme zu handhaben, die besondere Anforderungen an den Trennprozess stellen. Mit Hilfe von Methoden der Prozessintensivierung kann in diesen Fällen häufig zu effizienten Produktionsverfahren gelangt werden. Beispiele zur Prozessintensivierung im Bereich der Produktaufbereitung sind die sogenannten hybriden Trennverfahren.

Der Einsatz prozessintensivierter Membrantechniken kann auch im Umfeld der Produktaufbereitung zu einer positiven Beeinflussung der Ressourceneffizienz führen. Die Membranen dienen hierbei in hybriden Systemen dem kontrollierten Massentransfer zwecks Erzeugung einer Übersättigung. Verschiedene "klassische" Verfahrenstechniken werden dabei durch Membransysteme ergänzt und erweitern deren Funktionalität.

Membranabsorption/-strippen

Dieses Membranverfahren eignet sich für die Durchführung verschiedener Trennprozesse. Im Bereich der Abgasreinigung findet sich die Membranabsorption als etabliertes Verfahren zur Abtrennung von CO₂ aus Rauchgasen. In der Biotechnologie kann es zur Abtrennung von DNA aus biotechnologischen Produkten eingesetzt werden. Es können sowohl Flüssigkeiten zum selektiven Entfernen von Inhaltsstoffen aus Gasen als auch Flüssig/Flüssig-Phasentrennungen realisiert werden. Ebenso kann ein Gas zum Strippen von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Eine spezielle Kunststoffmembran (z. B. aus Polyethersulfan), die auch chemisch modifiziert sein kann, dient dabei zum Aufbau einer Konzentrationsdifferenz. Ein kontrollierter Massentransfer durch die Membran hindurch hin zur Absorptionsflüssigkeit oder zum Stripgas ermöglicht hohe Fließraten und scharfe Trenngrenzen. Insbesondere aus energetischen Gesichtspunkten stellt dieses Trennverfahren eine interessante Alternative bei der Produktaufbereitung dar.

Membrankristallisation

Bei der Membrankristallisation werden die Prozesse der Kristallisation und der Verdampfung unter Verwendung spezieller Membranen miteinander kombiniert. Dabei trennt die Membran den Verdampfungs- und Kondensationsabschnitt voneinander und stellt eine physikalische Basis für das stattfindende Kristallwachstum dar. Diese Methode der Kristallisation zeichnet sich durch die milden Verfahrensbedingungen sowie das hohe Niveau der resultierenden Kristallqualität aus. Die Entwicklung industrietauglicher Membranen für diese Verfahren stellt eine besondere Herausforderung dar. Die Membrankristallisation bietet sich aufgrund der erreichbaren hohen Produktqualitäten insbesondere für die Herstellung hochreiner Stoffe an. 

Membrandestillation

Durch die Kombination eines thermischen Trennprozesses mit einer Membrantrennung – auch Pervaporation oder Dampfpermeation – entsteht ein Hybridprozess, der als Alternative zur Umkehrosmose und zu Verdampfungsprozessen betrachtet werden kann. Hierbei wird durch einen Temperaturunterschied und eine sich hieraus ergebende Dampfdruckdifferenz ein Stoffaustausch eingeleitet. Das "abgebende" Medium ist durch eine Membran von dem "aufnehmenden" Medium getrennt. Neben der Entwässerung von Lösungsmitteln entstehen durch die Membrandestillation deutliche Kapazitätserweiterungen klassischer Trennkolonnen.

Membranextraktion

Die Membranextraktion stellt einen Prozess zur Verfügung, der eine zuverlässige Trennung von gelösten Stoffen zulässt. Neben dem Einsatz in der Abwassertechnik und dem klassischen Feld der analytischen Produktaufbereitung findet die Membranextraktion in der Biotechnologie ein ideales Anwendungsgebiet. Die Abtrennung eines Produktes aus Fermetationsflüssigkeiten oder die Trennung von Enantiomeren kann mit diesem Verfahren sicher durchgeführt werden. Eine Steigerung der Ressourceneffizienz erfolgt durch die leistungsfähige Separation von Produkt und Abfallstoff.

Quelle(n):

• ProcessNet - Fachsektion Prozessintensivierung (2008): Prozessintensivierung - Eine Standortbestimmung. ProcessNet - Eine Initiative von Dechema und VDI-GVC, auch verfügbar als PDF unter: Link
• Action Group PI (2009): European roadmap for process intensification, Appendix 1 "PI Technologies Description and Review" , S. 24 ff.

Die Prozessintensivierung verfolgt das Ziel, deutliche Effizienzsteigerungen in chemischen und biotechnologischen Verfahren durch die Anwendung innovativer Technologien zu erreichen. Im Bereich der Produktaufbereitung sind bisweilen Stoffsysteme zu handhaben, die besondere Anforderungen an den Trennprozess stellen. Azeotrope Gemische oder Gemische mit eng aneinanderliegenden Siedepunkten sind hier beispielhaft zu benennen. Mit Hilfe von Methoden der Prozessintensivierung kann in diesen Fällen häufig zu effizienten Produktionsverfahren gelangt werden. Beispiele zur Prozessintensivierung im Bereich der Produktaufbereitung sind die sogenannten hybriden Trennverfahren: 

Extraktive Destillation

Diese Verfahrenstechnik wird häufig eingesetzt, um Gemische, die aufgrund ähnlicher Siedepunkte oder der Bildung von Azeotropen schwer (thermisch) trennbar sind, aufzubereiten. Zu diesem Zweck wird durch das Hinzufügen eines schwersiedenden Hilfsstoffes in Form eines Lösungsmittels das Phasengleichgewicht einer Komponente selektiv verschoben. Nach der Trennung des Produktes kann das Lösungsmittel in einem weiteren thermischen Prozess abgetrennt und erneut verwendet werden. Neben der einfacheren Trennung von Gemischen geht die extraktive Destillation mit einer Verringerung des Energiebedarfs einher.

Membrandestillation

Durch die Kombination eines thermischen Trennprozesses mit einer Membrantrennung – auch Pervaporation oder Dampfpermeation – entsteht ein Hybridprozess, der als Alternative zur Umkehrosmose und zu Verdampfungsprozessen betrachtet werden kann. Hierbei wird durch einen Temperaturunterschied und eine sich hieraus ergebende Dampfdruckdifferenz ein Stoffaustausch eingeleitet. Das "abgebende" Medium ist durch eine Membran von dem "aufnehmenden" Medium getrennt. Neben der Entwässerung von Lösungsmitteln ergeben sich durch die Membrandestillation deutliche Kapazitätserweiterungen klassischer Trennkolonnen.

HIGEE-Technologie

Bei den sogenannten "Rotating Packed Bed"-Apparaten handelt es sich im Prinzip um eine Füllkörperkolonne, deren Packung in Rotation versetzt werden kann. Insbesondere bei anspruchsvollen Aufgaben, die auf einen effektiven Stoff- bzw. Massentransfer angewiesen sind, lassen sich durch den Einsatz dieser Technologie Vorteile erzielen. Insbesondere Destillations- und Absorptionsverfahren sowie flüssig-flüssig-Extraktionen werden durch die auftretenden hohen Zentrifugalkräfte intensiviert und lassen eine deutliche Steigerung des Massentransfers zu. Verschiedene Phasenkombinationen können auf diese Weise effizient verarbeitet werden; unterschiedlichste Packungssysteme können zur Anwendung kommen.                 

Bei der Kombination unterschiedlicher unit operations ist die Wechselwirkung der Systeme untereinander zu berücksichtigen. Um die synergetischen Effekte zu maximieren, werden bei der Ausführung der Anlagen im Vorfeld spezifische Modelle erstellt. Diese lassen eine spezielle, auf den jeweiligen Prozess abgestimmte räumliche Anordnung der Komponenten zu. In Abhängigkeit des spezifischen Anwendungsfalles sind durch die Nutzung von Methoden aus dem Bereich der Prozessintensivierung deutliche Positiveffekte zu erzielen. Höhere Produktqualitäten, größere Ausbeuten und der verringerte Rohstoffeinsatz sind in diesem Zusammenhang in aller Regel feststellbar. Im Vergleich zu konventionellen Anlagen werden Kosteneinsparungen im Bereich von 50 bis 70 % beschrieben.

Quelle(n):

• ProcessNet - Fachsektion Prozessintensivierung (2008): Prozessintensivierung - Eine Standortbestimmung. ProcessNet - Eine Initiative von Dechema und VDI-GVC, auch verfügbar als PDF unter: Link
• Action Group PI (2009): European roadmap for process intensification, Appendix 1 "PI Technologies Description and Review" , S. 22 ff.

• Oberflächenbeschichtung zur Verminderung von Anhaftungen in Behältern
• Verminderung des Reinigungsaufwandes
• weniger Fouling

• Betriebsinterne Aufbereitung gebrauchter Lösemittel durch Kleindestillationsanlagen
• Wirtschaftliche Vorteile ab 200 l verunreinigter Lösemittel

• Rückgewinnung von Edelmetallkatalysatoren aus organischem Lösemittel mittels Membranen
• Ressourcenschonendes und energieeffizientes Trennverfahren
• Abtrennung von niedermolekularen Verbindungen aus organischen Lösemitteln
• Anwendungsbeispiel: homogen katalysierte Hydroformylierung
• Hohe Edelmetalleinsparpotenziale – Edelmetallrückhalt von bis zu 95 %
• Verwendete Membranen nicht auf die organophile Nanofiltration beschränkt

Bei der Herstellung organischer Feinchemikalien fällt eine große Vielfalt von Abwasserteilströmen an. Um eine Grundlage für effizienzsteigernde Trennungs- und Vorbehandlungsstrategien zu schaffen, wird ein aussagekräftiger Datensatz zusammengestellt. Dies geschieht unter der Annahme, dass bei allen Chargen des gleichen Produktionsschrittes immer wieder der gleiche Abwasserteilstrom anfällt. Ein derartiger Basisdatensatz für solch einen Abwasserteilstrom wird einmalig zusammengestellt. Er enthält alle wichtigen Parameter (BSB5, CSB etc.) und emittierte Frachten (Elemente und Moleküle) bezogen auf Tages- und Jahreszeiträume. Mit diesem Datensatz ist es dem Anlagenbetreiber möglich, ein allgemein anwendbares Werkzeug für ein effektives Abwassermanagement zu schaffen.

Quelle(n):

• Umweltbundesamt (2005a): Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien. Umweltbundesamt, Dessau, auch verfügbar als PDF unter: S. 179 Link

Durch die prozessbezogene Analyse der entstehenden Abfallströme wird eine wesentliche Grundlage zur Steigerung der Ressourcennutzung geschaffen. Insbesondere an einem Mehrzweckstandort sind die Vermeidung und Verminderung von Umweltverschmutzung nur möglich, wenn zuerst die Abfallströme aus jedem Prozess identifiziert und charakterisiert werden. Eine prozessbezogene Analyse der Abfallströme stützt sich auf Flussdiagramme. In diesen Diagrammen werden die Verfahrensschritte, Rohmaterialien und Abfallströme dargestellt. In einem zugehörigen zweiten Diagramm werden für jeden Abfallstrom die relevanten Daten dargestellt. Die prozessbezogene Analyse von Abfallströmen liefert:

• Schlüsselinformationen für Verbesserungsstrategien der verwendeten Trennverfahren,
• eine klare Identifizierung und Charakterisierung des einzelnen Abfallstroms,
• eine Grundlage für die Entscheidung über den Bestimmungsort des Abfallstroms.

Eine derartige Erfassung wird häufig als zentraler Bestandteil der Verfahrensentwicklung bzw. der Verfahrensüberarbeitung herangezogen.

Quelle(n):

• Umweltbundesamt (2005a): Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien. Umweltbundesamt, Dessau, auch verfügbar als PDF unter: S. 176 Link

Der Einsatz von Lösemitteln ist bei vielen Herstellungsprozessen in der organischen Feinchemie (OFC) unabdingbar. Aromatische Lösemittel, wie Toluol, und niedrigsiedende Alkohole, wie Methanol, stellen bei weitem die Mehrheit der in den OFC-Bereichen eingesetzten Massenlösemittel dar. Aufgrund dieser Tatsache eröffnen sich für Anlagenbetreiber verschiedene effizienzsteigernde Möglichkeiten. Insbesondere die Kosten von Toluol rechtfertigen dabei die Maßnahmen für dessen Rückgewinnung. Folgende Aufgabenstellungen zur Rückgewinnung der Lösemittel/Alkohole treten am häufigsten auf:

• Das Produkt liegt in Toluol gelöst vor. Toluol wird zurückgewonnen und in einer gepackten Säule gereinigt, gefolgt von der Abtrennung einer Toluol-Wasser-Mischung.
• Nach Abtrennung des Produkts wird eine Mischung aus Toluol und Methanol erhalten. Toluol und Methanol werden mittels diskontinuierlicher Destillation als Azeotrop zurückgewonnen. Das Gemisch wird durch die Zugabe von Wasser in eine Toluol- und eine Methanol/H₂O-Phase getrennt. Letztere wird kontinuierlich destilliert, um das Methanol zu gewinnen.
• Toluol wird aus Abgasen zurückgewonnen.
• Toluol.Methanol-Mischungen werden aus Abgasen zurückgewonnen.

Neben der Rückgewinnung wertvoller Stoffe kommt es durch die Etablierung derartiger Effizienzmaßnahmen zu grundsätzlich geringeren Emissionen. Zu berücksichtigen ist der mit den Rückgewinnungsprozessen einhergehende zusätzliche Energiebedarf für die Destillation, Dampferzeugung und Kühlung sowie der entstehende Kühlwasserverbrauch. Ferner muss die verwendete Aktivkohle recycelt werden. Die Technologie ist im Falle der Rückgewinnung aus Abgasen allgemein anwendbar. An Standorten, die produktionsbedingt ("Verbundstandort") bereits große Mengen von Abfalllösemitteln zur Verfügung stellen, ist die Rückgewinnung in aller Regel nicht wirtschaftlich. Die Reinigung verbrauchter Lösemittel macht nur Sinn, wenn eine Wiederverwendung oder eine Möglichkeit der Vermarktung besteht. Die Anforderungen an die Reinheit der Stoffe können die Wiederverwendung oder Recyclingmöglichkeiten für die Lösemittel/Nebenprodukte, z. B. bei der Herstellung von Pharmawirkstoffen, einschränken. Falls die Rückgewinnungsanlagen bereits vorhanden sind, hängt die Wirtschaftlichkeit der Rückgewinnung eines Lösemittels von dem Vergleich der Betriebskosten und dem Marktpreis des Hilfsstoffes ab. Falls die Rückgewinnungsanlagen erst noch aufgebaut werden müssen, wird die Amortisationszeit für den Investor Aussagen über die Sinnhaftigkeit der Maßnahme liefern.

Quelle(n):

• Umweltbundesamt (2005a): Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien. Umweltbundesamt, Dessau, auch verfügbar als PDF unter: S. 222 Link

• Einsatz von Mikroorganismen zur Reinigung von cyanidhaltigen Abwässern
  - Cyanidabbau mittels Bakterien
  - Schwermetallsorption an Pilzen
• Vermeidung der Anreicherung von giftigen Zwischen- und Endprodukten
• niedrige Betriebskosten

• Ersatz der chemisch-mechanischen Flotationsanlage mit einem anaeroben Abwasserbehandlungsverfahren
• Erhöhung der Reinigungsleistung der Vorbehandlung von 30% auf 80%
• Hinzu kommen 11.380 MWh Stromeinsparung in 20 Jahren
• Verstromung des zu gewinnenden Biogases

• Entwicklung und Erprobung eines neuartigen Verfahrensansatzes für stark schwankende Schadstoffemissionen organischer Verbindungen
• Kombination von Adsorption und thermischer Regenerierung mit dielektrischer Erwärmung
• Anwendung der Radiowellentechnologie unter praxisnahen Bedingungen
• Betrachtung von Betriebssicherheitsaspekten

• Entwicklung und erfolgreicher Dauerbetrieb einer Anlage zur anaeroben Behandlung hypersaliner Abwässer (20 g/l NaCl) aus der Chemieindustrie
• Verbesserung der Energieeffizienz (Behandlungsanlage) um 22 % von 44,2 kWh/(E*a) auf 34,6 kWh/(E*a)
• Gesamteinsparung an Elektroenergie entspricht CO₂-Verminderung von 1.900 t CO₂ pro Jahr

• Betriebsinterne Aufbereitung gebrauchter Lösemittel durch Kleindestillationsanlagen
• Wirtschaftliche Vorteile ab 200 l verunreinigter Lösemittel

• Mobile Ölaufbereitungsanlage "miniclean" für gebrauchte Hydrauliköle, Wärmeträgeröle und Spülöle
• Aufbereitung von insgesamt bis zu 600 Kubikmeter Öl pro Jahr im Rahmen von 30 Einsätzen
• 10- bis 20-fache Verlängerung der Öl-Einsatzzeit
• Trennung von Öl-Wasser-Gemischen aus Ultrafiltrations- und Emulsionsspaltanlagen ebenfalls möglich
  - Verwertung des wiedergewonnenen Öls als Brennstoff
  - Betriebsinterne Weiterverwendung des abgetrennten Wassers

• Konzeptionierung und Bau einer Demonstrationsanlage zur Pyrolyse von Polytetrafluorethen (PTFE) und PTFE-Compound-Reststoffen mit einer Kapazität von bis zu 500 Tonnen pro Jahr
• Verfahrensentwicklung im Laborreaktor und Skalierung auf industriellen Maßstab
  
• Durchführung einer Lebenszyklusanalyse für die Bewertung der Ressourceneffizienz gegenüber herkömmlichen Verfahren
  
• Erfolgreiche Inbetriebnahme mit Ausbeuten von bis zu 90 % an Tetrafluorethen (TFE)
  

• Entwicklung eines Verfahrens für den radikalischen Schadstoffabbau im Abwasser mithilfe einer elektrochemischen Zelle
• Festlegung des Elektroden- und Zellendesigns
• Erprobung und wirtschaftliche Bewertung des Verfahrens sowie Bewertung der Skalierbarkeit
  

• Konzepterstellung für die Wieder- und Weiterverwendung von Chemikalien
• Reduzierung der produktionsinduzierten Umweltbelastungen und Kosten

• Recycling von Abfallstoffen aus der Lederproduktion zur Herstellung von Gerbchemikalien
• Dezentralisierung der Aufbereitung von Lederabfall und Wiederverwendung vor Ort
• Aufstockung des Projekts in Planung zur Abtrennung und dem Reuse von Chrom in der Produktion
• Bis zu 100 % der anfallenden Lederreste könnten sinnvoll weiterverwertet werden
• Logistischer Aufwand zur Abfallbeseitigung wird deutlich minimiert

• Entwicklung eines integrierten, ökonomisch tragfähigen Erfassungs-, Transport-, Sortier- und Wiedereinsatzkonzepts für gebrauchte Chemikalien (auch für kleine und mittlere Mengen)
• Entwicklung neuer Methoden zur Qualitätskontrolle und Dokumentation zurückkommender Chemikalien
• Entwicklung einer Analysemethode zur Qualitätskontrolle gebrauchter Lösemittel

• Nutzung der Wärmeenergie aus der regenerativen Abluftreinigung
• 1.000 t CO₂-Minderung
• 500.000 Kubikmeter Erdgaseinsparung
• Senkung der Betriebskosten um rund 120.000 Euro pro Jahr

• Entwicklung eines Aufbereitungsverfahrens von salzhaltigen Abwässern der chemischen Industrie mittels elektrochemischer Wirbelbettreaktoren
• Entwicklung eines neuartigen Wirbelbettreaktorsystems mit großer spezifischer Oberfläche einer Partikelelektrode und verbesserter Kontaktierung durch magnetisch induzierte Partikelkettung bei gleichzeitiger Fluidisierung des Wirbelbetts
• Ermittlung von Syntheserouten zur Herstellung von Adsober-Partikel im schwer zugänglichen Partikel-Größenbereich von 100 bis 200 µm
  

• Optimierung von Abwasserpumpstationen
• Einsatz von drehzahlgeregelten Pumpen und Optimierung der Steuerstrategien
• Erstellung von Zuflussvorhersagen

• Entwicklung eines biozidfreien und energiearmen Katalyseverfahrens für die antimikrobielle Wasserreinigung
• Lichtinduzierte Katalyse an Mineral-Metallfolien aus Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen mit Halbleitereigenschaften
• Deutliche Chemikalienreduzierung und Energie- beziehungsweise Kostensenkung bei der Bereitstellung von hochqualitativem Wasser