Mikroverfahrenstechnik

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Mit der fortschreitenden Miniaturisierung technischer Abläufe und Prozesse - vgl. Nanotechnologie, Lab-on-a-Chip etc. - spielt die Erforschung von Prozessen im Mikro- und Nanobereich und deren technische Umsetzung eine immer größere Rolle. Die Mikroverfahrenstechnik als technisch orientierter Teilbereich aus Chemie und Physik behandelt in diesem Sinne chemische und physikalische Prozesse in Theorie und Praxis, die sich innerhalb kleiner und kleinster Volumina abspielen.

Die Entwicklung der Mikroverfahrenstechnik begann um die 1980er Jahre herum, als erstmals mechanische Mikrobearbeitungsverfahren in Form von kompakten Wärmetauschern für die Gewinnung von Uran-Isotopen beim Forschungszentrum Karlsruhe eingesetzt wurden. Im Laufe der Zeit wurden bis heute verschiedene mikrostrukturierten Reaktoren - kurz: Mikroreaktoren - entwickelt, die als einzigartige Vorteile unter anderem die sehr gute Wärmeübergang aufgrund des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen und die sehr gute Stoffübergang aufweisen.

Die guten Wärmeübertragungseigenschaften ermöglichen eine exakte Temperatursteuerung der Reaktionen. Beispielsweise können stark exotherme Reaktionen nahezu isotherm durchgeführt werden, wenn der Mikroreaktor einen zweiten Satz von Mikrokanälen enthält, die als Kühlkanäle mit entsprechenden Kühlfluiden arbeiten, und die von den Reaktionskanälen getrennt sind. Darüber hinaus ist es möglich, die Temperatur eines Mikroreaktors sehr schnell zu ändern, um gezielt ein nicht-isothermes Verhalten zu erreichen.

Die Mikroverfahrenstechnik erlaubt auch effizientes Mischen der Reaktanten in sehr kurzen Zeiten, typischerweise im Millisekunden-Bereich.

Ziel der Mikroverfahrenstechnik ist durchaus die Herstellung chemischer Produkte. Herkömmliche Batch-Prozesse, also Herstellungsmethoden, bei der die Produkte innerhalb eines bestimmten Zeitraums in einer bestimmten Menge hergestellt werden, scheinen hierfür im Hinblick auf die Menge zunächst besser geeignet. Tatsächlich erfolgt die mikroverfahrenstechnische Produktion jedoch im Durchlauf durch einen Mikroreaktor bzw. besser durch eine Serie von Reaktionskammern: Während die Abmessungen der einzelnen Kanäle klein sind, kann eine spezielle Vorrichtung zur Mikroverfahrenstechnik - der Mikrostrukturreaktor - viele tausend solcher Kanäle enthalten und eine Gesamtgröße von mehreren Metern erreichen. Das Ziel der Mikroverfahrenstechnik ist in erster Linie nicht nur die Miniaturisierung von Produktionsanlagen, sondern vor allem die Steigerung der Ausbeuten und der Selektivitäten chemischer Reaktionen und damit die Senkung der Kosten der chemischen Produktion.

Der Durchsatz ist im Resultat hoch genug, um die Mikroverfahrenstechnik zu einem Werkzeug für die chemische Produktion zu machen.

Das Teilgebiet der Mikroverfahrenstechnik, welches sich mit chemischen Reaktionen befasst, die in den Mikroreaktoren durchgeführt werden, wird auch als Mikroreaktionstechnik bezeichnet.

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Aktualisiert am 03.02.2020.

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