Skalierung und Pilotierung neuer Verfahren für Chemie und Biotechnologie

Für den Weg neuer nachhaltiger Produkte auf den Markt ist die Übertragung des Herstellungsverfahrens in einen größeren Maßstab ein essenzieller Schritt. Mit seinem Know-how zur Skalierung verschiedenster Verfahren und eigenen Pilotanlagen an seinem unterstützt das Fraunhofer IGB Unternehmen bei der Markteinführung grüner Produkte. An seinem Institutsteil in Leuna, dem Fraunhofer-Institut für Chemisch-Biotechnologische Prozesse, stehen vielfältig einsetzbare Module zur Skalierung neuer Verfahren zur Verfügung. Auch für den Bau kundeneigener Demonstrationsanlagen bietet das Fraunhofer CBP Know-how und Infrastruktur.

Angesichts von Klimawandel und Ressourcenknappheit steht auch die Chemie- und Prozessindustrie vor einem grundlegenden Umbruch. Es gilt, fossile Rohstoffe durch regenerative Ressourcen wie nachwachsende Rohstoffe, biogene Reststoffe oder CO₂ zu ersetzen, damit Treibhausgasemissionen und internationale Abhängigkeiten vermindert werden können.

Herausforderungen durch Rohstoffwende und Kreislaufwirtschaft

Für diese Rohstoffwende müssen bisherige Herstellungsverfahren auf die neuen Ausgangsstoffe entweder angepasst oder neu etabliert werden. Pflanzliche Biomasse beispielsweise muss aufgeschlossen und fraktioniert, Extraktionsmittel und Prozessparameter müssen angepasst, Anlagen neu ausgelegt werden. Parallel werden neue Methoden zur Qualitätskontrolle und Sicherheitsbewertung der entwickelten Verfahren und ihrer Produkte benötigt. Darüber hinaus sind Unternehmen gefordert, vermehrt Prinzipien der Kreislaufwirtschaft zu berücksichtigen.

Skalierung und Pilotierung als Schlüssel zum Markt

Bei der Erschließung neuer Ressourcen für die Transformation zu einer grünen, bioökonomischen Wirtschaft spielt die Skalierung eine Schlüsselrolle. Denn neue Verfahren müssen nicht nur im kleinen Maßstab funktionieren, sondern auch auf industriellem Niveau. Pilotanlagen unterstützen Unternehmen bei der Skalierung ihrer Herstellungsprozesse und damit bei der Markteinführung neuer Produkte.

Pilotanlagen: Musterherstellung, Verfahrensoptimierung, Auslegung der Industrieanlage

Die Herstellung von Mustermengen, größeren Produktmengen im Kilogramm-Maßstab für Anwendungstests, wird oft erst mit Pilotanlagen möglich.

Unerlässlich sind diese auch, um die Effizienz und damit die Wirtschaftlichkeit der entwickelten Verfahren zu erhöhen. Anhand der im Pilotbetrieb generierten Prozessdaten können apparatetechnische Schwachstellen identifiziert, Prozessführungen verbessert und Masse- und Energiebilanzen gewonnen werden. Optimierte Fahrweisen, etwa die Kreislaufführung von Lösungsmitteln oder die Rückgewinnung von Prozesswärme, helfen, Betriebsmittel einzusparen und Kosten zu senken. Auf Basis der Prozessdaten in der Pilotanlage kann schließlich die Industrieanlage möglichst wirtschaftlich ausgelegt und Investitionskosten minimiert werden.

• Skalierung von im Labor entwickelten Prozessen 
• Bereitstellung von Daten zur Auslegung der nächsten Skalierungsstufe
• Integrierte Prozessentwicklung und -optimierung, inklusive der Integration von externem Equipment zum direkten Prozessvergleich
• Verfahrensverifizierung und Show Cases für bspw. Investorenrunden
• Bereitstellung von Daten zur techno-ökonomischen Bewertung und Lebenszyklusanalyse von Prozessen
• Synthese von Mustermengen für Applikationstests 
• Gemeinsame IP-Entwicklung  

Um größere Produktmengen herstellen zu können, werden neu entwickelte Verfahren stufenweise auf einen jeweils größeren Maßstab übertragen. Die Maßstabübertragung oder Skalierung resultiert dabei in unterschiedlich dimensionierten Anlagen mit jeweils steigenden Produktionskapazitäten. Nach der erfolgreichen Umsetzung einer Idee im Labormaßstab dienen erste technische Prototypen vor allem dazu, die Qualität und Funktionalität des Produkts zu überprüfen.

Industriemaßstab im Kleinen: Pilotanlagen zur Prozessoptimierung

Pilotanlagen sind eine Zwischengröße zwischen den prototypischen Kleinanlagen und großen Industrieanlagen. Dabei bilden Pilotanlagen nicht einen vergrößerten Labormaßstab ab, sondern vielmehr bereits den späteren Industriemaßstab, wenn auch etwas kleiner dimensioniert. Das Ziel der Übertragung von Verfahren in den Pilotmaßstab ist daher, die in der Industrie üblichen Apparate mit kleinerem Durchsatz zu betreiben, sodass das Risiko beim Transfer vom Labor in die industrielle Anlage minimiert wird.

Das Beispiel einer Fermentation zeigt dies anschaulich: Die Laborversuche finden im Schüttelkolben statt, die darauffolgende Stufe stellen kleine Laborfermenter mit nur wenigen Litern Volumen dar. Für den Pilotmaßstab kommen Fermenter zum Einsatz, wie sie auch im großtechnischen Maßstab üblich sind – nur dass ihr Volumen geringer ist.

Brücke zwischen Labor und Industrie: Pilotanlagen zur Datengenerierung, Optimierung, Auslegung der Industrieanlage

Für den erfolgreichen Transfer in die nächste, industrielle Dimension wird der Prozess in der Pilotanlage bewertet und optimiert. So wird in der Pilotanlage beispielsweise erstmals ersichtlich, wie sich die Apparatetechnik auf den Prozess auswirkt, etwa die Behältergeometrie, Rührwerke oder Exothermien. Probleme bei der Kultivierung von Mikroorganismen oder der Produktabtrennung, die im Labormaßstab noch nicht abschätzbar waren, können so behoben werden. 

Wir unterstützen unsere Industriekunden bei der Realisierung und Skalierung ihrer Prozesse mit einer breiten Palette von Serviceangeboten in den folgenden Bereichen:

Prozessdesign und -dimensionierung

• Verfahren und Anlagen – bis in den Demonstrationsmaßstab
• Begleitende Laborentwicklung bspw. mit Hochdurchsatzscreening und Analytik im Bereich chemisch-biotechnologischer Prozesse
• Anpassung des Prozessdesigns bspw. durch Übertragung von Batch- auf kontinuierliche Prozesse
• Reaktor- und Modulauslegung, Konstruktion und Fertigung

Technische Anlagen

• Pilotanlagen (z. B. Power-to-X-Prozesse, Kraftstoffsynthese, Biomasseaufschluss, Fermentation, Biokatalyse)
• Chemische und biotechnologische Prozesse bis zu 10 m³ Reaktorvolumen
• Extensives Equipment zur Produktaufarbeitung und -reinigung

Industrielle Prozessdemonstration

• Betrieb und Simulation
• Bereitstellung von Probenmaterial bis zum Tonnenmaßstab
• Bereitstellung von Prozessdaten

Fraunhofer-Allianz Chemie

Die Fraunhofer-Allianz Chemie bündelt die komplementären Kompetenzen ihrer Mitgliedsinstitute in den Bereichen Chemie, Chemieingenieurwesen und Biotechnologie sowie Automatisierung, Digitalisierung und regulatorische Fragestellungen. Durch interdisziplinäre Zusammenarbeit unterstützt sie damit Industriekunden bei der Entwicklung und Skalierung nachhaltiger, innovativer Produkte und Prozesse.