Die Chemiefabrik auf dem Schreibtisch

Wer den Rhein entlang fährt, der hat die Chemie vor Augen und in der Nase: Von Basel bis nach Rotterdam begegnet man immer wieder den Anlagen, die Europa mit allem versorgen, wo Chemie drin steckt – vom Medikament bis hin zum Treibstoff. Riesige Tanks, Reaktoren, meterdicke Rohre prägen unser Bild einer klassischen Chemiefabrik. Doch die Chemie von morgen sieht anders aus. Künftig läuft die Produktion in winzigen, modularen Einheiten. Jede für sich eine Chemiefabrik im mikroskopischen Maßstab; die wichtigsten Anlagen passen so auf einen Schreibtisch. „Mikroreaktionstechnik“ ist der etwas trockene Name für den radikalen Wandel und den Beweis, dass auch kleine Dinge Großes bewirken können.

Nicht nur Computerchips werden immer kleiner, auch in der chemischen Industrie schrumpft es heftig. Etwa bei Merck, wo Wissenschaftler an der Chemie der Zukunft bauen. Dabei ersetzen sie aber nicht einfach die alten Großanlagen durch Miniaturen. „Es geht um eine neue Art von Chemie“, sagt Abteilungsleiter Dirk Schmalz, der bereits während seiner Dissertation an der Technischen Universität Clausthal Mikroreaktoren zusammengeschraubt und das Potenzial der Mikroreaktionstechnik (MRT) vermessen hat.

Die Miniaturisierung bringt gleich mehrere Vorteile. Robuster, kostengünstiger und schneller könne die Herstellung von Spezial- und sogar Massenchemikalien werden, wirbt Schmalz für die Chemie wie aus dem Lande Liliput. In der Mikrowelt führen physikalische Gesetze zu anderen Auswirkungen. Das Oberflächen-Volumen-Verhältnis ist in kleinen Anlagen günstiger als in großen Reaktionskesseln, wodurch Wärme sehr viel leichter abgeführt wird. Da immer nur kleinste Mengen gleichzeitig im Spiel sind, werden einige explosive Synthesen mit instabilen Zwischenstoffen außerhalb des Labors überhaupt erst realistisch. Als „isotherme Reaktionsführung auch schneller exothermer Reaktionen“ bezeichnet das Fachmann Schmalz. Hohe Temperaturen, hoher Druck und auch die Chemie mit extrem reaktionsfreudigen Gemischen – das alles ist im kleinen Maßstab möglich. Ausbeute sowie Produktqualität steigen und unerwünschte Nebenreaktionen fallen weniger ins Gewicht, weil die Synthese präziser zu steuern ist. In dieser Entwicklung ist Merck führend.

Große Mengen in kleinsten Kanälen zu produzieren gelingt, da in den Minianlagen – im Gegensatz zu ihren Pendants im Großformat – kontinuierliche Prozesse ablaufen und nicht chargenweise gearbeitet wird, wie sonst in dieser Branche üblich. Die theoretisch einfachste MRT-Variante ist der sogenannte T-Reaktor, dessen Form dem Großbuchstaben „T“ gleicht. Er wird in einen Metall- oder Glasträger graviert oder geätzt, wobei die Kanälchen typischerweise einige 100 Mikrometer tief und einige 100 Mikrometer lang sind. Zum Vergleich: Ein normales Menschenhaar ist etwa 80 Mikrometer dick. Über den T-Kanal wird ein Deckelchen geklebt, das drei Löcher hat, die exakt über den beiden Enden des oberen Kanals und am unteren Ende des T liegen, sodass Flüssigkeiten eingespritzt und entnommen werden können.

Die eigentliche Reaktion findet am Kreuzungspunkt statt. In das linke Ende des Querbalkens wird eine Lösung gegeben und in das rechte eine zweite. Ist die Fließgeschwindigkeit der beiden Flüssigkeiten gleich, so treffen sie am Kreuzungspunkt aufeinander, reagieren und strömen durch den senkrechten Kanal. Das Reaktionsprodukt kann daraufhin kontinuierlich durch die untere Öffnung entnommen werden. Anders in einem üblichen Reaktionskessel: Dort würde man die beiden Flüssigkeiten hineingeben, rühren, warten und schließlich den Kessel leeren, um ihn erneut zu befüllen. Dies wird als absatzweiser Betrieb oder Batchbetrieb bezeichnet.

Doch die Mikrobauteile haben in der Industrie nur dann eine Chance, wenn sie die erforderlichen Mengen liefern können. 100 Tonnen pro Jahr sollten es manchmal schon sein. Um das zu erreichen, bedient man sich eines Tricks aus der Datenverarbeitung und schaltet viele der kleinen Kanäle parallel. „Equaling-up“ nennt Schmalz das in Anlehnung an das Scale-up, das im Batchbetrieb notwendig ist, um neue Produktionsverfahren vom Labortisch in den Industriemaßstab zu transferieren.