Verfahrenstechnik 7/2025 mit Umwelttechnik

MESSEN, REGELN,

MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN DYNAMISCHES MIKROMISCHEN MIKROMISCHER: BESSER DYNAMISCH ALS STATISCH Flow Chemistry beschreibt die kontinuierliche Durchführung chemischer Reaktionen und bietet im Vergleich zum klassischen Batch- Prozess präzisere Kontrolle, höhere Sicherheit und bessere Skalierbarkeit. Sie ist eine Schlüsseltechnologie der Green Chemistry, da sie Ressourcen schont und Abfälle reduziert. Ein zentrales Element dieser Anlagen sind Mikromischer. Sie übernehmen die kontrollierte Durchmischung der Reaktanden im kontinuierlichen Fluss und sind damit entscheidend für die Reaktionsführung insbesondere bei schnellen oder mischempfindlichen Prozessen. Und hier zeichnet sich ein technologischer Wandel ab. Flow Chemistry findet heute breite Anwendung in der Herstellung von Pharmawirkstoffen, Feinchemikalien, Nanopartikeln und modernen Impfstoffen. Gerade bei der Herstellung hochpreisiger Produkte aus preisintensiven Ausgangsstoffen liegen die Stärken dieser kompakten Flow- Chemistry-Anlagen: ihr geringes Leervolumen, ihre hohe Flexibilität und die präzise Kontrolle von Nebenreaktionen ermöglichen effiziente, wirtschaftliche und grünere Prozesse. In nahezu allen Anlagen kommen statische Mischer zum Einsatz, also fest eingebaute Mischelemente ohne bewegliche Teile. Nach über 20 Jahren gibt es heute eine Vielzahl optimierter Bauarten von Mischern, vom einfachen T-Stück bis zu hoch komplexen Mikrostrukturapparaten. Trotz ihrer weiten Verbreitung und konstruktiven Einfachheit weisen statische Mischer auch einige begrenzende Eigenschaften auf: Hydraulisch begrenztes Arbeitsfenster: Die zum Mischen benötigte Energie des statischen Mischers ist hydraulischer Natur - sie ergibt sich also aus dem Produkt von Volumenstrom und Druckverlust über den Mischer. Daraus folgt, dass bei zu geringem Volumenstrom die Turbulenz unzureichend ist, sodass kaum gemischt wird. Erhöht man jetzt den Volumenstrom, verbessert sich zwar die Mischleistung, doch der Druckverlust steigt erheblich. Es ergibt sich also ein enges Betriebsfenster: unten begrenzt durch den Verlust der Mischleistung, oben durch den maximal verfügbaren Druck. Erschwerte Mischbarkeit bei verschiedenen Viskositäten: Flüssigkeiten mit stark unterschiedlichen Viskositäten lassen sich nur sehr schwierig mischen. Die Effizienz sinkt, und es kann zu ungleichmäßigen Reaktionsbedingungen kommen. Risiko von Fouling und Verstopfung: Ablagerungen (Fouling) oder unerwünschte Feststoffbildung führen schnell zu erhöhtem Druckverlust und im Extremfall sogar zur vollständigen Verstopfung des Mischers. DYNAMISCHER MIKROMISCHER: DER SCHRITT NACH VORN HNP Mikrosysteme hat einen dynamischen Mikromischer entwickelt, der im Vergleich zu anderen Mischern neue Maßstäbe in der präzisen und flexiblen Durchmischung setzt. Anders als bei statischen Mischern, deren Mischleistung unmittelbar vom Volumenstrom abhängt, erfolgt die Vermischung hier durch ein aktiv bewegtes Mischelement - unabhängig vom Durchfluss und mit minimalem Druckverlust. Auch Flüssigkeiten mit stark unterschiedlichen Viskositäten lassen sich damit kontrolliert und reproduzierbar mischen - bei gleichzeitig hoher Prozessstabilität und Effizienz. So unterstützt diese Technologie nicht nur die sichere und skalierbare Umsetzung kontinuierlicher Prozesse, sondern leistet auch einen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit im Sinne der Green Chemistry - durch reduzierten Energieeinsatz und ressourcenschonende Prozessführung. Die folgenden technischen Eigenschaften machen den dynamischen Mikromischer zu einer leistungsfähigen und vielseitig einsetzbaren Lösung: 30 VERFAHRENSTECHNIK 2025/07 www.verfahrenstechnik.de

MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN 01 02 n Volumendurchsatz: bis zu 200 ml/min (fluidabhängig) n Einstellbare Mischergeschwindigkeit: bis 12.000 U/min n 2 bis 4 Eingänge bei einem Ausgang n Verschiedene Geometrien des Mischelementes verfügbar n Druckabfall: unter 20 mbar bei 10 ml/min und 1 mPas (proportional zum Volumendurchsatz) n Leervolumen: 33 μl (dies entspricht einer Kapillare ID 1/16“, l = 17,0 mm) n Mischkammervolumen: 7 μl (dies entspricht einer Kapillare ID 1/16“, l = 3,6 mm) n Mischzeiten 300 ms bis zu weniger als 5 ms n Spezifische Leistung von bis zu 20 MW/m³ MISCHZEIT UND DEREN RELEVANZ FÜR SCHNELLE REAKTIONEN Bei der Umstellung einer chemischen Reaktion von einem Batch- Prozess auf eine kontinuierliche Prozessführung ist es essenziell, die optimale Mischzeit im Vorfeld zu kennen. Nur so lassen sich die Reaktionsbedingungen gezielt anpassen und die Vorteile der Flow Chemistry, wie höhere Ausbeuten, bessere Selektivität und stabile Prozesse, voll ausschöpfen. Insbesondere bei schnellen, mischempfindlichen Reaktionen entscheidet die Qualität der Durchmischung unmittelbar über die Reaktionsausbeute und Selektivität. Eine etablierte Methode KONTINUIERLICHE PROZESSFÜHRUNG Dynamische Mikromischer ermöglichen eine kontinuierliche Prozessführung und sind eine vielversprechende Technologie für die Zukunft. Ich bin gespannt auf die Anwendungen in der Praxis. DANIEL SCHILLING, Redakteur 01 Beschränkung des Arbeitsfensters Volumenstrom in statischen Mischern 02 Begrenzung des Arbeitsfensters Zeit durch Fouling und Verstopfen in statischen Mischern zur quantitativen Bestimmung der Mischzeit ist die vierte Bourne-Reaktion: Dabei wird der Zerfall eines organischen Moleküls, 2,2-Dimethoxypropan DMP, unter Freisetzung von Aceton betrachtet. Die gebildete Acetonmenge ist dann mit optischen Methoden zuverlässig und einfach zu bestimmen. Mit einer Halbwertszeit von etwa 5 Millisekunden eignet sich diese Reaktion hervorragend, um die Leistungsfähigkeit verschiedener Mischer zu vergleichen und den optimalen Mischer für die jeweilige Anwendung zu identifizieren. Diese Ergebnisse belegen eindrucksvoll, dass im gesamten untersuchten Volumenstrombereich eine gezielte und reproduzierbare Einstellung der Mischzeit durch Variation der Drehzahl des Mischers möglich ist. Das trifft auch zu für den unteren einstelligen Millisekundenbereich. Damit wird eine Reaktionskontrolle erreicht, die bislang nur mit großem apparativem Aufwand realisierbar war, und für statische Mischer unerreichbar ist. REZEPTUR- UND PROZESSOPTIMIERUNG BEI DER HERSTELLUNG VON EMULSIONEN Emulsionen spielen eine zentrale Rolle in der Pharma-, Kosmetikund Lebensmittelindustrie. Traditionell erfolgt die Rezepturoptimierung durch das Mischen zahlreicher Zutaten in einzelnen Batches, meist unter Einsatz kleiner Hochleistungsrührer. Dieses Vorgehen ist jedoch sehr zeitaufwendig, verursacht einen hohen Materialverbrauch und entspricht so nicht den Anforderungen an nachhaltige und ressourcenschonende Prozessentwicklung. Mit einem kleinen dynamischen Mikromischer lässt sich die Rezepturentwicklung für Emulsionen vom materialintensiven Batchversuch auf einen kontinuierlichen, ressourcenschonenden Ablauf umstellen. Schon geringe Mengen genügen, um Parameterstudien zu fahren und Tropfengrößen über Volumenstrom und Mischergeschwindigkeit gezielt einzustellen. Der Betrieb kann bis in den Technikumsmaßstab skaliert werden, ohne Umrüstaufwand oder Verluste. Durch seine hohe Lebensdauer und einfache Reinigbarkeit trägt der Mikromischer zu weniger Ausschuss, geringerem Energieeinsatz und damit am Ende zu nachhaltigeren Prozessen bei. www.verfahrenstechnik.de VERFAHRENSTECHNIK 2025/07 31