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28.09.2010

Chemische Beschleuniger im Turbotest: Innovation verkürzt die Entwicklung von Katalysatoren deutlich


Alle reden von Energie, aber kaum einer von Katalysatoren. Dabei helfen die Beschleuniger chemischer Reaktionen, Energie zu sparen, aus fossilen Rohstoffen mehr nützliche Produkte zu gewinnen und neue Energieträger wie Wasserstoff oder Treibstoffe aus Holzabfällen konkurrenzfähig zu machen. Dank eines Verfahrens, das Ferdi Schüth, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, sowie Dirk Demuth und Wolfram Stichert von der hte AG, Heidelberg entwickelt haben, läuft die Suche nach neuen, leistungsfähigeren Katalysatoren heute bis zu 100 Mal schneller als noch vor wenigen Jahren. Mit dieser Erfindung wurden die Wissenschaftler für den Deutschen Zukunftspreis, den Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation, nominiert und haben es in die Endrunde der letzten drei Teams geschafft. Die Entscheidung über den Preisträger fällt am 1. Dezember 2010 in Berlin; die Preisverleihung wird vom ZDF übertragen.

Große Erfindungen haben es am Anfang oft schwer. Das haben auch Ferdi Schüth vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim und die Wissenschaftler der hte AG um Dirk Demuth und Wolfram Stichert erfahren, als sie Vertretern der chemischen Industrie Ende der 1990er-Jahre ihr Testverfahren für Katalysatoren vorstellten. Ihre Entwicklung ermöglicht es, in einem parallelen und automatisierten Ansatz bis zu mehrere 100 Katalysatoren gleichzeitig in eine chemische Bewährungsprobe zu schicken. Die Suche nach neuen, effizienten Reaktionsbeschleunigern verkürzt sich damit um das 10 bis 100fache - für die chemische Industrie ein großer Gewinn, schließlich entstehen fast alle ihre Produkte mit Hilfe von Katalysatoren.

"Am Anfang stießen wir aber auf große Skepsis, ob unser Hochdurchsatzverfahren industriell verwertbare Ergebnisse liefern könnte", sagt Ferdi Schüth, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, der die ursprüngliche Idee für den Turbotest hatte. Zwar produzierte die Pharmaindustrie nach demselben Prinzip schon länger medizinische Wirkstoffe für neue Medikamente, aber dass die Methode auch unter den ungleich harscheren Bedingungen der Ölraffinerien und der Produktion chemischer Grundstoffe funktionieren könnte, bezweifelten Viele. "Heute suchen fast alle petrochemischen Unternehmen mit unserer Technologieplattform nach maßgeschneiderten Katalysatoren", sagt Dirk Demuth, Vorstandsvorsitzender der hte AG, die seit 2008 mehrheitlich zum BASF-Konzern gehört. Mit diesen Reaktionsbeschleunigern können die Unternehmen aus einem Barrel Öl immer mehr Treibstoff oder Ausgangsstoffe für Arzneimittel, Farben und Kunststoffe herausholen.

"In der Nominierung zum Deutschen Zukunftspreis sehen wir eine Bestätigung für die innovative Arbeit, die wir in den vergangen Jahren zusammen mit unseren Kunden und Partnern geleistet haben", sagt Ferdi Schüth. Mit dem Deutschen Zukunftspreis würdigt der Bundespräsident der Bundesrepublik Deutschland Forscher und Entwickler, die ausgehend von exzellenter Forschung, neue Produkte erfolgreich auf den Markt bringen.

Katalysatoren für Biotreibstoffe und leistungsfähigere Batterien

Und erfolgreich ist das Testverfahren nicht nur in der Petrochemie, sondern auf zahlreichen Gebieten. Etwa wenn Katalysatoren gefragt sind, die Biomasse, wie Holz und Stroh, in Treibstoff oder chemische Grundstoffe umwandeln, oder solche, die bei der Reinigung von Autoabgasen mit kleineren Mengen des teueren Platins auskommen. Auch Materialien für leistungsfähigere Batterien, die Elektroautos mit Strom versorgen könnten, lassen sich mithilfe dieser Technik aufspüren. "Wie erfolgreich unser Konzept ist, zeigt sich auch daran, dass alle unsere Konkurrenten inzwischen ähnliche Ansätze verfolgen", sagt Wolfram Stichert, Finanzvorstand der hte AG.

Bevor Ferdi Schüth und seine Kollegen die neuartige Testmethode für Katalysatoren entwickelten, nahmen Mitarbeiter von Chemielaboren die Tests in einzelnen Reaktorrohren vor und präparierten die Katalysatoren von Hand. Um viele solcher Untersuchungen in parallelen Reaktorrohren und möglichst automatisiert vorzunehmen, mussten die Forscher jedoch zahlreiche technische Herausforderungen bewältigen. Das fing bei den Bedingungen an, die bei der Katalysatorsuche deutlich härter sind als in den bis dahin üblichen Hochdurchsatztests in der pharmazeutischen Forschung. Eine Temperatur von 500, manchmal gar 1000 Grad Celsius und ein Druck, der den Atmosphärendruck um ein Vielfaches übersteigt, sind da keine Seltenheit. Zudem verhalten sich die verwendeten Chemikalien oft sehr aggressiv. Diesen Belastungen müssen die Reaktorrohre in manchen Tests sogar mehrere Wochen standhalten, entsprechend robust müssen die Materialien sein.

Zwischen den einzelnen Reaktoren garantiert eine ausgesprochen wärmeleitfähige Legierung, dass die Temperatur in allen Rohren konstant bleibt, selbst wenn eine Reaktion zusätzliche Wärme freisetzt. Manchmal packen die Forscher jeden Reaktor sogar in eine eigene Heizung. Brauchbare Ergebnisse kommen bei den Tests nämlich nur dann heraus, wenn sie unter kontrollierbaren, immer gleichen Verhältnissen ablaufen - und möglichst solchen, die nah an die industriellen Prozesse herankommen. "Unsere parallelisierten Untersuchungen liefern inzwischen Erkenntnisse, die sonst nur Pilotanlagen bieten", sagt Dirk Demuth: "Das verkürzt die Entwicklung von Katalysatoren erheblich."

Raffinierte Software filtert die wichtigen Ergebnisse aus der Datenflut

Um schneller einen neuen Katalysator zu finden, reichen Parallelaktionen alleine nicht, sie müssen auch mehr oder weniger automatisch ablaufen. Daher werden die Ausgangsstoffe der Testreaktionen computergesteuert dosiert und über eine gemeinsame Zuleitung, wenn nötig aber auch über einzeln ansteuerbare Ventile, in die Reaktionsrohre geschickt. Am anderen Ende fängt ein System eigens entwickelter Ventile die gasförmigen Reaktionsprodukte auf. Ein Roboterarm steuert zudem die einzelnen Rohre an, um flüssige Produkte abzufangen.

Je nachdem, wie gut die Forscher bereits abschätzen können, was in einer Reaktion entsteht, analysieren sie den Produktmix mit unterschiedlichen Techniken. Oft verwenden sie dabei einen Gaschromatografen, den sie wenn nötig mit einem Massenspektrometer kombinieren. Manchmal setzen die Wissenschaftler aber auch auf Methoden, die nur Schwefel- oder Stickstoffverbindungen identifizieren. Bleibt die Analyse der Daten, von denen die parallelen Tests in manchem Projekt mehrere Terabyte produzieren. Rund 20 Software-Entwickler schreiben bei der hte AG daher Programme, um aus diesen Daten die Ergebnisse zu destillieren, mit denen die Chemiker einen Katalysator beurteilen können.

Diese Ergebnisse sind für die Industrie vor allem deshalb sehr aussagekräftig, weil die Mitarbeiter der hte AG die Tests individuell auf jeden Prozess zuschneiden. Aus einzelnen Modulen bauen sie für ihre Kunden Anlagen auf und berücksichtigen dabei die speziellen Verhältnisse, die im industriellen Alltag eines Unternehmens herrschen. "Alternativ entwickeln wir an unserem Standort in Heidelberg neue Katalysatoren als Dienstleistung", sagt Dirk Demuth: "Dabei können wir natürlich alle Möglichkeiten ausschöpfen, die unsere Technologieplattform bietet."

Ein profitables Unternehmen mit 160 Mitarbeitern - Tendenz steigend

Und das Geschäft lohnt sich: "Die hte AG arbeitet von Beginn an profitabel", sagt Wolfram Stichert, Finanzvorstand des Unternehmens. Der Umsatz summiert sich über die vergangenen zehn Jahre zu 100 Millionen Euro, einen Großteil davon erzielt das Unternehmen mit ausländischen Kunden. Dazu tragen inzwischen 160 Mitarbeiter bei - darunter viele Naturwissenschaftler, Ingenieure und Facharbeiter aus Laborberufen, der Feinmechanik und Elektronik. Einen Teil des Unternehmens hat im Jahr 2008 die BASF AG übernommen, die mit dem Unternehmen bereits in seiner Startphase einen Entwicklungsvertrag abschloss.

"Wir rechnen damit, dass wir sowohl Umsatz und Gewinn als auch die Zahl der Beschäftigten weiter steigern werden", sagt Wolfram Stichert. Für den Optimismus gibt es gute Gründe: "Der weltweite Energieverbrauch steigt und nicht zuletzt der Klimaschutz zwingt uns, mit den Ressourcen immer sparsamer umzugehen", erklärt Ferdi Schüth: "Katalysatoren, die helfen, Energie zu sparen, fossile Rohstoffe effizienter zu nutzen und regenerative Energieträger zu erschließen, werden daher in Zukunft immer wichtiger." Ferdi Schüth und seine Kollegen tragen mit ihrer Testanlage für Katalysatoren so auch dazu bei, die Energieprobleme der Menschheit zu lösen.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft




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