Automatisierter Reaktoraufbau mit integrierten In-situ-Echtzeitsensoren

• Fachliche Zuordnung: Verfahrenstechnik, Technische Chemie
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544360563

Die Systemverfahrenstechnik (SVT), die im Oktober 2022 an der Fakultät 4 - Energie-, Verfahrens- und Biotechnik der Universität Stuttgart neu eingerichtet wird, beschäftigt sich mit industriell relevanten weichen Werkstoffen. Ziel ist es, den Zusammenhang zwischen inneren strukturellen und makroskopischen Eigenschaften aufzudecken und zu erforschen, wie die Verarbeitung gestaltet oder optimiert werden kann, um die gewünschten Produkteigenschaften zu erreichen. Die Ausgangsmaterialien weisen bereits unterschiedliche Eigenschaften auf, die sich jedoch während der Verarbeitung erheblich verändern können. Angesichts der Komplexität dieser Umwandlung sind systematische Untersuchungen auf mehreren Längen- und Zeitskalen erforderlich, um die nächste Generation technischer Prozesse zu entwerfen und neue Arten von Produkten mit intelligenten Funktionen zu schaffen. Um den Bottom-up-Multi-Skalen-Ansatz von chemischen Molekülen und inneren Strukturen bis hin zu technischen Prozessen zu realisieren, benötigt die SVT ein ummanteltes und flexibel skalierbares Glasreaktorsystem mit integrierter hochmoderner Sensorik. Die Sonden können direkt in den Reaktor eingebracht werden, so dass Probenahme und Offline-Analyse entfallen. Dies ermöglicht die Überwachung schneller Prozesse in Echtzeit. Mit diesem Reaktorsystem können verschiedene Prozesse wie Mischen und Dispergieren, Kristallisation, chemische Reaktionen und Fermentationen in situ und in Echtzeit analysiert werden, was detaillierte Informationen für das Prozessdesign, die Prozessoptimierung und die Prozesskontrolle liefert. Solche Prozessanlagen sind in der chemischen, biotechnologischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie von Bedeutung. Die Mid-FTIR-Spektroskopie wird eingesetzt, um Veränderungen, Reaktanden, Zwischenprodukte, Produkte und Nebenprodukte zu verfolgen, die während einer chemischen Reaktion auftreten, und liefert wichtige Informationen für die Entwicklung und Optimierung von chemischen Verbindungen, Synthesewegen und chemischen Prozessen. Die In-situ-Partikelbildgebung und -verfolgung wird zur Charakterisierung von Größe, Form und Anzahl von Struktureinheiten im Mikrobereich wie Partikeln, Tröpfchen und Kristallen eingesetzt. Konventionelle in-situ Sensoren wie Temperatur, Druck, pH-Wert, Oxidations-Reduktions-Potential (ORP), gelöster Sauerstoff (DO) und Leitfähigkeit werden zur zusätzlichen Kontrolle der Prozessbedingungen benötigt. Reaktortemperatur und -druck werden durch Heiz- und Kühlthermostate und Vakuumpumpen geregelt. Das Reaktorsystem wird zusammen mit den Sensoren durch eine Laborinstrumentierungssoftware automatisiert und gesteuert, die verschiedene Module zur schnellen Überwachung und Aufzeichnung der Ausgabedaten über einen Laptop verwendet. Auf diese Weise können Prozessalternativen evaluiert und der Einfluss verschiedener Parameter auf Mischeffizienz, Reaktionsverlauf, Kinetik und Mechanismus sowie Produktqualität und -stabilität untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Automatisierter Reaktoraufbau mit integrierten In-situ-Echtzeitsensoren
• Gerätegruppe: 1110 Reaktionsgefäße für Niederdruck, (Hydrierung, Katalyse, Polymerisation)
• Antragstellende Institution: Universität Stuttgart
• Leiterin: Professorin Dr. Natalie Germann