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Tools

Mit verschiedenen experimentellen und rechnerischen Methoden unterstützen wir die Übertragung chemischer Reaktionen auf die kontinuierliche Prozessführung im Mikromaßstab und die Auslegung der entsprechenden Mikroreaktionsprozesse und ihrer Komponenten.

Prozessanalytik

Mit Methoden der online- und inline-Prozessanalytik unter Einsatz von spezieller Spektroskopie und Kalorimetrie sowie mit Hilfe von Prozesssensoren verfolgen wir die chemischen Prozesse im Mikroreaktor mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Wir erhalten somit direkten Einblick in die Produktbildung und Produktzusammensetzung und können wichtige kinetische, mechanistische und sicherheitstechnische Daten am Mikroprozess gewinnen. Weitere Informationen finden Sie hier.

 

Auslegung und Qualifizierung von mikrostukturierten Reaktoren

Ein wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung von Mikroreaktorprozessen ist die Auslegung maßgeschneiderter mikrofluidischer Komponenten. Hierbei kommen sowohl rechnerische Methoden und numerische Simulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) als auch standardisierte experimentelle Messmethoden zum Einsatz, die wichtige Leistungseigenschaften wie zum Beispiel das Mischverhalten und das Verweilzeitverhalten mikrostrukturierter Reaktoren qualitativ und quantitativ beschreiben.

Für die Erfassung des Verweilzeitverhaltens von mikrofluidischen Bauteilen haben wir spezielle spektroskopische Messverfahren auf der Basis von Tracer-Verfolgung sowie entsprechende mathematische Modellierungs-Tools entwickelt, die das Zusammenwirken von Fluidkanalstruktur und Verweilzeitcharakteristik aufzeigen.

Weitere Informationen finden Sie in:

D. Bo¹koviæ, S. Löbbecke, Modelling of the residence time distribution in micromixers, Chem. Eng. J. 2008, S135, 138-146.

Messstand zur Bestimmung der Verweilzeitcharakteristik von Mikromischern und Mikroreaktoren.

 

Beispielmessung der Verweilzeitverteilung an verschiedenen Stellen in einem passiv mischenden Mikroreaktor.

Für die qualitative und quantitative Beschreibung der Mischgüten von Mikromischern und Mikroreaktoren nutzen wir experimentelle spektroskopische Methoden, die wir speziell für einphasige und zweiphasige Stoffsysteme entwickelt haben. Diese beruhen auf der spektroskopischen Analyse mischungssensitiver Reaktionen (modifizierte Villermaux/Dushman Reaktion) oder der Extraktion solvatochromer Farbstoffe in einem Zweistoffsystem.

Weitere Informationen finden Sie in:

S. Paniæ, S. Löbbecke, T. Türcke, J. Antes, D. Bo¹koviæ, Experimental Approaches to a Better Understanding of Mixing Performance of Microfluidic Devices, Chem. Eng. J. 2004, 101, 409.

Experimentelle Methoden zur Mischgütebestimmung für ein- und zweiphasige Stoffsysteme.

Mittels CFD können wir - durch die approximative Berechnung der Strömungsverhältnisse sowie des Wärme- und Massentransports und damit gekoppelter Größen wie Mischgüte, Verweilzeit und Druckabfall - Aussagen über den Verfahrensverlauf im Vorfeld oder begleitend zur Prozessentwicklung treffen. Mit Hilfe der Simulationsrechungen können Prozessgrößen nicht nur punktuell, sondern zeitlich und räumlich nahezu unbegrenzt ermittelt werden. Darüber hinaus liefern moderne CFD-Tools umfangreiche Möglichkeiten zur Visualisierung der berechneten Prozessgrößen.

Um die im Mikrobereich auftretenden Besonderheiten wie beispielsweise Grenzflächenphänomene und das große Oberfläche/Volumen-Verhältnis zu berücksichtigen, müssen wir CFD-Tools mit geeigneten Berechungsmodellen wählen und die entsprechenden Mikroeffekte ggf. durch Modifizierung oder Ergänzung der Programme (zum Beispiel über User Defined Subroutines) einbinden.

Visualisierung der Fluiddynamik in dreidimensionalen Mikrokanalstrukturen mittels CFD (Beispielrechnung)

 

Oberflächenmodifikation und Katalyse

Das große Oberfläche/Volumen-Verhältnis von mikrostrukturierten Reaktoren wird meistens im Zusammenhang mit einem intensivierten Wärmetransport diskutiert und entsprechend vorteilhaft eingesetzt. Darüber hinaus kann die relativ große Oberfläche in Mikroreaktoren aber auch für andere Wechselwirkungen mit den Reaktionsmedien ausgenutzt werden.

Am Fraunhofer ICT verfolgen wir dabei zwei zentrale Anwendungen. Zum einen beeinflussen wir durch eine gezielte chemische Modifikation die Oberflächeneigenschaften der Mikrokanäle. Die inneren Oberflächen unserer Glasreaktoren können wir beispielsweise gezielt mit hydrophilen, hydrophoben oder superhydrophoben Eigenschaften ausstatten und somit Einfluss auf die Benetzung und das Strömungsverhalten im Mikroreaktor in Abhängigkeit vom Stoffsystem nehmen.

Zum anderen nutzen wir die großen inneren Oberflächen unserer Mikroreaktoren für die chemische Fixierung von organischen Katalysatoren. Auf diese Weise verknüpfen wir die Vorteile der Katalysator-Immobilisierung mit denen der kontinuierlichen Mikroreaktionstechnik, insbesondere im Bezug auf einen intensivierten Stoff- und Wärmetransport. Für katalytische Flüssigphasenprozesse ließen sich bereits auf diese Weise - im Vergleich zu den makroskopischen Referenzprozessen - signifikante Verbesserungen in Katalysator-Performance und Raum/Zeit-Ausbeute erzielen.

Aktuelle Veröffentlichung zu diesem Thema:

L. Soldi, W. Ferstl, S. Löbbecke, R. Maggi, C. Malmassari, G. Sartori, S. Yada, Use of immobilized organic base catalysts for continuous-flow fine chemical synthesis, Journal of Catalysis 2008, 258, 289-295

 

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Chemische Modifikation von Glasoberflächen: von hydrophil bis superhydrophob  

Kovalente Anbindung von organischen Katalysatoren auf Glassubstraten

 

         
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