Projektschwerpunkte

Reaktions- und Prozesstechniken

Gezielte Variation der ZIF-8 Morphologie bei der Herstellung in kontinuierlich betriebenen Mikroreaktionsprozessen (MeOH 1 µm)
© Foto Fraunhofer ICT Pfinztal

Gezielte Variation der ZIF-8 Morphologie bei der Herstellung in kontinuierlich betriebenen Mikroreaktionsprozessen (MeOH 1 µm)

Gezielte Variation der ZIF-8 Morphologie bei der Herstellung in kontinuierlich betriebenen Mikroreaktionsprozessen (NH3-H2O 1 µm)
© Foto Fraunhofer ICT Pfinztal

Gezielte Variation der ZIF-8 Morphologie bei der Herstellung in kontinuierlich betriebenen Mikroreaktionsprozessen (NH3-H2O 1 µm)

Gezielte Variation der ZIF-8 Morphologie bei der Herstellung in kontinuierlich betriebenen Mikroreaktionsprozessen (NH3-MeOH 200 nm)
© Foto Fraunhofer ICT Pfinztal

Gezielte Variation der ZIF-8 Morphologie bei der Herstellung in kontinuierlich betriebenen Mikroreaktionsprozessen (NH3-MeOH 200 nm)

Die Herstellung von MOF-Substanzen inklusive Synthese und Downstream-Processing muss sowohl für die Integration in ein industrielles Umfeld reaktions- und verfahrenstechnisch als auch ökonomisch fortentwickelt werden. Dabei spielen Synthesekapazitäten, Ausbeuten, Rohstoff- und Energiekosten, Sicherheit und Ökobilanz eine zentrale Rolle. Zudem müssen Herstellungsstrategien entwickelt werden, die eine möglichst flexible Bereitstellung von MOF-Substanzen im technischen Maßstab ermöglichen.

Der kommerzielle Zugang zu MOF-Substanzen und ihre mengenmäßige Verfügbarkeit stellen gegenwärtig entscheidende Hürden für die weitere Anwendungserprobung dieser vielversprechenden Substanzklasse dar. Im Rahmen des MOF2market-Projektes widmet sich das Fraunhofer ICT deshalb den dringlichen Fragen zur reaktions- und verfahrenstechnischen Optimierung von MOF-Synthesen, deren Aufskalierung sowie zur wirtschaftlichen Herstellung von MOF-Substanzen. Dabei spielen Synthesekapazitäten, Ausbeuten, Rohstoff- und Energiekosten, Sicherheit und Ökobilanz eine zentrale Rolle. Zudem müssen Herstellungsstrategien entwickelt werden, die eine möglichst flexible Bereitstellung von MOF-Substanzen im technischen Maßstab ermöglichen.

Die Arbeiten bilden eine wichtige Voraussetzung, um MOF-Materialien für die Herstellung von Demonstratoren und Halbzeugen verfügbar zu machen und damit die MOF-Forschung von den akademischen Grundlagen zu erfolgreichen Anwendungen mit nachhaltigem industriellem Interesse zu überführen.

Für die Synthese unterschiedlicher MOF-Substanzen wird konsequent von einer bis dato diskontinuierlichen Batch-Herstellung auf kontinuierliche Prozessfahrweisen umgestellt. Dies erlaubt – unterstützt durch mikroverfahrenstechnische Komponenten – eine wesentlich genauere Kontrolle über Massentransport und Verweilzeitcharakteristik als in herkömmlichen Batch-Reaktoren. Über mehrere Entwicklungszyklen gelang bislang eine signifikante Prozessoptimierung sowohl im Hinblick auf Durchsatz und Produktqualität als auch Herstellungskosten. Typische Synthesekapazitäten liegen gegenwärtig im kg/d Bereich, die entsprechenden Herstellungskosten liegen bei < 1€/g.

Mit dem kontinuierlichen Syntheseansatz in mikrofluidischen Strukturen wurde bewusst ein skalierbares Reaktorkonzept gewählt. Durchsatzsteigerungen werden durch entsprechende Parallelisierung von Reaktionssträngen unter Erhalt der gewählten Dimensionierungen und damit unter Erhalt von optimierten Stoff- und Wärmetransportbedingungen sowie optimiertem Verweilzeitverhalten realisiert. Ein klassisches Problem bei der Aufskalierung von Batch-Prozessen, nämlich die veränderten Oberflächen- und Volumenverhältnisse, wird damit umgangen.

Darüber hinaus ermöglicht die kontinuierliche Prozessführung in Mikroreaktoren durch Variation der Reaktions- und Prozessbedingungen eine gezielte Beeinflussung der mikroskopischen (Kristallform, Partikelgröße) und makroskopischen Morphologie von MOF-Verbindungen – und bietet damit Zugang zu maßgeschneiderten Produkten.