Mikrostrukturen und Ultraschall 鈥� eine vielversprechende Kombination
Mikrostrukturreaktoren verf眉gen 眉ber ein kleines internes Volumen sowie 眉ber ein gro脽es Verh盲ltnis von Oberfl盲che zu Volumen. Kurze Diffusionswege und gro脽e Phasengrenzfl盲chen k枚nnen zudem den Stoff颅transport erh枚hen. Diese speziellen Eigenschaften sorgen in Mikroreaktoren f眉r eine rasche und effektive Durchmischung in Mehrphasensystemen. Durch eine Kombination mit der Ultraschalltechnik kann dieser Effekt intensiviert und eine Mehrphasenreaktion schneller und mit h枚heren Ausbeuten durchgef眉hrt werden.
Ziel dieses Projektes war deshalb die Entwicklung eines neuartigen ultra颅schall颅ge颅st眉tz颅ten fl眉s颅sig/fl眉ssig-Zweiphasenprozesses, der durch intensiveren Energie颅ein颅trag h枚here Durch颅s盲tze erlaubt. Dar眉ber hinaus wurde der Einfluss von Mikro颅struk颅tur颅para颅me颅tern (z.B. Kanal颅innen颅durch颅messer, Mate颅rial) auf den Ultra颅schall颅eintrag untersucht.
Dazu wurde eine Anlage mit Mikrostrukturen und Ultraschalleintrag entwickelt, gebaut und getestet. Wesentliche Merkmale sind dieser Anlage sind:
- der flexible Auf颅bau
- eine gute Tem颅pe颅ratur颅kontrolle,
- che颅mi颅sche Inertheit der medien颅be颅netz颅ten Bau颅teile
- der indirekte Ultraschalleintrag 眉ber ein druck颅be颅auf颅schlagtes 脺bertragungsmedium, der einen intensiveren, re颅pro颅du颅zier颅baren Ener颅gie颅ein颅trag in die Mikrostruktur bei ge颅ring颅er Be颅lastung des Materials gew盲hrleistet.
Laser颅mes颅sungen wurden durch den Projektpartner JTT durchgef眉hrt, um die Position der Mikro颅struk颅tu颅ren im Druckbeh盲lter zu opti颅mie颅ren. Anschlie脽end haben wir den Einfluss des Ultra颅schall颅ein颅trags auf ein zweiphasiges System (Tolu颅ol/Was颅ser) in einem Mikrokanal mit einer Hoch颅ge颅schwin颅dig颅keits颅kamera beobachtet: Blasen mit schwing颅en颅der Ober颅fl盲che sorgen f眉r die Bil颅dung nicht stabiler Emulsionen (Bild 1).
Als Mo颅dell颅reak颅tion zur Quanti颅fi颅zie颅rung des Ultra颅schall颅ein颅flus颅ses diente die Hydrolyse von p鈥慛颈迟谤辞颅辫丑别苍测濒颅补肠别迟补迟 (Bild 2). Diese Esterspaltung wurde bereits von Wirth et al.[1a] im Ultra颅schall颅bad bei einem maximalen Durchsatz von 0,0004 mmol/min untersucht. F眉r die konti颅nuier颅liche Pro颅zess颅f眉hrung ohne und mit Ultra颅schall颅eintrag wurden Mikro颅struk颅turen aus ver颅schie颅de颅nen Mate颅rialien (PTFE, PEEK, Glas) mit vari颅ieren颅den Kanal颅innen颅durch颅mes颅sern (ID) eingesetzt (Bild 3) PTFE-Schl盲uche eig颅ne颅ten sich am besten. Als Ergebnis der Ultraschalluntersuchungen zeigte sich: Ge颅gen颅眉ber der Pro颅zess颅f眉hrung ohne Ultra颅schall konnte die Ausbeute bei einem Durch颅satz von 0,0125聽mmol/min um einen Faktor von 7 ge颅stei颅gert wer颅den (250聽s Verweilzeit, ID聽2,4聽mm) (Bild 4). Pro颅jekt颅begleitende 枚kobilanzielle Bewertungen der Universit盲t Jena ergaben ein verringertes Um颅welt颅be颅lastungs颅po颅ten颅tial: Zwar erh枚ht sich durch den Ener颅gie颅ein颅trag mittels Ultra颅schall der Energiebedarf, gleichzeitig resultieren aber h枚颅he颅re Reaktionsausbeuten.
Numerische Str枚颅mungs颅simulationen des Projektpartners ASD GmbH haben zum Ver颅st盲nd颅nis der ablaufenden Pro颅zesse im Mikrokanal beigetragen. Mo颅delle und Ex颅pe颅ri颅mente lieferten stets gute 脺ber颅ein颅stim颅mungen. Auf Basis der Modelle konnte die Pha颅sen颅grenz颅fl盲che zwischen Wasser und To颅lu颅ol in ver颅schie颅de颅nen Mikro颅strukturen be颅stimmt werden.
Projektpartner:
Leibniz鈥揑nstitut f眉r Katalyse e.V. an der Universit盲t Rostock (LIKAT)
Au脽enstelle Berlin
Richard鈥揥illst盲tter鈥揝tr. 12
12489 Berlin
Dr. Sandra H眉bner
Dr. habil. Klaus J盲hnisch
Tel.: (030) 6392 4330
Fax: (030) 6392 4454
sandra.huebner@catalysis.de
Little Things Factory GmbH
Ehrenbergstr. 1
98693 Ilmenau
Alexander Schilling
Tel.: (03677) 465 156
a.schilling@ltf-gmbh.de
ASD Advanced Simulation & Design GmbH
Erich鈥揝chlesinger鈥揝tr. 50
18059 Rostock
Dr. Catrin Bludszuweit鈥揚hilipp
Tel.: (0381) 4403 270
epost@asd-online.com
JTT 鈥� ingo j盲nich ultraschall+technologien
Goethestr. 22f
16356 Ahrensfelde
Dipl.鈥揑ng. Ingo J盲nich
Tel.: (030) 2023 5025
ingo.jaenich@jtt-ultraschall.de
Friedrich鈥揝chiller鈥揢niversit盲t Jena (Uni Jena)
Institut f眉r Technische Chemie und Umweltchemie (ITUC)
Lessingstr. 12
07743 Jena
Dr. Dana Kralisch
Tel.: (03641) 948457
dana.kralisch@uni-jena.de
AZ 25836