Team 3

Chemische Beschleuniger im Turbotest – neue Katalysatoren eröffnen Energieoptionen

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu
ihren nominierten Projekten

Raffinierte Lösungen für unsere Energieprobleme kommen oft aus einer Quelle, die öffentlich kaum diskutiert wird – aus der Katalyseforschung. Denn Katalysatoren helfen Energie zu sparen und neue Energiequellen zu erschließen. Sie beschleunigen chemische Reaktionen, indem sie die Energie reduzieren, mit der fast jede chemische Umwandlung angeschoben werden muss. Manche chemische Umwandlung wäre ohne sie sogar unmöglich oder würde vor allem Produkte liefern, auf die es Chemiker nicht abgesehen haben.

Um das 10- bis 100fache schneller und auch deutlich kostengünstiger lassen sich neue, effizientere Katalysatoren mit der Innovation von Ferdi Schüth und den Wissenschaftlern der hte AG um Dirk Demuth und Wolfram Stichert identifizieren. Ihre Technologieplattform ermöglicht Tests im Hochdurchsatzverfahren, sodass auch ein kleines Team jährlich viele tausend solcher chemischen Beschleuniger untersuchen kann. Ohne bringt es selbst ein großes Labor nur auf einige hundert – wenn es gut läuft. So nutzen heute fast alle petrochemischen Unternehmen die Methode, um Katalysatoren maßzuschneidern, mit denen sich aus einem Barrel Erdöl mehr Treibstoff und Ausgangssubstanzen für Arzneimittel, Farben oder Kunststoffe gewinnen lassen. Oder die es ermöglichen, Erdöl geringerer Qualität, wie es etwa aus Ölsanden stammt, überhaupt zu nutzen. Zudem sucht sich die Industrie mit dem Verfahren katalytische Unterstützung, um Erdgas in flüssige Treibstoffe zu verwandeln oder um Kraftstoffe und wertvolle chemische Grundstoffe aus Biomasse, möglicherweise sogar aus Holzresten oder Stroh, zu erzeugen. Die Entwicklung hat aber auch bereits geholfen, den Anteil des teueren Edelmetalls Platin in Autokatalysatoren zu senken, und Treibstoffe wirkungsvoller zu entschwefeln.

Parallele Tests hielt kaum einer für möglich
Drastisch verkürzt haben Ferdi Schüth und seine Kollegen in der hte AG die Suche nach Katalysatoren, indem sie die Tests Ende der 1990er-Jahre parallelisierten und automatisierten. Auch einige akademische Gruppen sowie ein amerikanisches Unternehmen, dessen Technik aber weiter von der industriellen Realität entfernt und deshalb am Ende nicht so erfolgreich war, verfolgten zu der Zeit diese Idee. Schließlich optimierte die pharmazeutische Industrie mit Hochdurchsatzverfahren damals schon seit längerem die Synthese von Wirkstoffen. Die meisten Fachleute bezweifelten aber, dass sich dieses Prinzip auf die Katalysatorforschung übertragen ließe. Denn Arzneiwirkstoffe werden fast immer bei Temperaturen von unter 100 Grad Celsius und schwachen Drücken hergestellt. Zudem laufen die Synthesen in geschlossenen Gefäßen ab, in denen sich die Bedingungen leicht kontrollieren lassen, zumal die Reaktionen hier meist nur wenige Stunden dauern.

Experimente unter harschen Bedingungen
Katalyseforscher testen ihre Kandidaten dagegen meist bei Drücken, die den Atmosphärendruck um ein Vielfaches übersteigen, sowie bei Temperaturen von rund 500 Grad, manchmal sogar bei bis zu 1000 Grad. Und während der Reaktion wird oft noch zusätzliche Wärme frei. Zudem müssen sich Katalysatoren meist im Durchfluss bewähren. Das heißt, die oft sehr korrosiven Reaktionspartner strömen flüssig oder gasförmig kontinuierlich durch das Reaktionsbett – und das oft über Wochen. Unter diesen Umständen in allen Reaktoren eines parallelisierten Systems einheitliche Bedingungen zu garantieren, schien den meisten Fachleuten unmöglich. Dazu kommt noch die Analytik. Pharmazeuten können nach der Synthese einfach eine Probe entnehmen und die Produkte analysieren. Katalyseforscher kommen meist nur zu industriell relevanten Ergebnissen, wenn sie das Geschehen im Reaktor quasi live verfolgen und in sehr kurzer Zeit auch komplexe Reaktionsgemische verlässlich analysieren.

Überdies bezweifelte die Industrie grundsätzlich, dass Ihr parallelisierte Tests bei der Suche nach Katalysatoren helfen könnten. Denn Parallelisierung hieß bis dato auch immer Miniaturisierung – in der pharmazeutischen Industrie ein willkommener Effekt: Sie kommt schon mit winzigen Substanzmengen zu aussagekräftigen Ergebnissen, nicht zuletzt weil sie auch in der Produktion höchstens im Kilomaßstab arbeitet, und spart sogar noch Chemikalien.

In der Katalyseforschung kommt es jedoch darauf an, von Anfang an relativ nah an den Bedingungen industrieller Prozesse zu arbeiten. Das heißt vor allem, dass die Probenmengen nicht zu klein sein dürfen: Durch eine Messerspitze Katalysatormaterial strömen die Ausgangsstoffe schlicht ganz anders als durch einen tonnenschweren Haufen.

Von Anfang an nah am industriellen Prozess
Ferdi Schüth und seine Kollegen der hte AG ließen sich durch die anfängliche Skepsis nicht irritieren und überzeugten 1999 auch die BASF AG von ihrem Konzept. Das Unternehmen ging mit dem gerade als GmbH gegründeten Start-up einen Entwicklungsvertrag ein und stellte den Forschern für fünf Jahre 16 Millionen Euro zur Verfügung. Kurz darauf folgte ein Vertrag mit dem Ölkonzern Chevron, der 4,4 Millionen Euro dazuschoss.

Mit dem Startkapital entwickelten die Forscher das Reaktorsystem, das im Prinzip zwar wie pharmazeutische Hochdurchsatzverfahren funktioniert, in jedem technischen Detail aber völlig anders gestaltet ist. Schüth und die Forscher der hte AG setzen zu manchen Testzwecken gleich einige Gramm Substanz ein und gestalten die Tests so, dass ihre Ergebnisse auch für großtechnische Prozesse aussagekräftig sind. So wählen sie industriell relevante Trägermaterialien und berücksichtigen, ob der Katalysator am Ende als Pulver oder Pellet zum Einsatz kommt. Zudem stellen sie sicher, dass die Ausgangsstoffe in allen Reaktoren genau für die gleiche Zeit und etwa so lange wie im industriellen Prozess Kontakt zu den Katalysatoren haben. Die Materialien für die Reaktorrohre passen die Forscher dabei jeweils der Reaktion an, damit sie den aggressiven Bedingungen und Chemikalien standhalten.

Automatische Analyse der Produkte
Bis zu 48 dieser einzelnen Reaktoren schalten sie heute typischerweise parallel, möglich sind sogar mehrere 100. Damit alle dieselbe Temperatur annehmen, heizen die Forscher die Rohre in Blöcken aus einer extrem wärmeleitfähigen Legierung, manchmal packen sie jeden einzelnen Reaktor in eine Heizung. Die gasförmigen oder flüssigen Ausgangsstoffe schicken sie über eine gemeinsame Zuleitung in die Reaktoren. Wenn nötig, steuern automatisierte Ventile die einzelnen Rohre aber auch nacheinander an.

Als besonders knifflig erwies sich die Analytik, die den Forschern verrät, ob ein Katalysator aktiv ist, und ob er auch das tut, was er soll. Wie schnell sich die Prozesse in den einzelnen Reaktoren, entscheidet letztlich darüber, wie rasch die Suche nach den effizienten Katalysatoren insgesamt läuft. Daher fängt ein System mit eigens entwickelten Ventilen automatisch die gasförmigen Produkte aus jedem einzelnen Reaktor auf, während ein Roboterarm die Reaktoren abfährt und flüssige Produkte abzapft.

Mit welcher Methode das System die Produkte anschließend analysiert, hängt davon ab, was die Chemiker im Voraus über die Reaktion wissen. Oft haben sie schon eine recht gute Vorstellung, was im Reaktor passieren wird. Dann bestimmen sie die Produkte mit einem Gaschromatografen, den sie auf die erwarteten Substanzen kalibrieren. Rechnen sie dagegen mit vielen und möglicherweise unerwarteten Nebenprodukten, schalten sie zusätzlich ein Massenspektrometer hinter den Gaschromatografen. Manchmal klären sie die Zusammensetzung im Produktmix aber auch mit ausgefalleneren Methoden, die etwa speziell auf Schwefel- oder Stickstoffverbindungen ansprechen.

Filter für die Datenflut
Für einen sinnvollen Parallelbetrieb mussten die Forscher der hte AG schließlich automatische Verfahren entwickeln, um die gemessenen Daten auszuwerten. Davon fallen in jedem Projekt gleich mehrere Terabyte an. Daher entwerfen bei der hte AG alleine 18 Software-Entwickler die Programme, die aus dieser Flut herausfiltern, was die Chemiker wirklich wissen wollen.

Die Messergebnisse des Reaktorsystems sind dabei inzwischen so aussagekräftig wie Daten aus Pilotanlagen. Nicht zuletzt deshalb, weil die hte AG das System mit zahlreichen existierenden Modulen und speziellen Entwicklungen auf den individuellen Bedarf eines Kunden anpasst. Denn jeder industrielle Prozess findet unter eigenen Rahmenbedingungen statt. Je eher sich diese berücksichtigen lassen, desto kürzer die Entwicklungszeit für einen neuen Katalysator. Neben individuell zugeschnittenen Reaktorsystemen bietet die hte AG die Suche nach einem Katalysator als Dienstleistung an. Zu diesem Zweck nutzt sie in verschiedenen Systemen alle Möglichkeiten, die ihre Plattform bietet.

160 Arbeitsplätze mit Potenzial für Wachstum
Wie erfolgreich die hte AG mit dem Konzept von Ferdi Schüth, Dirk Demuth und Wolfram Stichert fuhr, zeigt sich nicht nur darin, dass alle Konkurrenten bald ähnliche Ansätze verfolgten. Dafür stehen auch die wirtschaftlichen Zahlen: Rund 160 Arbeitsplätze sind in dem Unternehmen inzwischen entstanden – für Naturwissenschaftler, Ingenieure und hochqualifizierte Facharbeiter aus Laboratoriumsberufen, der Feinmechanik und Elektronik. Die hte AG, die im Jahr 2008 von der BASF teilweise übernommen wurde, hat in den vergangenen zehn Jahren insgesamt einen Umsatz von 100 Millionen Euro gemacht. Einen großen Teil des Umsatzes realisiert die hte AG dabei im Ausland. Somit verdeutlicht ihr Erfolg, dass High-Tech-Innovationen aus Deutschland nicht nur den Standort selbst stärken, sondern auch zum Exporterfolg der deutschen Wirtschaft beitragen.

Für die Zukunft rechnet das Unternehmen weiterhin mit kräftigem Wachstum – sowohl, was die Zahl der Mitarbeiter angeht, als auch in puncto Umsatz und Gewinn. Denn die fossilen Energieträger werden immer knapper und der Klimawandel immer bedrohlicher. Die effiziente Suche nach Katalysatoren, die aus fossilen Rohstoffen mehr rausholen und alternative Energieträger erschließen, wird daher in Zukunft noch wichtiger. Überdies wollen die Forscher das Hochdurchsatzprinzip auf andere Bereiche anwenden und entwickeln die Plattform daher ständig weiter – etwa um nach leistungsfähigen Energiespeichern zu suchen. Dass sie dabei vielleicht noch häufiger auf hohe Hürden und hartnäckige Zweifel stoßen, dürfte die Forscher kaum schrecken – die haben sie schon mehrfach überwunden.

Über die hte Aktiengesellschaft, Heidelberg
Die hte Aktiengesellschaft ist ein führender Anbieter von Technologielösungen und Dienstleistungen für Kunden im Energie-, Raffinerie-, Chemie- und Umweltsektor. Durch das hte-Angebot wird die Forschung und Entwicklung im Bereich der heterogenen Katalyse wesentlich schneller und produktiver. Als zuverlässiger Partner auf dem Gebiet der Hochdurchsatzforschung bietet die hte umfangreiche Expertise, unterstützt durch komplementäre Produkte und Dienstleistungen: 1) Technologie-Lösungen – maßgeschneiderte, integrierte Hard- und Softwaresysteme, schlüsselfertig beim Kunden installiert; 2) F&E-Lösungen – Durchführung von Forschungskooperationen am hte-Standort in Heidelberg. Mit ihren hochwertigen Leistungen hilft die hte ihren Kunden bei der Suche nach Lösungen in globalen Herausforderungen wie Umwelt- und Klimaschutz, sowie Energieeffizienz und Mobilität. hte – the high throughput experimentation company.

Über das Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr
Das Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr ist mit fast hundert Jahren eines der ältesten Institute der Max-Planck-Gesellschaft. Die Forschung des Instituts, vorangetrieben von über 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, konzentriert sich auf die Erforschung energie- und ressourcenschonender chemischer Umwandlungen, wobei die Katalyse in all ihren Facetten im Zentrum der Arbeiten steht. Die Max-Planck-Gesellschaft betreibt Spitzenforschung im Bereich der Grundlagenforschung; dennoch sind aus dem MPI für Kohlenforschung immer wieder auch wichtige technologische Impulse hervorgegangen, so die Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung von Kraftstoffen aus Kohle, Gas oder Biomasse, die Ziegler-Katalysatoren zur Herstellung der wichtigsten Massenkunststoffe, die Entkoffeinierung von Kaffee und jüngst die Entwicklung von Hochdurchsatzmethoden in der Katalyseforschung.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Chemische Beschleuniger im Turbotest – neue Katalysatoren eröffnen Energieoptionen“ wurde von der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. gemeinsam mit der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina und dem Innovationspreis NRW vorgeschlagen.