Chemische Fabriken, klein wie Streichholzschachteln - das sind so genannnte "Mikroreaktoren". Chips aus Glas, Kunststoff oder Metall, auf denen Kanäle laufen von teils nur wenigen Haaresbreiten. Sie münden in Reaktions- und Mischkammern, die nur Mikro- oder gar Nanoliter von Chemikalien fassen - also gerade mal ein paar Millionstel Liter. Das hat viele Vorteile, sagt Volker Hessel vom Institut für Mikrotechnik in Mainz.
"Sie beeinflussen dadurch viele verfahrenstechnische Grundoperationen: Mischen, Wärmetausch - also das Aufwärmen und das Kühlen von Substanzen, Das geht so weit, dass Sie durch die Kleinheit sogar vormalig explosive Gemische ganz sicher handhaben können."
Denn da immer nur kleinste Chemikalienmengen reagieren, lassen sie sich äußerst präzise kontrollieren: Temperatur und Konzentration der Stoffe aber auch wie schnell sich die Reaktionspartner mischen. Hessel:
"Wir reden da von einer neuartigen Chemie. Es sind Prozesse, wo wir Temperaturen verwenden, die bis zu 200 Grad höher sind, bei sehr hohen Drücken, 50 bis 100 bar und auch darüber, und dann können Reaktionen, die vormals Stunden, teilweise Tage dauerten, innerhalb von einer Sekunde erfolgen."
Darum glaubt der Forscher, dass Mikroreaktoren längst reif sind für die chemische Produktion im großen Maßstab. Schon jetzt gibt es industrielle Bauteile wie "Mikro"-Mischer oder "Mikro"-Wärmetauscher, in denen Hunderte oder Tausende der kleinen Kanäle für besonders hohen Durchsatz sorgen. Damit würden Industrie-Anlagen nicht nur profitabler, sondern auch umweltfreundlicher: Weil alles genau dosierbar ist, fallen auch weniger giftige Nebenprodukte an. Die Experten, die momentan im thüringischen Ilmenau über die Zukunft der neuen Mikrolabortechnik diskutieren, betonen eins immer wieder: Der Einsatz der Mini-Technologie ist extrem vielfältig. Wie sie auch für die Forschung im Labor nützlich ist, zeigte Jörg Wagner von der Technischen Universität Ilmenau. Er hat im Mikroreaktor Nanopartikel aus Gold hergestellt:
"Der Vorteil gegenüber der Synthese im Kolben ist, dass wir sehr schmale Größenverteilungen erreichen können, das heißt: Die einzelnen Partikel unterscheiden sich in ihrer Größe und ihrer Form nicht sehr voneinander."
Rührt man die selben Zutaten wie üblich im großen Kolben an, ergeben sich zwar auch Nanopartikel. Aber in verschiedenen Größen, weil die Mischung nicht fein genug ist. Und das nützt wenig. Denn um etwa zu erforschen, wie die Metallteilchen als chemische Katalysatoren wirken - also Reaktionen beschleunigen - muss man genau wissen, wie groß jedes von ihnen sind. Mit dem Mikroreaktor sind sie unter Standard-Bedingungen immer gleich herstellbar. Wagner:
"Wenn ich allerdings meine Reaktanden in zwei Spritzen habe, die durch eine Pumpe mit einer bestimmten Flussrate durch die immer gleiche Geometrie des Reaktors zueinander finden, dann ist die Einstellung der Reaktionsbedingungen doch sehr reproduzierbar."
Die exakte Kontrolle über wenige Nanoliter ist auch für die Biotechnologie nützlich. Josef Metze vom Institut für Bioprozess - und Analysemesstechnik in Heiligenstadt ist es sogar gelungen, im Mikroreaktor lebende Organismen zu bearbeiten. Das funktioniert auf einem Chip mit eigens dafür entworfenem Kanalsystem. Metze:
"Wo in dem Hauptkanal sich ein Träger befindet, und über einen Seitenkanal wird eine Kulturflüssigkeit mit den Mikroorganismen dosiert dazugegeben. So dass ich über eine spezielle Düse kleine Blasen - man kann auch sagen, das sind kleine Bioreaktoren - in den Trägerstrom einbringen - Sie müssen sich das so vorstellen, dass jeder Organismus sich dann in einem Mikro-Bioreaktor befindet, und hier kann er sich entfalten."
Wie auf einer Perlenkette sind im Minikanal kleine Flüssigkeitstropfen aufgereiht, in denen einzelne Organismen leben. Viele Hundert oder Tausend davon kann man so voneinander trennen und einzeln heranreifen lassen. Um sie schließlich ohne großen Aufwand systematisch zu untersuchen. Ob in der Biotechnologie, der chemischen Synthese, oder der Erforschung neuer Materialien - einige Forscher sind bereits heute sicher: Für die Chemie wird der Mikroreaktor der Glaskolben des 21. Jahrhunderts.
"Sie beeinflussen dadurch viele verfahrenstechnische Grundoperationen: Mischen, Wärmetausch - also das Aufwärmen und das Kühlen von Substanzen, Das geht so weit, dass Sie durch die Kleinheit sogar vormalig explosive Gemische ganz sicher handhaben können."
Denn da immer nur kleinste Chemikalienmengen reagieren, lassen sie sich äußerst präzise kontrollieren: Temperatur und Konzentration der Stoffe aber auch wie schnell sich die Reaktionspartner mischen. Hessel:
"Wir reden da von einer neuartigen Chemie. Es sind Prozesse, wo wir Temperaturen verwenden, die bis zu 200 Grad höher sind, bei sehr hohen Drücken, 50 bis 100 bar und auch darüber, und dann können Reaktionen, die vormals Stunden, teilweise Tage dauerten, innerhalb von einer Sekunde erfolgen."
Darum glaubt der Forscher, dass Mikroreaktoren längst reif sind für die chemische Produktion im großen Maßstab. Schon jetzt gibt es industrielle Bauteile wie "Mikro"-Mischer oder "Mikro"-Wärmetauscher, in denen Hunderte oder Tausende der kleinen Kanäle für besonders hohen Durchsatz sorgen. Damit würden Industrie-Anlagen nicht nur profitabler, sondern auch umweltfreundlicher: Weil alles genau dosierbar ist, fallen auch weniger giftige Nebenprodukte an. Die Experten, die momentan im thüringischen Ilmenau über die Zukunft der neuen Mikrolabortechnik diskutieren, betonen eins immer wieder: Der Einsatz der Mini-Technologie ist extrem vielfältig. Wie sie auch für die Forschung im Labor nützlich ist, zeigte Jörg Wagner von der Technischen Universität Ilmenau. Er hat im Mikroreaktor Nanopartikel aus Gold hergestellt:
"Der Vorteil gegenüber der Synthese im Kolben ist, dass wir sehr schmale Größenverteilungen erreichen können, das heißt: Die einzelnen Partikel unterscheiden sich in ihrer Größe und ihrer Form nicht sehr voneinander."
Rührt man die selben Zutaten wie üblich im großen Kolben an, ergeben sich zwar auch Nanopartikel. Aber in verschiedenen Größen, weil die Mischung nicht fein genug ist. Und das nützt wenig. Denn um etwa zu erforschen, wie die Metallteilchen als chemische Katalysatoren wirken - also Reaktionen beschleunigen - muss man genau wissen, wie groß jedes von ihnen sind. Mit dem Mikroreaktor sind sie unter Standard-Bedingungen immer gleich herstellbar. Wagner:
"Wenn ich allerdings meine Reaktanden in zwei Spritzen habe, die durch eine Pumpe mit einer bestimmten Flussrate durch die immer gleiche Geometrie des Reaktors zueinander finden, dann ist die Einstellung der Reaktionsbedingungen doch sehr reproduzierbar."
Die exakte Kontrolle über wenige Nanoliter ist auch für die Biotechnologie nützlich. Josef Metze vom Institut für Bioprozess - und Analysemesstechnik in Heiligenstadt ist es sogar gelungen, im Mikroreaktor lebende Organismen zu bearbeiten. Das funktioniert auf einem Chip mit eigens dafür entworfenem Kanalsystem. Metze:
"Wo in dem Hauptkanal sich ein Träger befindet, und über einen Seitenkanal wird eine Kulturflüssigkeit mit den Mikroorganismen dosiert dazugegeben. So dass ich über eine spezielle Düse kleine Blasen - man kann auch sagen, das sind kleine Bioreaktoren - in den Trägerstrom einbringen - Sie müssen sich das so vorstellen, dass jeder Organismus sich dann in einem Mikro-Bioreaktor befindet, und hier kann er sich entfalten."
Wie auf einer Perlenkette sind im Minikanal kleine Flüssigkeitstropfen aufgereiht, in denen einzelne Organismen leben. Viele Hundert oder Tausend davon kann man so voneinander trennen und einzeln heranreifen lassen. Um sie schließlich ohne großen Aufwand systematisch zu untersuchen. Ob in der Biotechnologie, der chemischen Synthese, oder der Erforschung neuer Materialien - einige Forscher sind bereits heute sicher: Für die Chemie wird der Mikroreaktor der Glaskolben des 21. Jahrhunderts.